Determination of physical properties of high-energy hadronic interactions from the $X_{\mathrm{max}}$-$N_{\mu}$ anticorrelation

Seit der Entdeckung der kosmischen Strahlung Anfang des 20. Jahrhunderts wurden viele Experimente entwickelt, um sie direkt oder anhand der Luftschauer zu studieren, die sie beim Eintritt in die Erdatmosphäre erzeugen. Das größte Observatorium zur Erfassung von Luftschauern ist das Pierre-Auger-Observatorium in Malargüe, Argentinien. Hier werden viele Fragen der Astro- und Teilchenphysik behandelt. Da kosmische Strahlung Energien abdeckt, die weit über denen liegen, die in künstlichen Beschleunigern erreichbar sind, stellen sie hervorragende und einzigartige Objekete dar, an denen man physikalische Eigenschaften bei höchsten Energien studieren kann.
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Wenn ein Luftschauer die Atmosphäre durchquert, wächst die Anzahl der in ihm enthaltenen Teilchen. Gleichzeitig nehmen ihre Energien ab. Wenn diese tief genug sind, zerfallen die Teilchen oder werden in der Atmosphäre absorbiert, was die Zahl der Teilchen wieder verringert. Dies ergibt eine Position maximaler Entwicklung $X_\mathrm{max}$. Hadronisch wechselwirkende Teilchen bringen Myonen hervor, die am Boden gemessen werden können. Diese Zahl $N_{\mu}$ zusammen mit $X_\mathrm{max}$ sind Observablen, die in Auger gemessen werden und eine aussagekräftige Antikorrelation aufweisen.

In der vorliegenden Arbeit wird diese Antikorrelation studiert. Es wird ein analytisches Modell entwickelt, das diese als Funktion von Parametern wiedergibt, die die hadronische Multiplizität, den hadronischen Energieanteil und die Inelastizität der ersten Interaktion beschreiben, zusammen mit entsprechenden effektiven Parametern, die für den gesamten Schauer repräsentativ sind.
Dieses Modell wird dann anhand künstlicher neuronaler Netze weiter verbessert. Hierfür werden Werte der Parameter und Observablen von Simulationen benutzt, die mit CONEX durchgeführt wurden. Das resultierende Modell hängt nicht von dem während der Simulation verwendeten Hochenergie-Wechselwirkungsmodell ab. Schließlich wird ein Modell mit reduziertem Parametersatz auf einen Datensatz von Auger angewendet. Die Verteilungen der hadronischen Multiplizität und des hadronischen Energieanteils der ersten Wechselwirkung und die der effektiven Inelastizität werden diesem Datensatz entnommen. Sie zeigen, dass die Multiplizität und der Energieanteil der ersten Wechselwirkung in aktuellen Modellen, die für Simulationen verwendet werden, im Allgemeinen zu niedrig sind.

Since the discovery of cosmic rays during the first decade of the 20th century, many experiments were designed to study them directly or by means of the extensive air showers they generate when entering the Earth's atmosphere. The largest observatory designed to detect air showers is the Pierre Auger Observatory situated in Malargüe, Argentina. Many questions related to astrophysics and particle physics are tackled here. In particular, since cosmic rays cover energies far above those achievable in man-made accelerators, they represent excellent and unique probes to study physical properties at the highest energies. ... mehr

As an extensive air shower develops in the atmosphere, the number of particles that constitute it grows. At the same time, individual energies decrease until it is more probable for particles to decay or be absorbed in the atmosphere, which diminishes the number of particles again. This means that there is a position of maximum development $X_\mathrm{max}$. Hadronically interacting particles ultimately yield muons, which can be measured at the ground. This number $N_{\mu}$ together with $X_\mathrm{max}$ are observables measured at the Pierre Auger Observatory that present a meaningful anticorrelation.

In the present work, this anticorrelation is studied. An analytical model is developed that explains the $X_\mathrm{max}$-$N_{\mu}$ anticorrelation as a function of parameters describing the multiplicity of hadronically interacting particles, the fraction of energy that is taken by these particles and the inelasticity of the first interaction and corresponding effective macro-parameters representative of the whole shower. This model is then further improved using neural networks trained with the values of the parameters and observables obtained from simulations performed with CONEX. The resulting model is universal in the sense that the performance does not depend on the high-energy interaction model used during simulation. Finally, a model with a reduced set of parameters is applied to a dataset from Auger. The distributions of the hadronic multiplicity of the first interaction, the hadronic energy fraction of the first interaction and the effective inelasticity of the rest of the shower for the dataset are inferred. They reveal that the hadronic multiplicity and the hadronic energy fraction of the first interaction are generally too low in current high-energy interaction models used for simulations.