[論文レビュー] The expectation of cosmic ray proton and helium energy spectrum below 4 PeV measured by LHAASO

L. Q. Yin, S.S. Zhang+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、LHAASOが4 PeV未満の宇宙線陽子およびヘリウムエネルギースペクトルをハイブリッド検出法を用いて測定するためのシミュレーション予測を提示する。WCDA、WFCTA、MDのデータを統合し、TMVAを用いた多変量解析（MVA）により、陽子とH&Heの高純度分離が達成され、それぞれ900 m²srおよび1800 m²srの有効口径が予測される。エネルギー分解能は20%未満、バイアスは±4%以内であり、10%の稼働率で1年間の観測により、正確な膝構造の測定が可能となる。

ABSTRACT

Large High Altitude Air Shower Observatory(LHAASO) is a composite cosmic ray observatory consisting of three detector arrays: kilometer square array (KM2A) which includes the electromagnetic detector array and muon detector array, water Cherenkov detector array (WCDA) and wide field of view Cherenkov telescope array (WFCTA). One of the main scientific objectives of LHAASO is to precisely measure the cosmic rays energy spectrum of individual components from 1014 eV to 1018 eV. The hybrid observation will be employed by LHAASO experiment, in which the lateral and longitudinal distributions of the extensive air shower can be observed simultaneously. Thus many kinds of parameters can be used for primary nuclei identification. In this paper, high purity cosmic ray simulation samples of light nuclei component are obtained through Multi-Variable Analysis. The apertures of 1/4 LHAASO array for pure proton and mixed proton and helium (H&He) samples are 900 m2Sr and 1800 m2Sr respectively. A prospect of proton and H&He spectra from 100 TeV to 4 PeV is discussed.

研究の動機と目的

• LHAASO実験が4 PeV未満の宇宙線陽子およびヘリウム核のエネルギースペクトルを測定できる能力を予測すること。
• WFCTA、WCDA、MDを用いたハイブリッド検出法の性能を、粒子同定およびエネルギー再構築の観点から評価すること。
• 多変量解析（MVA）を用いて、純粋な陽子およびH&Heサンプルの有効口径と汚染度を特定すること。
• 軽い宇宙線成分における「膝」構造を解明するための統計的感度と観測時間の要件を評価すること。

提案手法

• HörandelおよびARGO-YBJ & WFCTモデルを用いて、陽子およびヘリウム核の宇宙線シャワーをシミュレートした。
• WFCTA、WCDA、MDの検出器から得られる6つの最適化パラメータを用い、TMVAフレームワークを用いた多変量解析（MVA）を実施し、一次粒子を分類した。
• BDTG分類器をシミュレーションデータ上でトレーニングおよびテストし、汚染を最小限に抑えつつ純度を最大化するようにした。
• シャワー全エネルギーと補正済みチェレンコフ光電子数（N₀^pe）との線形相関を用いてエネルギー再構築を実施し、定数はシミュレーションから導出した。
• 1年間、10%の稼働率で1/4 LHAASOアレイ構成を想定し、有効口径と被写像量を計算した。
• ハドロン相互作用モデル（QGSJET-FLUKAおよびEPOS-FLUKA）の不確実性を評価し、有効口径およびスペクトルへの系貫的効果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHAASOは、ハイブリッド検出法を用いて、4 PeV未満の陽子およびヘリウムエネルギースペクトルを測定するのに十分な純度と有効口径を達成できるか？
• RQ2 1年間の観測において、LHAASOが軽い成分スペクトルの「膝」構造を検出できる期待される統計的感度はどの程度か？
• RQ3 ハドロン相互作用モデルの不確実性が、陽子およびH&Heの有効口径およびスペクトル再構築に与える影響は何か？
• RQ4 LHAASOのハイブリッド構成におけるシャワー全エネルギーの再構築エネルギー分解能とバイアスは、陽子およびヘリウム核に対してどの程度か？
• RQ5 ハイブリッド検出システムは、膝領域周辺における陽子とH&He成分のスペクトルの傾きの違いを解明できるか？

主な発見

• Hörandelモデルに基づき、純粋な陽子イベントの有効口径は900 m²srであり、約10%の汚染を伴う。
• H&Heイベントの有効口径は1800 m²srであり、汚染度は3%未満である。これは優れた粒子分離性能を示している。
• 陽子およびH&Heの両方のエネルギー再構築において、バイアスは約±4%、分解能は20%未満である。
• 800 TeVにおいて、Hörandelモデル下で年間約1130件の陽子および5121件のH&Heイベントが予想され、2 PeVではそれぞれ222件および1023件に減少する。
• 1/4 LHAASOアレイを用い、膝構造が1 PeV未満に位置する場合、1年間の観測で軽い成分スペクトルを高い統計的有意性で測定可能である。
• ハドロン相互作用モデルの不確実性によるH&He有効口径の系統的不確実性は±5%以内であり、異なるモデル間でも安定であることが示された。