[論文レビュー] Ultra High-Energy Interaction of CR protons

Tadeusz Wibig|ArXiv.org|Oct 29, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、従来の相互作用モデルのもとで、超高エネルギー宇宙線（UHECR）陽子がピエール・オーギュール観測所のシャワー最大深さ（x_max）データを説明できるかを調査する。強いフェインマンスケーリングの破れ——特に、上昇するパラメータα（0.07から0.134に）を伴うWdowczykとWolfendale（WW）スケーリング破れモデル——を介することで、純粋な陽子成分と観測されたx_max値の整合性を図ることができる。これは、データと整合させるために、修正された相互作用モデルが不可欠であることを示唆している。

ABSTRACT

The recent Auger results suggest that although coincidences of arrival directions with 'nearby' AGN and HiRes discovery of the GZK cut-off indicate protons, the measured longitudinal propagation characteristics indicate heavy nuclei, if the conventional interaction model is correct. Something has to change! Our own view is that it is possible that the AGN -implied proton identification is not correct and that the extra galactic particles are, in fact, mainly 'heavies', in which case the interaction problem goes away. However, here we assume that the particles ARE protons and examine the possible consequences. Parameters discussed include the interaction mean-free-path, inelasticities and 'exotic' possibilities.

研究の動機と目的

• ピエール・オーギュールとHiResのデータにおける到達方向の一致から導かれるUHECR成分（陽子に類似）と、縦方向シャワープロファイル（重元素に類似）の間の矛盾を解消すること。
• CORSIKAシミュレーションにおける従来の高エネルギー相互作用モデルのもとで、純粋な陽子成分が妥当かどうかを検証すること。
• 特にスケーリング違反を含む、相互作用モデルの修正——純粋な陽子一次粒子と観測されたx_max値の整合性を図るためのもの——を同定すること。
• 重い核を導入せずに、WdowczykとWolfendale（WW）モデルを調整してx_maxデータに適合させることの可能性を評価すること。
• HDPM、SIBYLL、QGSJET、DPMJETといった既存モデルが、純粋な陽子UHECRを支持するように修正可能かどうかを特定すること。

提案手法

• WdowczykとWolfendale（WW）スケーリング破れモデルを採用し、包含的x_F分布が(s/s₀)^αの係数によって変更され、非フェインマンスケーリングを記述する。
• 高速な解析プログラムを用いて、αの関数としての平均横運動量（p⊥）、多重度、非弾性率の変化をテストする。
• ピエール・オーギュール観測所の観測されたx_maxエネルギー依存性に合わせて、WWモデルのパラメータαを調整する。
• 非弾性率（Kinel.）と多重度に制約を課し、エネルギー保存則と約10^18 eVでの飽和を確保する。
• WWモデルの結果を標準モデル（SIBYLL、QGSJET、DPMJET）と比較し、それらが純粋な陽子一次粒子に対してx_maxを再現できないことを評価する。
• CORSIKA 6.735にEPOS相互作用モデルをベースラインとして採用し、シミュレーションの一貫性を保つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高エネルギー宇宙線の純粋な陽子成分が、ピエール・オーギュール観測所の観測されたシャワー最大深さ（x_max）データと整合することができるか？
• RQ2 純粋な陽子に対してx_max観測値に適合させるために、WdowczykとWolfendale（WW）スケーリング破れモデルにどのような修正が必要か？
• RQ3 CORSIKAにおける従来の高エネルギー相互作用モデル（例：SIBYLL、QGSJET）が、純粋な陽子一次粒子に対してなぜx_maxを再現できないのか？
• RQ4 x_maxデータに一致させるために必要なスケーリング破れパラメータαの値は何か？また、エネルギーに応じてどのように変化するか？
• RQ5 HDPMなどの既存の二重パートンモデルに由来する相互作用モデルを調整することで、エネルギーまたは多重度の制約に反しない形で、純粋な陽子UHECRフラックスを支持できるか？

主な発見

• WdowczykとWolfendale（WW）モデルにおいてα = 0.105とすると、超高エネルギーにおける純粋な陽子成分の観測されたx_max値に良好な適合が得られる。
• 10^15 eVでα = 0.07から10^19 eVでα = 0.134に上昇するαの増加が、x_maxデータとの最も良い一致をもたらし、最高エネルギーで強いスケーリング破れが生じることを示している。
• フェインマンスケーリング（α = 0）では、x_max値が大気中で深くなり、観測結果と整合せず、多重度も現実的でないほど低くなる。
• 平均非弾性率は約10^18 eVで飽和し、エネルギー保存則に反することなく、わずかな非弾性率の低下も可能であることがモデルで示されている。
• HDPM、SIBYLL、QGSJET、DPMJETといった既存モデルは、x_maxデータに適合させつつ純粋な陽子UHECRを支持するようには修正できない。
• 本研究は、純粋な陽子UHECRと整合性を保つために、エネルギー依存性を持つαを有する修正されたWW型モデルをCORSIKAに導入する必要があると結論づける。