[论文解读] A parametrization of the cosmic-ray muon flux at sea-level

Mengyun Guan, M. C. Chu+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 44

一句话总结

本文提出了一种改进的海平面宇宙射线μ子通量参数化方法，考虑了地球曲率和μ子衰变，提高了低能区和大天顶角区域的精度。该改进公式通过MUSIC代码模拟进行了验证，与不同岩石覆盖层深度的实验数据高度一致，可可靠用于地下探测器研究。

ABSTRACT

Based on the standard Gaisser's formula, a modified parametrization for the sea-level cosmic-ray muon flux is introduced. The modification is verified against experimental results. The average vertical cosmic-ray muon intensity as a function of depth of standard rock is simulated using the modified formula as input to the MUSIC code. The calculated muon intensities is consistent with the experimental measurements.

研究动机与目标

• 解决标准Gaisser公式存在的局限性，该公式假设地球曲率可忽略且μ子衰变可忽略，导致其有效性局限于小天顶角和高能区。
• 将μ子通量参数化的适用范围扩展至所有天顶角和较低能量，尤其适用于地下实验。
• 开发一种实用且精确的参数化方法，可用作μ子输运代码在探测器模拟中的输入。
• 将改进的参数化方法与世界范围内的实验μ子通量测量数据及地下μ子强度数据进行对比验证。

提出的方法

• 通过Chirkin公式推导的参数化关系，将地面上观测到的天顶角θ*与产生时的天顶角θ关联，从而引入地球曲率的影响。
• 在标准Gaisser公式中引入一个新的能量依赖因子：(1 + 3.64 GeV / (Eμ (cosθ*)^1.29))^-2.7，以修正低能区的偏差。
• 通过全球范围内的实验μ子通量数据，对新参数（3.64和1.29）进行拟合，覆盖不同天顶角。
• 将改进的参数化方法作为输入，用于MUSIC代码，模拟μ子在标准岩石覆盖层中的输运过程。
• 将不同岩石深度处的模拟μ子强度与参考文献[12]中的实验测量结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 地球曲率如何影响海平面处观测到的μ子通量分布，特别是在大天顶角区域？
• RQ2 μ子衰变在低能区对测量到的μ子通量有多大影响，如何在参数化中进行修正？
• RQ3 与标准Gaisser公式相比，改进的参数化方法是否能显著提高全角度和全能量区间的μ子通量预测精度？
• RQ4 改进的参数化方法在不同岩石覆盖层深度下，对实验μ子强度的重现能力如何？

主要发现

• 改进的参数化方法通过五参数拟合，成功将观测天顶角θ*与产生角θ关联，考虑了地球曲率的影响，相关参数见表2。
• 引入能量与角度相关的修正项(1 + 3.64 GeV / (Eμ (cosθ*)^1.29))^-2.7，显著改善了与低能区和大天顶角实验数据的一致性。
• 使用改进参数化方法在MUSIC代码中进行的模拟，与不同岩石覆盖层深度下的实验垂直μ子强度数据高度一致，优于标准Gaisser公式。
• 在高能区（Eμ ≫ 100 GeV），该公式恢复为原始Gaisser形式，确保了在高能区与已有结果的一致性。
• 该参数化方法在广泛实验数据范围内得到验证，包括[6]至[10]的测量数据，证实其在地下物理实验中的可靠性。