[論文レビュー] MARS Code Developments

N. Mokhov, S. Striganov+4 more|ArXiv.org|Dec 15, 1998

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 14被引用数 32

ひとこと要約

本稿は、1 MeV–100 TeVのエネルギー範囲で複雑な媒体内におけるハドロンおよび電磁カスケードをシミュレートするMARSモンテカルロコードにおける顕著な進展を提示している。新規の核断面積ライブラリ、パイオン生成およびミューオン吸収の改善モデル、および強化された電磁相互作用処理を含む。更新されたmars13(98)コードは、広いエネルギー範囲（1 MeV–100 TeV）において実験データと良好な一致を示し、加速器遮蔽および検出器設計応用分野における信頼性を裏付けている。

ABSTRACT

Recent developments in the physical model of 1 MeV to 100 TeV hadron and lepton interactions with nuclei and atoms are described. These include a new nuclear cross section library, a model for soft pion production, the cascade-exciton model, the dual parton model, deuteron-nucleus and neutrino-nucleus interaction models, detailed description of muon, pion, and antiproton absorption and a unified treatment of muon and charged hadron electromagnetic interactions with matter. New algorithms are implemented into the MARS13(98)} Monte Carlo code and benchmarked against experimental data. The code capabilities to simulate cascades and generate a variety of results in complex media have been also enhanced.

研究の動機と目的

• 1 MeV–100 TeVの広いエネルギー範囲にわたり、ハドロンおよびレプトンの物質中での物理的モデル化を向上させること。
• 新しいコンピレーションおよび理論的フレームワークを用いて、ハドロン-核および光子-核反応の核断面積の精度を高めること。
• 高エネルギーハドロン相互作用におけるソフトパイオン生成、カスケード・エキシソン、およびデュアル・パートンダイナミクスのための高度なモデルの開発および実装。
• ミューオンおよび荷電ハドロンの電磁相互作用処理を統合的かつ洗練させること。これにはエネルギー損失およびブレムストラールングが含まれる。
• スコアリング、幾何処理、およびMCNPやANSYSといった他のシミュレーションツールとの統合能力を拡張し、複雑な工学的応用に適応させること。

提案手法

• 1 MeVから100 TeVのハドロン（p, n, π±, K±, p̄）のための、Cascade-Exciton Model（CEM）の改良されたパラメータ化およびデータコンピレーションを用いた新規核断面積ライブラリの実装。
• 高エネルギー領域における全断面積、非弾性断面積、弾性断面積の計算に、核子密度分布（フェルミ型）を用いたGlauber多重散乱理論を適用。
• 横運動量に弱く、ビームおよびパイオン運動量に中程度に依存する比関数 R^{pA→π±X} を用いた、pA衝突におけるパイオン生成の新規現象論的モデルの導入。
• 正確な公式と1%以内で一致する全断面積およびdE/dxの簡略化アルゴリズムに、複雑なミューオンブレムストラールング形式を置き換え。
• Bhabhaの公式によるδ電子エネルギーサンプリングおよび制限付きエネルギー損失計算を用いて、電磁相互作用モデルを強化。
• 低エネルギー中性子および光子輸送のための自動MCNPインターフェースの統合、および柔軟なスコアリングを可能にするオブジェクト指向幾何およびメッシュベースのヒストグラム処理の導入。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 MeV–100 TeVのエネルギー範囲で、ハドロン-核反応の全断面積および微分断面積の精度をどのように向上させることができるか？
• RQ2 新規の現象論的パイオン生成モデルが、pA衝突における前向きおよび後向き半球の実験データをどの程度正確に再現するか？
• RQ3 ミューオンおよび荷電ハドロンの更新済み電磁相互作用モデルは、実験的エネルギー損失および角度分布データとどの程度一致するか？
• RQ4 MARS13(98)コードは、スコアリングおよび物質組成処理の向上を伴い、複雑で不均一な媒体内でのカスケードを信頼性高くシミュレートできるか？
• RQ5 中性子減衰および線量計算を含むベンチマークシナリオにおいて、MARS13(98)の性能はGEANT、MCNP、FLUKAなどの既存コードと比較してどの程度か？

主な発見

• pA衝突におけるパイオン生成の新規モデルは、全運動量領域で実験データと良好な一致を示し、特にパイオン運動量が0.5–5 GeV/cの困難な領域で顕著な一致を示している。
• 8 GeV/cのプロトンビームを用いた厚さのある lead 目標からのパイオンスペクトルについてのMARS13(98)シミュレーションは、実験データと合理的に一致しており、低運動量領域ではGEANTを上回る性能を示している。
• Li吸収体（50 cmおよび150 cm）を通過した後のミューオンエネルギースペクトルおよび角度分布は、MARS13(98)によって計算された結果がGEANTおよびICoolの結果と密接に一致しており、新規電磁相互作用モデルの妥当性が裏付けられている。
• 簡略化されたミューオンブレムストラールングアルゴリズムは、全断面積およびdE/dxの両方において正確な形式と1%以内で一致し、計算コストを削減しつつ高い精度を維持している。
• SATIF-4データに対するベンチマークでは、MARS13(98)はコンクリート中の中性子減衰（100–400 MeV）および組織同等プローブにおける吸収線量（0.1–10 GeV）において、HETC、ANISN、MCNPなどの他のコードと優れた一致を示している。
• MCNPへの自動インターフェースにより、低エネルギー中性子および光子輸送が正確にシミュレート可能となり、新規物質処理手法により均質化処理の必要性がなくなり、シミュレーションの忠実性が向上した。