[論文レビュー] Measurements of Hadron Production in Pion-Carbon Interactions with NA61/SHINE at the CERN SPS

Raul Ribeiro Prado|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、CERN SPSのNA61/SHINE実験を用いて、158および350 GeV/cのπ炭素衝突におけるハドロン生成の新しい測定を提示する。dE/dxおよび不変質量再構成を用い、電荷を帯びたパイオン、カイオン、陽子、反陽子、および共鳴状態（ρ⁰、ω、K*⁰）の精密なスペクトルを報告しており、現在のハドロン相互作用モデルとデータの間で顕著な不一致が明らかになった。特に低xFにおけるρ⁰生成に関して顕著であり、超高エネルギー宇宙線の空気シャワーシミュレーションの精度が向上する。

ABSTRACT

NA61/SHINE is a fixed target experiment designed to study hadron-proton, hadron-nucleus and nucleus-nucleus interactions at the CERN Super-Proton-Synchrotron. In this proceeding we present results on spectra of identified hadrons produced in pion-carbon production interactions, which are of fundamental importance to improve the extensive air shower modeling, and hence the interpretation of ultra-high-energy-cosmic-rays measurements. In particular, our measurements of (anti)baryons and $ρ^0$ production in pion-carbon interactions can contribute to improve the predictions of muon production by air shower simulations using hadronic interaction models. In this contribution we discuss the data analysis and the results from pion-carbon collisions recorded at beam momenta of 158 and 350 GeV/c. The preliminary spectra of $K^{\pm}$ and $p$($\bar{p}$) are shown, as well as a comparison to predictions of hadronic interaction models used in air shower simulations. Additionally, we present final results on the production of $ρ^0$, $ω$ and $K^{0*}$ resonances.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線の解釈に用いられる広範な空気シャワー（EAS）シミュレーションにおけるハドロン相互作用モデルの精度を向上させること。
• 長年の課題であるEASシミュレーションとデータの不一致、特にミューオン生成予測の不一致を解消すること。
• EAS発展における重要なが制限が厳しいプロセスであるπ-C衝突における粒子生成に関する新しい実験的データを提供すること。
• 高精度の測定を用いて、主要なハドロン相互作用モデル（例：Epos、DPMJet、Sibyll、QGSJet）の予測を検証および精緻化すること。
• (反)バリオンおよび共鳴状態生成のより良いモデリングを可能にし、空気シャワーにおけるミューオン生成に主に寄与する要因を改善すること。

提案手法

• 運動量と電荷をσ(p)/p² ≈ 10⁻⁴ GeV/cの精度で測定するため、磁場を有するNA61/SHINEのタイムプロジェクションチェンバ（TPC）を用いた。
• dE/dx測定による粒子同定を実施し、5種類の粒子（e、π、K、p、d）を組み合わせたモデルを用いて、切断平均エネルギー損失分布にフィットした。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、dE/dxの重なりが大きい低運動量領域を除外し、系統的不確実性（収量に関して相対標準偏差25％以上）を推定した。
• π⁺π⁻不変質量分布にテンプレートフィッティング法を適用し、共鳴状態収量（ρ⁰、ω、K*⁰）を抽出した。これには、検出器効率および受容性補正を施した。
• イベントジェネレータシミュレーション（例：Epos、DPMJet）を用いて補正係数を計算し、それらを原始収量に適用した。系統的不確実性は、異なる手法および異なるモデル間の比較により評価した。
• xF（フェインマン-x）および横方向運動量（pT）のビン分割を用いて微分スペクトルを提示し、最終的なスペクトルは検出器効果および受容性補正を施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 158および350 GeV/cのπ-C衝突における識別されたハドロン（π±、K±、p、p̄）のスペクトルは、現在の主要なハドロン相互作用モデルの予測とどのように一致するか？
• RQ2 現在のモデル（Epos、DPMJet、Sibyll、QGSJet）は、パイオン-核子衝突における共鳴状態（ρ⁰、ω、K*⁰）の生成をどの程度正確に記述できるか？
• RQ3 高エネルギーのパイオン-炭素衝突におけるハドロンおよび共鳴状態スペクトル測定における主な系統的不確実性要因は何か？
• RQ4 測定された(反)バリオンおよび共鳴状態のスペクトルは、広範な空気シャワーにおけるミューオン生成予測にどのように影響を与えるか？
• RQ5 新しいデータは、EASシミュレーションと実験データの間の長年のミューオン含有量に関する不一致を解消できるか？

主な発見

• 測定されたπ±、K±、およびp（p̄）のスペクトルは、現在のどのハドロン相互作用モデルでも、両方のビームエネルギーにおけるすべての粒子種を満足できるように記述できていないことを示している。
• ミューオン生成モデリングにとって重要な反陽子に関しては、Epos 1.99がデータと最も一致しているが、Epos LHCおよびDPMJet 3.06は過剰に予測し、QGSJet II-04およびSibyll 2.1は不足気味に予測している。
• すべてのモデルがxF < 0.3でρ⁰スペクトルを系統的に過剰に予測し、xF > 0.3では不足気味に予測しており、xF範囲全体で顕著なモデル-データ不一致が示されている。
• 350 GeV/cでのρ⁰生成は検出器受容性の制限によりxF < 0.5に限定されるが、低xFにおける過剰予測の傾向は依然として継続している。
• ωおよびK*⁰スペクトルは350 GeV/cでは大きな不確実性のため測定できず、158 GeV/cでのみ測定可能であるが、低xFでモデルが一貫して過剰に予測している。
• 背景差し引き手法のクロス比較、異なるモデルからの補正係数、トラック/イベント選択の変更による不確実性評価を実施し、統計的および系統的誤差帯を併記した結果を提示した。