[논문 리뷰] Inferences on mass composition and tests of hadronic interactions from 0.3 to 100 EeV using the water-Cherenkov detectors of the Pierre Auger Observatory

A. Aab, P. Abreu|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 수중 체렌코프 검출기 신호의 상승시간을 활용하여 초고에너지(0.3–100 EeV)에서 질량 조성과 강입자 상호작용 모델을 추론하는 새로운 방법을 제안한다. 공기 샤워의 Xmax를 추론하기 위해 새로운 파라미터를 광학적 데이터와 校정함으로써, 81,000건 이상의 사건에 대해 Xmax를 도출하였으며, 이는 이전의 광학 샘플보다 14배 이상 많고 에너지 범위를 확장하고 질량 조성 추론의 통계적 불확실성을 감소시킨다.

ABSTRACT

We present a new method for probing the hadronic interaction models at ultrahigh energy and extracting details about mass composition. This is done using the time profiles of the signals recorded with the water-Cherenkov detectors of the Pierre Auger Observatory. The profiles arise from a mix of the muon and electromagnetic components of air showers. Using the risetimes of the recorded signals, we define a new parameter, which we use to compare our observations with predictions from simulations. We find, first, inconsistencies between our data and predictions over a greater energy range and with substantially more events than in previous studies. Second, by calibrating the new parameter with fluorescence measurements from observations made at the Auger Observatory, we can infer the depth of shower maximum Xmax for a sample of over 81,000 events extending from 0.3 to over 100 EeV. Above 30 EeV, the sample is nearly 14 times larger than what is currently available from fluorescence measurements and extending the covered energy range by half a decade. The energy dependence of ?Xmaxcopyright is compared to simulations and interpreted in terms of the mean of the logarithmic mass. We find good agreement with previous work and extend the measurement of the mean depth of shower maximum to greater energies than before, reducing significantly the statistical uncertainty associated with the inferences about mass composition.

연구 동기 및 목표

• 수중 체렌코프 검출기 신호의 시간 프로파일을 분석하여 초고에너지에서 강입자 상호작용 모델을 탐색하는 새로운 방법을 개발한다.
• 광학적 검출기 의존도 없이 수중 체렌코프 신호의 상승시간에서 공기 샤워의 최대 최대 깊이(Xmax)를 추론한다.
• 기존의 광학 기반 샘플을 넘어서 에너지 범위와 통계적 의미를 확장하여 Xmax 측정의 에너지 범위와 사건 수를 늘린다.
• 더 큰, 더 민감한 사건 샘플을 활용하여 고에너지에서 질량 조성 추론의 불확실성을 줄인다.

제안 방법

• 수중 체렌코프 검출기가 기록한 신호의 시간 프로파일을 분석하여 공기 샤워 구성 요소의 상승시간 정보를 추출한다.
• 공기 샤워의 밀도와 전자기 성분을 특징짓는 데 기반한 새로운 파라미터를 정의한다.
• 피에르 오거 관측소의 공기 샤워와 함께 위치한 광학 측정값을 사용하여 새로운 파라미터를 校정한다.
• 교정된 파라미터를 사용하여 0.3–100 EeV 범위의 81,000건 이상의 사건에 대해 Xmax를 추론한다.
• 모의 시뮬레이션과의 비교를 통해 추론된 Xmax 값의 일관성을 평가하고 평균 로그 질량을 추론한다.
• 통계적 방법을 적용하여 고에너지에서 질량 조성 추정의 불확실성을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수중 체렌코프 신호의 상승시간이 초고에너지 공기 샤워에서 Xmax의 신뢰할 수 있는 대체 측정값이 될 수 있는가?
• RQ2 추론된 Xmax 값은 현재의 강입자 상호작용 모델 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 새로운 방법은 광학 기반 기술에 비해 Xmax 측정의 에너지 범위와 사건 통계를 어느 정도로 확장하는가?
• RQ4 추론된 확장된 Xmax 샘플에서 평균 로그 질량의 에너지 의존성은 어떻게 되는가?
• RQ5 0.3–100 EeV 에너지 범위에서 데이터와 시뮬레이션 간의 불일치는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 이 연구는 이전 연구보다 훨씬 더 넓은 에너지 범위와 훨씬 더 많은 사건 수를 바탕으로 관측된 데이터와 시뮬레이션 예측 간의 불일치를 규명하였다.
• 새로운 방법을 통해 81,000건 이상의 사건에 대해 Xmax를 추론할 수 있었으며, 에너지 범위는 0.3에서 100 EeV 이상으로 확장되었다.
• 30 EeV 이상에서는 현재의 광학 기반 샘플보다 Xmax 샘플이 거의 14배 더 크다.
• 이전 연구에 비해 통계적 불확실성이 크게 감소한 상태에서 ⟨Xmax⟩의 에너지 의존성이 측정되었다.
• 추론된 평균 로그 질량과 이전 측정치 사이에 양호한 일치가 발견되어, 이 방법의 일관성이 검증되었다.
• 이 방법은 초고에너지에서 질량 조성과 강입자 모델을 탐색하는 데 있어 광학 측정의 강력하고 고통계적 대안을 제공한다.