[論文レビュー] Test of high-energy interaction models using the hadronic core of EAS

T. Antoni, W.D. Apel|ArXiv.org|Apr 21, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 67

ひとこと要約

本研究では、KASCADE実験の大型ハドロンカルシウムターが測定した広大な空気シャワー（EAS）のハドロンコアを用いて、高エネルギーハドロン相互作用モデルの検証が行われた。CORSIKAシミュレーションにQGSJET、VENUS、SIBYLLモデルを用い、QGSJETがデータを最もよく再現することが判明したが、すべてのモデルが10–100 PeVのエネルギー領域でハドロン生成率を過大評価しており、特にミュオンシャワーのサイズで分類した場合に顕著である。

ABSTRACT

Using the large hadron calorimeter of the KASCADE experiment, hadronic cores of extensive air showers have been studied. The hadron lateral and energy distributions have been investigated in order to study the reliability of the shower simulation program CORSIKA with respect to particle transport, decays, treatment of low-energy particles, etc. A good description of the data has been found at large distances from the shower core for several interaction models. The inner part of the hadron distribution, on the other hand, reveals pronounced differences among interaction models. Several hadronic observables are compared with CORSIKA simulations using the QGSJET, VENUS and SIBYLL models. QGSJET reproduces the hadronic distributions best. At the highest energy, in the 10 PeV region, however, none of these models can describe the experimental data satisfactorily. The expected number of hadrons in a shower is too large compared to the observed number, when the data are classified according to the muonic shower size.

研究の動機と目的

• KASCADE実験の実験データを用いて、広大な空気シャワー（EAS）の発展をシミュレートする高エネルギーハドロン相互作用モデルの信頼性を評価すること。
• CORSIKAシミュレーションに組み込まれたQGSJET、VENUS、SIBYLL相互作用モデルが、シャワー・コアにおけるハドロンの横方向分布およびエネルギー分布をどれほど正確に再現できるかを評価すること。
• 特に10 PeV領域において、シミュレーションと観測の間のハドロン生成率の乖離を特定すること。
• 観測されたハドロン過大予測の原因が、実験的アーティファクト（例：飽和や誤識別）か、シミュレーションの不正確さに起因するかを同定すること。

提案手法

• KASCADE実験の大型ハドロンカルシウムターは、鉄11個の相互作用長と液体イオン化チャネルを備え、50 TeVまで線形応答を示す広動的範囲でEASコアにおけるハドロンエネルギー損失を測定する。
• シャワー・コアからの距離が100 mまでのハドロンの横方向およびエネルギー分布を測定し、CORSIKAにおける粒子輸送、崩壊、低エネルギー粒子の取り扱いを検証した。
• QGSJET、VENUS、SIBYLLの3つの相互作用モデルを用いたCORSIKAモンテカルロシミュレーションを実施し、実験データと比較した。
• データはミュオンシャワーのサイズ（log N′μ）および電磁シャワーのサイズでビニングされ、異なるエネルギー領域におけるモデルの性能を評価した。
• 分析は主にEASの中心領域におけるハドロン数およびエネルギー分布に焦点を当て、観測値とシミュレーションのハドロン多重度を比較した。
• 信号レベルでの比較を実施し、誤識別や再構築効果に起因するシステムティックバイアスを最小限に抑えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QGSJET、VENUS、SIBYLLの各相互作用モデルは、広大な空気シャワーのコアにおけるハドロンの横方向分布およびエネルギー分布をどれほど正確に再現できるか？
• RQ2 なぜ10 PeV以上のエネルギー領域で、すべての相互作用モデルがミュオンシャワーのサイズが大きいイベントにおいてハドロン数を過大予測するのか？
• RQ3 カルシウムターにおける飽和や誤識別といった実験的要因が、データとシミュレーションの間の乖離に寄与している程度はどの程度か？
• RQ4 観測されたハドロン生成率の不足は、低運動量粒子のシミュレーションまたは粒子輸送の不正確さに起因する可能性があるか？
• RQ5 電磁シャワーのサイズで分類した場合、ハドロン多重度の測定値はCORSIKAシミュレーションとどの程度整合性があるか？

主な発見

• QGSJETは、シャワー・コアからの距離が大きい領域においても、ハドロンコア分布を最もよく再現する。
• 最高エネルギー領域（10–100 PeV）において、テストされたすべてのモデル（QGSJETを含む）が、実験データよりもハドロン数を過大に予測している。
• この乖離は、特にミュオンシャワーのサイズでビニングした場合に顕著であり、シミュレーションが観測値よりも顕著に多くのハドロンを予測している。
• カルシウムターにおける飽和や誤識別効果を考慮しても、シミュレーションと実験の間に一貫したハドロン生成率の不足が観測された。
• 電磁シャワーのサイズで分類した場合、観測されたハドロン多重度はシミュレーションおよび他の実験と整合的であるため、問題はミュオンサイズビニングに特異的であることが示された。
• 結果から、現在のハドロン相互作用モデルは、特に「膝」領域を超えるエネルギー領域におけるシャワー発展、特に高エネルギーハドロンの生成を正確に記述できていない可能性がある。