[论文解读] Inferences on mass composition and tests of hadronic interactions from 0.3 to 100 EeV using the water-Cherenkov detectors of the Pierre Auger Observatory

A. Aab, P. Abreu|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究提出一种新方法，利用水契伦科夫探测器信号的上升时间推断超高能（0.3–100 EeV）范围内的质量组成，并检验强子相互作用模型。通过将新参数与荧光探测数据进行标定，该方法推导出超过81,000个事例的Xmax值，数量是以往荧光样本的14倍，扩展了能量范围，并显著降低了质量组成推断中的统计不确定性。

ABSTRACT

We present a new method for probing the hadronic interaction models at ultrahigh energy and extracting details about mass composition. This is done using the time profiles of the signals recorded with the water-Cherenkov detectors of the Pierre Auger Observatory. The profiles arise from a mix of the muon and electromagnetic components of air showers. Using the risetimes of the recorded signals, we define a new parameter, which we use to compare our observations with predictions from simulations. We find, first, inconsistencies between our data and predictions over a greater energy range and with substantially more events than in previous studies. Second, by calibrating the new parameter with fluorescence measurements from observations made at the Auger Observatory, we can infer the depth of shower maximum Xmax for a sample of over 81,000 events extending from 0.3 to over 100 EeV. Above 30 EeV, the sample is nearly 14 times larger than what is currently available from fluorescence measurements and extending the covered energy range by half a decade. The energy dependence of ?Xmaxcopyright is compared to simulations and interpreted in terms of the mean of the logarithmic mass. We find good agreement with previous work and extend the measurement of the mean depth of shower maximum to greater energies than before, reducing significantly the statistical uncertainty associated with the inferences about mass composition.

研究动机与目标

• 开发一种新方法，利用水契伦科夫探测器信号时间波形探测超高能范围内的强子相互作用模型。
• 仅基于水契伦科夫探测器信号的上升时间信息，推断簇射最大深度（Xmax）。
• 将Xmax测量的能量范围和统计显著性扩展至超过当前基于荧光探测器的样本。
• 通过利用更大、更灵敏的事例样本，降低质量组成推断中的不确定性。

提出的方法

• 分析水契伦科夫探测器记录的信号时间波形，提取空气簇射组分的上升时间信息。
• 基于上升时间定义一个新参数，以表征空气簇射中的μ子和电磁组分。
• 利用皮埃尔·阿杰尔天文台共置的荧光测量数据对标定该新参数。
• 利用标定后的参数，推断0.3–100 EeV能量范围内超过81,000个事例的Xmax值。
• 将推断的Xmax值与模拟结果进行比较，评估一致性并推断平均对数质量。
• 应用统计方法，降低高能区质量组成估计的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 水契伦科夫信号中的上升时间能否作为超高能空气簇射中Xmax的可靠代理？
• RQ2 推断的Xmax值与当前强子相互作用模型的预测相比如何？
• RQ3 与基于荧光探测的技术相比，该新方法在多大程度上扩展了Xmax测量的能量范围和事例数量？
• RQ4 从扩展的Xmax样本中推断的平均对数质量的能量依赖性如何？
• RQ5 在0.3–100 EeV能量范围内，数据与模拟之间的不一致性如何演变？

主要发现

• 本研究在更广的能量范围和显著更多的事例数量下，识别出观测数据与模拟预测之间的不一致性，其范围和统计量均超过以往研究。
• 该新方法使超过81,000个事例的Xmax得以推断，能量范围从0.3扩展至100 EeV以上。
• 在30 EeV以上，Xmax样本规模接近当前基于荧光探测器样本的14倍。
• 与以往工作相比，⟨Xmax⟩的能量依赖性测量的统计不确定性显著降低。
• 推断的平均对数质量与以往测量结果高度一致，验证了该方法的一致性。
• 该方法为超高能范围内探测质量组成和强子模型提供了一种稳健、高统计量的替代荧光测量方案。