[論文レビュー] AIRES: A system for air shower simulations (Version 2.2.0)

Sergio J Sciutto|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 35

ひとこと要約

AIRES 2.2.0 は、地球の大気中における高エネルギー宇宙線空気シャワーをシミュレートするシステムであり、MOCCAフレームワークを拡張して、Z=26までの核種およびニュートリノも含む一次粒子を、GeVから1 ZeVのエネルギー範囲でシミュレート可能である。ユーザー定義の外部プログラムを用いてカスタム粒子集合をインジェクション可能であり、超高エネルギーガンマ線誘発シャワーやニュートリノ相互作用など、特異な一次粒子シナリオのシミュレーションを支援する。

ABSTRACT

The name AIRES (AIR-shower Extended Simulations) identifies a set of programs and subroutines to simulate particle showers produced after the incidence of high energy cosmic rays on the Earth's atmosphere, and to manage all the related output data. The physical algorithms currently used in AIRES main simulation programs are based on the corresponding procedures of the widely known MOCCA program originally developed by A. M. Hillas for the Haverah Park Cosmic Ray experiment. The particles taken into account in the simulations are: Gammas, electrons, positrons, muons, pions, kaons, eta mesons, nucleons and antinucleons, and nuclei up to Z=26. Electron and muon neutrinos are generated in certain processes (decays) and accounted for their energy, but not propagated. The primary particle can be any one of the already mentioned particles, with energy ranging from several GeV up to more than 1 ZeV ($10^{21}$ eV). An important characteristic of AIRES is that the simulation program is now capable of invoking external, user-written, programs to generate sets of particles to be injected in the stacks before starting the simulation of the corresponding shower. This kind of primary particle processing allows, for example, to process the first interaction of "exotic" primaries like neutrinos, including all the particles generated by ultra-high energy gamma ray conversion in the geomagnetic field before reaching the atmosphere, etc.

研究の動機と目的

• 地球の大気中における高エネルギー宇宙線空気シャワーのための柔軟で拡張可能なシミュレーションシステムの開発。
• 電子、ミューオン、光子、Z=26までの核種を含む粒子物理学モデルを強化したMOCCAフレームワークの拡張。
• シャワー発展の前段階で、ユーザー定義の外部プログラムによるカスタム粒子集合のインジェクションを可能にし、特異な一次シナリオをサポート。
• 数GeVから1 ZeVを超えるエネルギーの一次粒子からのシャワーをシミュレート。
• 崩壊過程における電子ニュートリノおよびミューオンニュートリノの生成を考慮するが、完全な伝搬は行わない。

提案手法

• 当初、ハーヴァーパーク実験のために開発されたMOCCAプログラムに由来する物理学アルゴリズムを用いる。
• 光子、電子、陽電子、ミューオン、パイオン、カイオン、エータメソン、核子、反核子、Z=26までの核種を含む一次粒子によって引き起こされる粒子シャワーをシミュレート。
• シミュレーション開始前にシャワースタックに粒子集合を生成・インジェクション可能なモジュラーインターフェースを導入。
• 高エネルギー物理学における既知のプロセスを用いて、大気中の粒子相互作用およびエネルギー損失をモデル化。
• 崩壊過程におけるニュートリノ生成を扱うが、ニュートリノの伝搬はシミュレートしない。
• シミュレーションフレームワーク内蔵のデータ管理ルーチンを用いて、すべての出力データを管理。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして空気シャワーのシミュレーションを、ユーザー定義の特異な一次粒子配置をサポートするように拡張できるか？
• RQ2 外部から生成された粒子集合をインジェクションすることで、空気シャワーのシミュレーションの正確性と柔軟性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 AIRESは、大気中への進入以前にジオマグネティック効果を介して超高エネルギーガンマ線がどのように変換されるかを、どの程度効果的にシミュレートできるか？
• RQ4 一括シミュレーションフレームワーク内で一貫してモデル化可能な一次粒子種およびエネルギー範囲はどの程度か？
• RQ5 外部インジェクションモジュールの統合は、複雑な宇宙線一次相互作用のシミュレーションをどの程度向上させるか？

主な発見

• AIRES 2.2.0 は、数GeVから1 ZeVを超えるエネルギー範囲まで、一次粒子のシミュレーションを正常にサポートしており、宇宙線エネルギー範囲を網羅する。
• 外部プログラムによるユーザー定義粒子集合のインジェクションが可能であり、特異な一次研究における柔軟性が著しく向上した。
• モデル化された粒子種には、すべての標準的な大気シャワーカンパチブル：光子、電子、陽電子、ミューオン、パイオン、カイオン、エータメソン、核子、反核子、Z=26までの核種が含まれる。
• 電子ニュートリノおよびミューオンニュートリノは崩壊過程で生成され、エネルギーが追跡されるが、大気中を伝搬させはしない。
• モジュラーインジェクションインターフェースにより、大気中への進入以前にジオマグネティック場で超高エネルギーガンマ線が変換されるような複雑なシナリオのシミュレーションが可能となった。
• MOCCAフレームワークとの互換性を維持しながら、現代の高エネルギー宇宙線研究に向けた能力を拡張した。