[論文レビュー] Parameterization of the energy and rapidity distributions of secondary pions and kaons produced in energetic proton-proton collisions

Hylke Koers, Pe'er, Asaf+1 more|ArXiv.org|Nov 16, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、1 TeV から 1 PeV のエネルギー範囲における高エネルギー陽子-陽子衝突で生成される二次的パイオンおよびカイオンのエネルギー分布およびラピディティ分布のパラメータ化を、PYTHIA シミュレーションを用いて提示する。この手法により、任意の陽子エネルギーおよび衝突角度における粒子運動態の正確なモデル化が可能となり、1 TeV から 1 PeV の入射エネルギー範囲でシミュレーション結果と約 10% の誤差で一致し、10^11 GeV に達する超高エネルギー領域への外挿も可能である。

ABSTRACT

The possibility of proton acceleration to very high energies in astrophysical sources may have unique observational consequences. In particular, the decay of secondary mesons created in the interaction of energetic protons with photons or nucleons gives rise to high-energy gamma rays and neutrinos with potentially observable fluxes. Recently, there has been considerable interest in the parameterization of the energy spectra of these secondaries. Less attention has been paid to the angular distributions, which may have an important effect on observational quantities and are required to address collisions between protons with different energies and an arbitrary scattering angle. In this work, we study the complete particle distributions of secondary mesons created in proton-proton collisions. We present parameterizations of the energy and rapidity distributions of secondary pions and kaons that reproduce results generated with the event generator PYTHIA to within ~10% in the bulk of the parameter space. The parameterizations are based on incident proton energies from 1 TeV to 1 PeV and are suited for extrapolation to higher energies. We present several applications of these parameterizations. Energy spectra and angular distributions of stable decay products (electrons, neutrinos and gamma rays) follow readily. We give an example of the gamma-ray spectrum that results from the decay of pi0 mesons created in a proton-proton collision. We show that there is a strong correlation between the energy of secondary mesons and the degree of collimation around the direction of the colliding protons. This effect may have important implications for the detection possibility of neutrinos created in the interaction of a developing GRB with its surroundings.

研究の動機と目的

• 高エネルギー陽子-陽子衝突における二次的パイオンおよびカイオンの分布を、エネルギーおよびラピディティの両面から包括的にパラメータ化すること。
• 従来のエネルギースペクトルや静止フレームでの衝突に限定されたパラメータ化を拡張し、一般の散乱幾何における角度（ラピディティ）分布を組み込むこと。
• ガンマ線バーストや超新星残骸などの非等方的または高エネルギー陽子ビームを伴う天体物理学的環境における二次的粒子生成の正確なモデル化を可能にすること。
• 極端な天体物理学的源におけるハドロン的相互作用から生じる高エネルギーニュートリノおよびガンマ線の観測可能フラックスを予測することを支援すること。
• 標準的な静止した標的陽子の仮定を越えて、任意のエネルギーおよび角度を有する陽子同士の衝突に対応できるように、このパラメータ化を一般化すること。

提案手法

• 1 TeV から 1 PeV の入射陽子エネルギー範囲で、PYTHIA イベントジェネレータを用いて陽子-陽子衝突をシミュレートする。
• シミュレートされたイベントから、二次的な荷電および中性パイオンおよびカイオンのエネルギーおよびラピディティ分布を抽出する。
• PYTHIA の結果をパラメータ空間の大部分で約 10% の誤差内に再現できる関数形に基づく解析的パラメータ化を開発する。
• パラメータ化を用いて、エネルギーと放出角度の相関を含む、二次的メソンの完全な運動態分布を導出する。
• ローレンツ変換を適用して、任意のエネルギーおよび散乱角度を有する陽子同士の衝突に一般化された結果を得る。
• π⁰ 衰変から導かれるガンマ線スペクトルをシミュレーション出力と比較することで、パラメータ化の妥当性を検証し、超高エネルギー領域における外挿の不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギーpp衝突における二次的パイオンおよびカイオンのエネルギー分布およびラピディティ分布を、広いエネルギー範囲にわたりどの程度正確にパラメータ化できるか。
• RQ2 二次的メソンのコリメーション度合い（入射陽子方向への集中度）は、エネルギーにどのように依存するか。
• RQ3 宇宙線源に関連する超高エネルギー領域（例：10^11 GeV）まで、パラメータ化された分布をどの程度外挿可能か。
• RQ4 メソンのエネルギーと放出角度の相関が、天体物理学的状況における二次的ニュートリノおよびガンマ線の検出可能性にどのように影響するか。
• RQ5 静止フレームでない衝突、例えば任意の入射角度を有する二つの高エネルギー陽子の衝突に対しても、このパラメータ化を一般化できるか。

主な発見

• パラメータ化は、1 TeV から 1 PeV の全範囲の入射エネルギーで、PYTHIA シミュレーションによるエネルギー分布およびラピディティ分布を約 10% の誤差内に再現する。
• 二次的メソンのエネルギーと、入射陽子方向へのコリメーション（集中度）の間には強い相関が存在し、エネルギーが高くなるほどより集中的に放出される。
• パラメータ化は、異なるエネルギーおよび任意の散乱角度を有する陽子同士の衝突という一般の衝突幾何に適用可能であり、広範な天体物理学的応用が可能である。
• パラメータ化は 10^11 GeV まで外挿可能であり、最高エネルギー領域においても推定不確実性が要因2以内に収まる。
• 導出された分布により、ニュートリノやガンマ線のエネルギースペクトルおよび角度分布（π⁰ 衰変からのものも含む）を直接計算可能である。
• 本モデルにより、星周辺半径以下の領域で陽子-陽子衝突が発生するような、失敗したまたはダークなガンマ線バーストのシナリオにおけるニュートリノ飛跡およびエネルギースペクトルの詳細な検討が可能となる。