[论文解读] Ultra High-Energy Interaction of CR protons

Tadeusz Wibig|ArXiv.org|Oct 29, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文研究在传统相互作用模型下，超高能宇宙射线（UHECR）质子是否能解释皮埃尔·阿杰尔天文台的簇射最大深度（x_max）数据。研究提出，通过Wdowczyk和Wolfendale（WW）标度破坏模型中参数α从0.07上升至0.134，实现对费曼标度的强烈破坏，可使纯质子成分与观测到的x_max值相一致，表明为与数据保持一致，必须引入修改后的相互作用模型。

ABSTRACT

The recent Auger results suggest that although coincidences of arrival directions with 'nearby' AGN and HiRes discovery of the GZK cut-off indicate protons, the measured longitudinal propagation characteristics indicate heavy nuclei, if the conventional interaction model is correct. Something has to change! Our own view is that it is possible that the AGN -implied proton identification is not correct and that the extra galactic particles are, in fact, mainly 'heavies', in which case the interaction problem goes away. However, here we assume that the particles ARE protons and examine the possible consequences. Parameters discussed include the interaction mean-free-path, inelasticities and 'exotic' possibilities.

研究动机与目标

• 解决从阿杰尔和HiRes数据中推断出的UHECR成分在到达方向相关性（类似质子）与纵向簇射演化（类似重核）之间存在的矛盾。
• 检验在CORSIKA模拟中，传统高能相互作用模型下纯质子成分是否可行。
• 识别可使纯质子初级粒子与观测到的x_max值相一致的相互作用模型修改，特别是标度破坏。
• 评估是否可通过调整Wdowczyk和Wolfendale（WW）模型来匹配x_max数据，而无需引入重核。
• 确定现有模型如HDPM、SIBYLL、QGSJET或DPMJET是否可通过修改以支持纯质子UHECR。

提出的方法

• 采用Wdowczyk和Wolfendale（WW）标度破坏模型，其中包含式（s/s₀）^α的因子，以描述非费曼标度行为。
• 使用快速解析程序测试平均横向动量（p⊥）、多重数和非弹性度随α的变化。
• 调整WW模型参数α，以拟合皮埃尔·阿杰尔天文台观测到的x_max能量依赖性。
• 施加对非弹性度（Kinel.）和多重数的约束，确保能量守恒并在约10^18 eV时达到饱和。
• 将WW模型结果与标准模型（SIBYLL、QGSJET、DPMJET）进行比较，评估其无法再现纯质子的x_max值。
• 以CORSIKA 6.735中EPOS相互作用模型为基准，确保模拟的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超高能宇宙射线的纯质子成分是否能与皮埃尔·阿杰尔天文台观测到的簇射最大深度（x_max）数据保持一致？
• RQ2 为使纯质子的x_max观测值得到拟合，Wdowczyk和Wolfendale（WW）标度破坏模型需要进行何种修改？
• RQ3 为何CORSIKA中传统高能相互作用模型（如SIBYLL、QGSJET）无法再现纯质子初级粒子的x_max？
• RQ4 为匹配x_max数据，标度破坏参数α需要取何值？其随能量如何演化？
• RQ5 是否可对现有基于双部分子模型的相互作用模型（如HDPM）进行调整，以在不违反能量或多重数约束的前提下支持纯质子UHECR通量？

主要发现

• Wdowczyk和Wolfendale（WW）模型在α = 0.105时，能很好地拟合超高能下纯质子成分的观测x_max值。
• 当α从10^15 eV时的0.07上升至10^19 eV时的0.134时，与x_max数据的拟合效果最佳，表明在最高能量下存在强烈的标度破坏。
• 费曼标度（α = 0）导致x_max值过深，与观测不一致，且产生不切实际的低多重数。
• 平均非弹性度在约10^18 eV时趋于饱和，模型表明即使非弹性度略有下降，也未违反能量守恒。
• 现有模型如HDPM、SIBYLL、QGSJET和DPMJET无法通过调整来支持纯质子UHECR，同时匹配x_max数据。
• 本研究结论为：必须在CORSIKA中引入一种新型相互作用模型——具体而言，是具有能量依赖性α的修改版WW型模型——以维持与纯质子UHECR的一致性。