[論文レビュー] The Andyrchy-BUST experiment: primary spectrum and composition around the knee

V. B. Petkov|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2009

Advanced MRI Techniques and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、アンドイチ・バスト実験を用いて、広がりのある空気シャワー（EAS）のサイズと高エネルギーミューオン（Eμ ≥ 230 GeV）成分を同時に測定した。この実験は、アンドイチEASアレイとバクサン地下シンチレーション望遠鏡（BUST）を統合している。主な発見は、調整されたパラメータを有する修正されたミューオン生成関数（MPF）が、標準的なQGSJetII-03モデル予測よりも、ミューオンおよびEASサイズスペクトルの両方と良好な一致を示すことであり、これは膝領域（10^14–10^15 eV）における強子相互作用モデルの見直しが必要であることを示唆している。

ABSTRACT

The main goal of the Andyrchy-BUST experiment is to study the primary cosmic rays spectrum and composition around the knee. The experimental data on the knee, as observed in the electromagnetic and high energy muon components, are presented. The electromagnetic component in our experiment is measured using the "Andyrchy" EAS array. High energy muon component (with 230 GeV threshold energy of muons) is measured using the Baksan Underground Scintillation Telescope (BUST). The location of the "Andyrchy" right above the BUST gives us a possibility for simultaneous measurements of both EAS components.

研究の動機と目的

• 膝領域（10^14–10^15 eV）における一次宇宙線スペクトルおよび組成を、EASおよびミューオン成分の同時測定を用いて特定すること。
• 現在の強子相互作用モデル（QGSJetII-03、Fluka）が、多成分EASデータと整合しているかどうかを検証すること。
• 異なる一次組成（プロトン対鉄に類似した核種）に対して、シミュレーションと観測されたEASサイズおよびミューオン数スペクトルの乖離を特定すること。
• 複数の観測量にわたる実験データとの一致を向上させるために、修正されたミューオン生成関数（MPF）を導出すること。
• EASサイズとミューオン含量の相関関係をシミュレーションと比較することで、膝領域における一次組成を制約すること。

提案手法

• アンドイチEASアレイ（37個のシンチレーション検出器、5×10^4 m²の面積）は、エネルギー損失と横方向分布関数のフィッティングを用いて、相対論的粒子（r.p.）単位でのEASサイズを測定する。
• バクサン地下シンチレーション望遠鏡（BUST、3180個の検出器）は、0.7 mの位置分解能および1.5°の方向分解能を有し、高エネルギーミューオン（Eμ ≥ 230 GeV）を測定する。
• アンドイチとBUST間の同時トリガーは51.2 μs以内に形成され、EASサイズとミューオン含量の相関解析が可能になる。
• NKG横方向分布関数を用いて、測定されたエネルギー損失からEAS核の位置とサイズ（Nr.p.）を再構築する。
• ミューオン生成関数（MPF）は、$ \overline{N}_{\mu}/A = b\left[\left(E_0/A\right)^\alpha - c\right]^\beta $ の形でモデル化され、CORSIKAシミュレーションに適合するようにパラメータを決定する。
• 実験データとの一致を向上させるために、$ b=0.0035 $、$ c=14 $、$ \alpha=0.42 $、$ \beta=1.54 $ の修正MPFが導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なQGSJetII-03強子相互作用モデルは、膝領域で観測されたミューオンおよびEASサイズスペクトルを正確に記述できるか？
• RQ2 EASサイズと高エネルギーミューオン含量の同時測定を最もよく説明するのは、一次組成としてのプロトン対比鉄に類似した核種のどちらか？
• RQ3 修正されたミューオン生成関数（MPF）は、ミューオン数およびEASサイズスペクトルの両方において、シミュレーションと実験の一致を改善できるか？
• RQ4 EASサイズとミューオン含量の相関関係は、膝領域における一次組成をどの程度制約できるか？
• RQ5 シミュレーションとデータの乖離は、現在の強子相互作用モデルの限界をどの程度示しているか？

主な発見

• 標準的なQGSJetII-03に基づくMPFでは、特に高エネルギー域で観測されたミューオン数を低く見積もっている。
• パラメータ $ b=0.0035 $、$ c=14 $、$ \alpha=0.42 $、$ \beta=1.54 $ を有する修正MPFは、測定された積分ミューオン数スペクトルと著しく良好な一致を示す。
• 修正MPFでは、ミューオンエネルギー依存性が $ \overline{N}_{\mu} \sim E_0^{0.647} $ に漸近的に近づくのに対し、標準モデルでは $ E_0^{0.720} $ となる。
• 標準MPFを用いた場合、プロトンに類似した一次組成と鉄に類似した一次組成の両方とも、EASサイズとミューオン数スペクトルを同時に適合させることはできない。
• 修正MPFを用いることで、最初の一次組成（プロトンに類似した組成）がEASサイズとミューオンデータの両方と良好に一致するようになり、強子モデルにおけるMPFの見直しが必要であることを示唆している。
• 解析の結果、膝領域全体でより重い一次組成であると示唆されており、EASサイズの増加に伴いミューオン含量が標準モデルの予測よりも強く増加している。