[論文レビュー] MUPAGE: a fast atmospheric MUon GEnerator for neutrino telescopes based on PArametric formulas

G. Carminati, M. Bazzotti+6 more|ArXiv.org|Jul 31, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 10

ひとこと要約

MUPAGE は、水中／氷上ニュートリノ望遠鏡における大気ミューオン束を高速に生成するモンテカルロジェネレータであり、パラメトリックな式を用いてミューオンフラックス、エネルギースペクトル、多重度を高い計算効率でシミュレートする。フルモンテカルロシミュレーションと比較して、計算時間を数個のオーダー短縮しながらも、束の特性を正確にモデル化でき、ANTARES や NEMO、KM3NeT などの検出器における大規模なバックグラウンドおよびキャリブレーション研究を可能にする。

ABSTRACT

Neutrino telescopes are opening new opportunities in observational high energy astrophysics. In these detectors, atmospheric muons from primary cosmic ray interactions in the atmosphere play an important role. They provide the most abundant source of events for calibration and for testing the reconstruction algorithms. On the other hand, they represent the major background source. The simulation of a statistically significant number of muons in large volume neutrino telescopes requires a big effort in terms of computing time. Some parameterizations are currently available, but they do not explicitly take into account the arrival of muons in bundles. A fast Monte Carlo generator (MUPAGE) was developed to generate single and multiple atmospheric muon events in underwater/ice neutrino telescopes. The code reduces the computing time for the simulation of atmospheric muons significantly. The event kinematics is produced on the surface of a user-defined cylinder, virtually surrounding the detector volume. The flux of muon bundles at different depths and zenith angles, the lateral spread and the energy spectrum of the muons in the bundles are based on parametric formulas. These formulas were obtained according to a specific primary cosmic ray flux model and constrained by the measurements of the muon flux in the MACRO underground experiment. Some MUPAGE applications are presented.

研究の動機と目的

• 大規模体積ニュートリノ望遠鏡における大気ミューオンのフルモンテカルロシミュレーションの計算効率の高い代替手法の開発。
• 大気ミューオンシミュレーションにおいて、ミューオン束の多重度を考慮する既存のパラメータ化の欠如に対処すること。
• 検出器のキャリブレーション、バックグラウンド推定、再構築アルゴリズムのテストのための大規模モンテカルロシミュレーションを可能にすること。
• ANTARES や NEMO、KM3NeT などのニュートリノ望遠鏡の設計および性能最適化を支援するため、高速かつ正確なミューオンイベント生成を提供すること。
• 複数のミューオンが短時間のトリガーウィンドウ内に到着する場合の、ミューオン駆動バックグラウンド効果の研究を促進すること。

提案手法

• MUPAGE は、CORSIKA シミュレーションから導出されたパラメトリック式と、MACRO 実験データによる制約を用いて、深さおよび天頂角の関数としてミューオンフラックス、エネルギースペクトル、方位分布をモデル化する。
• ジェネレータは、検出器ボリュームを取り囲むユーザー定義の円筒形「キャン」の表面に、1.5 から 5.0 km 水当量の深さでミューオンの運動学的パラメータ（位置、方向、エネルギー）を生成する。
• ミューオン束の多重度を明示的にモデル化しており、シャワー軸からの距離および束のサイズに依存するミューオンエネルギーの依存性も含む。
• コードは C++ で実装されており、乱数生成には ROOT ライブラリを用い、後続のチェレンコフ光および PMT シグナルのシミュレーション用にフォーマット済みの ASCII テーブルを出力する。
• ランダムシード、ラン番号、生成イベント数といった設定可能なパラメータをサポートしており、ヘッダ、ソースコード、設定スクリプト用の別々のディレクトリを備えたモジュラー構造である。
• 同じ宇宙線衝突から生じる単一ミューオンおよび複数ミューオンの両方のシミュレーションを可能にし、相関するバックグラウンドイベントのモデル化に不可欠である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模体積ニュートリノ望遠鏡において、正確性を損なわずに大気ミューオン束のシミュレーションをどのように高速化できるか？
• RQ2 パラメトリック式は、深海・氷中環境におけるミューオン束のフラックス、エネルギースペクトル、多重度をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 ミューオン束の多重度は、ニュートリノ望遠鏡における上向きトラックの再構築およびバックグラウンド率にどのような影響を及えるか？
• RQ4 フルモンテカルロシミュレーション（例：CORSIKA）と比較して、MUPAGE はどの程度効率的に大規模なイベントサンプルを生成できるか？
• RQ5 MUPAGE は、短時間ウィンドウ内に複数のミューオンが到着する『カップルドイベント』を効果的にモデル化できるか？その影響はトリガーや再構築性能に及ぶか？

主な発見

• MUPAGE は、フルモンテカルロシミュレーションと比較して、ミューオンシミュレーションの計算時間を 10 倍以上短縮する。これにより、大規模な研究が可能になる。
• 2xIntel Xeon Quad Core マシン上で、10^7 イベントの MUPAGE ファイルを 2 時間未満で生成した。計算効率の高さが裏付けられた。
• ANTARES 5 ライン構成では、MUPAGE が 1 ヶ月間のライブタイムデータセット（322 ファイルに分割）を生成し、トラック再構築効率および角度残差の検証に使用された。
• MUPAGE シミュレーションにより、深さ関数としての真の大気ミューオンフラックスを抽出するデコンボリューション法の開発が可能になり、発表済みの値と整合性を示した。
• 4 μs 以内に到着する2つのミューオンが、単一の上向きトラックとして再構築される可能性がある「カップルドイベント」の発生率は 7×10⁻⁴ Hz であり、90%信頼水準の上限は 9×10⁻⁷ Hz であった。
• 高エネルギーニュートリノバックグラウンド研究（E > 100 TeV）においては、束内の1つのミューオンに対して 3 TeV の保守的エネルギー閾値を適用し、1 年間のライブタイムシミュレーションを 232 時間で完了した。