[論文レビュー] Latest Results from the Air Shower Simulation Programs CORSIKA and CONEX

T. Pierog, R. Engel+3 more|ArXiv.org|Feb 9, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、CORSIKAおよびCONEXを用いた大気シャワーの更新されたシミュレーションを提示しており、新しいバリオン系衝突モデル epos 1.6 および qgsjet II-3 を使用している。その結果、epos は qgsjet II-3 よりも地上でのミューオン生成量を著しく多く予測しており、特に 10^19 eV のプロトンシャワーにおいて、地上 1 km 離れで 30–40% の高いミューオン密度を示す。これは、ピエール・オービエ・オブザーバトリーや他の超高エネルギー宇宙線実験におけるエネルギーおよび組成の再構築に影響を与える。

ABSTRACT

Interpretation of EAS measurements strongly depends on detailed air shower simulations. The uncertainty in the prediction of shower observables for different primary particles and energies is currently dominated by differences between hadronic interaction models. The new models QGSJETII-3 and EPOS 1.6, which reproduce all major results of existing accelerator data (including detailed data of RHIC experiments for EPOS), have been implemented in the air shower simulation programs CORSIKA and CONEX. We show predictions of these new models and compare them with those from older models such as QGSJET01 or SIBYLL. Results for important air shower observables are discussed in detail.

研究の動機と目的

• CORSIKAおよびCONEXにおける大気シャワー（EAS）シミュレーションへの新しいバリオン系衝突モデル epos 1.6 および qgsjet II-3 の影響を評価すること。
• バリオン系モデルの違いが、ミューオン密度、シャワー最大深さ（Xmax）、およびキャロリメトリックエネルギー変換係数といった主要な観測量に与える影響を評価すること。
• 最近の加速器実験データ（RHICの結果を含む）に合わせて調整されたモデルを統合することで、超高エネルギー宇宙線実験におけるシミュレーション精度を向上させること。
• CORSIKAの追跡アルゴリズムとスレート深さ計算の向上により、傾斜角や上向きシャワーのシミュレーションを可能にすること。
• 現代のビルドツール（autoconf/automake）を導入し、FLUKA や HERWIG などの外部コードとのインターフェースを改善することで、シミュレーションインfraのアップデートを行うこと。

提案手法

• epos 1.6 および qgsjet II-3 を、統一されたフレームワークを用いて CORSIKA および CONEX に統合する。
• すべての天頂角（89° を含む）のシャワーに適応するスレート/曲がった深さオプションを備えた改善された粒子追跡を実装する。
• Kokoulin および Bogdanov の研究に基づき、ミューオンのイオン化エネルギー損失に対する Sternheimer 密度補正を組み込む。
• CORSIKA ではシャワーカスケード全体をモンテカルロ法でシミュレートし、CONEX ではモンテカルロサンプリングを用いてカスケード方程式を解く。
• CORSIKA および CONEX のコンパイルと構成を簡素化するため、更新されたビルドシステム（autoconf/automake）を適用する。
• プロトンおよび鉄原子核を主生成粒子とした場合に、ラテラルチェレンコフ信号分布、Xmax、キャロリメトリックエネルギー変換係数を、モデル間で比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しいバリオン系衝突モデル epos 1.6 および qgsjet II-3 は、大気シャワーにおける地上でのミューオン密度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 これらのモデルは、ピエール・オービエ・オブザーバトリーや他の地上検出器に搭載されたものと同様の表面検出器におけるチェレンコフ光のラテラル分布にどのような影響を与えるか？
• RQ3 プロトンおよび鉄原子核を主生成粒子とした場合に、超高エネルギー領域におけるシャワー最大深さ（Xmax）の予測に、これらのモデルはどのように異なるか？
• RQ4 新しいモデルは、キャロリメトリックエネルギーから全初期エネルギーへの変換係数にどの程度の影響を与えるか？
• RQ5 更新されたシミュレーションツール（CORSIKA 6.611 および CONEX）は、傾斜角や上向きシャワーのシミュレーションにおいて、精度と柔軟性をどの程度向上させたか？

主な発見

• 10^19 eV のプロトンシャワーにおいて、epos 1.6 は qgsjet II-3 よりも地上 1 km 離れで 30–40% の高いミューオン密度を予測しており、これはバリオン-反バリオン対生成の増強によるものである。
• 10^19 eV において、epos 1.6 は他のモデルと比較してキャロリメトリックエネルギー変換係数を最大 3.5% 高く示しており、ミューオンおよびニュートリノに保持されるエネルギーがより多いことを示唆している。
• プロトン誘発シャワーにおいて、epos 1.6 は qgsjet II-3 でシミュレートされた鉄誘発シャワーと比較して、地上でのミューオン生成量がより多い。これは、ミューオン生成量と組成に関する従来の仮定に疑問を呈する。
• 10^19 eV まで、プロトンおよび鉄シャワーの平均 Xmax はすべてのモデルで ±20 g/cm² の範囲内に収まるが、epos はこの範囲で qgsjet II-3 よりもわずかに高い延長率（elongation rate）を示している。
• 10^18 eV 未満では、Xmax に基づく推定で qgsjet II-3 は epos よりも重い初期成分を予測するが、10^18 eV を超える領域では、高密度状態の挙動の違いによりこの傾向が逆転する。
• 更新された CORSIKA 6.611 および CONEX バージョンは、極めて傾斜角が 89° のシャワーに対しても、縦方向エネルギー損失プロファイルにおいて優れた一致を示しており、異なるプログラム間の整合性が検証された。