[论文解读] The Andyrchy-BUST experiment: primary spectrum and composition around the knee

V. B. Petkov|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2009

Advanced MRI Techniques and Applications被引用 3

一句话总结

本研究利用安迪奇-BUST实验，通过安迪奇EAS阵列与巴克桑地下闪烁望远镜（BUST）相结合，对广延空气簇射（EAS）大小和高能μ子（Eμ ≥ 230 GeV）组分进行了同步测量。关键发现是：采用调整参数的改进型μ子产生函数（MPF）能比标准QGSJetII-03模型预测更符合μ子和EAS大小谱，表明在膝区（10^14–10^15 eV）附近需对强子相互作用模型进行修正。

ABSTRACT

The main goal of the Andyrchy-BUST experiment is to study the primary cosmic rays spectrum and composition around the knee. The experimental data on the knee, as observed in the electromagnetic and high energy muon components, are presented. The electromagnetic component in our experiment is measured using the "Andyrchy" EAS array. High energy muon component (with 230 GeV threshold energy of muons) is measured using the Baksan Underground Scintillation Telescope (BUST). The location of the "Andyrchy" right above the BUST gives us a possibility for simultaneous measurements of both EAS components.

研究动机与目标

• 利用EAS与μ子组分的同步测量，确定膝区（10^14–10^15 eV）附近原初宇宙射线能谱与成分。
• 检验当前强子相互作用模型（QGSJetII-03、Fluka）与多组分EAS数据的一致性。
• 识别不同原初成分下，模拟与观测的EAS大小与μ子数谱之间的差异。
• 推导一种改进的μ子产生函数（MPF），使其在多个可观测量上更好地拟合实验数据。
• 通过比较模拟与实测的EAS大小与μ子含量相关性，约束膝区范围内的原初成分。

提出的方法

• 安迪奇EAS阵列（37个闪烁探测器，5×10^4 m²面积）通过能量沉积与横向分布函数拟合，以相对论性粒子（r.p.）单位测量EAS大小。
• 巴克桑地下闪烁望远镜（BUST，3180个探测器）以0.7 m位置分辨率和1.5°方向分辨率测量高能μ子（Eμ ≥ 230 GeV）。
• 安迪奇与BUST之间的同步触发在51.2 μs内完成，实现对EAS大小与μ子含量的关联分析。
• 采用NKG横向分布函数，从测得的能量沉积重建EAS核心位置与大小（Nr.p.）。
• μ子产生函数（MPF）建模为 $ \overline{N}_{\mu}/A = b\left[\left(E_0/A\right)^\alpha - c\right]^\beta $，参数通过CORSIKA模拟拟合。
• 推导出一种改进的MPF，参数为 $ b=0.0035 $，$ c=14 $，$ \alpha=0.42 $，$ \beta=1.54 $，以提高与实验数据的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准QGSJetII-03强子相互作用模型是否能准确描述膝区观测到的μ子与EAS大小谱？
• RQ2 何种原初成分（质子与铁族）最能解释EAS大小与高能μ子含量的同步测量结果？
• RQ3 能否通过改进的μ子产生函数（MPF）提升模拟与实验在μ子数量与EAS大小谱上的吻合度？
• RQ4 EAS大小与μ子含量之间的相关性如何约束膝区范围内的原初成分？
• RQ5 模拟与数据之间的差异在多大程度上表明当前强子相互作用模型存在局限性？

主要发现

• 基于标准QGSJetII-03的MPF所预测的μ子谱低估了观测到的μ子数量，尤其在高能区更为明显。
• 采用参数 $ b=0.0035 $，$ c=14 $，$ \alpha=0.42 $，$ \beta=1.54 $ 的改进型MPF，与实测积分μ子数谱的吻合度显著提升。
• 改进型MPF导致μ子能量依赖性趋于 $ \overline{N}_{\mu} \sim E_0^{0.647} $，与标准模型的 $ E_0^{0.720} $ 不同。
• 使用标准MPF时，质子类与铁族类原初成分均无法同时拟合EAS大小与μ子数谱。
• 改进型MPF使首个原初成分（质子类）能够与EAS大小和μ子数据均实现良好匹配，表明需对强子模型中的MPF进行修正。
• 分析结果表明膝区原初成分偏重，μ子含量随EAS大小的增长强于标准模型的预测。