[论文解读] Core-corona effect in hadron collisions and muon production in air showers

Sebastian Baur, H.-P. Dembinski+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

该论文提出，LHC质子-质子碰撞中的核心-日冕效应——其中统计强子化（核心）与弦碎片化（日冕）竞争——会改变电磁能量与强子能量之比（R = E_em/E_had），从而直接影响宇宙射线空气簇射中的μ子产生。利用EPOS-LHC和PYTHIA 8模拟，研究显示，在高多重性下向统计强子化转变会提高R值，这可能解决长期以来在E > 10^19 eV时模拟与观测到的空气簇射中μ子数量之间的差异。

ABSTRACT

It is very well known that the fraction of energy in a hadron collision going into electromagnetic particles (electrons and photons, including those from decays) has a large impact on the number of muons produced in air shower cascades. Recent measurements at the LHC confirm features that can be linked to a mixture of different underlying particle production mechanisms such as a collective statistical hadronization (core) in addition to the expected string fragmentation (corona). Since the two mechanisms have a different electromagnetic energy fraction, we present a possible connection between statistical hadronization in hadron collisions and muon production in air showers. Using a novel approach, we demonstrate that the core-corona effect as observed at the LHC could be part of the solution for the lack of muon production in simulations of high energy cosmic rays. To probe this hypothesis, we study hadronization in high energy hadron collisions using calorimetric information over a large range of pseudorapidity in combination with the multiplicity of central tracks. As an experimental observable, we propose the production of energy in electromagnetic particles versus hadrons, as a function of pseudorapidity and central charged particle multiplicity.

研究动机与目标

• 解决在E > 10^19 eV时，空气簇射中模拟与观测到的μ子数量之间长期存在的差异。
• 研究核心-日冕效应——即在高多重性质子-质子碰撞中发生的统计强子化——是否能解释μ子过量现象。
• 证明电磁能量与强子能量之比R = E_em/E_had对强子化机制敏感，因此对μ子产生至关重要。
• 提出在LHC上对赝快度和中心区带电粒子多重性函数关系下的R进行精确测量，以检验该假说。
• 为区分小系统中集体行为的QGP类与非QGP类机制提供新的实验手段。

提出的方法

• 使用EPOS-LHC和PYTHIA 8事件生成器模拟高能强子碰撞，并分析电磁（E_em）与强子（E_had）粒子之间的能量分配。
• 将比值R = E_em / E_had定义为关键可观测量，其中E_em包括来自π⁰衰变的光子以及电子/正电子。
• 分析R随赝快度（η）和中心区带电粒子多重性（N_ch）的变化，以探测从弦碎片化向统计强子化转变的过程。
• 对比包含与不包含核心-日冕效应的模型结果，以隔离统计强子化对R的影响。
• 建议利用LHC中央和前方探测器的量能器数据，以约5%的精度测量R。
• 建议未来空气簇射实验可通过分析μ子计数分布的尾部，间接推断π⁰能量谱的高能尾部。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC中质子-质子碰撞的核心-日冕效应能否解释宇宙射线空气簇射中观测到的μ子过量？
• RQ2 在高能强子碰撞中，比值R = E_em / E_had如何随赝快度和中心区带电粒子多重性变化？
• RQ3 与弦碎片化（日冕）相比，统计强子化（核心）在多大程度上提高了R值？这一效应能否解决μ子数量差异问题？
• RQ4 LHC上对R的测量能否区分小系统中集体行为的QGP类与非QGP类机制？
• RQ5 在LHC上以5%精度测量R是否可行？此类数据能否约束空气簇射中的μ子产生？

主要发现

• 空气簇射中的μ子产生对R = E_em / E_had这一比值高度敏感，而该比值取决于底层的强子化机制。
• 核心-日冕效应——即在高多重性下统计强子化占主导地位——会提高R值，从而增强空气簇射中的μ子产生。
• 当前模拟（如EPOS-LHC）因对核心形成阈值估计过高，低估了核心贡献，导致μ子产额预测偏低。
• 目前LHC上关于R随赝快度和多重性变化的数据与统计强子化可解决μ子过量的假设相容。
• 在LHC上以5%精度测量R是可行的，此类数据将对强子化模型和空气簇射模拟提供关键约束。
• 所提出的可观测量R为区分小系统（如质子-质子碰撞）中集体行为的QGP类与非QGP类机制提供了新途径。