Solving the Muon Puzzle in air showers initiated by high-energy cosmic rays with LHCb

• Applicant: Dr. Hans Dembinski
• Subject Area: Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields ; Astrophysics and Astronomy
• Term: from 2021 to 2025
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 449728698

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

Das Projekt zielte darauf ab, das "Myon-Rätsel“ in der Astroteilchenphysik zu lösen. Dieses Rätsel bezieht sich auf die Diskrepanz zwischen der gemessenen und der simulierten Anzahl von Myonen in ausgedehnten Luftschauern, die durch hochenergetische kosmische Strahlung ausgelöst werden. Die Lösung dieses Problems ist entscheidend für das Verständnis der Zusammensetzung der kosmischen Strahlung und damit für die Identifizierung ihrer Quellen. Der Hauptfokus lag auf präzisen Messungen der Produktion von Pionen, Kaonen und Protonen in Proton-Proton- und Proton-Blei-Kollisionen am LHCb-Experiment des Large Hadron Colliders. Obwohl die finale Publikation dieser Messungen innerhalb der Projektlaufzeit nicht abgeschlossen werden konnte, wurde die Analyse dazu abgeschlossen. Wie ursprünglich anvisiert, wurde eine Messgenauigkeit von besser als 5 % vielfach erreicht. Ein unerwartetes Hindernis war die Schwierigkeit, eine neuartige Analysemethode auf unseren Datensatz anzuwenden, welche die relativen Anteile von Pionen, Kaonen und Protonen aus den LHCb-Daten mithilfe neuronaler Netzen bestimmt. Die eingehende Beschäftigung mit diesem Hindernis führte jedoch zu neuen statistischen Methoden, die in mehreren Publikationen veröffentlicht wurden, sowie zur Publikation von Software-Bibliotheken mit diesen Methoden. Es wurden neue Werkzeuge entwickelt, um eine detaillierte Fehlerfortpflanzung inklusive aller Korrelationen bis zum finalen Ergebnis durchzuführen. Neben den experimentellen Arbeiten trug das Projekt wesentlich zum theoretischen Verständnis des Myon-Rätsels bei. Ein viel beachtetes Review-Paper wurde veröffentlicht, das als Grundlage für weitere Forschungsanträge diente. Zudem wurde eine neue Software (Chromo) entwickelt, die den Umgang mit Monte-Carlo-Generatoren für hadronische Wechselwirkungen vereinfacht und damit die Untersuchung möglicher Lösungen für das Myon-Rätsel erleichtert. Die Ergebnisse des Projekts haben potenziell weitreichende Auswirkungen auf das gesamte Feld der experimentellen Astroteilchenphysik. Sie könnten zu einer deutlichen Verbesserung der Genauigkeit von Luftschauer-Simulationen führen und damit die Unsicherheit bei der Bestimmung der Masse der kosmischen Strahlung erheblich reduzieren. Die entwickelten statistischen Methoden und Software-Tools haben Potenzial für Anwendungen in der Teilchenphysik und darüber hinaus, etwa in der Datenanalyse in den Wirtschaftswissenschaften.

Publications

• On the muon scale of air showers and its application to the AGASA data. Proceedings of 37th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2021), 473. Sissa Medialab.
  Gesualdi, Flavia; Dembinski, Hans; Shinozaki, Kenji; Supanitsky, Daniel A.; Pierog, Tanguy; Cazon, Lorenzo; Soldin, Dennis & Conceição, Rúben
  
• (LHCb), Measurement of prompt charged-particle production ”in pp collisions at s = 13 TeV“, JHEP 01, 166 (2022).
  R. Aaij et al.
  
• Custom Orthogonal Weight functions (COWs) for event classification. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 1040, 167270.
  Dembinski, Hans; Kenzie, Matthew; Langenbruch, Christoph & Schmelling, Michael
  
• Density of GeV muons in air showers measured with IceTop. Physical Review D, 106(3).
  Abbasi, R.; Ackermann, M.; Adams, J.; Aguilar, J. A.; Ahlers, M.; Ahrens, M.; Alameddine, J. M.; Alves, A. A.; Amin, N. M.; Andeen, K.; Anderson, T.; Anton, G.; Argüelles, C.; Ashida, Y.; Axani, S.; Bai, X.; Balagopal, V. A.; Barwick, S. W. ... & Bastian, B.
  
• The Muon Puzzle in cosmic-ray induced air showers and its connection to the Large Hadron Collider. Astrophysics and Space Science, 367(3).
  Albrecht, Johannes; Cazon, Lorenzo; Dembinski, Hans; Fedynitch, Anatoli; Kampert, Karl-Heinz; Pierog, Tanguy; Rhode, Wolfgang; Soldin, Dennis; Spaan, Bernhard; Ulrich, Ralf & Unger, Michael
  
• Chromo: An event generator frontend for particle and astroparticle physics. Proceedings of 38th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2023), 189. Sissa Medialab.
  Dembinski, Hans; Fedynitch, Anatoli & Prosekin, Anton
  
• Core-corona effect in hadron collisions and muon production in air showers. Physical Review D, 107(9).
  Baur, Sebastian; Dembinski, Hans; Perlin, Matias; Pierog, Tanguy; Ulrich, Ralf & Werner, Klaus
  
• HDembinski/jacobi: v0.9.2, Version v0.9.2, Aug. 2023.
  H. Dembinski
  
• The muon measurements of Haverah Park and their connection to the muon puzzle. Proceedings of 38th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2023), 431. Sissa Medialab.
  Riehn, Felix; Cazon, Lorenzo; Dembinski, Hans; Parente, Gonzalo & Watson, A. A.
  
• The muon puzzle in cosmic-ray induced air showers and new aspects of soft hadron production, Habilitation (Fachbereich Physik, TU Dortmund, 2023).
  H. Dembinski
  
• HDembinski/numba-stats: v1.9.0, Version v1.9.0, Aug. 2024.
  H. Dembinski, A. Desai, C. Burr, C. Campagnari, M. Kenzie, M. Neuberger, S. D. Guida & mhoene
  
• HDembinski/zenflow: v0.2.1, Version v0.2.1, Aug. 2024.
  H. Dembinski
  
• scikit-hep/iminuit, Version v2.25.2, Feb. 2024.
  H. Dembinski, P. Ongmongkolkul, C. Deil, H. Schreiner, M. Feickert, C. Burr, J. Watson, F. Rost, A. Pearce, L. Geiger, A. Abdelmotteleb, A. Desai, B. M. Wiedemann, C. Gohlke, J. Sanders, J. Drotleff, J. Eschle, L. Neste, M. E. Gorelli, M. Baak, M. Eliachevitch & O. Zapata
  
• scikithep/resample, Version v1.7.1, Feb. 2024.
  H. Dembinski, D. Saxton, H. Schreiner, J. Adelman & E. Rodrigues