[論文レビュー] The hadronic interaction model SIBYLL 2.3c and Feynman scaling

Felix Riehn, H.-P. Dembinski+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

この論文では、低エネルギーデータにさらに適合するように粒子生成スペクトルを調整することにより、断片化領域におけるフェルミー係数スケーリングを改善するようチューニングされた、Sibyll 2.3c という更新されたハドロン相互作用モデルを提示する。このモデルは、NA49のカイオンスペクトルとの一致を向上させるとともに、LHCデータとも整合性を保ち、特に低エネルギーのミューオンにおいて、Sibyll 2.1 よりもわずかにミューオン生成が増加するが、Sibyll 2.3 の全体的な構造を維持している。

ABSTRACT

The Monte Carlo model Sibyll has been designed for efficient simulation of hadronic multiparticle production up to the highest energies as needed for interpreting cosmic ray measurements. For more than 15 years, version 2.1 of Sibyll has been one of the standard models for air shower simulation. Motivated by data of LHC and fixed-target experiments and a better understanding of the phenomenology of hadronic interactions, we have developed an improved version of this model, version 2.3, which has been released in 2016. In this contribution we present a revised version of this model, called Sibyll 2.3c, that is further improved by adjusting particle production spectra to match the expectation of Feynman scaling in the fragmentation region. After a brief introduction to the changes implemented in Sibyll 2.3 and 2.3c with respect to Sibyll 2.1, the current predictions of the model for the depth of shower maximum, the number of muons at ground, and the energy spectrum of muons in extensive air showers are presented.

研究の動機と目的

• 高エネルギー領域における断片化領域の粒子生成をよりよく記述するよう、Sibyll 2.3 ハドロン相互作用モデルを精緻化すること。
• 特にカイオン生成スペクトルに関して、NA49の固定標的に基づくデータとの一致を向上させること。
• 粒子生成スペクトルの形状をチューニングすることで、前方領域における近似的なフェルミー係数スケーリングを回復させること。
• これらのチューニング変更が、Xmax やミューオン含有量といった広範な大気シャワー観測量に与える影響を評価すること。
• 超高エネルギー宇宙線領域へのハドロン相互作用の外挿をより保守的に行うためのモデル提供

提案手法

• NA49 pp データへのフィットを用いて Sibyll 2.3 を再チューニングし、ハドロン化パラメータの最適化に Professor および Rivet ツールを適用した。
• フェルミー係数スケーリングの破れを最小限に抑えるために、大きなフェルミー-x におけるメソン生成スペクトルの形状を調整した。
• Sibyll 2.3 のコア構造、ならびにレムナント励起、ベクトルレゾナント生成、バリオン-反バリオン対生成を保持した。
• 大気フラックス計算における宇宙線主成分スペクトルの急峻さを反映するため、重み係数として xF^1.7 を使用した。
• 広範な大気シャワーのシミュレーションと Xmax および Nµ 予測の抽出に、CASCADE 方程式を用いた CONEX モンテカルロコードを採用した。
• LHCf データに対する中性子スペクトル予測の妥当性を検証することで、前方エネルギー流れとの整合性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sibyll 2.3c は、Sibyll 2.1 や Sibyll 2.3 と比較して、NA49 のカイオン生成スペクトルとの一致をどの程度向上させているか？
• RQ2 フェルミー係数スケーリングに合わせたチューニングは、広範な大気シャワーにおけるミューオン含有量の予測にどのように影響するか？
• RQ3 フェルミー係数スケーリングの回復が、プロトン誘発大気シャワーにおけるシャワー最大深さ（Xmax）に与える影響は何か？
• RQ4 Sibyll 2.3c と Sibyll 2.1 などの以前のモデルとの間で、大気シャワーにおけるミューオンエネルギースペクトルの予測にどのような差が生じるか？
• RQ5 更新されたスペクトルにより、プロトン誘発と鉄誘発大気シャワーのミューオンスペクトルの差はどの程度小さくなったか？

主な発見

• ハドロン化パラメータのチューニングにより、測定値に適合させるように調整したことで、Sibyll 2.3c は NA49 のカイオン生成データ、特に K+ および K− に対してより良好な一致を達成した。
• モデルは断片化領域における近似的なフェルミー係数スケーリングを回復させ、Sibyll 2.3c の π− スペクトルは、Sibyll 2.3 よりも高エネルギー領域でやや硬くならない傾向を示した。
• 10^16 から 10^20 eV のエネルギー範囲において、プロトンシャワーの Xmax 予測は Sibyll 2.1 よりも 20 g/cm² 深く、Sibyll 2.3 よりわずかに浅い。
• 10^16 eV では約 1.35 倍、10^20 eV では約 1.6 倍、Sibyll 2.1 よりもミューオン数（Nµ）が増加しており、これはスペクトルのソフトニングと前方領域生成の向上によるものである。
• Sibyll 2.3c は、他の LHC 後のモデルと比較して、特に π±:π0 比の上昇とバリオン-反バリオン対生成の増加により、低エネルギーのミューオン（<100 GeV）を多く生成する。
• Sibyll 2.3c では、鉄とプロトン誘発シャワーのミューオンエネルギースペクトル比が、Sibyll 2.1 よりも小さくなり、主成分の違いに起因する整合性の向上が示された。