[論文レビュー] 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 Jong+376 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Jul 8, 2020

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 19被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ピエール・オーディエ・オブザーバトリの水チェレンコフ検出器（WCD）が大気中のミューオンに応答することを、抵抗性板チャンバー（RPC）ホドスコープを用いて検証した。視界角0°から55°の範囲で、データとシミュレーションの一致が2%以内であった。RPCは単一ミューオンの軌道を高精度で再構築でき、ミューオン電荷応答に基づくWCDキャリブレーションの長期的安定性を確認した。

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.

研究の動機と目的

• 超高エネルギー宇宙線（UHECR）エネルギー再構築における主要な不確実要因である大気ミューオンに対する水チェレンコフ検出器（WCD）応答の実験的検証を目的とする。
• 特に10^19 eV以上のエネルギーで観測される広がり空気シャワーにおけるシミュレーションと観測のミューオン数の長年の不一致を解消することを目的とする。
• 垂直方向を通過するミューオンの電荷応答に依存するWCDキャリブレーション手順の正確性を、専用のミューオンホドスコープを用いて検証することを目的とする。
• 視界角0°から55°の範囲で、約60万件の単一ミューオン軌道を測定・再構築し、広範な入射角における角度応答と電荷応答を評価することを目的とする。
• オムニディレクショナルなミューオンデータから垂直ミューオン電荷を導出するために用いられるWCDキャリブレーションスケーリング要因の長期的安定性を確認することを目的とする。

提案手法

• WCD上に抵抗性板チャンバー（RPC）ホドスコープを設置し、高角度分解能および高時間分解能で個々のミューオン軌道を検出・再構築する。
• RPCのセグメンテーションとトリガーロジックを用いてミューオン軌道を特定・再構築し、定義された視界角（0°から55°）の単一ミューオンを選別する。
• ホドスコープから得た測定電荷分布および軌道パラメータを、光電子増倍管（PMT）応答、水の吸収長、Tyvekの反射率を含む詳細な検出器シミュレーションの予測と比較する。
• ホドスコープデータからのミューオン電荷応答を用いてWCDをキャリブレートし、特にオムニディレクショナルなミューオンデータから垂直ミューオン電荷を推定するために用いられるスケーリング要因の妥当性を検証する。
• 2回のデータ取得キャンペーンを実施：1回目は傾斜角最大55°のミューオンを対象とし、角度依存性とキャリブレーションの一貫性を評価する。
• 検出器幾何、PMT量子効率（角度依存性を含む）、水の吸収長（最大100 m）、Tyvekの反射率（最大94.0%）を含む包括的なシミュレーションフレームワークを用い、WCD間で平均化されたパラメータを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 視界角0°から55°の範囲で、WCDシミュレーションは大気ミューオンに対する水チェレンコフ検出器の電荷応答をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 オムニディレクショナルなミューオンデータから垂直ミューオン電荷を導出するために用いられるスケーリング要因の精度はどの程度で、専用のミューオンホドスコープを用いて独立に検証可能か？
• RQ3 特に傾斜角の大きいミューオンに対して、検出器シミュレーションはWCDにおけるミューオン信号の沈殿応答の角度依存性を正確にモデル化できるか？
• RQ4 ミューオン電荷応答に基づくWCDキャリブレーション手順の長期的安定性は、ホドスコープ測定によってどの程度確認できるか？
• RQ5 広がり空気シャワーにおけるシミュレーションと観測のミューオン数の不一致は、WCDシミュレーションの不正確さに起因するのか、それとも主に強子相互作用モデルの問題に起因するのか？

主な発見

• RPCホドスコープからの測定電荷分布は、視界角0°から55°の全範囲でシミュレーション予測と2%以内の一致を示し、WCDシミュレーションの高い忠実性を確認した。
• オムニディレクショナルなミューオンデータから垂直ミューオン電荷を導出するためのスケーリング要因が、RPCホドスコープを用いてより高い精度で検証され、その信頼性が確認された。
• シミュレーションはWCDにおけるミューオン信号応答の角度依存性を正確にモデル化しており、再構築された軌道および電荷分布に顕著なずれは観測されなかった。
• 長期間にわたるデータ取得期間にわたる一貫性あるミューオン電荷測定により、WCDキャリブレーション手順の長期的安定性が確認された。
• 本研究では、検出器シミュレーションの不確実性がUHECRシャワーにおける観測されたミューオン欠損に顕著に寄与していないことが示され、不一致の主な原因は検出器応答ではなく、強子相互作用モデルの問題である可能性が高いとされた。
• 水の平均吸収長は≤100 m、Tyvekの反射率は≤94.0%に制限され、これらのパラメータは最終的な電荷応答にわずかに影響を与えるが、その影響は明確に測定可能であった。