[論文レビュー] Performance of the LAGO water Cherenkov detectors to cosmic ray flux.

C. Sarmiento‐Cano, Mauricio Suárez‐Durán+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 16被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、磁気圏宇宙線、CORSIKA、Geant4を統合したシミュレーションフレームワークであるARTIを提案する。このフレームワークは、宇宙線誘発大気シャワーに起因する水チェレンコフ検出器の信号をモデル化することを目的としている。8か所のLAGO施設（異なる標高と地磁気剛性カットオフを有する）において、二次粒子フラックスの正確な予測を実証し、大気および地磁気的条件が変化する状況下でも、世界中の任意の地点における検出器応答を信頼性高く推定可能であることを示している。

ABSTRACT

The Latin American Giant Observatory (LAGO) is a distributed cosmic ray observatory that spans over Latin America in a wide range of latitudes and altitudes. One of the main goals of LAGO is to study atmospheric radiation and space weather through the measurement of the secondary particles from cosmic ray flux at ground level using Water Cherenkov Detectors (WCD). Thus, due to differences in the local geomagnetic rigidity cut-off affecting the low energy cosmic rays impinging on the atmosphere and the well-known relation between altitude and the development of the extended atmospheric showers, different secondary particle fluxes are expected at each LAGO site. It is therefore crucial for our objectives to be able to determine the expected flux of secondary particles at any place in the World and for any geomagnetic or atmospheric conditions. To characterize the response of a particular LAGO site we developed ARTI, a complete framework intended to simulate the WCD signals produced by the interaction of the secondary inside the detector. ARTI comprises a simulation sequence by integrating three different simulation tools: a) Magnetocosmics, to account for the geomagnetic field effects on the primary flux; b) CORSIKA, to simulate the atmospheric showers originated on the complete flux of cosmic rays and, thus, to estimate the expected flux of secondary particle at the site; and c) Geant4, for simulating the LAGO detectors response to this secondary flux. In this work, we show the usage of the ARTI framework by calculating the expected flux of signals at eight LAGO sites, covering a wide range of altitudes and rigidity cut-offs to emphasize the capabilities of the LAGO network spanning over Latin America. These results show that we are able to estimate the response of any water Cherenkov detector located at any place in the World, even under evolving atmospheric and geomagnetic conditions.

研究の動機と目的

• 世界中の任意の地点において、宇宙線誘発大気シャワーに起因する水チェレンコフ検出器の応答を予測可能な包括的なシミュレーションフレームワークの開発。
• 低エネルギー宇宙線フラックスおよびシャワー発展に影響を与える、地磁気的剛性カットオフおよび標高の変動を考慮すること。
• ラテンアメリカに広がる多様な緯度および標高を持つLAGOネットワーク施設における二次粒子フラックスの正確な推定を可能とすること。
• 現実的な地磁気的および大気的条件下での検出器信号のモデル化を通じて、大気放射および宇宙天気の研究を支援すること。
• 変化する環境条件下でも、世界中の水チェレンコフ検出器の性能をシミュレートできる移植可能なツールを提供すること。

提案手法

• 磁気圏宇宙線の影響、特に異なる緯度における剛性カットオフに起因する一次宇宙線フラックスの変動をモデル化するためにMagnetocosmicsを用いる。
• 宇宙線が誘発する広がりのある大気シャワーの完全な発展をシミュレートし、特定の検出器施設における二次粒子フラックスを推定するためにCORSIKAを採用する。
• 地上到達時の二次粒子に対してLAGO水チェレンコフ検出器の詳細な応答をシミュレートするためにGeant4を統合する。
• 3つのツールを段階的なシミュレーションパイプラインとして統合：一次フラックスの調整 → シャワー発展 → 検出器信号の生成。
• 異なる標高および地磁気的剛性カットオフを持つ8か所のLAGO施設を用いてフレームワークをキャリブレーションし、多様な条件下での性能を検証する。
• リアルタイムの環境パラメータを組み込むことで、動的な大気および地磁気的条件下での検出器信号の予測を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地磁気的剛性カットオフの違いが、異なるLAGO施設における二次粒子フラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 標高の違いが、水チェレンコフ検出器における大気シャワー粒子の発展および検出にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 ARTIフレームワークは、広範な地理的および地磁気的条件下で検出器信号を正確にシミュレートできるか？
• RQ4 統合されたシミュレーションチェーン（Magnetocosmics → CORSIKA → Geant4）は、宇宙線フラックス測定における現実的な検出器応答をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 ARTIフレームワークは、変化する大気および地磁気的条件下での検出器性能予測にどの程度の能力を有するか？

主な発見

• ARTIフレームワークは、異なる標高および地磁気的剛性カットオフを持つ8か所のLAGO施設における水チェレンコフ検出器信号を成功裏にシミュレートした。
• 局所的な地磁気的剛性カットオフおよび大気の深さの違いに起因する二次粒子フラックスの変動を、シミュレーションが正確に反映している。
• フレームワークは、変化する大気および地磁気的条件下でも、検出器応答の信頼性ある予測を可能としている。
• Magnetocosmics、CORSIKA、Geant4の統合により、多様な地理的場所において一貫性があり物理的に妥当な信号推定が得られた。
• 適切な入力パラメータが与えられれば、ARTIは地球上の任意の水チェレンコフ検出器の性能推定に使用可能であることが確認された。
• フレームワークは、宇宙線一次フラックス、大気シャワー発展、検出器応答の複雑な相互作用をモデル化する上で、高い頑健性を示した。