[论文解读] Testing models of new physics with UHE air shower observations

Jeffrey C. Allen, Glennys R. Farrar|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用 15

一句话总结

本文提出了四种新的物理模型，以解决超高能（UHE）空气簇射模拟中长期存在的μ子短缺问题，即观测到的μ子密度超过预测值。通过抑制π介子的产生或衰变——尤其是高于LHC能量时——这些模型在不违背$X_{\text{max}}$数据的前提下提高了μ子产额。关键结果是，这些模型在$N_\mu$–$X_{\text{max}}$关系上表现出不同的特征，使未来的混合观测站能够区分它们，并将成分效应与新物理效应分离。

ABSTRACT

Several air shower observatories have established that the number of muons produced in UHE air showers is significantly larger than that predicted by models. We argue that the only solution to this muon deficit, compatible with the observed Xmax distributions, is to reduce the transfer of energy from the hadronic shower into the EM shower, by reducing the production or decay of pi0s. We present four different models of new physics, each with a theoretical rationale, which can accomplish this. One has a pure proton composition and three have mixed composition. Two entail new particle physics and suppress pi0 production or decay above LHC energies. The other two are less radical but nonetheless require significant modifications to existing hadron production models -- in one the changes are only above LHC energies and in the other the changes extend to much lower energies. We show that the models have distinctively different predictions for the correlation between the number of muons at ground and Xmax in hybrid events, so that with future hybrid data it should be possible to discriminate between models of new physics and disentangle the particle physics from composition.

研究动机与目标

• 解决超高能空气簇射模拟中长期存在的μ子短缺问题，即即使在铁核引发的簇射中，观测到的μ子密度仍超过预测值。
• 将μ子短缺问题与$X_{\text{max}}$观测结果相协调，后者限制了簇射最大深度，表明在10 EeV能量下成分为轻到中等。
• 开发新的物理模型，能够同时再现$X_{\text{max}}$分布和升高的μ子产额，且不违反现有约束条件。
• 证明$N_\mu$（1000米处μ子密度）与$X_{\text{max}}$之间的相关性可用于区分不同新物理模型及成分效应。
• 为利用未来混合数据区分粒子物理机制与初级成分效应提供路线图。

提出的方法

• 在SENECA空气簇射模拟中修改EPOS 1.99强子相互作用模型，以测试关键参数的改变：初级成分、多重数、弹性度以及$\pi^0$能量份额。
• 系统性地降低$\pi^0$能量份额，通过将前向π介子转化为重子或K介子，其转换概率可调，范围为8%至60%，以抑制电磁簇射的能量传递。
• 引入两种仅在高能区生效的修改：一种抑制π介子产生（PPS-HE），另一种抑制π介子衰变（PDS），均在$10^{17}$ eV以上生效。
• 实施两种更广泛的修改：一种在所有能量下抑制π介子产生（PPS），另一种在所有能量下抑制π介子衰变（CSR），以检验低能区效应。
• 在10 EeV能量和38°天顶角下模拟800个混合空气簇射事件，生成每种模型的$N_\mu$–$X_{\text{max}}$相关性分布。
• 将模型预测与PAO和TA数据进行比较，重点关注$N_\mu$–$X_{\text{max}}$相关性的形状与强度，以识别具有区分性的信号特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过改变能量向电磁子簇射的转移，而不违反$X_{\text{max}}$约束，来解决UHE空气簇射中的μ子短缺问题？
• RQ2 对强子相互作用的哪些修改——特别是$\pi^0$产生或衰变——能够同时提高μ子产额并保持观测到的$X_{\text{max}}$分布？
• RQ3 π介子抑制的能量阈值如何影响$N_\mu$–$X_{\text{max}}$相关性？这一影响能否用于区分不同模型？
• RQ4 在存在新物理的情况下，不同初级成分（纯质子与混合成分）对$N_\mu$–$X_{\text{max}}$相关性的影响程度如何？
• RQ5 未来具有足够统计量的混合数据是否能够区分涉及新粒子物理的模型与需要在高能区修改强子产生的模型？

主要发现

• 仅降低$\pi^0$能量份额的修改能够在不移动$X_{\text{max}}$的情况下提高$N_\mu$，使其成为与$X_{\text{max}}$数据兼容的唯一可行解决方案。
• PDS模型（在LHC能量以上抑制π介子衰变）产生正的$N_\mu$–$X_{\text{max}}$相关性，与标准模型相反，表明浅层簇射产生的μ子更少。
• PPS-HE模型（仅在高能区抑制π介子产生）的负相关性弱于PPS模型（在所有能量下抑制π介子产生），表明高能区特异性抑制的影响较弱。
• CSR模型（在所有能量下抑制π介子衰变）表现出几乎无$N_\mu$–$X_{\text{max}}$相关性，表明不同簇射深度下的μ子产额趋于均等。
• PPS模型在$N_\mu$与$X_{\text{max}}$之间表现出最强的负相关性，与混合成分及高阶π介子衰变一致。
• 现有的PAO和TA混合数据集可能已足够大，足以排除某些模型，特别是具有强相关性或反相关性的模型。