[論文レビュー] Test of hadronic interaction models with data from the Pierre Auger Observatory

Ralph Engel|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 29

ひとこと要約

本研究は、ピエール・オーブル観測所の蛍光検出器と表面検出器の併用データを用いて、超高エネルギー大気シャワーにおけるハドロン相互作用モデルを検証する。電磁シャワー分布の普遍性を活用し、シャワー核からの1000 m地点におけるミューオン密度を独立に推定したところ、10^19 eVのプロトンシャワーにおいてQGSJET II.03の予測より1.45 ± 0.11（統計）± 0.09（系統）倍のミューオンが存在し、現在のモデルと顕著な不一致が示された。

ABSTRACT

The Pierre Auger Observatory allows the measurement of both longitudinal profiles and lateral particle distributions of high-energy showers. The former trace the overall shower development, mainly of the electromagnetic component close to the core where the latter reflect the particle densities in the tail of the shower far away from the core and are sensitive to both the muonic and electromagnetic components. Combining the two complementary measurements, predictions of air shower simulations are tested. In particular the muon component of the tank signals, which is sensitive to hadronic interactions at high energy, is studied with several independent methods. Implications for the simulation of hadronic interactions at ultra-high energy are discussed.

研究の動機と目的

• ピエール・オーブル観測所の独立した測定を用いて、超高エネルギー大気シャワーにおけるハドロン相互作用モデルの予測を検証すること。
• 主宇宙線組成を仮定せずに、電磁シャワー分布の普遍性を用いてシャワーのミューオン含有量を特定すること。
• シャワー最大深さからミューオン密度を推定することで、蛍光検出器測定とは独立に表面検出器のエネルギースケールをキャリブレーションすること。
• 定常強度カット法とハイブリッドイベント手法を含む複数の解析手法におけるミューオン多重度予測の整合性を評価すること。
• QGSJET II.03 や SIBYLL 2.1 のような主要なハドロン相互作用モデルにおけるミューオン密度予測と観測値との不一致を特定すること。

提案手法

• 電磁シャワーの縦方向分布の普遍性を活用し、エネルギー、シャワー最大深さ（DG）および天頂角に依存する、核からの1000 m地点における表面検出器信号のパラメータ化を行う。
• 表面検出器データに定常強度カット法を適用し、宇宙線到来方向を等方的と仮定して、$ m{d}N/ m{d} m{sin}^2 heta$ 分布を平坦化することで相対的ミューオン数 $N_{\rm \nu}^{ m rel}$ を抽出する。
• CORSIKA および GEANT4 を用いたモンテカルロシミュレーションによりシャワー発展と検出器応答をモデル化し、$X_{\rm max}$ のフラクチュエーションおよび再構成分解能を組み込む。
• 蛍光検出器および表面検出器の両方で検出されたハイブリッドイベントを分析し、再構成済みの $X_{ m max}$ および蛍光エネルギーを用いてミューオン信号予測と観測信号を照合する。
• 定常強度カット法、ハイブリッドイベント解析、斜めシャワー解析の複数の手法の結果を比較することで、一貫性を検証し、系統的不確実性を低減する。
• ミューオン信号を $S_{ m MC}(E,\theta,X_{\rm max}) = S_{ m em}(E,\theta,DG) + N_{\nu}^{ m rel} S_{\nu}^{ m QGSII,p}(10^{19}\text{eV},\theta,DG)$ としてパラメータライズし、ここで $DG = X_{\rm ground} - X_{\rm max}$ である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高エネルギー大気シャワーにおける観測されたミューオン密度は、QGSJET II.03 や SIBYLL 2.1 ハドロン相互作用モデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ2 電磁シャワー分布の普遍性を用いることで、主成分の仮定なしにシャワーのミューオン含有量を推定できるか？
• RQ3 定常強度カット法とハイブリッドイベント解析から得られるミューオン多重度の結果はどの程度一貫しているか？
• RQ4 $X_{\rm max}$ 測定からミューオン含有量をキャリブレーションした場合、表面検出器の実効エネルギースケールはどのようになるか？
• RQ5 観測されたミューオン過剰が、主宇宙線の組成および現在のハドロン相互作用モデルの妥当性にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 定常強度カット法により得られた10^19 eVにおける相対的ミューオン数は $1.45 \pm 0.11$（統計）$^{+0.11}_{-0.09}$（系統）であり、これはプロトンシャワーのQGSJET II.03予測より45%多くのミューオンが存在することを示唆している。
• 天頂角 $\theta = 38^\circ$ におけるミューオン信号は $37.5 \pm 1.7$（統計）$^{+2.1}_{-2.3}$（系統）VEM であり、これは蛍光検出器に基づく再構成エネルギー $E = 1.3E_{\rm FD}$ よりも約30%高いエネルギースケールに対応している。
• ハイブリッドイベント解析では $E = 1.3E_{\rm FD}$ で $N_{\mu}^{{\rm rel}} = 1.53 \pm 0.05$ が得られ、定常強度カット法の結果と整合的であり、ミューオン過剰の存在を確認した。
• 垂直シャワーと斜めシャワー（$60^\circ < \theta < 70^0$）との間でミューオン含有量に顕著な差異は認められず、この手法の堅牢性を支持している。
• 観測されたミューオン密度は、鉄核の場合はQGSJET II.03およびSIBYLL 2.1の予測と不一致であり、モデルが正しいと仮定すれば、主成分は鉄より重いものである必要があるが、これは測定された $X_{\rm max}$ 値と矛盾する。
• データとシミュレーションとの不一致は、過去の空気シャワー実験でも報告されたものと同様の性質を示し、超高エネルギーにおけるハドロン相互作用のモデル化に根強い課題が残っていることを強調している。