[논문 리뷰] Parameterization of the energy and rapidity distributions of secondary pions and kaons produced in energetic proton-proton collisions

Hylke Koers, Pe'er, Asaf외 1명|ArXiv.org|2006. 11. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 1 테라전자볼트에서 1 페타전자볼트의 입사 프로톤 에너지 범위에서 PYTHIA 시뮬레이션을 사용하여 고에너지 프로톤-프로톤 충돌에서 생성되는 보조 파이온과 카이온의 에너지 및 빠르기 분포를 매개변수화한다. 이는 임의의 프로톤 에너지와 충돌 각도에서 입자 운동량을 정확하게 모델링할 수 있게 하며, 1 테라전자볼트에서 1 페타전자볼트의 입사 에너지 범위에서 시뮬레이션 결과와 약 10% 이내로 일치하며, 초고에너지 영역까지 10^11 기립볼트까지 외삽 가능하다.

ABSTRACT

The possibility of proton acceleration to very high energies in astrophysical sources may have unique observational consequences. In particular, the decay of secondary mesons created in the interaction of energetic protons with photons or nucleons gives rise to high-energy gamma rays and neutrinos with potentially observable fluxes. Recently, there has been considerable interest in the parameterization of the energy spectra of these secondaries. Less attention has been paid to the angular distributions, which may have an important effect on observational quantities and are required to address collisions between protons with different energies and an arbitrary scattering angle. In this work, we study the complete particle distributions of secondary mesons created in proton-proton collisions. We present parameterizations of the energy and rapidity distributions of secondary pions and kaons that reproduce results generated with the event generator PYTHIA to within ~10% in the bulk of the parameter space. The parameterizations are based on incident proton energies from 1 TeV to 1 PeV and are suited for extrapolation to higher energies. We present several applications of these parameterizations. Energy spectra and angular distributions of stable decay products (electrons, neutrinos and gamma rays) follow readily. We give an example of the gamma-ray spectrum that results from the decay of pi0 mesons created in a proton-proton collision. We show that there is a strong correlation between the energy of secondary mesons and the degree of collimation around the direction of the colliding protons. This effect may have important implications for the detection possibility of neutrinos created in the interaction of a developing GRB with its surroundings.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 프로톤-프로톤 충돌에서 보조 파이온 및 카이온 분포를 에너지 및 빠르기 의존성 모두를 포함하여 종합적인 매개변수화를 개발하는 것.
• 이전에 에너지 스펙트럼이나 정지 프로톤 충돌에 국한된 매개변수화를 넘어서, 일반적인 산란 기하학을 위한 각도(빠르기) 분포를 포함시켜 확장하는 것.
• 감마선 폭발이나 초신성 잔해와 같이 비이sov트로픽 또는 고에너지 프로톤 비임을 가진 천체물리 환경에서의 보조 입자 생성을 정확하게 모델링할 수 있도록 하는 것.
• 극단적인 천체물리적 소스에서 강입자 상호작용으로부터의 고에너지 중성미자 및 감마선의 관측 가능한 유량을 예측하는 데 기여하는 것.
• 기본적으로 정지한 대상 프로톤을 가정하는 것 외에도, 임의의 에너지와 각도를 가진 프로톤 간의 충돌을 다룰 수 있도록 일반화된 도구를 제공하는 것.

제안 방법

• 1 테라전자볼트에서 1 페타전자볼트의 입사 프로톤 에너지 범위에서 PYTHIA 이벤트 생성기를 사용해 프로톤-프로톤 충돌을 시뮬레이션한다.
• 시뮬레이션된 이벤트에서 보조 궤도 전하 및 중성 파이온과 카이온의 에너지 및 빠르기 분포를 추출한다.
• PYTHIA 결과를 전체 매개변수 공간의 주요 부분에서 약 10% 이내로 재현할 수 있는 함수 형태를 기반으로 분석적 매개변수화를 개발한다.
• 매개변수화를 사용해 에너지 및 방출 각도 간의 상관관계를 포함한 보조 메손의 전체 운동량 분포를 유도한다.
• 로렌츠 변환을 적용하여 결과를 임의의 에너지와 산란 각도를 가진 프로톤 간의 충돌로 일반화한다.
• 시뮬레이션 출력과 비교하여 π⁰ 붕괴에서 유도된 감마선 스펙트럼을 검증하고 초고에너지 영역에서의 외삽 불확도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고에너지 pp 충돌에서 보조 파이온 및 카이온의 에너지 및 빠르기 분포는 광범위한 에너지 범위에서 얼마나 정확하게 매개변수화될 수 있는가?
• RQ2 보조 메손의 에너지에 비해 입사 프로톤 방향으로의 집중 정도는 어떻게 되며, 이는 에너지와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ3 우주선 소스에 관련된 초고에너지 영역(예: 10^11 기립볼트)까지 매개변수화된 분포를 얼마나 잘 외삽할 수 있는가?
• RQ4 메손의 에너지와 방출 각도 간의 상관관계는 천체물리적 상황에서의 보조 중성미자 및 감마선 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 매개변수화는 정지 프로톤이 아닌 충돌, 예를 들어 임의의 입사 각도를 가진 두 고에너지 프로톤 간의 충돌에도 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 매개변수화는 전체 1 테라전자볼트에서 1 페타전자볼트의 입사 에너지 범위에서 PYTHIA 시뮬레이션된 보조 파이온 및 카이온의 에너지 및 빠르기 분포를 약 10% 이내로 재현한다.
• 고에너지 메손일수록 입사 프로톤 방향으로 더 집중되는 경향이 있는 강한 에너지-집중도 상관관계가 존재한다.
• 매개변수화는 서로 다른 에너지와 임의의 산란 각도를 가진 프로톤 간의 충돌을 포함한 임의의 프로톤 충돌 기하학에 대해 유효하며, 일반적인 천체물리적 응용에 적합하다.
• 매개변수화는 10^11 기립볼트까지의 에너지로 외삽 가능하며, 최고 에너지에서 추정 불확도는 요인 2 이내로 유지된다.
• 유도된 분포를 통해 중성미자 및 감마선과 같은 붕괴 생성물의 에너지 스펙트럼과 각도 분포를 직접 계산할 수 있으며, π⁰ 붕괴에서의 경우도 포함된다.
• 모델은 실패하거나 어두운 감마선 폭발과 같이 항성 반경 이내에서 프로톤-프로톤 충돌이 일어나는 상황에서 중성미자 유량과 에너지 스펙트럼의 세밀한 분석을 가능하게 한다.