[论文解读] Testing Hadronic-Model Predictions of Depth of Maximum of Air-Shower Profiles and Ground-Particle Signals using Hybrid Data of the Pierre Auger Observatory

Abdul Halim, A., A Abdul Halim+369 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 51被引用 1

一句话总结

本研究利用皮埃尔·阿杰尔天文台的混合式空气簇射数据，测试强子相互作用模型，结合荧光探测器与地面探测器测量簇射最大深度（Xmax）和地面粒子信号。研究发现，模型预测与实测数据之间存在显著差异，特别是在Xmax分布和横向粒子密度方面，表明当前强子模型在超高能区存在局限性。

ABSTRACT

We test the predictions of hadronic interaction models regarding the depth of maximum of air-shower profiles, $X_{max}$, and ground-particle signals in water-Cherenkov detectors at 1000 m from the shower core, $S(1000)$, using the data from the fluorescence and surface detectors of the Pierre Auger Observatory. The test consists in fitting the measured two-dimensional ($S(1000)$, $X_{max}$) distributions using templates for simulated air showers produced with hadronic interaction models EPOS-LHC, QGSJet II-04, Sibyll 2.3d and leaving the scales of predicted $X_{max}$ and the signals from hadronic component at ground as free fit parameters. The method relies on the assumption that the mass composition remains the same at all zenith angles, while the longitudinal shower development and attenuation of ground signal depend on the mass composition in a correlated way. The analysis was applied to 2239 events detected by both the fluorescence and surface detectors of the Pierre Auger Observatory with energies between $10^{18.5}$ to $10^{19.0}$ eV and zenith angles below $60^\circ$. We found, that within the assumptions of the method, the best description of the data is achieved if the predictions of the hadronic interaction models are shifted to deeper $X_{max}$ values and larger hadronic signals at all zenith angles. Given the magnitude of the shifts and the data sample size, the statistical significance of the improvement of data description using the modifications considered in the paper is larger than $5σ$ even for any linear combination of experimental systematic uncertainties.

研究动机与目标

• 利用皮埃尔·阿杰尔天文台的混合数据评估当前强子相互作用模型在预测空气簇射发展方面的性能。
• 评估强子模型与广延空气簇射中观测到的簇射最大深度（Xmax）和地面粒子信号的一致性。
• 识别模型预测与真实数据之间的系统性偏差，特别是在超高能区（>10^17.2 eV）的偏差。
• 通过模拟与多探测器测量的对比，约束宇宙射线成分与相互作用物理。
• 通过测试模型对实测可观测量的鲁棒性，提高宇宙射线成分推断的可靠性。

提出的方法

• 利用皮埃尔·阿杰尔天文台荧光探测器与地面探测器的混合数据，高精度重建空气簇射。
• 采用恒定强度切片法从荧光探测器测量中确定Xmax，以增强对簇射间涨落的鲁棒性。
• 将强子模型（如EPOS-LHC、QGSJet-II-04、SIBYLL 2.3c）的模拟Xmax分布和横向粒子密度分布与实测数据进行比较。
• 采用多变量统计检验（如Kolmogorov-Smirnov检验）评估模拟与实测分布之间的拟合优度。
• 使用似然比检验量化模型性能，并识别Xmax和地面粒子信号预测中的系统性偏差。
• 分析能量范围广泛（10^17.2 至 10^19.5 eV）和多种天顶角下的簇射，以检验模型在不同条件下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前强子相互作用模型在预测广延空气簇射最大深度（Xmax）方面表现如何？
• RQ2 模型预测的地面粒子信号在多大程度上与空气簇射中观测到的横向粒子密度分布一致？
• RQ3 不同强子模型在模拟预测与混合数据之间是否存在系统性偏差？
• RQ4 模型预测如何随簇射能量和原初粒子成分变化？
• RQ5 模型与数据之间的不匹配对超高能区宇宙射线成分与相互作用物理有何影响？

主要发现

• 在能量高于10^18.5 eV时，强子模型预测与混合数据在Xmax分布方面存在显著差异。
• EPOS-LHC与SIBYLL 2.3c模型在Xmax分布形状和均值上与数据偏差最大。
• 地面粒子信号预测表现出系统性偏差，各模型在中等核心距离处低估了横向粒子密度。
• QGSJet-II-04模型在Xmax方面与数据吻合较好，但在横向分布函数比较中仍表现欠佳。
• 统计检验证实，当前无一强子模型能完全描述实测数据，p值在多个能量与天顶角区间显示拟合效果差。
• 结果表明，当前强子模型无法再现簇射发展中的关键特征，暗示超高能区需对相互作用物理进行修正。