[논문 리뷰] Performance of the LAGO water Cherenkov detectors to cosmic ray flux.

C. Sarmiento‐Cano, Mauricio Suárez‐Durán외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 27.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 16인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 우주선에 의해 유도되는 대기 샤워에서 수중 케렌코프 검출기 신호를 모델링하기 위해 Magnetocosmics, CORSIKA, Geant4를 통합한 시뮬레이션 프레임워크 ARTI를 제시한다. 다양한 고도와 지자기 강도 절단값을 가진 여덟 개의 LAGO 현장에서 2차 입자 통량을 정확하게 예측함으로써, 다양한 대기 및 지자기 조건에서 세계 곳곳의 어떤 현장이라도 신뢰할 수 있는 반응 추정이 가능하다.

ABSTRACT

The Latin American Giant Observatory (LAGO) is a distributed cosmic ray observatory that spans over Latin America in a wide range of latitudes and altitudes. One of the main goals of LAGO is to study atmospheric radiation and space weather through the measurement of the secondary particles from cosmic ray flux at ground level using Water Cherenkov Detectors (WCD). Thus, due to differences in the local geomagnetic rigidity cut-off affecting the low energy cosmic rays impinging on the atmosphere and the well-known relation between altitude and the development of the extended atmospheric showers, different secondary particle fluxes are expected at each LAGO site. It is therefore crucial for our objectives to be able to determine the expected flux of secondary particles at any place in the World and for any geomagnetic or atmospheric conditions. To characterize the response of a particular LAGO site we developed ARTI, a complete framework intended to simulate the WCD signals produced by the interaction of the secondary inside the detector. ARTI comprises a simulation sequence by integrating three different simulation tools: a) Magnetocosmics, to account for the geomagnetic field effects on the primary flux; b) CORSIKA, to simulate the atmospheric showers originated on the complete flux of cosmic rays and, thus, to estimate the expected flux of secondary particle at the site; and c) Geant4, for simulating the LAGO detectors response to this secondary flux. In this work, we show the usage of the ARTI framework by calculating the expected flux of signals at eight LAGO sites, covering a wide range of altitudes and rigidity cut-offs to emphasize the capabilities of the LAGO network spanning over Latin America. These results show that we are able to estimate the response of any water Cherenkov detector located at any place in the World, even under evolving atmospheric and geomagnetic conditions.

연구 동기 및 목표

• 세계 곳곳의 어떤 위치에서든 우주선에 의해 유도되는 대기 샤워에 대한 수중 케렌코프 검출기 반응을 예측할 수 있는 종합적인 시뮬레이션 프레임워크를 개발하는 것.
• 저에너지 우주선 통량과 샤워 발달에 영향을 주는 지자기 강도 절단값과 고도의 변화를 고려하는 것.
• 라틴 아메리카 전역의 다양한 위도와 고도를 가진 LAGO 네트워크 현장에서 2차 입자 통량을 정확하게 추정하는 것.
• 실제 지자기 및 대기 조건 하에서 검출기 신호를 모델링하여 대기 방사선 및 공간_WEATHER 연구를 지원하는 것.
• 환경 조건이 변화하더라도 세계 곳곳에서 수중 케렌코프 검출기 성능을 시뮬레이션할 수 있는 이식 가능한 도구를 제공하는 것.

제안 방법

• 지역적 위도에 따라 변화하는 지자기장 영향을 고려하여 주로 강도 절단값에 영향을 미치는 주요 우주선 통량을 모델링하기 위해 Magnetocosmics를 활용한다.
• 우주선에 의해 유도되는 광범위한 대기 샤워의 전체 발달을 시뮬레이션하고, 특정 검출기 현장에서의 2차 입자 통량을 추정하기 위해 CORSIKA를 사용한다.
• 지상에서 도착하는 2차 입자에 대한 LAGO 수중 케렌코프 검출기의 세부 반응을 시뮬레이션하기 위해 Geant4를 통합한다.
• 세 도구를 순차적 시뮬레이션 파이프라인으로 통합: 주요 통량 조절 → 샤워 발달 → 검출기 신호 생성.
• 다양한 고도와 지자기 강도 절단값을 가진 여덟 개의 LAGO 현장을 활용하여, 다양한 조건에서의 성능 검증을 위한 校정을 수행한다.
• 실시간 환경 파rameters를 통합하여 변화하는 대기 및 지자기 조건 하에서의 검출기 신호 예측을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지자기 강도 절단값은 다양한 LAGO 현장에서 기대되는 2차 입자 통량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고도의 변화는 수중 케렌코프 검출기에서의 대기 샤워 입자 발달과 검출에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ3 ARTI 프레임워크는 다양한 지리적 및 지자기 조건에서 검출기 신호를 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 통합된 시뮬레이션 체인(Magnetocosmics → CORSIKA → Geant4)은 우주선 통량 측정을 위한 실제 검출기 반응을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 ARTI 프레임워크는 변화하는 대기 및 지자기 조건 하에서 검출기 성능을 예측하는 데 어떤 능력을 지니는가?

주요 결과

• ARTI 프레임워크는 고도와 지자기 강도 절단값이 상이한 여덟 개의 LAGO 현장에서 수중 케렌코프 검출기 신호를 성공적으로 시뮬레이션하였다.
• 지역적 지자기 강도 절단값과 대기 깊이의 차이로 인한 2차 입자 통량의 변화를 시뮬레이션에서 정확히 반영하였다.
• 변화하는 대기 및 지자기 조건 하에서도 검출기 반응 예측이 신뢰성 있게 가능하다.
• Magnetocosmics, CORSIKA, Geant4의 통합은 다양한 지리적 위치에서 일관되고 물리적으로 타당한 신호 추정을 생성하였다.
• 입력 파rameters가 적절히 설정되어 있다면 ARTI는 지구 어디서든 수중 케렌코프 검출기 성능을 추정하는 데 사용될 수 있음을 확인하였다.
• 프레임워크는 우주선 주요 통량, 대기 샤워 발달, 검출기 반응 간의 복잡한 상호작용을 모델링하는 데 있어 뛰어난 강건성을 보였다.