[論文レビュー] $$ Uncertainty from Extrapolation of Cosmic Ray Air Shower Parameters

Rasha Abbasi, G. B. Thomson|arXiv (Cornell University)|May 17, 2016

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、加速器データ（~1 TeVまで）を超高エネルギー（p-p中心座標系で~250 TeV）に外挿することに起因する、宇宙線空気シャワーにおけるシャワー最大深さ（$X_{\text{max}}$）予測の下限としての不確実性を定量的に評価している。感度解析とグローバー模型補正を用いて、全断面積、多重度、弾性散乱の外挿不確実性が、合計で10¹⁹.⁵ eVにおける$<X_{\text{max}}>$の不確実性を約35 g/cm²に及ぼすことが判明。これは、最先端のハドロンモデル間のばらつきと同等であり、改善された加速器データだけではモデルの違いがまだ解消されていないことを示唆している。

ABSTRACT

Recent measurements at the LHC of the p-p total cross section have reduced the uncertainty in simulations of cosmic ray air showers. In particular of the depth of shower maximum, called $X_{max}$. However, uncertainties of other important parameters, in particular the multiplicity and elasticity of high energy interactions, have not improved, and there is a remaining uncertainty due to the total cross section. Uncertainties due to extrapolations from accelerator data, at a maximum energy of $\sim$ one TeV in the p-p center of mass, to 250 TeV ($3 imes10^{19}$ eV in a cosmic ray proton's lab frame) introduce significant uncertainties in predictions of $$. In this paper we estimate a lower limit on these uncertainties. The result is that the uncertainty in $$ is larger than the difference among the modern models being used in the field. At the full energy of the LHC, which is equivalent to $\sim 1 imes10^{17}$ eV in the cosmic ray lab frame, the extrapolation is not as extreme, and the uncertainty is approximately equal to the difference among the models.

研究の動機と目的

• 加速器エネルギーにおけるp-p相互作用パラメータを超高エネルギー宇宙線エネルギーに外挿することに起因する$<X_{\text{max}}>=$予測の下限不確実性を推定すること。
• ハドロン生成器の主要入力である全断面積、多重度、弾性散乱の不確実性が$<X_{\text{max}}>=$予測にどのように影響するかを評価すること。
• 最近のLHCによるp-p全断面積測定が、$<X_{\text{max}}>=$予測の全体的な不確実性をどの程度低減したかを検証すること。
• 現在のハドロン相互作用モデル（例：QGSJet、Sibyll、EPOS-LHC）間の観測された差異と、外挿不確実性の大きさを比較すること。

提案手法

• 感度解析をCONEX空気シャワーシミュレーションフレームワークを用いて実施し、全断面積、多重度、弾性散乱、中性ピオン比といった主要パラメータの$\Delta X_{\text{max}} / \Delta f(E)$を計算した。
• 核効果を考慮して、p-p断面積不確実性のp-空気相互作用における増幅をグローバー模型を用いて推定した。
• QCDに由来するおよびCOMPETE型のフィットを用いて、LHC測定値（7 TeV）を含むp-p全断面積データの外挿を実施し、不確実性範囲を推定した。
• 多重度および弾性散乱の不確実性は、式（1）で定義される対数補間関数を用いて、TeVエネルギーでの値を超高エネルギーにスケーリングすることで推定した。
• 各パラメータからの寄与を絶対値で合算することで、$<X_{\text{max}}>$における組み合わせ不確実性を推定し、保守的な下限を提供した。
• 結果は、10¹⁷ eVおよび10¹⁹.⁵ eVにおける5つの主要ハドロン相互作用モデル（Sibyll 2.1、QGSJet01c、QGSJetII-4、EPOS-LHC）の観測されたばらつきと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 加速器エネルギーから宇宙線エネルギーへのp-p相互作用パラメータの外挿に起因する$<X_{\text{max}}>=$予測の下限不確実性は何か？
• RQ2 全断面積、多重度、弾性散乱の不確実性が、個別および総合的に$<X_{\text{max}}>=$予測にどのように影響するか？
• RQ3 最近のLHCによるp-p全断面積測定は、以前の推定値と比較して$<X_{\text{max}}>=$予測の不確実性をどの程度低減したか？
• RQ4 10¹⁷ eVおよび10¹⁹.⁵ eVにおける外挿不確実性は、現在のハドロン相互作用モデル間のばらつきと比べてどの程度の大きさか？
• RQ5 外挿による不確実性は、QGSJet01cとEPOS-LHCといった主要モデル間の差異と同等か、あるいはそれ以上か？

主な発見

• 全断面積、多重度、弾性散乱の外挿に起因する$<X_{\text{max}}>=$予測の下限不確実性は、10¹⁹.⁵ eVで約35 g/cm²と推定された。
• この外挿不確実性は、10¹⁹.⁵ eVにおける5つの主要ハドロン相互作用モデル（QGSJet01c、QGSJetII-4、Sibyll 2.1、EPOS-LHC）間の観測されたばらつき（約35 g/cm²）と同等である。
• 10¹⁷ eVでは、外挿不確実性は約6 g/cm²、モデルのばらつきは約25 g/cm²であり、このエネルギーではまだモデル差が支配的であることが示された。
• $<X_{\text{max}}>=$予測に対するp-p全断面積への感度が最も高く、$|\Delta X_{\text{max}} / \Delta f(E)| \approx 100$ g/cm²であった。次に多重度および弾性散乱がそれぞれ~30–40 g/cm²であった。
• LHCが7 TeVで測定したp-p全断面積の不確実性は±3%であり、これによりp-空気断面積の不確実性が10%に、10¹⁷ eVにおける$<X_{\text{max}}>=$の不確実性が4 g/cm²に相当する。
• 本研究の結論として、LHCデータの改善があっても、外挿不確実性は$<X_{\text{max}}>=$予測における主要な曇りであり、モデルの違いはまだ加速器データだけでは完全に解消されていない。