[論文レビュー] Sensitivity of Extensive Air Showers to Features of Hadronic Interactions at Ultra-High Energies

R. Ulrich, Ralph Engel+4 more|ArXiv.org|Jun 2, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、超高エネルギーにおける強子相互作用モデルの不確実性が広がりきった空気シャワー観測量に与える影響を調査する。独自の空気シャワーシミュレーション内でSibyllモデルを変更することで、生成断面積、多重度、弾性度の変化が$X_{\rm max}$、電子数およびミューオン数に顕著な影響を及ぼすことが示された。特にプロトン主成分の場合、これは宇宙線組成を解釈するためのより良い強子物理学の必要性を強調するとともに、LHCエネルギーレンジを超える物理学を探索する空気シャワー実験の可能性を示している。

ABSTRACT

We study the dependence of extensive air shower development on the first hadronic interactions at ultra-high energies occurring in the startup phase of the air shower cascade. The interpretation of standard air shower observables depends on the characteristics of these interactions. Thus, it is currently difficult to draw firm conclusions for example on the primary cosmic ray mass composition from the analysis of air shower data. On the other hand, a known primary mass composition would allow us to study hadronic interactions at center of mass energies well above the range that is accessible to accelerators measurements.

研究の動機と目的

• 超高エネルギーにおける強子相互作用の主要な特徴が広がりきった空気シャワー観測量に与える影響を評価すること。
• 現在の空気シャワー観測データの解釈が、加速器データから外挿された poorly constrained（不確実性の高い）強子相互作用モデルによって妨げられているという課題に対処すること。
• 空気シャワー観測量が初期主相互作用に加え、第一相互作用後のシャワー発展にさらに敏感であることを示すこと。
• 高エネルギー宇宙線観測所が、LHCを超えるエネルギー領域における強子物理学を探索する固定標的にもなり得る可能性を検討すること。
• 主成分が天体物理学的に制約されている場合に、空気シャワーデータを用いて強子相互作用モデルを制約するフレームワークを提供すること。

提案手法

• CONEX空気シャワーシミュレーションフレームワークを改変し、シャワー発展中に強子相互作用パラメータを対数エネルギー依存スケーリング係数$f(E) = 1 + (f_{19} - 1)F(E)$を用いて調整した。
• スケーリング係数$f(E)$を用いて、1 PeVを超えるエネルギーで生成断面積、多重度、弾性度を変更した。$F(E)$は1 PeVで0から10 EeVで1に対数的に増加する。
• 全エネルギー、電荷、粒子種、運動量を保持しながら、多重度と弾性度を独立に変更する二次粒子再サンプリングアルゴリズムを実装した。
• プロトンおよび鉄主成分について、$10^{19.5}$ eVのエネルギーでパラメータ変更ごとに1000個の空気シャワーをシミュレートし、$X_{\rm max}$、$N_{\rm e}$、$N_{\rm μ}$の平均値と揺らぎの影響を評価した。
• 核子レベルの相互作用修正を核主成分にまで拡張するために、半スーパー位置モデルを用い、Sibyllの下位強子フレームワークと整合性を保った。
• 得られた空気シャワー観測量の変化を比較することで、各強子相互作用特徴の影響を隔離し、特に$X_{\rm max}$、電子、ミューオン信号に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強子生成断面積の変動が、広がりきった空気シャワーの縦方向発展および観測量にどのように影響するか？
• RQ2 二次粒子多重度が空気シャワーにおける$X_{\rm max}$、電子数、ミューオン数に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 先頭粒子エネルギーと全エネルギーの比として定義される弾性度が、$X_{\rm max}$の揺らぎおよびミューオン信号の変動にどのように影響するか？
• RQ4 なぜ空気シャワー観測量が強子相互作用パラメータに対して、最初の相互作用だけに依存するのとは比べ物にならないほど高い感度を示すのか？
• RQ5 主成分が既知の空気シャワー実験を用いて、中心系エネルギーまで450 TeVの強子相互作用を調べることができるか？

主な発見

• 強子生成断面積を2倍に変化させると、プロトン主成分では平均$X_{\rm max}$が30 g/cm²以上シフトするが、主相互作用の平均自由行程で説明できるのは約16 g/cm²にとどまる。
• 断面積の変動は$X_{\rm max}$の平均値と揺らぎの両方に強く影響し、他のいかなる強子特徴よりも揺らぎが感受性が強い。
• 多重度の増加は$X_{\rm max}$をより大きな斜め深さにずらし、$N_{\rm e}$を減少させ、$N_{\rm μ}$を増加させるが、$X_{\rm max}$の揺らぎは保持される。
• 弾性度の変動は$X_{\rm max}$の平均値とRMSの両方を顕著に変化させ、特にプロトンに対してミューオン信号の揺らぎに強い非線形的影響を及ぼす。
• 鉄主成分では、すべての3つの強子パラメータに対する感受性は低下するが、$X_{\rm max}$は依然として顕著なシフトを示し、残存する感受性があることが示された。
• $N_{\rm e}/N_{\rm μ}$比は、多重度を変更すると平面内で対角線に沿ってシフトするが、これはKASCADEのような実験で用いられるアンフォールディング技術に影響を及ぼす。