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高能宇宙线与大气原子核的初次碰撞涉及丰富的 QCD 物理过程,是研究极端能区强相互作用性质的重要天然实验场。在足够高的碰撞能量下,宇宙线初次相互作用中可能产生与夸克胶子等离子体相关的集体效应。各向异性集体流,特别是二阶集体流 v2,是高能核碰撞中表征系统集体演化和介质性质的重要观测量,因此研究其在宇宙线大气簇射中的传播、衰减与可观测性,对于理解高能强子相互作用以及探索可能的QGP-like信号具有重要意义。
然而,宇宙线初次相互作用发生在大气高空,无法被地面实验直接观测。其早期产生的各向异性信号会在后续簇射发展过程中受到强子级联、电磁级联、多重散射、粒子衰变以及成分演化等效应的影响,是否仍能在较深大气层或地面观测量中保留可测记忆,是一个需要模拟检验的问题。本文基于CORSIKA模拟,对宇宙线大气簇射中早期各向异性集体流信号的传播演化进行了初步研究。模拟采用100 PeV铁核初级粒子,固定初次相互作用高度为 28 km,并关闭地磁场以分离纯粹的簇射传播效应。通过在源层面选取高多重数、高v2事件,将初次相互作用后的次级粒子重新输入CORSIKA,并在不同大气深度设置多个观测面,分别分析全粒子、电磁成分和缪子成分的 v2、v2{2}以及事件平面角关联随传播深度的变化。
结果表明,随着簇射发展,v2和v2{2}均呈现逐渐下降趋势,事件平面角关联也随传播深度减弱,说明早期各向异性信号在传播过程中不仅强度被稀释,其方向记忆也逐渐丢失。进一步基于缪子产生高度和散射偏转角尝试加权恢复早期信息,虽然可以带来一定改善,但整体效果有限,表明传播洗出仍占主导作用。此外,在打开地磁场后,缪子成分会产生明显的传播诱导 v2,并对初次相互作用高度表现出敏感性。这提示深层或地面观测到的非零v2不能简单解释为初次相互作用集体流信号的直接残留,而需要区分源端集体效应与传播过程诱导的各向异性。该研究为利用宇宙线大气簇射探测极高能强子相互作用中的早期集体效应提供了初步的模拟依据和方法学参考。
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