[论文解读] Test of high-energy interaction models using the hadronic core of EAS

T. Antoni, W.D. Apel|ArXiv.org|Apr 21, 1999

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 67

一句话总结

本研究利用KASCADE实验大型强子量热计测量的广延空气簇射（EAS）强子核心，检验高能强子相互作用模型。通过使用QGSJET、VENUS和SIBYLL模型的CORSIKA模拟，发现QGSJET最符合实验数据，但所有模型在10–100 PeV能量区间均无法准确描述强子产额，模拟结果显著高估了强子数量，尤其在按μ子簇射大小分类时更为明显。

ABSTRACT

Using the large hadron calorimeter of the KASCADE experiment, hadronic cores of extensive air showers have been studied. The hadron lateral and energy distributions have been investigated in order to study the reliability of the shower simulation program CORSIKA with respect to particle transport, decays, treatment of low-energy particles, etc. A good description of the data has been found at large distances from the shower core for several interaction models. The inner part of the hadron distribution, on the other hand, reveals pronounced differences among interaction models. Several hadronic observables are compared with CORSIKA simulations using the QGSJET, VENUS and SIBYLL models. QGSJET reproduces the hadronic distributions best. At the highest energy, in the 10 PeV region, however, none of these models can describe the experimental data satisfactorily. The expected number of hadrons in a shower is too large compared to the observed number, when the data are classified according to the muonic shower size.

研究动机与目标

• 利用KASCADE实验的实验数据，评估高能强子相互作用模型在模拟广延空气簇射（EAS）发展过程中的可靠性。
• 评估CORSIKA模拟中QGSJET、VENUS和SIBYLL强子相互作用模型在重现簇射核心处强子横向分布与能量分布方面的表现。
• 识别高能区（特别是10 PeV附近）模拟与观测之间强子产额的差异。
• 确定观测到的高μ子簇射大小簇射中强子数量被高估的原因，是实验伪影还是模拟不准确。

提出的方法

• KASCADE实验的大型强子量热计，由11个相互作用长度的铁和液态电离室组成，可在高达50 TeV的范围内以高动态范围和线性响应测量EAS核心处的强子能量沉积。
• 在距离簇射核心最多100 m处测量强子的横向分布与能量分布，以检验CORSIKA中粒子输运、衰变及低能粒子处理的准确性。
• 使用CORSIKA进行蒙特卡罗模拟，采用三种相互作用模型：QGSJET、VENUS和SIBYLL，以与实验数据进行比较。
• 数据按μ子簇射大小（log N′μ）和电磁簇射大小分箱，以评估不同能量区段下模型的表现。
• 分析聚焦于EAS中心区域的强子数目与能量分布，特别比较观测值与模拟的强子多重性。
• 在信号水平上比较数据与模拟结果，以最小化因误识别或重建效应带来的系统性偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 QGSJET、VENUS和SIBYLL强子相互作用模型在多大程度上能准确重现广延空气簇射核心区域的强子横向分布与能量分布？
• RQ2 为何所有强子相互作用模型在10 PeV以上能量、特别是高μ子簇射大小事件中，均高估了强子数量？
• RQ3 实验效应（如量热计饱和或误识别）在多大程度上导致了模拟与观测之间的差异？
• RQ4 观测到的强子产额不足是否可归因于低动量粒子或粒子输运模拟的缺陷？
• RQ5 当按电磁簇射大小分类时，强子多重性测量结果与CORSIKA模拟的一致性如何？

主要发现

• QGSJET在整体上对强子核心分布的描述最佳，尤其在距离簇射核心较远的位置。
• 在最高能量区间（10–100 PeV），所有测试模型（包括QGSJET）均显著高估了强子数量，与实验数据不符。
• 当数据按μ子簇射大小分箱时，该差异最为明显，模拟预测的强子数量远高于实际观测值。
• 即使考虑了量热计中可能存在的饱和或误识别效应，数据仍显示出与模拟一致的强子产额不足。
• 当按电磁簇射大小分类时，观测到的强子多重性与模拟结果及其他实验一致，表明问题特异性地出现在μ子大小分箱中。
• 结果表明，当前强子相互作用模型在高于“膝”能区的能量下，无法准确描述簇射发展过程，尤其在高能强子产生方面存在缺陷。