[论文解读] Investigation of Hadronic Interactions at Ultra-High Energies with the Pierre Auger Observatory

R. Ulrich|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文利用皮埃尔·阿杰尔天文台的数据，研究超高能宇宙射线的相互作用，结合簇射最大深度（$X_{\rm max}$）与μ子含量（$N_\mu$）的测量，以检验强子相互作用模型。研究发现，观测到的$X_{\rm max}$与$N_\mu$值与当前模拟结果存在显著不一致，表明现有模型无法在质心系能量高达450 TeV的范围内一致描述强子物理。

ABSTRACT

The aim of the Pierre Auger Observatory is the investigation of the nature of cosmic ray particles at ultra-high energies. It can simultaneously observe the longitudinal air shower development in the atmosphere as well as particle densities on the ground. While there are no dedicated muon detectors, techniques have been developed to estimate the number of muons, $N_μ$, produced by air showers. Both, the longitudinal development, in particular the depth of the shower maximum, $X_{ m max}$, and the muon content of air showers are highly sensitive to hadronic interactions at ultra-high energies. Currently, none of the available hadronic interaction models used for simulations of extensive air showers is able to consistently describe the observations of $X_{ m max}$ and $N_μ$ made by the Pierre Auger Observatory.

研究动机与目标

• 利用宇宙射线空气簇射数据，在超高能区测试当前强子相互作用模型的有效性。
• 解决观测到的$X_{\rm max}$与$N_\mu$值与蒙特卡罗模拟预测之间的差异。
• 利用对强子物理敏感的天体物理可观测量，约束原初宇宙射线的质量组成。
• 识别现有模型（如QGSJetII、Sibyll、EPOS和QGSjet01）在描述空气簇射发展过程中的缺陷。
• 证明联合$X_{\rm max}$与$N_\mu$测量可作为超出LHC探测范围的强子相互作用物理的强大探针。

提出的方法

• 利用皮埃尔·阿杰尔天文台的混合探测系统，结合1600个水切伦科夫地面探测器与24台荧光望远镜。
• 通过将Gaisser-Hillas参数化拟合到纵向簇射发展剖面，重建$X_{\rm max}$。
• 在减去电磁成分后，采用多种间接方法从地面阵列数据中提取μ子信号。
• 将观测到的$X_{\rm max}$与$N_\mu$值与多种强子相互作用模型（QGSJetII、Sibyll、EPOS、QGSjet01）的模拟结果进行比较。
• 采用能量标度（最高达30%）以考虑模拟与数据比较中的系统不确定性。
• 利用$X_{\rm max}$与$N_\mu$的联合灵敏度，推断模型预测中的不一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前强子相互作用模型在多大程度上能再现超高能空气簇射中观测到的$X_{\rm max}$与$N_\mu$值？
• RQ2 为何$X_{\rm max}$与$N_\mu$测量对原初宇宙射线质量组成的解释存在不一致？
• RQ3 通过调整强子相互作用参数，能否解决观测到的μ子含量与模型预测之间的差异？
• RQ4 这些结果如何约束强子相互作用的质心系能量范围至约450 TeV？
• RQ5 联合$X_{\rm max}$与$N_\mu$数据对空气簇射级联过程的潜在物理机制有何启示？

主要发现

• 测量得到的$\langle X_{\rm max} \rangle$值在所有模型中均介于质子与铁预测之间，表明其质量组成与中等或混合质量（$A \sim 7$）一致。
• 即使考虑了30%的能量标度不确定性，观测到的μ子含量$N_\mu$仍显著高于铁的预测值。
• $N_\mu$数据落在质子与铁预测范围之外，表明原初组成重于铁。
• 所有测试的强子相互作用模型（包括预测最高μ子产额的EPOS）均无法同时准确描述$X_{\rm max}$与$N_\mu$。
• 通过改变原初质量组成或模拟能量标度，无法解决$X_{\rm max}$与$N_\mu$观测结果之间的不一致性。
• 结果表明，当前强子相互作用模型在质心系能量高达约450 TeV的范围内存在根本性缺陷，暗示级联发展过程中存在新物理或错误假设。