Published August 29, 2022 | Version v1
Publication Open

Hadronic Interaction Model Dependence in Cosmic Gamma-ray Flux Estimation Using an Extensive Air Shower Array with a Muon Detector

Creators

  • 1. Yokohama National University
  • 2. The University of Tokyo
  • 3. Furukawa Electric (United Kingdom)
  • 4. Ōtani University
  • 5. Shinshu University
  • 6. University of San Andrés
  • 7. Higher University of San Andrés
  • 8. University of Guadalajara
  • 9. Kanagawa University
  • 10. Utsunomiya University
  • 11. Chubu University
  • 12. Osaka City University
  • 13. College of Industrial Technology
  • 14. Nihon University
  • 15. National Institute of Informatics
  • 16. RIKEN
  • 17. Osaka Electro-Communication University
  • 18. Hiroshima City University
  • 19. Japan Atomic Energy Agency

Description

Abstract Observation techniques of high-energy gamma rays using air showers have remarkably progressed via the Tibet AS$\gamma$, HAWC, and LHAASO experiments. These observations have significantly contributed to gamma-ray astronomy in the northern sky's sub-Peta electron volts (PeV) region. Moreover, in the southern sky, the ALPACA experiment is underway at 4,740\,m altitude on the Chacaltaya plateau in Bolivia. This experiment estimates the gamma-ray flux from the difference between the number of on-source and off-source events by real data, utilizing the gamma-ray detection efficiency calculated through Monte Carlo simulations, which in turn depends on the hadronic interaction models. Even though the number of cosmic-ray background events can be experimentally estimated, this model dependence affects the estimation of gamma-ray detection efficiency. However, previous reports have assumed that the model dependence is negligible and have not included it in the error of gamma-ray flux estimation. Using ALPAQUITA, the prototype experiment of ALPACA, we quantitatively evaluated the model dependence on hadronic interaction models for the first time. We evaluate the model dependence on hadronic interactions as less than 3.6\,\% in the typical gamma-ray flux estimation performed by ALPAQUITA; this is negligible compared with other uncertainties such as energy scale uncertainty in the energy range from 6 to 300 TeV, which is dominated by the Monte Carlo statistics. This upper limit of 3.6\,\% model dependence is expected to apply to ALPACA.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تقدمت تقنيات المراقبة المجردة لأشعة جاما عالية الطاقة باستخدام الدش الهوائي بشكل ملحوظ عبر تجارب التبت AS $\gamma$ و HAWC و LHAASO. وقد ساهمت هذه الملاحظات بشكل كبير في علم الفلك بأشعة غاما في منطقة إلكترونات بيتا الفرعية (PeV) في السماء الشمالية. علاوة على ذلك، في السماء الجنوبية، تجري تجربة الألبكة على ارتفاع 4740\ م على هضبة تشاكالتايا في بوليفيا. تقدر هذه التجربة تدفق أشعة غاما من الفرق بين عدد الأحداث داخل المصدر وخارجه من خلال البيانات الحقيقية، وذلك باستخدام كفاءة الكشف عن أشعة غاما المحسوبة من خلال محاكاة مونت كارلو، والتي تعتمد بدورها على نماذج التفاعل الهادروني. على الرغم من أنه يمكن تقدير عدد أحداث خلفية الأشعة الكونية تجريبيًا، إلا أن اعتماد النموذج هذا يؤثر على تقدير كفاءة الكشف عن أشعة جاما. ومع ذلك، افترضت التقارير السابقة أن اعتماد النموذج لا يكاد يذكر ولم تدرجه في خطأ تقدير تدفق أشعة جاما. باستخدام ALPAQUITA، تجربة النموذج الأولي لـ ALPACA، قمنا بتقييم اعتماد النموذج على نماذج تفاعل HADRONIC لأول مرة. نقوم بتقييم اعتماد النموذج على تفاعلات الهادرونيك على أنها أقل من 3.6\،\٪ في تقدير تدفق أشعة جاما النموذجي الذي تقوم به الباقويتا ؛ هذا لا يكاد يذكر مقارنة مع حالات عدم اليقين الأخرى مثل عدم اليقين على نطاق الطاقة في نطاق الطاقة من 6 إلى 300 تيرا فولت، والتي تهيمن عليها إحصاءات مونت كارلو. من المتوقع أن ينطبق هذا الحد الأعلى البالغ 3.6\، \٪ من الاعتماد على طراز الألبكة.

Translated Description (French)

Résumé Les techniques d'observation des rayons gamma de haute énergie à l'aide de douches d'air ont remarquablement progressé grâce aux expériences Tibet AS$ \gamma$ , HAWC et LHAASO. Ces observations ont contribué de manière significative à l'astronomie des rayons gamma dans la région sub-Pêta électron-volts (PeV) du ciel septentrional. De plus, dans le ciel méridional, l'expérience de l'ALPAGA est en cours à 4 740\,m d'altitude sur le plateau Chacaltaya en Bolivie. Cette expérience estime le flux de rayons gamma à partir de la différence entre le nombre d'événements à la source et hors source par des données réelles, en utilisant l'efficacité de détection des rayons gamma calculée par des simulations de Monte Carlo, qui dépend à son tour des modèles d'interaction hadronique. Même si le nombre d'événements de fond de rayons cosmiques peut être estimé expérimentalement, cette dépendance du modèle affecte l'estimation de l'efficacité de la détection des rayons gamma. Cependant, les rapports précédents ont supposé que la dépendance du modèle est négligeable et ne l'ont pas incluse dans l'erreur d'estimation du flux de rayons gamma. À l'aide d'ALPAQUITA, l'expérience prototype de l'ALPAGA, nous avons évalué quantitativement la dépendance du modèle aux modèles d'interaction hadronique pour la première fois. Nous évaluons la dépendance du modèle aux interactions hadroniques à moins de 3,6\,\% dans l'estimation typique du flux de rayons gamma effectuée par ALPAQUITA ; ceci est négligeable par rapport à d'autres incertitudes telles que l'incertitude de l'échelle d'énergie dans la plage d'énergie de 6 à 300 TeV, qui est dominée par les statistiques de Monte Carlo. Cette limite supérieure de 3,6\,\% de dépendance au modèle devrait s'appliquer à l'ALPAGA.

Translated Description (Spanish)

Resumen Las técnicas de observación de rayos gamma de alta energía utilizando duchas de aire han progresado notablemente a través de los experimentos Tibet AS$\gamma$, HAWC y LHAASO. Estas observaciones han contribuido significativamente a la astronomía de rayos gamma en la región sub-Peta electrón voltios (PeV) del cielo del norte. Además, en el cielo del sur, el experimento de la ALPACA está en marcha a 4.740 m de altitud en la meseta de Chacaltaya en Bolivia. Este experimento estima el flujo de rayos gamma a partir de la diferencia entre el número de eventos dentro y fuera de la fuente por datos reales, utilizando la eficiencia de detección de rayos gamma calculada a través de simulaciones de Monte Carlo, que a su vez depende de los modelos de interacción hadrónica. Aunque el número de eventos de fondo de rayos cósmicos se puede estimar experimentalmente, esta dependencia del modelo afecta la estimación de la eficiencia de detección de rayos gamma. Sin embargo, informes anteriores han asumido que la dependencia del modelo es insignificante y no lo han incluido en el error de estimación del flujo de rayos gamma. Utilizando ALPAQUITA, el experimento prototipo de ALPACA, evaluamos cuantitativamente por primera vez la dependencia del modelo en modelos de interacción hadrónica. Evaluamos la dependencia del modelo en las interacciones hadrónicas como inferior al 3.6\,\% en la estimación típica del flujo de rayos gamma realizada por ALPAQUITA; esto es insignificante en comparación con otras incertidumbres como la incertidumbre de la escala de energía en el rango de energía de 6 a 300 TeV, que está dominado por las estadísticas de Monte Carlo. Se espera que este límite superior de 3.6\,\% de dependencia del modelo se aplique a la ALPACA.

Files

latest.pdf.pdf

Files (4.9 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:2967898540521334c241be460536fc15
4.9 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
اعتماد نموذج تفاعل هادرونيك في تقدير تدفق أشعة غاما الكونية باستخدام صفيف دش هواء مكثف مع كاشف ميون
Translated title (French)
Dépendance du modèle d'interaction hadronique dans l'estimation du flux de rayons gamma cosmiques à l'aide d'un réseau de douche à air étendu avec un détecteur de muons
Translated title (Spanish)
Dependencia del modelo de interacción hadrónica en la estimación del flujo de rayos gamma cósmicos utilizando una amplia matriz de ducha de aire con un detector de muones

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4293503619
DOI
10.21203/rs.3.rs-1987888/v1

Is supplement to
https://openalex.org/W4385305025 (Other)
https://openalex.org/W4294346489 (Other)
https://openalex.org/W4287026725 (Other)
https://openalex.org/W3188044950 (Other)
https://openalex.org/W3101607466 (Other)
https://openalex.org/W2943943800 (Other)
https://openalex.org/W2788757035 (Other)
https://openalex.org/W2467365768 (Other)
https://openalex.org/W2096640854 (Other)
https://openalex.org/W2096523725 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1528055394
  • https://openalex.org/W2949404501