On the efficiency of the evaluation of the primary cosmic ray composition using lateral distributions of air shower electromagnetic component

Abstract

New analysis of lateral distributions (LD) of electrons, muons and charged particles in extensive air showers generated by 10 15 − 10 19 eV cosmic rays has been made with respect to the scaling formalism for LD and air shower universality paradigm. It is found that lateral distributions of electrons and muons, when considered separately, are well described by one-parametric scaling functions, while for the charged particles mixture distributions the scaling description is not accurate in radial distance range where electrons and muons give a comparable contribution to the local particle densities. The use of scaling formalism enables enhancing the electron/muon separation capabilities and, when combined with theoretically motivated air shower universality concept, provides robust mass composition estimates. The proposed approach could be implemented for the present and future (multi-) hybrid air shower observations, especially in realizing the potential of Auger and Telescope Array observatories upgrades, as well as for re-analysis and cross-calibration of the data collected from different air shower arrays in a broad primary energy range.

On the Problem of Ultrahigh Energy Cosmic Ray Mass Composition Evaluation from Lateral Distributions of EAS Charged Particles Measured at Different Ranges of Radial Distances

“…В настоящей работе развивается предложен ный авторами подход [18][19][20][21] к восстановлению массо вого состава ПКИ, основанный на универ сальных физических свойствах развития атмо сферных лив ней (применение новых индикаторов типа первич ной частицы -масштабных парамет ров функций пространственного распределения, измеряемых на земными детекторами заряженных частиц в раз личных диапазонах расстояний от оси ливня, обе спечивающих на порядок большую статистику по сравнению с детекторами атмо сферного излу чения ШАЛ). Показано, что ис пользование данно го подхода в рамках многоком понентного анализа данных (мульти)гибридных измерений в комбина ции с независимо измеряе мыми параметрами про дольного развития (воз раст/глубина максимума ка скадной кривой) дает возможность эффективной дискриминации инди видуальных событий по типу первичной частицы.…”

“…Масштабная инвариантность ради ального распределения электронов и мюонов. В наших ра ботах [18][19][20][21][22][23][24][25][26][27] было установле но, что функции про странственного распределе ния (ФПР) электронов в атмосферных ливнях от гаммаквантов и ядер, а также ФПР мюонов в ШАЛ, генерированных ядра ми, демонстрируют свойство масштабной инвари антности:…”

“…2. Инвариантная часть (а) и относительные ошибки (б) скейлингового описания средних ФПР мюонов на уровне моря в вертикальных ШАЛ от протонов и ядер железа в диапазоне первичных энергий 10 15 − 10 19 эВ в моделях EPOS LHC и QGSJet [18]. Используются те же обозначения, что и на рис.…”

“…На рис. 1-2 приведены инвариантные части и относительные погрешности скейлингового описа ния средних ФПР электронов (> 1 МэВ) и мюонов (> 10 МэВ) на уровне моря в вертикальных ШАЛ от про-тонов и ядер железа в диапазоне первичных энергий (10 15 -10 19 ) эВ [18]. Расчеты выполне ны при помощи кода CORSIKA [29] v.7.4100 в мо делях адрон-ядерных взаимодействий EPOS LHC v.3400 and QGSJet-II-04 (FLUKA 2011.2c.2).…”

“…Масштабные параметры R 0 были восстановлены фитированием полученных в результате моделирования ФПР с применением итерационной процедуры, описанной в [18]. Для функции F(x) использовалось полиномиальное представление, обеспечивающее наилучшее совокупное описание всех данных моделирования для каждого сорта регистрируемых частиц.…”