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

Abstract

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. 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