[論文レビュー] Study of the muon content of very high-energy EAS measured with the KASCADE-Grande observatory

J. C. Arteaga-Velázquez, W.D. Apel+55 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、KASCADE-Grande観測所のデータを用いて、10^16–10^18 eVのエネルギー領域における広大な空気シャワー（EAS）のミューオン含有量を分析し、QGSJET II、QGSJET II-04、SIBYLL 2.1、EPOS 1.99のハドロン相互作用モデルの予測と、測定されたミューオン密度分布および吸収係数を比較した。実験データとすべてのモデルとの間に顕著な不一致が確認され、特に大気の深さに伴うミューオン密度の変化において、現在の高エネルギー領域におけるハドロン相互作用モデルの欠陥が示された。

ABSTRACT

The KASCADE-Grande detector is an air-shower array devoted to the study of primary cosmic rays with very high-energies (E = 10^{16} - 10^{18} eV). The instrument is composed of different particle detector systems suitable for the detailed study of the properties of Extensive Air Showers (EAS) developed by cosmic rays in the atmosphere. Among the EAS observables studied with the detector, the charged number of particles, the muon content (at different energy thresholds), and the number of electrons are found. By comparing the measurements of these air-shower parameters with the expectations from MC simulations, different hadronic interaction models can be tested at the high-energy regime with the KASCADE-Grande experiment. In this work, the results of a study on the evolution of the muon content of EAS with zenith angle, performed with the KASCADE-Grande instrument, is presented. Measurements are compared with predictions from MC simulations based on the QGSJET II, QGSJET II-04, SIBYLL 2.1 and EPOS 1.99 hadronic interaction models. A mismatch between experiment and simulations is observed. A similar problem is found for the evolution of the lateral distribution function of muons in the atmosphere.

研究の動機と目的

• 10^16–10^18 eVの非常に高いエネルギー領域における、広大な空気シャワーのミューオン含有量を用いて、QGSJET II、QGSJET II-04、SIBYLL 2.1、EPOS 1.99の代表的なハドロン相互作用モデルの性能を検証すること。
• 天頂角に伴うミューオンの横方向密度分布および吸収係数の変化を調査し、大気の深さ効果を反映させること。
• 実験測定値とモンテカルロシミュレーションとの間の系統的不一致、特にミューオン含有量および横方向分布関数の観点から特定すること。
• 主な宇宙線成分の仮定（混合 vs. 純粋）が、データとモデル予測の間の不一致に与える影響を評価すること。

提案手法

• 1434日分のKASCADE-Grande観測データを、厳密なカット条件（11個以上の駆動ステーション、コア位置が8×10^4 m²以内、コア距離270–440 m、天頂角0°–40°）を用いて選別した。
• ミューオン密度は、大気減衰効果を除去し、基準天頂角（θ_ref = 22°）での比較を可能にするために、CIC（コア独立補正）法を電荷粒子数N_chに適用して補正した。
• 固定された半径距離r_fにおけるミューオン密度を、指数減衰則に適合させることで吸収係数λ_μを抽出した：ρ_μ(r_f) = ρ^0_μ(r_f) exp[-X_0 sec(θ)/λ_μ(r_f)]。
• 固定されたN^CIC_chの階層において、5つの天頂角区間ごとに横方向ミューオン密度分布ρ_μ(r)を分析し、大気の深さに伴う変化を検討した。
• CORSIKAを用いたモンテカルロシミュレーションにおいて、低エネルギー領域にはFluka、高エネルギー領域には4つのハドロンモデル（QGSJET II、QGSJET II-04、SIBYLL 2.1、EPOS 1.99）を組み合わせ、基準予測を生成した。
• 分析は、log N_μ ≈ 4.6–5.2およびN^CIC_ch ∈ [7.04, 7.28]のエネルギー範囲に限定され、混合成分仮定下でEASエネルギーは約10^16.9–17.1 eVに対応した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KASCADE-Grandeが測定するように、広大な空気シャワーのミューオン含有量および横方向密度分布は、大気の深さに伴いどのように変化するか？
• RQ2 QGSJET II、QGSJET II-04、SIBYLL 2.1、EPOS 1.99モデルの予測は、異なる天頂角における観測されたミューオン吸収係数とどの程度一致するか？
• RQ3 データとシミュレーションの不一致は、主な宇宙線成分の仮定（例：混合 vs. 純粋なプロトンまたは鉄）に依存するか？
• RQ4 異なるシャワーエネルギーおよびコア距離に対して、測定されたミューオン密度分布はモデルの予測範囲内にあるか？
• RQ5 天頂角に伴うCIC補正済みミューオン密度の変化は、現在のハドロン相互作用モデルによって正確に記述可能か？

主な発見

• 測定されたミューオン吸収係数λ_μは、QGSJET II、QGSJET II-04、SIBYLL 2.1、EPOS 1.99の4つのハドロン相互作用モデルと著しく異なる天頂角依存性を示し、系統的な不一致が確認された。
• データとシミュレーションの不一致は、シャワーエネルギーが低い場合（N^CIC_ch ≈ 7.04–7.28）に顕著であり、エネルギーが増加するにつれて不一致は減少した。
• 半径距離r_fが220 mから400 mの範囲では、実験的ミューオン密度分布が常にモデル予測の下に位置し、特に大きな天頂角で顕著であった。
• 純粋なプロトンまたは鉄成分の仮定下でも、実験データはモデルの予測帯の外側に位置し続け、問題は成分の不確実性に起因するわけではないことが示された。
• 補正関数に依存しないことが確認された。分析は補正済みミューオン密度ではなく、元の未補正密度を直接用いたため、不一致はモデルの予測に内在するものであることが裏付けられた。