[論文レビュー] Reconstruction of IceCube coincident events and study of composition-sensitive observables using both the surface and deep detector

Tom Feusels, J. Eisch+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、アイストップ表面配列とデュアルアイスキューブ検出器からの信号を統合することで、アイスキューブの深部検出器における高エネルギーのミューオン束のエネルギー損失を尤度最小化法を用いて再構築する新規な手法を提示する。この手法により、一次宇宙線のエネルギーおよび組成の再構築が向上し、1650 mの斜め深さにおいて、同じエネルギーのプロトンと比較して鉄のシャワーではミューオン束のエネルギー損失が約2倍に達することが示され、膝領域における組成感度が強く裏付けられる。

ABSTRACT

The combined information from cosmic ray air showers that trigger both the surface and underground parts of the IceCube Neutrino Observatory allows the reconstruction of both the energy and mass of the primary particle through the knee region of the energy spectrum and above. The properties of high-energy muon bundles, created early in the formation of extensive air showers and capable of penetrating deep into the ice, are related to the primary energy and composition. New methods for reconstructing the direction and composition-sensitive properties of muon bundles are shown. Based on a likelihood minimization procedure using IceCube signals, and accounting for photon propagation, ice properties, and the energy loss processes of muons in ice, the muon bundle energy loss is reconstructed. The results of the high-energy muon bundle reconstruction in the deep ice and the reconstruction of the lateral distribution of low energy particles in the surface detector can be combined to study primary composition and energy. The performance and composition sensitivity for both simulated and experimental data are discussed.

研究の動機と目的

• アイストップとアイスキューブのデータを統合することで、3 PeVの膝領域における一次宇宙線エネルギーおよび組成の再構築を改善すること。
• 確率論的損失とイオン化損失を考慮した、ミューオン束のエネルギー損失を再構築する尤度に基づく手法を開発すること。
• 高エネルギー領域におけるプロトンおよび鉄の一次宇宙線の再構築されたミューオンエネルギー損失を比較することで、組成感度を定量化すること。
• 2008年9月の実験的一致イベントとシミュレートされたデータを用いて、手法の妥当性を検証すること。
• より高い統計と検出器カバレッジを備えた将来的な測定において、1 EeVまで宇宙線組成を測定可能にする。

提案手法

• 光子伝播、氷の性質、ミューオンエネルギー損失プロセスを組み込んだ尤度最小化手順を用いて、氷中深部におけるミューオン束のエネルギー損失を再構築する。
• イオン化損失と確率的損失の寄与から導かれたパラメータ a = 0.260 GeV/m および b = 0.000357 m⁻¹ を有する単一ミューオンエネルギー損失モデルを適用する。
• アイストップのパルスの横方向分布を二重対数放物線（DLP）関数でフィットし、初期のコア位置および進行方向を再構築する。
• アイストップで再構築されたコア位置および進行方向を、アイスキューブにおけるミューオン束再構築の初期条件として用い、方向およびエネルギー分解能を向上させる。
• 定数ではなく、κおよびE₀/Aでパrameter化された可変エネルギー損失関数を用いて期待されるDOM電荷をスケーリングし、フィット精度を向上させる。
• 天頂角が30°まで対応可能な1650 mの斜め深さにおける再構築エネルギー損失を評価することで、検出効率と精度を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アイストップとアイスキューブの統合検出器システムは、膝領域における一次宇宙線エネルギーおよび組成の再構築を改善できるか？
• RQ2 確率的損失とイオン化損失を考慮した尤度ベースの手法により、ミューオン束のエネルギー損失はどの程度正確に再構築可能か？
• RQ3 1650 mの斜め深さにおける再構築されたミューオンエネルギー損失は、プロトンと鉄の一次宇宙線をどの程度区別できるか？
• RQ4 シミュレートされたデータと実際の実験的一致イベントとの間で、再構築手法の性能はどの程度一致するか？
• RQ5 この手法は、統計と検出器カバレッジの向上により、1 EeVまでの高エネルギー領域にまで拡張可能か？

主な発見

• 尤度最小化により導かれた再構築されたミューオン束エネルギー損失関数は、特に浅い深さにおいて、定数エネルギー損失モデルよりもシミュレートデータに適合する。
• 1650 mの斜め深さにおいて、同じ再構築一次エネルギーを持つ鉄の一次宇宙線に対して、ミューオン束エネルギー損失の中央値はプロトンの約2倍に達する。
• シミュレートされたプロトンおよび鉄のシャワーにおける再構築エネルギー損失のばらつきは顕著に重複しており、シャワーごとのフラクチュエーションが個々のイベントにおける組成同定を制限していることが示唆される。
• 2008年9月にフィルタリングされた実験的一致イベントとシミュレートデータの両方において、手法の性能は一貫しており、エネルギー損失および再構築エネルギーの分布が類似している。
• 少なくとも50個のトリガーDOMを含むミューオン束再構築に必要な品質カットは、低エネルギー損失イベントを多く除去するが、これによる補正は全組成解析において必要となる。
• この手法はスケーラブルであり、統計と検出器展開の向上により、1 EeVまでのエネルギー領域にまで拡張可能である。