利用羊八井(YAC+Tibet-III) 数据进行 10TeV 以上能量朝前区强子作用性质的研究

The studies of high-energy cosmic rays through the observation of air showers on the ground depend on the hadronic interaction models that describe ASs. Checking and improving the currently used interaction models are the urgent tasks of these studies. The construction of any hadronic interaction model relies on the experiment data provided by accelerators. Up to last summer, only data of particle produced in the near-forward region in the energy region of 20-400 TeV were available, and no measurement in the very-forward region was executed. Recently, LHCf reported their measurement on the very-forward production of inclusive photons at the CMS energy of 7 TeV (corresponding to the static system, 2.6x10^17 eV) that provided important information for the improvement of the hadronic interaction models. However, there are still no information of very-forward particle production in the energy region of 10^15 eV - 10^16 eV. Due to the unique advantage of Yangbajing high altitude and our AS core detector (YAC) in the observation of forward hadronic interactions,in this application, by using the already obtained YAC + Tibet-III data, we plan to make our studies on the inelastic interaction cross section, inelasticity, Feynman scaling behavior etc at the energy region from 10 TeV to >1000 TeV. The method and the route of this study is seen in the text. In the 32nd International Cosmic Ray Conference hold in Beijing in August 2011, the progress of YAC experiment received much attention from many cosmic-ray scientists. We want to report our physics results as soon as possible.

在地面通过空气簇射进行宇宙线研究，依赖于描写AS的强子作用模型。检验和改进现有强子作用模型，是目前高能宇宙线研究的迫切任务。强子作用模型的建立须以加速器实验数据为依据。到去年为止，加速器只提供了20-400TeV 近朝前区的数据，极端朝前区没能测量。最近LHCf给出了质心能量7TeV质子对撞（约合静止靶2.6x10^17eV）极端朝前区单举光子能谱测量，为改进强子作用模型提供了重要资料。但10^15-10^16eV能区仍是空白。由于西藏羊八井高海拔地利及我们的AS轴芯探测器YAC对观测朝前区强子作用具有独到优势，本申请拟利用已获得的羊八井芯探测器（YAC）实验数据，在10到1000TeV以上 能区，对强子作用的非弹性作用截面、朝前区Feynman scaling行为等给出独家报道。在2011年第32届国际宇宙线会议上，国际同行对YAC实验进展非常关注，我们希望尽快作出物理结果。

在地面通过空气簇射进行宇宙线研究，依赖于描写AS 的强子作用模型。检验和改进现有强子作用模型，是目前高能宇宙线研究的迫切任务。由于西藏羊八井高海拔地利及我们的空气簇射“芯”探测器（YAC） 对观测朝前区强子作用具有独到优势，本项目在执行期间，利用Geant4 软件包完成了ASγ实验 3大复合式阵列蒙卡全模拟，详细评估了实验的性能及系统误差。该论文已在 Astroparticle Physics (2015)上发表。另外，我们还详细评估利用 YAC 阵列实验对检验极端朝前区强子作用模型的灵敏度，发现 YAC 阵列实验是目前世界上正在运行的实验中对研究10TeV以上能区极端朝前区强子作用模型和“膝”区宇宙线成分最灵敏的实验。该论文已在英国的Journal of Physics 发表，被审稿人推选为 J.Phys 杂志2015年度优秀论文，并被邀请撰写关于YAC 实验的（“LabTalk” news），并在J.Phys 官方网站(http://iopscience.iop.org)作为优秀论文向全世界展示。最后，我们还利用YAC-I实验结果和计算机蒙卡模拟结果相比较，详细检验了目前世界上正在流行的 3 种强子作用模型（EPOS-LHC, QGSJET-II-4, SIBYLL2.1）。我们发现这 3 种强子作用模型都非常优秀，都能在10%系统误差范围内很好地再现羊八井 YAC 实验观测到的各物理参量的谱型，并且YAC实验结果也验证了现有的这些强子作用模型中所假设的Feynman scaling 破坏程度（即如模型中所假设的在10TeV-1PeV能区，scaling有微小破坏，但不严重）。另外，通过本项目，我们不仅验证了现有3 种强子作用模型的Feynman scaling和非弹性截面的假设基本正确，还额外地发现原来”Gaisser’s fit”模型（即德国的 KASCADE 组所观测的“膝”区宇宙线成分能谱）是错误的，其质子，氦成分比自然界中实际的高太多（约1.4-2倍）。上述结果于2015年底项目负责人（黄晶）在日本名古屋大学的国际会议大会特邀报告上发表，获得国际同行专家的高度评价。本项目负责人在项目执行期内连续 2 次被邀请在国际会议上做大会特邀报告，足已证明：本项目已在极端朝前区强子作用模型的检验和“膝”区宇宙线研究最前沿领域占据了国际领先的地位，是一个成功的实验。