CORSIKA: Cosmic Ray Simulations for KAscadeCORSIKA: Cosmic Ray

Simulations for KAscade

Il Monte Carlo CORSIKA è un programma per lo studio della Il Monte Carlo CORSIKA è un programma per lo studio della generazione e della propagazione nell’atmosfera deli sciami generazione e della propagazione nell’atmosfera deli sciami atmosferici estesiatmosferici estesi

E’ stato sviluppato nel 1989 per essere utilizzato E’ stato sviluppato nel 1989 per essere utilizzato nell’interpretazione dei dati dell’esperimento KASCADE utilizzando nell’interpretazione dei dati dell’esperimento KASCADE utilizzando essenzialmente tre programmi:essenzialmente tre programmi:

ISOBAR – HDPM – EGS4ISOBAR – HDPM – EGS4 Nel corso degli anni sono state apportate varie modifiche e Nel corso degli anni sono state apportate varie modifiche e miglioramenti,miglioramenti,

sia per le interazioni adroniche (di bassa ed alta energia) sia per le sia per le interazioni adroniche (di bassa ed alta energia) sia per le interazioni elettromagnetiche.interazioni elettromagnetiche.

Limiti del CORSIKALimiti del CORSIKA

La versione originaria del CORSIKA aveva validità fino La versione originaria del CORSIKA aveva validità fino ad energie di 10ad energie di 10

1616

eV, mentre attualmente il suo range di eV, mentre attualmente il suo range di energia va da 10energia va da 10

1212

eV fino a più di 10eV fino a più di 10 2020

eV.eV. Analizza più di 50 tipi di particelle, ma mancano ancora Analizza più di 50 tipi di particelle, ma mancano ancora

particelle come il particelle come il e le particelle charmate.e le particelle charmate. Non tutte le particelle possono essere usate come Non tutte le particelle possono essere usate come

particelle primarie, come per esempio i neutrini.particelle primarie, come per esempio i neutrini. Non tutti i possibili meccanismi di interazione dei Non tutti i possibili meccanismi di interazione dei

muoni sono considerati ( anche se attualmente si stanno muoni sono considerati ( anche se attualmente si stanno introducendo)introducendo)

Interazioni adronichedi bassa energia (E < 80

GeV)

Interazioni adronichedi bassa energia (E < 80

GeV) Il primo programma usato era ISOBAR (Grieder), ma nel 1993 fu Il primo programma usato era ISOBAR (Grieder), ma nel 1993 fu introdotto GHEISHA, sia per migliorare tali interazioni, sia per poter introdotto GHEISHA, sia per migliorare tali interazioni, sia per poter trattare i barioni strange con s=+-2, +-3, generati con il modello VENUS.trattare i barioni strange con s=+-2, +-3, generati con il modello VENUS. GHEISHA è stato sviluppato per le interazioni adroniche ai collider GHEISHA è stato sviluppato per le interazioni adroniche ai collider all’interno di GEANT3. Nel corso degli anni è stato via via migliorato all’interno di GEANT3. Nel corso degli anni è stato via via migliorato arrivando attualmente alla versione arrivando attualmente alla versione gheisha2002.f gheisha2002.f per la versione per la versione v6.020v6.020Nel 1998 fu eliminato ISOBAR perchè ritenuto non più adeguato. Nel 1998 fu eliminato ISOBAR perchè ritenuto non più adeguato. Nel 1999 è stato implementato il modello UrQMD (J. Wentz) per la Nel 1999 è stato implementato il modello UrQMD (J. Wentz) per la simulazione delle interazioni adrone-nucleo e nucleo-nucleo di bassa simulazione delle interazioni adrone-nucleo e nucleo-nucleo di bassa energia, anche se tale modello rallenta di molto la simulazione.energia, anche se tale modello rallenta di molto la simulazione. Nel 2002 si è iniziato anche ad introdurre il modello FLUKA (Battistoni Nel 2002 si è iniziato anche ad introdurre il modello FLUKA (Battistoni et al.) anche se la relativa versione non è ancora stata resa pubblica.et al.) anche se la relativa versione non è ancora stata resa pubblica.

Interazioni adroniche di alta energia (E>80 GeV)

(1)

Interazioni adroniche di alta energia (E>80 GeV)

(1) Il primo modello di interazione adronica di alta energia Il primo modello di interazione adronica di alta energia

usato è stato HDPM, sviluppato nel 1989 da usato è stato HDPM, sviluppato nel 1989 da Capdevielle. Tale modello è essenzialmente Capdevielle. Tale modello è essenzialmente fenomenologico ed utilizza i risultati ai collider. Nel fenomenologico ed utilizza i risultati ai collider. Nel 1990, per esempio fu modificato in accordo con i 1990, per esempio fu modificato in accordo con i risultati del Tevatron.risultati del Tevatron.

Nel 1994 fu introdotto il modello VENUS (Werner), Nel 1994 fu introdotto il modello VENUS (Werner), basato sulla teoria Gribov-Regge, essenzialmente per basato sulla teoria Gribov-Regge, essenzialmente per migliorare le interazioni nucleo-nucleo.migliorare le interazioni nucleo-nucleo.

A partire dal 1996 furono introdotti altri modelli al fine A partire dal 1996 furono introdotti altri modelli al fine di effettuare un confronto sistematico sia per la prima di effettuare un confronto sistematico sia per la prima interazione che per la simulazione di sciami.interazione che per la simulazione di sciami.

Interazioni adroniche di alta energia (E>80 GeV)

(2)

Interazioni adroniche di alta energia (E>80 GeV)

(2) VENUS (Werner)VENUS (Werner) SIBYLL (Gaisser et al.)SIBYLL (Gaisser et al.) QGSJET(Ostapchenko et al.)QGSJET(Ostapchenko et al.) DPMJET (Ranft)DPMJET (Ranft) NeXus (Werner et. al.)NeXus (Werner et. al.)

Nel corso degli anni sono stati effettuati vari confronti tra questi modelli Nel corso degli anni sono stati effettuati vari confronti tra questi modelli

Interazioni elettromagnetiche

Interazioni elettromagnetiche

Le interazioni elettromagnetiche sono trattate usando EGS4 Le interazioni elettromagnetiche sono trattate usando EGS4 ((Electron Gamma Shower System v4Electron Gamma Shower System v4) oppure usando la funzione ) oppure usando la funzione analitica NKG (analitica NKG (Nishimura Kamata GreisenNishimura Kamata Greisen)) In EGS4 gli elettroni ed i positroni possono subire annichilazione, In EGS4 gli elettroni ed i positroni possono subire annichilazione, diffusione Bhabha, bremsstrahlung,diffusione di Moller e diffusione diffusione Bhabha, bremsstrahlung,diffusione di Moller e diffusione multipla, mentre i fotoni possono fare diffusione Compton, produzione multipla, mentre i fotoni possono fare diffusione Compton, produzione di coppie edi coppie e

++ ee-- ed effetto fotoelettrico. In più sono anche trattate la ed effetto fotoelettrico. In più sono anche trattate la

produzione di coppie produzione di coppie e le reazioni fotonucleari con i protoni ed i e le reazioni fotonucleari con i protoni ed i

neutroni dei nuclei dell’atmosfera.neutroni dei nuclei dell’atmosfera. Nel 1997 per poter trattare le interazioni di alta energia (E > 10Nel 1997 per poter trattare le interazioni di alta energia (E > 1018 18 eV) eV) è stato introdotto l’effetto LPM è stato introdotto l’effetto LPM

Effetto LPM (1)Effetto LPM (1)

Effetto LPM (2)Effetto LPM (2)

Effetto LPM per sciami da Effetto LPM per sciami da

Effetto LPM per sciami da protone

Effetto LPM per sciami da protone

Effetto LPM per sciami da neutrino (ICRC2001)

Effetto LPM per sciami da neutrino (ICRC2001)

MuoniMuoni

I muoni, oltre che decadere, possono fare I muoni, oltre che decadere, possono fare bremsstrahlung e creazione di coppie ebremsstrahlung e creazione di coppie e

++ ee--

Tali interazioni sono effettuate usando GEANT3, Tali interazioni sono effettuate usando GEANT3, in particolare le routine:in particolare le routine:

GBRSGM - MUBREMGBRSGM - MUBREM per bremsstrahlung per bremsstrahlung GPRSGM - MUPRPR per creazione di coppieGPRSGM - MUPRPR per creazione di coppie

Mancano, tra l’altro, le interazioni fotonucleari, Mancano, tra l’altro, le interazioni fotonucleari, creazione di coppie creazione di coppie e l’effetto LPM e l’effetto LPM

Uso del CORSIKA per l’esperimento MACROUso del CORSIKA per l’esperimento MACRO

Distribuzione in molteplicità Distribuzione in molteplicità dei muoni alla quota di dei muoni alla quota di osservazione (2000 m s.l.m.) osservazione (2000 m s.l.m.) (a) e dopo aver attraversato (a) e dopo aver attraversato 3400 hg/cm3400 hg/cm2 2 di roccia (b) di roccia (b) per sciami da protoni con per sciami da protoni con energia di 200 TeVenergia di 200 TeV

Ultima versione del CORSIKA (non pubblica)

Ultima versione del CORSIKA (non pubblica)

Date: Wed, 7 May 2003 16:44:58 +0200 (MET DST)Date: Wed, 7 May 2003 16:44:58 +0200 (MET DST)From: Dieter Heck <heck@ik.fzk.de>From: Dieter Heck <heck@ik.fzk.de>To: Pisanti Ofelia <Ofelia.Pisanti@na.infn.it>To: Pisanti Ofelia <Ofelia.Pisanti@na.infn.it>Cc: Aramo Carla <Carla.Aramo@ct.infn.it>,Cc: Aramo Carla <Carla.Aramo@ct.infn.it>, Perrone Lorenzo <lorenzo.perrone@physik.uni-wuppertal.de>,Perrone Lorenzo <lorenzo.perrone@physik.uni-wuppertal.de>, Knapp Johannes <j.knapp@leeds.ac.uk>Knapp Johannes <j.knapp@leeds.ac.uk>Subject: CORSIKA & HERWIGSubject: CORSIKA & HERWIG

Dear Ofelia, dear Carla,Dear Ofelia, dear Carla,

in the meantime since my visit at Naples I have found the time to in the meantime since my visit at Naples I have found the time to merge your link routines into my working version of CORSIKA in a merge your link routines into my working version of CORSIKA in a manner that nearly all CORSIKA options (except the INTTEST) work manner that nearly all CORSIKA options (except the INTTEST) work in combination with NUPRIM. That's essential for the options in combination with NUPRIM. That's essential for the options neutrino, curved, and thin, as now it works also without these options.neutrino, curved, and thin, as now it works also without these options.At present the target nucleus of the neutrino interactionAt present the target nucleus of the neutrino interactionis not selected automatically. In principle one might useis not selected automatically. In principle one might usethe above consideration and combine it with the atomicthe above consideration and combine it with the atomicabundance of the components of air, to make an automaticabundance of the components of air, to make an automaticselection of the target (to be programmed in SDPM using theselection of the target (to be programmed in SDPM using theatomic abundances from COMPOS contained within COMMON atomic abundances from COMPOS contained within COMMON /CRAIR/)./CRAIR/).I have implemented sequence 5 of the CORSIKA random generatorI have implemented sequence 5 of the CORSIKA random generatoras reserved for HERWIG, i.e. you may initialize it in theas reserved for HERWIG, i.e. you may initialize it in theusual way by keyword SEED, but you should have 5 linesusual way by keyword SEED, but you should have 5 lineswith the keyword SEED, and the fifth one will act on HERWIG.with the keyword SEED, and the fifth one will act on HERWIG.(Unfortunately one gets a message from HERWIG on the status of(Unfortunately one gets a message from HERWIG on the status ofthe random generator, which is now an obsolete message).the random generator, which is now an obsolete message).

The handling of the NUPRIM version is described inThe handling of the NUPRIM version is described in

the updated Users Guide 6150.the updated Users Guide 6150.

Please do not try to use the FLUKA routines, the linking ofPlease do not try to use the FLUKA routines, the linking of

FLUKA with CORSIKA is removed from the corsika.car FLUKA with CORSIKA is removed from the corsika.car file (which I am sending you with a separate mail), as we file (which I am sending you with a separate mail), as we do not yet have the permission to distribute it.do not yet have the permission to distribute it.

What is still missing is the correct handling of the muons What is still missing is the correct handling of the muons at high energies. A more detailed look at the routines of at high energies. A more detailed look at the routines of Lorenzo Perrone showed, that it is a little bit more Lorenzo Perrone showed, that it is a little bit more complicated than I thought, and this needs much more time complicated than I thought, and this needs much more time for tests etc. So I have postponed this problem at the for tests etc. So I have postponed this problem at the moment. If this muon stuff is ready, I will inform you.moment. If this muon stuff is ready, I will inform you.

If you have any problem with this version, please contact If you have any problem with this version, please contact me. me.

It may (but should not) happen that some new stuff in this It may (but should not) happen that some new stuff in this version might give problems.version might give problems.

Kind regards,Kind regards,

Dieter HeckDieter Heck

Versione 6.150 del CORSIKA

Versione 6.150 del CORSIKA

Confronto CORSIKA6014 – CORSIKA6150

Confronto CORSIKA6014 – CORSIKA6150

Mail di Heck sui muoniMail di Heck sui muoni

Date: Wed, 21 May 2003 09:40:34 +0200 (MET DST)Date: Wed, 21 May 2003 09:40:34 +0200 (MET DST)

From: Dieter Heck <heck@ik.fzk.de>From: Dieter Heck <heck@ik.fzk.de>

To: Perrone Lorenzo <lorenzo.perrone@physik.uni-wuppertal.de>To: Perrone Lorenzo <lorenzo.perrone@physik.uni-wuppertal.de>

Cc: Knapp Johannes <j.knapp@leeds.ac.uk>,Cc: Knapp Johannes <j.knapp@leeds.ac.uk>,

Pisanti Ofelia <Ofelia.Pisanti@na.infn.it>,Pisanti Ofelia <Ofelia.Pisanti@na.infn.it>,

Aramo Carla <Carla.Aramo@ct.infn.it>Aramo Carla <Carla.Aramo@ct.infn.it>

Subject: muons in CORSIKASubject: muons in CORSIKA

Dear Lorenzo,Dear Lorenzo,

in the meantime I have attacked the problem of the muonin the meantime I have attacked the problem of the muon

interactios within CORSIKA. Up to now I have replaced theinteractios within CORSIKA. Up to now I have replaced the

old routines for the bremsstrahlung and pair-productionold routines for the bremsstrahlung and pair-production

cross-sections by rewritten versions of your routinescross-sections by rewritten versions of your routines

(GBRSGM.f, GPRSGM.f, and parts of GMUNUI.f) and tested,(GBRSGM.f, GPRSGM.f, and parts of GMUNUI.f) and tested,

that these new routines work correctly.that these new routines work correctly.

I attach a plot showing the results of cross-sectionI attach a plot showing the results of cross-section

calculations with the old and new CORSIKA routines.calculations with the old and new CORSIKA routines.

For comparison I also made a CORSIKA runs demanding theFor comparison I also made a CORSIKA runs demanding the

cross-ssections for standard rock, just to see whethercross-ssections for standard rock, just to see whether

your results published in Nucl. Inst. Meth. are reproducedyour results published in Nucl. Inst. Meth. are reproduced

(I have tried to use the identical scale length as in your(I have tried to use the identical scale length as in your

preprint of the NIM paper). The agreement is perfect!preprint of the NIM paper). The agreement is perfect!

It shows also that my earlier extrapolations used withinIt shows also that my earlier extrapolations used within

CORSIKA were not so extremely bad.CORSIKA were not so extremely bad.

What is completely missing in CORSIKA up to now are What is completely missing in CORSIKA up to now are the contributions of sub-threshold bremsstrahlung and pairthe contributions of sub-threshold bremsstrahlung and pairproduction to the continuous energy loss as additive toproduction to the continuous energy loss as additive tothe ionization energy loss. By this occasion I intendthe ionization energy loss. By this occasion I intendto improve CORSIKA in this respect.to improve CORSIKA in this respect.As I am not an expert of GEANT this needs a carefulAs I am not an expert of GEANT this needs a carefulunderstanding what is going on in your routinesunderstanding what is going on in your routinesGBRELM.f and GPRELM.f (which should do this job? )GBRELM.f and GPRELM.f (which should do this job? )What is needed in CORSIKA is the energy loss in unitsWhat is needed in CORSIKA is the energy loss in units[GeV/g/cm**2] as function of the muon energy, if possible[GeV/g/cm**2] as function of the muon energy, if possiblein a mode which is fast with resp. to CPU time.in a mode which is fast with resp. to CPU time.My idea is to initialize a table (depending in theMy idea is to initialize a table (depending in thethreshold energy) and afterwards take the table valuesthreshold energy) and afterwards take the table valuesfor a fast interpolation (as it is now done in the casefor a fast interpolation (as it is now done in the caseof the cross-sections).of the cross-sections).Next step would be to check the CORSIKA sampling Next step would be to check the CORSIKA sampling algorithms for bremsstrahlung and pair production. You algorithms for bremsstrahlung and pair production. You mentioned that apparently the old sampling routines of mentioned that apparently the old sampling routines of CORSIKA, MUBREM and MUPRPR (essentially CORSIKA, MUBREM and MUPRPR (essentially rewritten from GEANT3) should work also for the highest rewritten from GEANT3) should work also for the highest energies. Does this hold really? (That would save a lot of energies. Does this hold really? (That would save a lot of work for me.)work for me.)Kind regards,Kind regards,

Confronto tra il CORSIKA con le routine di geant3 e le routine di

Lorenzo

Confronto tra il CORSIKA con le routine di geant3 e le routine di

Lorenzo