[论文解读] A new approach to the study of high energy muon bundles with the MACRO detector at Gran Sasso

M. Sioli|ArXiv.org|Sep 15, 2002

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文利用格兰萨索的MACRO探测器对高能μ子簇簇进行了新颖分析，采用退相干函数与簇结构分析方法，将宇宙射线成分与强子相互作用模型的影响分离开来。结果表明HEMAS代码能准确再现μ子对间距，且QGSJET是表现最佳的强子相互作用模型，显著降低了宇宙射线成分研究中的系统不确定性。

ABSTRACT

The MACRO experiment detected more than 300000 multiple muon events. We analysed these events to measure the distribution of the separation of underground TeV muons (decoherence function), up to a distance of 70 meters. On a subsample of very high multiplicity events, we performed two independent analyses, based on the study of the spatial structure of the bundles. Both the analyses revealed a correlation between the topology of the bundles and the dynamics of the shower development in atmosphere. These results have been used to constrain and disentangle the primary composition and the hadronic interaction models used by different shower propagation codes (HEMAS-DPM/CORSIKA).

研究动机与目标

• 通过分离仅对成分或强子相互作用模型敏感的可观测量，减少宇宙射线成分研究中的系统不确定性。
• 检验强子相互作用模型（如HEMAS、QGSJET、DPMJET）在模拟高能μ子簇簇时的有效性。
• 探究高多重性事例中观测到的μ子簇结构是否反映早期强子簇射的动力学特征，或仅为统计涨落。
• 利用退相干函数为未来高能强子相互作用研究提供一种探测器无关的基准。
• 通过相关性与聚类分析，确定膝区（数十TeV）宇宙射线成分的优选值。

提出的方法

• 利用多重性 >1 的 3.4×10⁵ 个事例，测量退相干函数——即多重μ子事例中μ子对间距的分布。
• 应用改进的反卷积程序，提取探测器无关的退相干函数，最大限度减少探测器响应的影响。
• 采用相关积分分析方法，量化高多重性事例（8 ≤ Nμ ≤ 12）中μ子之间的空间相关性，重点关注核心结构。
• 应用聚类算法识别μ子簇簇中的亚结构，并评估其对成分与相互作用模型的依赖性。
• 将实验数据与使用不同强子相互作用模型组合（QGSJET、DPMJET）及成分模型的蒙特卡罗模拟进行比较。
• 通过参数λN分析对齐簇，检验其是否与簇射轴存在非统计性对齐，使用归一化事例分布进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 退相干函数是否提供一种对成分不敏感的可观测量，用于检验强子相互作用模型？
• RQ2 哪种强子相互作用模型（QGSJET、DPMJET等）最能准确再现高能μ子簇簇中观测到的μ子对间距？
• RQ3 高多重性事例中观测到的μ子簇是否反映早期强子簇射的动力学特征，还是仅为统计涨落？
• RQ4 观测到的μ子簇空间结构是否与使用不同成分和相互作用模型的当前蒙特卡罗模拟预测一致？
• RQ5 在小距离处，μ± + N → μ± + N + μ+ + μ− 过程在μ子对间距中起何种作用？

主要发现

• HEMAS蒙特卡罗代码在最大μ子间距范围内准确再现了实验退相干函数，无需引入异常横向动量产生机制。
• 过程 μ± + N → μ± + N + μ+ + μ− 对小距离μ子对间距有显著贡献，且在理论框架内已有良好理解。
• 高多重性事例中的相关性分析表明，无论使用何种强子相互作用模型，MACRO拟合的成分模型均占优，表明成分确定具有鲁棒性。
• 与核心明显分离的孤立μ子更可能起源于硬强子衰变链，提示其具有与早期强子相互作用相关的动力学起源。
• 由至少两个μ子组成的簇与强子相互作用特征无动力学关联，最合理的解释是随机统计关联。
• QGSJET强子相互作用模型在退相干函数与簇结构两方面均与实验数据最佳吻合，为蒙特卡罗模拟设定了新的约束条件。