[논문 리뷰] Studies on the response of a water-Cherenkov detector of the Pierre Auger Observatory to atmospheric muons using an RPC hodoscope

A. Aab, S. J. de Jong외 376명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2020. 07. 08.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 19인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 페르디아우저 관측소의 워터-체렌코프 검출기(WCD)가 대기 중의 뮤온에 반응하는 것을 저항성 판층실(ROC) 허도스코프를 사용하여 검증하였으며, 0°에서 55°까지의 심도 각도 범위에서 데이터와 시뮬레이션 간의 일치도가 2% 이내임을 확인하였다. ROC는 단일 뮤온 궤적의 정밀 재구성과 뮤온 전하 반응에 기반한 WCD 캘리브레이션의 장기적 안정성을 확인하는 데 기여한다.

ABSTRACT

Extensive air showers, originating from ultra-high energy cosmic rays, have been successfully measured through the use of arrays of water-Cherenkov detectors (WCDs). Sophisticated analyses exploiting WCD data have made it possible to demonstrate that shower simulations, based on different hadronic-interaction models, cannot reproduce the observed number of muons at the ground. The accurate knowledge of the WCD response to muons is paramount in establishing the exact level of this discrepancy. In this work, we report on a study of the response of a WCD of the Pierre Auger Observatory to atmospheric muons performed with a hodoscope made of resistive plate chambers (RPCs), enabling us to select and reconstruct nearly 600 thousand single muon trajectories with zenith angles ranging from 0$^\circ$ to 55$^\circ$. Comparison of distributions of key observables between the hodoscope data and the predictions of dedicated simulations allows us to demonstrate the accuracy of the latter at a level of 2%. As the WCD calibration is based on its response to atmospheric muons, the hodoscope data are also exploited to show the long-term stability of the procedure.

연구 동기 및 목표

• 초고에너지 우주선(UHECR) 에너지 재구성에서의 주요 불확실성인 대기 중 뮤온에 대한 워터-체렌코프 검출기(WCD) 반응의 실험적 검증.
• 특히 10^19 eV 이상의 에너지에서 관측된 광범위한 공기 샤워에서 시뮬레이션과 관측된 뮤온 수 간의 오랜 기간 지속된 격차를 해결하기 위해.
• 수직으로 통과하는 뮤온의 전하 반응에 기반한 WCD 캘리브레이션 절차의 정확성을 전용 뮤온 허도스코프를 통해 검증하기 위해.
• 심도 각도 0°에서 55°까지의 거의 600,000개의 단일 뮤온 궤적을 측정하고 재구성하여 넓은 입사 각도 범위에서의 각도 및 전하 반응을 평가하기 위해.
• 수직 뮤온 전하를 온디렉셔널 뮤온 데이터에서 유도하기 위해 사용하는 WCD 캘리브레이션 스케일링 인자의 장기적 안정성을 확인하기 위해.

제안 방법

• WCD에 저항성 판층실(RPC) 허도스코프를 설치하여 고각도 및 고시간 해상도로 개별 뮤온 궤적을 탐지하고 재구성하기 위해.
• RPC의 분할 구조와 트리거 논리를 활용하여 뮤온 궤적을 식별하고 재구성함으로써, 정의된 심도 각도(0°에서 55°)를 가진 단일 뮤온을 선택하기 위해.
• 허도스코프에서 측정한 전하 분포 및 궤적 파rameter를, 광전자 증폭기(PMT) 반응, 물 흡수 길이, 타바이크 반사율을 포함한 세밀한 검출기 시뮬레이션 예측과 비교하기 위해.
• 허도스코프 데이터에서의 뮤온 전하 반응을 이용해 WCD를 캘리브레이션하고, 특히 온디렉셔널 뮤온 데이터에서 수직 뮤온 전하를 유도하기 위해 사용하는 스케일링 인자의 정확성을 검증하기 위해.
• 두 번의 데이터 수집 캠프를 실시: 경사진 뮤온(최대 55°)을 위한 캠프와 거의 수직 뮤온을 위한 캠프로, 각도 의존성과 캘리브레이션 일관성을 평가하기 위해.
• 검출기 기하학, 광전자 증폭기 양자 효율성(각도 의존성 포함), 물 흡수 길이(최대 100 m), 타바이크 반사율(최대 94.0%)을 포함한 전체 시뮬레이션 프레임워크를 사용하며, 이들 매개변수는 WCD들 사이의 평균값을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WCD 시뮬레이션은 심도 각도 0°에서 55°까지의 범위에서 대기 중 뮤온에 대한 워터-체렌코프 검출기의 전하 반응을 얼마나 정확하게 재현하는가?
• RQ2 온디렉셔널 뮤온 데이터에서 수직 뮤온 전하를 유도하기 위해 사용하는 스케일링 인자는 얼마나 정밀한가? 그리고 전용 뮤온 허도스코프를 통해 독립적으로 검증 가능한가?
• RQ3 검출기 시뮬레이션이 WCD 내 뮤온 신호 침식의 각도 의존성을 정확히 모델링하는가? 특히 경사진 뮤온에 대해 그렇다.
• RQ4 뮤온 전하 반응에 기반한 WCD 캘리브레이션 절차의 장기적 안정성은 허도스코프 측정을 통해 어떻게 확인되는가?
• RQ5 광범위한 공기 샤워에서 시뮬레이션과 관측된 뮤온 수 간의 격차는 WCD 시뮬레이션의 부정확성 때문인가, 아니면 주로 강입자 상호작용 모델의 문제 때문인가?

주요 결과

• RPC 허도스코프에서 측정한 전하 분포는 0°에서 55°까지의 모든 심도 각도에서 시뮬레이션 예측과 2% 이내로 일치하여, WCD 시뮬레이션의 높은 정밀도를 확인한다.
• 온디렉셔널 뮤온 데이터에서 수직 뮤온 전하를 유도하기 위해 사용하는 스케일링 인자는 RPC 허도스코프를 통해 더 높은 정밀도로 검증되어 신뢰성이 확인되었다.
• 시뮬레이션은 WCD 내 뮤온 신호 반응의 각도 의존성을 정확히 모델링하며, 재구성된 궤적 및 전하 분포에서 유의미한 편차를 관찰하지 못했다.
• 장기간의 데이터 수집 기간 동안 일관된 뮤온 전하 측정을 통해 WCD 캘리브레이션 절차의 장기적 안정성이 확인되었다.
• 이 연구는 검출기 시뮬레이션의 불확실성이 UHECR 샤워에서 관측된 뮤온 부족 현상에 기여하지 않음을 시사하며, 이 격차가 주로 강입자 상호작용 모델의 문제에서 기인할 가능성이 높다는 것을 보여준다.
• 물의 평균 흡수 길이는 ≤100 m로 제약되었고, 타바이크 반사율은 ≤94.0%로 제약되었으며, 이들 매개변수는 최종 전하 반응에 미치는 영향은 측정 가능하지만 작다.