KM3NeT 的 gSeaGen 代碼：一個用於傳播 CORSIKA 模擬μ子的高效工具

核心概念

KM3NeT 合作組織開發了一個名為 gSeaGen 的開源軟體，可以高效地將 CORSIKA 模擬產生的μ子傳播到任意深度和大小的探測器，為宇宙射線和中微子研究提供精確的模擬工具。

摘要

gSeaGen 代碼概述

本文介紹了 KM3NeT 合作組織開發的 gSeaGen 代碼，這是一個用於傳播 CORSIKA 模擬μ子的高效工具。gSeaGen 是一個開源軟體，可以從公共 GitLab 存儲庫或 Zenodo 記錄訪問。

探測器定位和幾何形狀

KM3NeT 中微子望遠鏡是由安裝在海面下深處的光學傳感器陣列組成。gSeaGen 代碼允許用戶調整探測器罐的高度和半徑，並將罐底放置在不同位置，從而實現更精確的探測器幾何形狀模擬。

CORSIKA 數據處理

gSeaGen 可以讀取 CORSIKA 二進制輸出文件，並將高能大氣μ子從海平面追蹤到深海。代碼中引入的三種軌跡類別（母粒子、祖母粒子、μ子產生點）保留了粒子之間的母子關係。

權重計算和修正

gSeaGen 為 CORSIKA 產生的事件分配權重，並根據μ子的能量和方向進行預選，以減少計算量。代碼還考慮了地球曲率對μ子軌跡的影響。

附加功能

gSeaGen 提供了額外的功能，例如重複淋浴傳播、旋轉淋浴、減少冗餘信息以及μ子範圍容差，以提高模擬效率和統計數據。

μ子傳播

gSeaGen 的μ子傳播例程包括從觀測水平到探測器罐的兩步傳播過程，並根據μ子的能量和軌跡進行優化。

總結和未來展望

gSeaGen 代碼為 CORSIKA 空氣簇射模擬提供了高效且完整的處理方法，可以應用於各種地下、水下或冰下實驗。未來的發展方向包括傳播中微子、升級到更新版本的 PROPOSAL 以及添加 KM3NeT 數據格式作為可能的輸出格式選擇之一。

統計資料

CORSIKA 模擬中考慮的最大深度 (Dmax) 為 3500 米。
CORSIKA 模擬中考慮的最大天頂角 (θmax) 為 87°。
地球平均半徑 (REarth) 為 6371.315 公里。
μ子最大橫向偏移量約為 100 米。

引述

"The KM3NeT Collaboration has tackled a common challenge faced by the astroparticle physics community, namely adapting the experiment-specific simulation software to work with the CORSIKA air shower simulation output."
"The proposed solution is an extension of the open-source code gSeaGen, allowing for the transport of muons generated by CORSIKA to a detector of any size at an arbitrary depth."
"The gSeaGen code was not only extended in terms of functionalities but also underwent a thorough redesign of the muon propagation routine, resulting in a more accurate and efficient simulation."

從以下內容提煉的關鍵洞見

gSeaGen code by KM3NeT: an efficient tool to propagate muons simulated with CORSIKA

by S. A... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.24115.pdf

深入探究

gSeaGen 代碼如何應用於其他宇宙射線或粒子物理實驗？

gSeaGen 代碼最初是為 KM3NeT 設計的，但其多功能性使其適用於廣泛的宇宙射線和粒子物理實驗。以下是一些可能的應用：

其他中微子望遠鏡： gSeaGen 可以輕鬆適應其他水下/冰下中微子望遠鏡，例如 IceCube、ANTARES 和 Baikal-GVD。通過調整探測器几何形狀和介質特性（例如水或冰的密度和光學特性），gSeaGen 可以模擬這些實驗中的μ子傳播。
地下實驗： gSeaGen 也可以用於模擬地下實驗中的μ子傳播，例如探測質子衰變或暗物質的實驗。通過修改介質特性以反映岩石成分，gSeaGen 可以準確地模擬μ子在地下環境中的傳播。
宇宙射線空氣簇射陣列： 雖然 gSeaGen 主要設計用於模擬μ子在地球介質中的傳播，但它也可以用於研究到達地面的μ子。通過將探測器几何形狀設置在地面上，gSeaGen 可以用於研究宇宙射線空氣簇射陣列（例如 Pierre Auger 天文台）中的μ子成分。
醫學物理學： gSeaGen 中使用的μ子傳播模擬技術也可用於醫學物理學，例如質子治療計劃。通過修改介質特性以反映人體組織，gSeaGen 可以幫助優化治療計劃並減少對健康組織的損害。
總之，gSeaGen 的適應性和模組化設計使其成為模擬各種宇宙射線和粒子物理實驗中μ子傳播的寶貴工具。

如果考慮中微子振盪效應，gSeaGen 的μ子傳播模擬結果會有何不同？

目前，gSeaGen 並未明確模擬中微子振盪。然而，考慮到中微子振盪會影響傳播到探測器的μ子通量，特別是在使用大體積探測器和長基線時，這一點至關重要。
以下是中微子振盪如何影響 gSeaGen 模擬結果：

μ子通量變化： 中微子振盪會導致不同類型中微子之間的轉換。由於μ子主要由μ子中微子產生，因此振盪會導致特定能量和方向上的μ子通量發生變化。
角分佈變化： 中微子振盪的影響取決於中微子的能量和行進距離。這可能導致探測到的μ子的角分佈發生變化，尤其是在考慮大體積探測器時。
對中微子質量階層測量的影響： KM3NeT/ORCA 等實驗旨在通過研究大氣中微子振盪來確定中微子質量階層。忽略中微子振盪會導致質量階層的錯誤測量。
為了在 gSeaGen 中考慮中微子振盪，需要進行以下修改：

納入中微子振盪模型： gSeaGen 需要包含一個模型來描述不同類型中微子之間的振盪概率。這可能涉及使用現有的中微子振盪軟體包或開發專用模組。
修改μ子產生： gSeaGen 需要修改μ子產生例程，以考慮由於中微子振盪而產生的中微子通量變化。
驗證和調整： 修改後的 gSeaGen 代碼需要根據實驗數據進行仔細驗證和調整，以確保準確模擬中微子振盪的影響。
通過實施這些修改，gSeaGen 可以提供更精確的μ子通量和角分佈預測，從而改進對中微子特性的研究。

gSeaGen 代碼的開發對於推進我們對宇宙射線和中微子的理解有何更廣泛的意義？

gSeaGen 代碼的開發對推進我們對宇宙射線和中微子的理解具有更廣泛的意義，原因如下：

改進宇宙射線空氣簇射模擬： gSeaGen 能夠精確模擬 CORSIKA 產生的μ子傳播，這對於理解宇宙射線空氣簇射及其在地球大氣中的相互作用至關重要。這可以幫助我們更好地識別宇宙射線的來源和加速機制。
增進我們對中微子特性的了解： 通過提供一種精確模擬μ子通量和角分佈的工具，gSeaGen 有助於我們研究中微子特性，例如質量階層和振盪參數。這些測量對於理解中微子的本質及其在粒子物理學標準模型中的作用至關重要。
促進多信使天文學： gSeaGen 可以幫助我們將中微子觀測與其他信使（例如宇宙射線、伽馬射線和引力波）的觀測聯繫起來。這對於研究極端宇宙事件（例如伽馬射線暴和活躍星系核）至關重要。
促進開放科學實踐： gSeaGen 作為一個開源軟體包發布，促進了科學界內部的合作和知識共享。這可以加速科學發現並導致更可靠和可驗證的研究結果。
總之，gSeaGen 代碼的開發是宇宙射線和中微子天文學領域的一項重大進展。它為研究這些難以捉摸的粒子提供了強大的工具，並為增進我們對宇宙的了解開闢了新的途徑。