核心概念
本研究利用 GiBUU 模型模擬高能質子與碳原子核碰撞產生單電荷粒子的過程,並與 NA61/SHINE 和 EMPHATIC 實驗數據進行比較,發現模擬結果與實驗數據在大部分情況下吻合良好,驗證了 GiBUU 模型在模擬此類反應時的準確性。
精確測量強子交互作用對於減少基於加速器和 атмосферного 中微子實驗中與中微子產生相關的模型不確定性至關重要。這些測量應跨越兩個數量級,範圍從入射粒子動量的 1 到 100 GeV/c。許多中微子測量中的主要不確定性來源,例如與中微子-核子截面、無菌中微子搜尋以及 атмосферного 中微子中的 CP 破壞有關的測量,是中微子通量的不確定性。即將進行的 Hyper-Kamiokande [1] 和 DUNE [2] 計劃標誌著長基線中微子實驗精確時代的開始。在這些實驗中,中微子通量和截面的能量依賴性是當前實驗知識中最具挑戰性的系統不確定性因素之一 [3, 4]。在原子核內部發生的質子交互作用中產生的強子會衰變並產生中微子。根據能量測量中微子束通量是一項具有挑戰性且耗時的任務。因此,中微子通量的先驗預測是使用基於強子交互作用和衰變的蒙地卡羅模擬進行的 [5, 6]。然而,由於強子截面數據不足且誤差很大,這種方法受到限制,而強子交互作用是預測中微子通量時系統不確定性的主要來源 [5, 6]。為了減少不確定性,現象學模型被用於插值和外推強子交互作用截面,但這引入了額外的不確定性。強子交互作用數據的測量被用於約束或縮放模型,以提高中微子通量預測的準確性。
本研究使用 GiBUU 模型來分析由重子、介子、(實和虛)光子和中微子在各種原子核上誘發的基本碰撞數據,所有這些都在一個統一的框架內進行。GiBUU 模型是一個傳輸模型,開發用於處理從幾 MeV 到 O(100) GeV 的能量,並基於模塊化 FORTRAN 2003 代碼構建。本研究使用 GiBUU-2023,補丁 3(2024 年 2 月 21 日)代碼,其源代碼可以在這裡找到 [21]。該模型求解單粒子相空間密度的 Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck (BUU) 方程,這些方程隨著時間的推移在強子的勢能和平均場以及碰撞積分的影響下動態演化。碰撞積分主要由兩體碰撞控制,包括彈性和非彈性碰撞,這些碰撞在低能下使用共振信息描述,在高能下使用 Pythia [22] 描述。有關更多信息,例如總截面圖,請參閱參考文獻 [21]。不可避免的核效應,例如泡利阻塞、核屏蔽和費米運動,在核子和其環境之間的基本交互作用中都得到了適當的考慮。接下來,在此交互作用過程中產生的所有(前)強子都使用半經典的 Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck(BUU) 傳輸方程在核環境中傳輸。為了解釋形成時間和顏色透明度的現象,引入了前強子的概念,其中強子在強子化過程中以衰減截面進行交互作用 [23, 24]。這種方法確保了每次交互作用,包括初級和次級交互作用,都得到一致的處理,從而產生完全耦合的通道傳輸。對於動量高於 3 GeV/c 的光束,Pythia 方法用於基本 p−N 或 π±−N 交互作用,因為碰撞能量超出了共振區 (√sπN,pN = 2.8 - 4.9 GeV),並且末態粒子動量相對較大,從而最大限度地減少了區分 GiBUU 描述與其他 MC 級聯模型的重子勢能的重要性。GiBUU 模型在中微子物理學和強子產生測量中的意義和應用在這裡有詳細說明 [16, 25–31]。