[논문 리뷰] The expectation of cosmic ray proton and helium energy spectrum below 4 PeV measured by LHAASO

L. Q. Yin, S.S. Zhang외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 19.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 대기 중 고고도 우주선 비행기 관측소(LHAASO)의 시뮬레이션 기반 예측을 제시하며, 하이브리드 검출을 통해 4 PeV 이하의 우주선 수소 및 헬륨 에너지 스펙트럼을 측정한다. WCDA, WFCTA, MD의 데이터를 조합하여 TMVA를 사용한 다변수 분석(MVA)이 수소와 헬륨(H&He)을 고순도로 분리함으로써, 각각 900 m²sr 및 1800 m²sr의 입구면적을 예측하며, 에너지 해상도는 20% 이하, 오차는 ±4% 이내로 유지되어 10%의 작업 주기로 1년간 관측 시 정밀한 '어금니' 구조 측정이 가능하다.

ABSTRACT

Large High Altitude Air Shower Observatory(LHAASO) is a composite cosmic ray observatory consisting of three detector arrays: kilometer square array (KM2A) which includes the electromagnetic detector array and muon detector array, water Cherenkov detector array (WCDA) and wide field of view Cherenkov telescope array (WFCTA). One of the main scientific objectives of LHAASO is to precisely measure the cosmic rays energy spectrum of individual components from 1014 eV to 1018 eV. The hybrid observation will be employed by LHAASO experiment, in which the lateral and longitudinal distributions of the extensive air shower can be observed simultaneously. Thus many kinds of parameters can be used for primary nuclei identification. In this paper, high purity cosmic ray simulation samples of light nuclei component are obtained through Multi-Variable Analysis. The apertures of 1/4 LHAASO array for pure proton and mixed proton and helium (H&He) samples are 900 m2Sr and 1800 m2Sr respectively. A prospect of proton and H&He spectra from 100 TeV to 4 PeV is discussed.

연구 동기 및 목표

• LHAASO 실험이 4 PeV 이하의 우주선 수소 및 헬륨 핵의 에너지 스펙트럼 측정 능력을 예측하는 것.
• WFCTA, WCDA, MD를 사용한 하이브리드 검출의 입자 식별 및 에너지 재구성 성능 평가.
• 다변수 분석(MVA)을 활용한 순수 수소 및 H&He 샘플에 대한 효과적 입구면적과 오염 수준 결정.
• 경량 우주선 성분의 '어금니' 구조를 해소하기 위한 통계적 민감도 및 관측 시간 평가.

제안 방법

• 수소 및 헬륨 핵에 대한 우주선 쇼워를 Hörandel 및 ARGO-YBJ & WFCT 모델을 사용해 시뮬레이션하였다.
• WFCTA, WCDA, MD 검출기에서 유도된 여섯 개 최적화된 파rameter를 사용해 TMVA 프레임워크 기반의 다변수 분석(MVA)을 적용하여 주입 입자를 분류하였다.
• BDTG 분류기가 시뮬레이션 데이터를 기반으로 훈련 및 테스트되어, 오염을 최소화하고 순도를 극대화하는 수소 및 H&He 이벤트를 식별하도록 설계되었다.
• 쇼워 에너지 재구성은 보정된 채르니코프 광전자 수(N₀^pe)와의 선형 상관관계를 사용하였으며, 보정 상수는 시뮬레이션에서 유도되었다.
• 1년간 10%의 작업 주기로 1/4 LHAASO 어레이 구성에 대해 입구면적과 노출량을 계산하였다.
• 우주선 상호작용 모델(QGSJET-FLUKA 및 EPOS-FLUKA)의 불확실성은 입구면적과 스펙트럼에 미치는 체계적 영향 평가를 위해 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHAASO는 하이브리드 검출을 통해 4 PeV 이하의 수소 및 헬륨 에너지 스펙트럼 측정에 충분한 순도와 효과적 입구면적을 확보할 수 있는가?
• RQ2 1년간의 관측에서 LHAASO는 경량 성분 스펙트럼의 '어금니'를 감지할 수 있는 기대 통계적 민감도를 갖는가?
• RQ3 우주선 상호작용 모델의 불확실성은 수소 및 H&He에 대한 입구면적과 스펙트럼 재구성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LHAASO 하이브리드 구성에서 수소 및 헬륨 핵의 재구성된 쇼워 에너지의 해상도와 오차는 얼마인가?
• RQ5 하이브리드 검출 시스템은 어금니 영역 근처에서 수소 및 H&He 성분 간의 스펙트럼 기울기 변화를 구분할 수 있는가?

주요 결과

• Hörandel 모델 기반으로 순수 수소 이벤트의 효과적 입구면적은 900 m²sr이며, 약 10%의 오염을 포함한다.
• H&He 이벤트의 효과적 입구면적은 1800 m²sr이며, 오염 수준이 3% 이하로 낮아 입자 분리 성능이 뛰어나다.
• 수소 및 헬륨 모두에 대해 에너지 재구성 시 약 ±4%의 오차와 20% 이하의 해상도를 보였다.
• 800 TeV에서 Hörandel 모델 기반으로 연간 약 1130개의 수소 및 5121개의 H&He 이벤트가 예상되며, 2 PeV에서는 각각 222개 및 1023개로 감소한다.
• 1/4 LHAASO 어레이를 사용할 경우, 어금니가 1 PeV 이하에 위치할 경우 1년 내에 높은 통계적 신뢰도로 경량 성분 스펙트럼을 측정할 수 있다.
• 우주선 상호작용 모델로 인한 H&He 입구면적의 체계적 불확실성은 ±5% 이내로, 다양한 모델 간에 뛰어난 안정성을 보였다.