El modelo de hadronización «Core-corona» y su impacto en el contenido muónico de las los chubascos extendidos de rayos cósmicos.
2021
| Tesista | Matías PERLIN Doctora en Astrofísica - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Directores | Dr. Federico Sánchez . UNSAM - Argentina |
| Lugar de realización | Universidad Nacional de San Martín - Argentina |
| Fecha Defensa | 19/02/2021 |
| Jurado | Prof. Dr. Daniel de Florian. UNSAM - Alemania |
| Código | ITS/TD-144/2021 |
Título completo
El modelo de hadronización "Core-corona" y su impacto en el contenido muónico de las los chubascos extendidos de rayos cósmicos.
Resumen
Los rayos cósmicos fueron descubiertos a principios del siglo XX y su estudio ha contribuido
a avances significativos en campos científicos como la astrofísica y la física de partículas. Sin
embargo, todavía quedan importantes preguntas abiertas. Las fuentes y los mecanismos de
aceleración de los rayos cósmicos de ultra alta energía aún no se comprenden completamen-
te. Para entender mejor ambos fenómenos, es necesaria una medición exacta de la compo-
sición de masa de los rayos cósmicos. Además, la composición de masa está estrechamente
relacionada con el llamado rompecabezas de muones, que establece que la comprensión
actual de las interacciones hadrónicas es insuficiente para explicar los resultados de vari-
os experimentos que miden rayos cósmicos. El principal problema es que el contenido de
muones en las simulaciones de lluvias extensas de rayos cósmicos es significativamente más
bajo que el medido. Se han propuesto varios mecanismos exóticos, pero los avances en las
mediciones en aceleradores de partículas sugieren que estos son poco probables. La canti-
dad de energía que ingresa a las partículas electromagnéticas en las colisiones de hadrones
tiene una influencia significativa en la cantidad de muones producidos en las lluvias exten-
sas de rayos cósmicos. Por lo tanto, todo nuevo modelo propuesto debe implementar una
transferencia de energía desde el componente electromagnético al componente hadrónico.
Hemos desarrollado un nuevo método, que permite probar de manera eficiente el efecto
de cualquier tipo de modificación de las propiedades de interacción hadrónica en lluvias
extensas. Con este nuevo método, los espectros de partículas secundarias se modifican como
parte del programa CONEX. Hay muchas formas diferentes de implementar estos cambios
y cada una representa un escenario interesante.
Como aplicación, analizamos el impacto del modelo core-corona para las interacciones
de iones pesados en el desarrollo de lluvias extensas. El modelo core-corona se basa en
la combinación de dos mecanismos de producción de partículas diferentes: hadronización
estadística en regiones de alta densidad (core) y fragmentación de cuerdas en áreas de
baja densidad (corona). Recientes mediciones del LHC confirman que ciertas observaciones
pueden vincularse a este modelo.
Dado que ambos mecanismos presentes en el modelo core-corona implican diferentes
fracciones de energía electromagnética, cada mecanismo afecta la producción de muones
en las lluvias extensas de distintas maneras. Con nuestro modelo, es posible por primera
vez, analizar la dependencia energética de valores medibles basados en muones que son
accesibles en experimentos y encontrar los parámetros más adecuados para el modelo core-
corona.
Los resultados basados en el modelo core-corona simplificado son compatibles con un
aumento significativo en el número de muones en las simulaciones. Por esta razón, incluimos
mediciones directas de muones en nuestro análisis y las comparamos con simulaciones
completas en el contexto del Observatorio Pierre Auger.
Como parte de la actualización del observatorio, denominada AugerPrime, el llamado
Detector de Muones Subterráneo (UMD) ofrece una oportunidad única para medir direc-
tamente los muones de alta energía de las lluvias extensas. Para ello, se reconstruyeron y
analizaron los datos adquiridos con el arreglo UMD en los primeros dos años y medio. En
particular, creamos distribuciones medias de muones laterales (MLDF) basadas en datos en
contenedores de energía y ángulo cenital y las comparamos con simulaciones de detectores
completos en un escenario de core-corona.
Gracias al nuevo método que ofrece simulaciones de lluvias extensas rápidas y realistas
con propiedades de interacción hadrónica modificadas, hemos demostrado que un modelo
parcialmente basado en las propiedades de hadronización del plasma de quark-gluón y
aplicado gradualmente desde energías bajas a más altas, el déficit de muones se redujo
considerablemente. Sería necesaria una investigación más detallada para determinar si este
modelo se puede incorporar a un modelo de interacciones hadrónicas.
a avances significativos en campos científicos como la astrofísica y la física de partículas. Sin
embargo, todavía quedan importantes preguntas abiertas. Las fuentes y los mecanismos de
aceleración de los rayos cósmicos de ultra alta energía aún no se comprenden completamen-
te. Para entender mejor ambos fenómenos, es necesaria una medición exacta de la compo-
sición de masa de los rayos cósmicos. Además, la composición de masa está estrechamente
relacionada con el llamado rompecabezas de muones, que establece que la comprensión
actual de las interacciones hadrónicas es insuficiente para explicar los resultados de vari-
os experimentos que miden rayos cósmicos. El principal problema es que el contenido de
muones en las simulaciones de lluvias extensas de rayos cósmicos es significativamente más
bajo que el medido. Se han propuesto varios mecanismos exóticos, pero los avances en las
mediciones en aceleradores de partículas sugieren que estos son poco probables. La canti-
dad de energía que ingresa a las partículas electromagnéticas en las colisiones de hadrones
tiene una influencia significativa en la cantidad de muones producidos en las lluvias exten-
sas de rayos cósmicos. Por lo tanto, todo nuevo modelo propuesto debe implementar una
transferencia de energía desde el componente electromagnético al componente hadrónico.
Hemos desarrollado un nuevo método, que permite probar de manera eficiente el efecto
de cualquier tipo de modificación de las propiedades de interacción hadrónica en lluvias
extensas. Con este nuevo método, los espectros de partículas secundarias se modifican como
parte del programa CONEX. Hay muchas formas diferentes de implementar estos cambios
y cada una representa un escenario interesante.
Como aplicación, analizamos el impacto del modelo core-corona para las interacciones
de iones pesados en el desarrollo de lluvias extensas. El modelo core-corona se basa en
la combinación de dos mecanismos de producción de partículas diferentes: hadronización
estadística en regiones de alta densidad (core) y fragmentación de cuerdas en áreas de
baja densidad (corona). Recientes mediciones del LHC confirman que ciertas observaciones
pueden vincularse a este modelo.
Dado que ambos mecanismos presentes en el modelo core-corona implican diferentes
fracciones de energía electromagnética, cada mecanismo afecta la producción de muones
en las lluvias extensas de distintas maneras. Con nuestro modelo, es posible por primera
vez, analizar la dependencia energética de valores medibles basados en muones que son
accesibles en experimentos y encontrar los parámetros más adecuados para el modelo core-
corona.
Los resultados basados en el modelo core-corona simplificado son compatibles con un
aumento significativo en el número de muones en las simulaciones. Por esta razón, incluimos
mediciones directas de muones en nuestro análisis y las comparamos con simulaciones
completas en el contexto del Observatorio Pierre Auger.
Como parte de la actualización del observatorio, denominada AugerPrime, el llamado
Detector de Muones Subterráneo (UMD) ofrece una oportunidad única para medir direc-
tamente los muones de alta energía de las lluvias extensas. Para ello, se reconstruyeron y
analizaron los datos adquiridos con el arreglo UMD en los primeros dos años y medio. En
particular, creamos distribuciones medias de muones laterales (MLDF) basadas en datos en
contenedores de energía y ángulo cenital y las comparamos con simulaciones de detectores
completos en un escenario de core-corona.
Gracias al nuevo método que ofrece simulaciones de lluvias extensas rápidas y realistas
con propiedades de interacción hadrónica modificadas, hemos demostrado que un modelo
parcialmente basado en las propiedades de hadronización del plasma de quark-gluón y
aplicado gradualmente desde energías bajas a más altas, el déficit de muones se redujo
considerablemente. Sería necesaria una investigación más detallada para determinar si este
modelo se puede incorporar a un modelo de interacciones hadrónicas.
Complete Title
Core-corona hadronization model and its impact on muon content of extensive air showers
Abstract
Cosmic rays were discovered at the beginning of the 20th century and their study has con-
tributed extensively to science areas such as Astrophysics and Particle Physics. However,
there are still big open questions. The sources and the acceleration mechanisms of ultra-high
energy cosmic rays yet remain elusive. To improve both descriptions, an accurate measure-
ment of mass composition is required. Furthermore, mass composition is closely related
to the so-called muon puzzle, which states that the current understanding of hadronic inter-
actions is not enough to explain the results of several cosmic-ray experiments. The main
problem is that the muon content in extensive air shower simulations is significantly less
than the one measured. Several exotic mechanisms have been proposed but improvements
in measurements at colliders make them unlikely to be viable processes. In hadron collisions
the fraction of energy going into electromagnetic particles has a large impact on the number
of muons produced in air shower cascades. So any proposed model needs to find a way to
transfer energy from the electromagnetic cascade to the hadronic one.
We developed a new technique to quickly test on air showers the effect of any kind of
modification of the hadronic interaction properties. In this novel approach the secondary
particle spectra in the CONEX framework are modified. There are many different ways of
implementing these modifications, each representing different interesting scenarios.
As an application, we chose to test the core-corona model of heavy ion interactions on air
shower development. The basic assumption of the core-corona model is a mixture of differ-
ent underlying particle production mechanisms such as a collective statistical hadronization
in large density regions (core) in addition to the expected string fragmentation in low den-
sity regions (corona). Recent measurements at the LHC confirm features that can be linked
to this model.
Since the two mechanisms present in the core-corona model imply different electro-
magnetic energy fractions, each mechanism impacts the muon production in extensive air
showers in a different way. Our tool allows, for the first time, to compare the energy evo-
lution of muon-based observables accessible to experiments and to find the most adequate
parameters for the core-corona model.
The simplified core-corona model based results were compatible with a significant in-
crease of the number of muons in simulations. Hence, we have included direct muon mea-
surements into our analysis and compared them with full end-to-end simulations in the
context of the Pierre Auger Observatory.
As part of the ongoing upgrade of the Observatory, dubbed AugerPrime, the Under-
ground Muon Detector (UMD) offers a unique and straight-forward opportunity to directly
measure high-energy muons of extensive air showers. Thus, the first two and a half years of
data acquired with the array of the UMD have been reconstructed and analyzed. In particu-
lar, we have built data driven average muon lateral distributions (MLDF) in bins of energy
and zenith angle and we have compared them with full detector simulations in a core-corona
scenario.
Thanks to a new technique providing fast and realistic air shower simulations with mod-
ified hadronic interaction properties, we showed that a model partially based on hadroniza-
tion properties of a QGP applied gradually from low energy to the highest energy signifi-
cantly reduces the muon deficit. Further detailed investigation is needed to determine if it
can be integrated in a future hadronic interaction model.
tributed extensively to science areas such as Astrophysics and Particle Physics. However,
there are still big open questions. The sources and the acceleration mechanisms of ultra-high
energy cosmic rays yet remain elusive. To improve both descriptions, an accurate measure-
ment of mass composition is required. Furthermore, mass composition is closely related
to the so-called muon puzzle, which states that the current understanding of hadronic inter-
actions is not enough to explain the results of several cosmic-ray experiments. The main
problem is that the muon content in extensive air shower simulations is significantly less
than the one measured. Several exotic mechanisms have been proposed but improvements
in measurements at colliders make them unlikely to be viable processes. In hadron collisions
the fraction of energy going into electromagnetic particles has a large impact on the number
of muons produced in air shower cascades. So any proposed model needs to find a way to
transfer energy from the electromagnetic cascade to the hadronic one.
We developed a new technique to quickly test on air showers the effect of any kind of
modification of the hadronic interaction properties. In this novel approach the secondary
particle spectra in the CONEX framework are modified. There are many different ways of
implementing these modifications, each representing different interesting scenarios.
As an application, we chose to test the core-corona model of heavy ion interactions on air
shower development. The basic assumption of the core-corona model is a mixture of differ-
ent underlying particle production mechanisms such as a collective statistical hadronization
in large density regions (core) in addition to the expected string fragmentation in low den-
sity regions (corona). Recent measurements at the LHC confirm features that can be linked
to this model.
Since the two mechanisms present in the core-corona model imply different electro-
magnetic energy fractions, each mechanism impacts the muon production in extensive air
showers in a different way. Our tool allows, for the first time, to compare the energy evo-
lution of muon-based observables accessible to experiments and to find the most adequate
parameters for the core-corona model.
The simplified core-corona model based results were compatible with a significant in-
crease of the number of muons in simulations. Hence, we have included direct muon mea-
surements into our analysis and compared them with full end-to-end simulations in the
context of the Pierre Auger Observatory.
As part of the ongoing upgrade of the Observatory, dubbed AugerPrime, the Under-
ground Muon Detector (UMD) offers a unique and straight-forward opportunity to directly
measure high-energy muons of extensive air showers. Thus, the first two and a half years of
data acquired with the array of the UMD have been reconstructed and analyzed. In particu-
lar, we have built data driven average muon lateral distributions (MLDF) in bins of energy
and zenith angle and we have compared them with full detector simulations in a core-corona
scenario.
Thanks to a new technique providing fast and realistic air shower simulations with mod-
ified hadronic interaction properties, we showed that a model partially based on hadroniza-
tion properties of a QGP applied gradually from low energy to the highest energy signifi-
cantly reduces the muon deficit. Further detailed investigation is needed to determine if it
can be integrated in a future hadronic interaction model.
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