The Muon Puzzle in cosmic-ray induced air showers and its connection to the Large Hadron Collider

被引:65
作者
Albrecht, Johannes [1 ]
Cazon, Lorenzo [2 ]
Dembinski, Hans [1 ]
Fedynitch, Anatoli [3 ]
Kampert, Karl-Heinz [4 ]
Pierog, Tanguy [5 ]
Rhode, Wolfgang [1 ]
Soldin, Dennis [6 ,7 ]
Spaan, Bernhard [1 ]
Ulrich, Ralf [5 ]
Unger, Michael [5 ]
机构
[1] TU Dortmund Univ, Fac Phys, Dortmund, Germany
[2] LIP, Lisbon, Portugal
[3] Univ Tokyo, Inst Cosm Ray Res, 5-1-5 Kashiwa No Ha, Kashiwa, Chiba 2778582, Japan
[4] Wuppertal Univ, Dept Phys, Wuppertal, Germany
[5] Karlsruhe Inst Technol KIT, Inst Astroparticle Phys, Karlsruhe, Germany
[6] Univ Delaware, Bartol Res Inst, Newark, DE 19716 USA
[7] Univ Delaware, Dept Phys & Astron, Newark, DE 19716 USA
基金
美国国家科学基金会;
关键词
Cosmic rays; Air showers; Particle physics; Strangeness enhancement; Mass composition; PROTON-PROTON COLLISIONS; P-PB COLLISIONS; NUCLEAR MODIFICATION FACTOR; CHARGED-PARTICLE DISTRIBUTIONS; PRODUCTION CROSS-SECTION; LATERAL DISTRIBUTION-FUNCTIONS; TRANSVERSE-MOMENTUM SPECTRA; DEEP-INELASTIC SCATTERING; MONTE-CARLO SIMULATIONS; LARGE-SCALE ANISOTROPY;
D O I
10.1007/s10509-022-04054-5
中图分类号
P1 [天文学];
学科分类号
0704 ;
摘要
High-energy cosmic rays are observed indirectly by detecting the extensive air showers initiated in Earth's atmosphere. The interpretation of these observations relies on accurate models of air shower physics, which is a challenge and an opportunity to test QCD under extreme conditions. Air showers are hadronic cascades, which give rise to a muon component through hadron decays. The muon number is a key observable to infer the mass composition of cosmic rays. Air shower simulations with state-of-the-art QCD models show a significant muon deficit with respect to measurements; this is called the Muon Puzzle. By eliminating other possibilities, we conclude that the most plausible cause for the muon discrepancy is a deviation in the composition of secondary particles produced in high-energy hadronic interactions from current model predictions. The muon discrepancy starts at the TeV scale, which suggests that this deviation is observable at the Large Hadron Collider. An enhancement of strangeness production has been observed at the LHC in high-density events, which can potentially explain the puzzle, but the impact of the effect on forward produced hadrons needs further study, in particular with future data from oxygen beam collisions.
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[1]   The Pierre Auger Cosmic Ray Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albert, J. N. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
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Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Aranda, V. M. ;
Argiro, S. ;
Arisaka, K. ;
Arneodo, F. ;
Arqueros, F. ;
Asch, T. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Ave, M. ;
Avenier, M. ;
Avila, G. ;
Awal, N. ;
Badescu, A. M. ;
Balzer, M. ;
Barber, K. B. ;
Barbosa, A. ;
Barenthien, N. ;
Barkhausen, M. ;
Baeuml, J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
BenZvi, S. ;
Berat, C. ;
Bergmann, T. ;
Bertaina, M. E. ;
Biermann, P. L. ;
Bilhaut, R. ;
Billoir, P. .
NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, 2015, 798 :172-213
[2]   Measurement of the Fluctuations in the Number of Muons in Extensive Air Showers with the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Albury, J. M. ;
Allekotte, I ;
Almela, A. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Ferreira, P. R. Araujo ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Bakalova, A. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Bister, T. ;
Biteau, J. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Arbeletche, L. Bonneau ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Bretz, T. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Caccianiga, L. ;
Cancio, A. ;
Canfora, F. ;
Caracas, I ;
Carceller, J. M. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2021, 126 (15)
[3]   Testing Hadronic Interactions at Ultrahigh Energies with Air Showers Measured by the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allen, J. D. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Ambrosio, M. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
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Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bluemmer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2016, 117 (19)
[4]   Measurement of the cosmic-ray energy spectrum above 2.5 x 1018 eV using the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Albury, J. M. ;
Allekotte, I ;
Almela, A. ;
Castillo, J. Alvarez ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Ferreira, P. R. Araujo ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Bakalova, A. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Luz, R. J. Barreira ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Bister, T. ;
Biteau, J. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Arbeletche, L. Bonneau ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Bretz, T. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Caccianiga, L. ;
Calcagni, L. .
PHYSICAL REVIEW D, 2020, 102 (06)
[5]   Data-driven estimation of the invisible energy of cosmic ray showers with the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Albury, J. M. ;
Allekotte, I ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Bakalova, A. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Baur, S. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
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Bretz, T. ;
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Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Caccianiga, L. ;
Calcagni, L. .
PHYSICAL REVIEW D, 2019, 100 (08)
[6]   An Indication of Anisotropy in Arrival Directions of Ultra-high-energy Cosmic Rays through Comparison to the Flux Pattern of Extragalactic Gamma-Ray Sources [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
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Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. ;
Buscemi, M. ;
Caballero-Mora, K. S. ;
Caccianiga, L. ;
Cancio, A. ;
Canfora, F. ;
Caruso, R. .
ASTROPHYSICAL JOURNAL LETTERS, 2018, 853 (02)
[7]   Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8 x 1018 eV [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arqueros, F. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barbato, F. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. .
SCIENCE, 2017, 357 (6357) :1266-1270
[8]   Multi-resolution anisotropy studies of ultrahigh-energy cosmic rays detected at the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
Andrada, B. ;
Andringa, S. ;
Aramo, C. ;
Arqueros, F. ;
Arsene, N. ;
Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Badescu, A. M. ;
Balaceanu, A. ;
Barreira Luz, R. J. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Biteau, J. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. ;
Bridgeman, A. ;
Briechle, F. L. ;
Buchholz, P. ;
Bueno, A. ;
Buitink, S. .
JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS, 2017, (06)
[9]   Prototype muon detectors for the AMIGA component of the Pierre Auger Observatory [J].
Aab, A. ;
Abreu, P. ;
Aglietta, M. ;
Ahn, E. J. ;
Al Samarai, I. ;
Albuquerque, I. F. M. ;
Allekotte, I. ;
Allison, P. ;
Almela, A. ;
Alvarez Castillo, J. ;
Alvarez-Muniz, J. ;
Batista, R. Alves ;
Ambrosio, M. ;
Aminaei, A. ;
Anastasi, G. A. ;
Anchordoqui, L. ;
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Aramo, C. ;
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Asorey, H. ;
Assis, P. ;
Aublin, J. ;
Avila, G. ;
Awal, N. ;
Badescu, A. M. ;
Baus, C. ;
Beatty, J. J. ;
Becker, K. H. ;
Bellido, J. A. ;
Berat, C. ;
Bertaina, M. E. ;
Bertou, X. ;
Biermann, P. L. ;
Billoir, P. ;
Blaess, S. G. ;
Blanco, A. ;
Blanco, M. ;
Blazek, J. ;
Bleve, C. ;
Bluemer, H. ;
Bohacova, M. ;
Boncioli, D. ;
Bonifazi, C. ;
Borodai, N. ;
Botti, A. M. ;
Brack, J. ;
Brancus, I. ;
Bretz, T. .
JOURNAL OF INSTRUMENTATION, 2016, 11
[10]   Muons in air showers at the Pierre Auger Observatory: Mean number in highly inclined events (vol 91, 032003, 2015) [J].
Aab, A. ;
Matthews, J. A. J. ;
Matthews, J. .
PHYSICAL REVIEW D, 2015, 91 (05)