CERN-SPS における DsTau/NA65 実験での陽子-原子核相互作用の研究：パイロットランデータを用いた陽子相互作用の分析とイベントジェネレーターとの比較

核心概念

本稿では、CERN-SPS における DsTau/NA65 実験のパイロットランデータを用いて、高トラック密度環境下での陽子相互作用の分析結果を報告し、測定された相互作用の特徴が様々なイベントジェネレーターの予測と比較されます。

要約

論文情報
S. Aoki et al. (DsTau/NA65 Collaboration). (2024). STUDY OF PROTON-NUCLEUS INTERACTIONS IN THE DSTAU/NA65 EXPERIMENT AT THE CERN-SPS. Eur. Phys. J. C manuscript No. (will be inserted by the editor). arXiv:2411.05452v1 [hep-ex]
研究目的

CERN-SPS における DsTau/NA65 実験のパイロットラン (2018年実施) データを用いて、陽子-原子核相互作用における陽子相互作用の分析結果を報告する。
測定された相互作用の特徴を、広く用いられている複数のモンテカルロ (MC) イベントジェネレーターの予測と比較し、ジェネレーターの精度検証を行う。
実験方法

CERN-SPS の H4 ビームラインにおいて、400 GeV/c の陽子ビームをタングステン/モリブデン標的に照射し、DsTau 検出器を用いて陽子相互作用を測定した。
DsTau 検出器は、標的となるタングステン/モリブデン板と、飛跡検出器となる原子核乾板フィルム、およびフィルム間の間隔を保つプラスチックスペーサーで構成されている。
原子核乾板フィルムは、210 µm 厚のプラスチックベースの両面に 70 µm 厚のエマルジョン層を塗布した構造となっている。
データ解析では、まず原子核乾板フィルムを高速自動飛跡読み取り装置 HTS で読み取り、DsTau ソフトウェアを用いて飛跡と頂点の再構成を行う。
再構成された陽子相互作用のデータについて、荷電二次粒子の多重度、角度、インパクトパラメータを分析し、EPOS、PYTHIA8、QGSJET、DPMJET、GEANT 4.11 の 5 つのイベントジェネレーターの予測と比較した。
結果

陽子-タングステン相互作用において、荷電二次粒子の多重度分布、角度分布、インパクトパラメータ分布を測定し、5 つのイベントジェネレーターの予測と比較した結果、EPOS が最もデータと良い一致を示した。
荷電二次粒子の角度は多重度に依存することが観測され、データと EPOS の予測は同様の傾向を示した。
多重度分布は KNO-G スケーリングとほぼ一致することがわかった。
タングステンにおける陽子の相互作用長を測定した結果、93.7 ± 2.6 mm であり、EPOS の予測値 (95.8 ± 2.8 mm) と良い一致を示した。
結論

本研究では、DsTau/NA65 実験のパイロットランデータを用いて、高トラック密度環境下での陽子相互作用の分析を行い、EPOS がデータと最も良く一致するイベントジェネレーターであることを示した。
本研究の結果は、MC イベントジェネレーターで使用される陽子-原子核相互作用モデルの改良に役立つと考えられる。

統計

パイロットランでは、30 個のモジュールが H4 ビームラインの陽子ビームに曝露された。
各エマルジョンモジュールは、ターゲットムーバーと呼ばれる電動の X-Y ステージに取り付けられ、陽子ビームに対してモジュールを同期させて移動させることができた。
このセットアップにより、検出器表面を 10^5 tracks/cm^2 の密度で均一に照射することができた。
本測定では、2018 年のランの単一モジュールから、タングステン板内に再構成されたビーム陽子とその相互作用頂点を持つ 95,314 イベントのサンプルを使用した。
頂点位置分解能は、MC を用いて真の頂点位置と再構成された頂点位置を比較することで決定される。
さらに、タングステン板の厚さは、板ごとにばらつきがある。これらの影響を軽減するために、図5 に示すように、タングステン板の両側の頂点位置に対して 18 µm（頂点分解能の 4 σ に相当）のカットを適用した。
この幾何学的基準の効率は、92.8±0.2% と評価されている。
陽子リンキング効率は 90% 以上であり、縦方向に沿ってほぼ一定である。
頂点再構成効率は約 80% であり、図7 に示すように、荷電粒子の多重度に依存する。
多重度が 12 まで増加するとともに増加し、その後、約 95% でプラトーに達する。
データと EPOS の予測では、多重度に伴って荷電粒子の角度が増加するという同様の傾向が見られる。
この傾向は、ハドロン相互作用の定横運動量 (PT) 特性に起因すると考えられる。
一方、QGSJET の予測は、データや EPOS の結果と同じ傾向を示さない。
多重度が 10 未満の頂点では、データと MC シミュレーションの間の整合性は、すべてのイベントジェネレーターにおいて良好である。
しかし、多重度の高いイベントでは、MC とデータの間の整合性は悪化する。ただし、QGSJET を除いて、200 mrad までは良好な状態を保っている。
平均多重度 は、ns < 5 の影響を考慮して計算した。
補正係数は、ns < 5 の選択をした場合としない場合の、真の MC からの多重度分布の平均値を比較することで、0.95±0.02 と推定された。
フィットは、図 16 に示すように、多重度が高い効率で測定されている 0.5 < z < 3.0 の範囲で行われた。
フィット値は、フィットパラメータの誤差を報告していない[32]の値と比較するために、表3 に示されている。
フィットのχ2値は、自由度 32 で 65.1 である。
我々の多重度分布は、KNO-G スケーリングの予測とほぼ一致することがわかった。
タングステンにおける陽子の相互作用長を決定するために、タングステン板に入る再構成されたビーム陽子の数と、タングステンにおけるそれらの相互作用頂点が使用された。
データ（MC）の場合、L の値は 489±1 µm（464 µm）である。
タングステンにおける測定された平均相互作用長は 93.7 ± 2.6 mm であり、EPOS の予測値 95.8 ± 2.8 mm とよく一致している。
データと EPOS の両方について、すべてのタングステン板における相互作用長は、表4 に示すように、ほぼ一定である。

抽出されたキーインサイト

Study of Proton-Nucleus Interactions in the DsTau/NA65 Experiment at the CERN-SPS

by DsTau/NA65 C... 場所 arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05452.pdf

深掘り質問

陽子-タングステン相互作用を分析していますが、異なる標的材料を用いた場合、結果にどのような影響があると考えられますか？

異なる標的材料を用いた場合、陽子との相互作用の仕方が異なるため、結果に以下のような影響が現れると考えられます。

相互作用長: 標的材料の原子番号や密度によって陽子の相互作用長が変化します。原子番号の大きい、密度の高い物質ほど相互作用長は短くなります。
多重度: 標的核子の数が増加すると、陽子との衝突で生成される二次粒子の多重度も増加する傾向があります。
粒子種: 標的材料の原子核の構成要素によって、生成される二次粒子の種類や比率が変化します。例えば、中性子過剰核を標的にした場合、パイ中間子と比較して、より多くのカオンやハイペロンが生成される可能性があります。
角度分布: 標的材料の原子番号によって、クーロン散乱の影響度が変化するため、二次粒子の角度分布も変化する可能性があります。
DsTau実験では、タウニュートリノ生成の研究において重要な役割を果たす、異なる標的材料における陽子-原子核相互作用の正確な理解のために、タングステンに加えてモリブデンも標的材料として使用しています。これらのデータの分析により、標的材料の違いによる影響を詳細に調べることが可能になります。

高多重度イベントにおけるデータとMCの不一致は、検出器の性能によるものと結論づけていますが、他に考えられる要因は何でしょうか？

高多重度イベントにおけるデータとMCの不一致は、検出器の性能以外にも、以下のような要因が考えられます。

ハドロン化モデルの不定性: MCイベントジェネレーターで用いられているハドロン化モデルは、高エネルギー領域におけるハドロン生成の物理を完全には記述できていない可能性があります。特に、高多重度イベントは、低エネルギーのハドロンが多く生成されるため、この影響を受けやすいと考えられます。
二次相互作用の影響: 高多重度イベントでは、検出器内での二次粒子の相互作用の影響が無視できなくなる可能性があります。MCシミュレーションでは、これらの影響を完全には再現できていない可能性があり、データとの不一致が生じる要因となる可能性があります。
イベント選択のバイアス: データ解析において、高多重度イベントを選択する際に、何らかのバイアスがかかっている可能性があります。例えば、特定の運動量領域の粒子を多く含むイベントが選択されやすくなっている場合、データとMCの間に不一致が生じる可能性があります。
これらの要因を特定し、その影響を定量的に評価するためには、より詳細なシミュレーション研究や、データ解析におけるイベント選択のバイアスに関する詳細な調査が必要となります。

この研究で得られた知見は、宇宙線物理学や重イオン衝突実験など、他の分野にどのように応用できるでしょうか？

この研究で得られた陽子-原子核相互作用に関する知見は、以下に示すように、宇宙線物理学や重イオン衝突実験など、他の分野にも応用することができます。

宇宙線物理学: 宇宙線が大気と相互作用して生成される空気シャワーの発達を理解する上で、陽子-原子核相互作用の正確なモデリングは不可欠です。本研究で得られた知見は、空気シャワーシミュレーションの精度向上に貢献し、宇宙線の起源や伝播に関する研究を促進すると期待されます。
重イオン衝突実験: 高エネルギーの重イオン衝突実験では、クォーク・グルーオン・プラズマと呼ばれる高温・高密度の物質状態が生成されると考えられています。この物質状態を理解するためには、陽子-原子核衝突や原子核-原子核衝突におけるハドロン生成のメカニズムを詳細に調べる必要があります。本研究で得られた知見は、重イオン衝突実験におけるハドロン生成の理解を深め、クォーク・グルーオン・プラズマの性質解明に貢献すると期待されます。
ニュートリノ物理学: ニュートリノビームは、陽子ビームを標的に照射することで生成されます。標的材料における陽子-原子核相互作用を正確に理解することは、ニュートリノビームのエネルギー分布やフラックスを精密に予測する上で重要となります。本研究で得られた知見は、ニュートリノビームラインの設計やニュートリノ実験のデータ解析の精度向上に貢献すると期待されます。
このように、本研究で得られた知見は、高エネルギー物理学の様々な分野において重要な役割を果たすと期待されます。