[論文レビュー] LHC results and hadronic interaction models

S. Ostapchenko|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、LHCラン1のデータが高エネルギー宇宙線衝突モデルに与える影響を評価し、特にシャワー最大深さ（$X_{\max}$）とミューオン含有量の予測における乖離に焦点を当てる。差異の原因は、とりわけソフトおよび微分的相互作用のモデル化に起因する理論的アプローチの違いに起因しており、中央および前方検出器の相関関係や$X^\mu_{\max}$観測を介した、将来的なLHCおよび宇宙線測定によってモデルを区別できると提言する。

ABSTRACT

The present status of high energy cosmic ray interaction models is discussed, concentrating on recent model updates inspired by the data from Run 1 of the LHC. A special attention is devoted to the remaining differences in the model predictions and their relation to the underlying theoretical approaches. Opportunities for the model discrimination by future LHC and cosmic ray experimental studies are analyzed.

研究の動機と目的

• LHCラン1のデータが宇宙線研究のための高エネルギー強子相互作用モデルにどのように制限を加え、改善をもたらしたかを評価すること。
• EPOS-LHC、SIBYLL-2.3、QGSJET-II-04といった代表的なモデル間で依然として顕著な$X_{\max}$予測の差異が生じる理由を特定すること。
• 将来的なLHCおよび宇宙線実験が、強子相互作用における競合する理論的アプローチを区別する可能性を評価すること。
• ピエール・オーギュール観測所のミューオン過剰現象が新しい物理やモデルの妥当性に与える影響を検討すること。
• $X_{\max}$と$X^\mu_{\max}$データの間の矛盾が、推定される宇宙線組成に与える影響を調査すること。

提案手法

• LHCラン1の全断面積および弾性$pp$断面積に関するデータを用いて、主な宇宙線相互作用モデル（EPOS-LHC、SIBYLL-2.3、QGSJET-II-04）の更新版を比較する。
• プロトンおよび鉄核によって駆動される広大な大気シャワーにおける$X_{\max}$および$X^\mu_{\max}$のモデル予測を分析する。
• $X_{\max}$予測の乖離が、非弾性度およびソフト／微分的相互作用の取り扱いの違いに起因することを特定し、特にSIBYLL-2.3のミニジェットアプローチに起因する。
• 地上におけるミューオン密度（$\rho_\mu$）が一次相互作用の多重度の変化にどれほど敏感であるかを評価し、PAOのミューオン過剰を説明するには多重度が10倍増加する必要があると推定する。
• 新しい物理が中央衝突で発現する場合、イベントごとの$\rho_\mu$の揺らぎ（例：$\delta\rho_\mu/\rho_\mu > 100\%$）が、まれな高多重度イベントを検出可能であると提言する。
• LHCの中央（例：CMS）および前方（例：TOTEM、LHCf）検出器間の相関関係が、一部子密度および相互作用ダイナミクスを調べることで、モデルの区別に役立つと提言する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCラン1の制約にもかかわらず、代表的な強子相互作用モデルがなぜ依然として$X_{\max}$予測において顕著な差異を示し続けるのか。
• RQ2 ソフトおよび微分的相互作用の理論的取り扱いの違いが、大気シャワー観測量のモデル予測にどのように影響を与えるか。
• RQ3 将来的なLHCの前方および中央検出器信号の測定が、モデルの不確実性をどの程度解消できるか。
• RQ4 ピエール・オーギュール観測所で観測されたミューオン過剰は、高多重度のプロトン-空気衝突における新しい物理によって説明可能か。
• RQ5 $X_{\max}$と$X^\mu_{\max}$データの間の矛盾が、推定される宇宙線組成に与える影響は何か。

主な発見

• LHCラン1のデータは、$pp$全断面積および弾性断面積に関する不確実性を顕著に低減し、EPOS-LHC、SIBYLL-2.3、QGSJET-II-04の各モデルの主要パラメータを制限した。
• SIBYLL-2.3モデルは、そのミニジェットに基づくアプローチに起因する非弾性度の弱いエネルギー依存性により、最大の$X_{\max}$値を予測する。
• ピエール・オーギュール観測所の$X^\mu_{\max}$データは、EPOS-LHCが予測する大きな微分的寄与およびバリオン-反バリオン対生成を否定する。
• PAOのミューオン過剰を説明するには、一次相互作用の多重度が10倍増加する必要があり、これはインエラスプロトン-空気断面積（$\sim 0.5$バーン）と同等の断面積を持つ極めて推測的な新しい物理機構を示唆する。
• このような機構は、$\rho_\mu$における極端なイベントごとの揺らぎ（$\delta\rho_\mu/\rho_\mu > 100\%$）を生じさせ、地上検出器で検出可能である。
• 依然として存在する$X_{\max}$と$X^\mu_{\max}$データの間の緊張関係は、現在のモデルがパイオン-空気相互作用に調整を要する可能性を示唆しているが、そのような調整は軽い宇宙線組成を好む結果となり、他のPAOの結果と矛盾する。