Широкие атмосферные ливни от космических лучей с энергией 10/17-10/20 ЭВ

Исследования по физике частиц предельно высоких энергий 17 20.

10 -10 и эВ) за последнее десятилетие получили быстрое развитие. Это было стимулировано, как расширением наших знаний в области астрофизики, например" открытием реликтового излучения, исследованиями регулярного и хаотического магнитных полей в Галактике, так и развитием исследований в области физики частиц сверхвысоких энергий.

Открытие реликтового излучения Вселенной поставило проблему поведения частиц предельно высоких энергий, ввиду ожидаемого «обрезания» энергетического спектра частиц метагалактичес.

19 кого происхождения, начиная с энергии в несколько единиц 10 эВ /I, 2/.

Изучение характеристик адронного взаимодействия в сверхускорительной области энергий всегда было одной из важных задач в физике космических лучей.

В 50-х годах работами Ферми, Ландау и др. были заложены представления о возможном механизме адронных взаимодействий. В последующий период, после того, как было показано противоречие моделей 50-х годов с экспериментами, экспериментаторы использовали грубые модели, параметры которых были навеяны или ускорительными данными, или теоретическими соображениями. В 70-х годах на базе ускорительных данных возникает модель скей-линга Фейнмана. Сейчас развитие работ на ускорителях (SPS) вызвало к жизни новые модели надкритического померона и струйного рождения частиц, которые дают количественные предсказания. Экспериментальная проверка этих предсказаний представляет собой исключительный интерес для исследований на будущих ускорителях.

Основные трудности в экспериментальном изучении частиц предельно высоких энергий связаны с крайне низкой интенсивностью космического излучения таких энергий. Это требует создания установок с большой площадью контроля, которые тем не менее не могут обеспечить достаточной статистики при самых высоких энергиях.

До создания Якутской установки ШАЛ исследования в этой области энергий велись в основном на установках Волкано Ренч /3/, Хавера Парк /4/ и Сиднейского университета /5/. Якутская установка /6, 7, 8/ систематические данные по полной площади дает с 1974 г. Начала работать установка Акено /9/ и проходит период испытания установка Мушиный Глаз /10/.

На сегодня реальную информацию о ливнях с первичной энер

20 2 гией до ~ 10 эВ дают две установки: Якутская (18 км) и Хавера Парк (12 км).

В методическом плане важнейшими проблемами в этой области энергий являются проблемы правильной классификации ливней и правильного определения энергии первичной частицы.

В случае установок ШАЛ с малой площадью контроля традиционно ливни классифицируются по числу частиц, поскольку используется большое число плотно расположенных детекторов. В случае больших установок с редким расположением детекторов приходится применять другой способ классификации ливней. Соответственно требуется найти связь между этим классификационным параметром и энергией первичной частицы. Эти проблемы достаточно корректно решены на Якутской установке /11−14/.

До создания Якутской установки характеристики ШАЛ в об.

17 20 ласти энергий 10 -10 и эВ были еще мало изучены. Как впоследствии было установлено (см. главу 3), в то время пользовались неправильной зависимостью функции пространственного распределения электронов от энергии первичной частицы, что приводило к неправильной обработке экспериментальных данных. Черенковское излучение ШАЛ при этих энергиях вообще не исследовалось. Энергия первичной частицы определялась расчетным путем и в зависимости от принимаемой модели взаимодействия и химического состава первичных частиц она менялась в широких пределах. Кроме нижней границы указанного интервала Энергий, не было экспериментальных данных о картине продольного развития ШАЛ в этой области энергий, не было данных, по которым можно было бы анализировать состав первичного излучения и применимость моделей элементарного акта при этих энергиях.

Известно, что в области сверхвысоких энергий для исследования свойств первичного космического излучения в первую очередь необходимо вести исследования по физике ШАЛ, и только тогда будет обеспечен правильный переход от характеристик ШАЛ к характеристикам первичного излучения.

Сразу после создания Якутской установки нами было начато более детальное изучение структуры ШАЛ с целью правильного определения параметров ливней на уровне наблюдения. Были изучены пространственные распределения общей заряженной компоненты, мюонов с I ГэВ и черенковского изучения ШАЛ, а также количественное соотношение этих компонент ливня и зависимость их от энергий первичной частицы и зенитного угла осй ШАЛ.

Знание характеристик заряженной компоненты ШАЛ и соответствующие методические разработки дали возможность получить достаточно корректные феноменологические спектры ШАЛ в исследуемой области энергий. По характеристикам электронной и мюонной компонент, а также черенковского излучения было изучено продольное развитие ливней в ранее не изученной области предельно высоких энергий.

Исследование характеристик ШАЛ представляет собой единст.

17 венный способ изучения адронных взаимодействий при Е0> 10 эВ.

Комплексный анализ различных компонент ШАЛ дает возможность выбора моделей адроиного взаимодействия" наиболее удовлетворяющих экспериментальным данным в этой области энергий.

Изучение различных характеристик ШАЛ позволяет получить оценку среднего ядерного состава первичного излучения.

Главным преимуществом Якутской установки ШАЛ по сравнению с аналогичными установками явилась ее комплексность, особенно оснащение ее детекторами черенковского излучения ШАЛ.

Оснащение Якутской установки детекторами черенковского излучения и быстрое внедрение этой методики впервые в область предельно высоких энергий явились результатом использования опыта экспериментальных и теоретических работ, проводившихся.

15 до этого по черенковскому излучению ШАЛ в области энергий 10 -Ю17 эВ /15−18, 25 и др./.

Наличие информации о черенковеком излучении, электронной и мюонной компонентах позволило применить в этой области энергий метод «калориметрирования» ливня, предложенный и использованный при меньших энергиях ШАЛ в работах /16, 19, 20 и др./*.

Таким образом, на Якутской установке впервые в области Ео>10 эВ был получен первичный энергетический спектр космических лучей с использованием квазикалориметрического метода определения энергии первичной частицы. Использование метода определения положения максимума ливня /25/ дало возможность доказать достаточно высокое положение максимума и поэтому возможность «ка-лрриметрирования» ливня.

Научные результаты настоящей работы получены на материале Якутской установки ШАЛ, создание которой явилось плодом усилий большого коллектива научных и инженерно-технических работников Института космофизических исследований и аэрономии ЯФ СО АН СССР и других институтов страны.

Экспериментальные и теоретические работы по физике частиц сверхвысоких энергий, выполненные в СССР до создания этой установки /21−24/, участие ведущих институтов страны и их специалистов в разработке проекта установки и его реализации послужили основой и сыграли решающую роль в создании Якутской установки ШАЛ.

Недостаточность или полное отсутствие информации о первич.

Т7 20 ном космическом излучении с энергией 10−10 эВ, о характеристиках ШАЛ, образуемых такими частицами, о характеристиках адронного взаимодействия при предельно высоких энергиях «(к тому же отсутствие в СССР экспериментальной базы для исследований в этой области энергий), послужили научной основой, обеспечивающей актуальность выполнения настоящей работы.

В этой работе автор выносит на защиту: I) создание Якутской установки ШАЛ для исследования космических лучей с энер-17 20 гией 10 -10 эВ- 2) экспериментально полученные результаты о пространственной структуре электронной и мюонной компонент,.

17 19 а также черенковского излучения ШАЛ в области энергий 10−10 эВ- 3) результаты об экспериментально найденных характеристиках продольного развития ШАЛ этих энергий- 4) зависимость между энергией первичной частицы и основными параметрами ШАЛ на уровне моря в интервале энергий 10^-10*^ эВ- 5) вывод о применимости или неприменимости различных моделей элементарного акта для описания суммы экспериментальных данных в интервале Т7 ТО.

10 -10 эВэкспериментально полученную оценку ядерного сос.

17 Тй тава в интервале 10 -10 эВ и оценку вклада Уквантов в.

17 первичное излучение с Ео>10 эВ- 7) вывод о том, что зарегистрированный на Якутской установке поток частиц максимальных энергий не противоречит наличию реликтового обрезания в первичном энергетическом спектре.

Новизна работы состоит в том, что создана первая в СССР.

17 20 установка для исследования космических лучей сЕ0 «10 -10 эВперечисленные выше характеристики ШАЛ в этой области энергий или получены впервые, или существенно уточнены, что позволило получить более корректным способом характеристики первичного излучения и сведения о развитии ядерно-электромагнитного каскада в атмосфере в малоизученной области предельно высоких.

17 энергийвпервые в мире при Е0> 10 эВ энергия первичной частицы определена методом «калориметрирования*.

Результаты работы обеспечивают экспериментальную, методическую и научную основу для дальнейшего развития в СССР исследований по физике частиц предельно высоких энергий в астрофизическом и ядерно-физическом аспектах.

Диссертация состоит из 8 глав, введения и заключения. В главе I дано описание Якутской установки ШАЛ с выделением работ, выполненных под руководством автора.

Глава 2 посвящена методическим вопросам обработки и анализа данных на Якутской установке. Обосновывается выбор классификационного параметра. Описаны методика определения индивидуальных параметров ливней, результаты моделирования измерений параметров ШАЛ.

Глава 3 посвящена результатам исследования структуры заряженной компоненты ливня — функции пространственного распределения (ФПР) частиц, флуктуаций ФОР и сравнению полученных результатов с другими экспериментами и расчетами. Описана методика исследования ФОР заряженных частиц.

В главе 4 рассмотрены методические вопросы исследования черепковского излучения ШАЛ, приведены результаты исследования.

ФОР и полного потока черенковского излучения в ливнях с Ео>10 эВ. Приводятся результаты исследования спектра плотностей черенковского излучения ШАЛ и оценка поглощения черенковского света в атмосфере, полученная из анализа спектра плотностей черенков-ских фотонов в атмосфере.

В главе 5 приводятся результаты исследования мюонной компоненты ШАЛ — ФОР, доли мюонов в ливнях с разными Е0, под разными толщинами атмосферы и на разных расстояниях от оси ливня.

Глава 6 посвящена определению энергии первичной частицы методом «калориметрирования». Дается количественная оценка энергии, рассеиваемой электромагнитной компонентой ливня в атмосфереэнергии, проносимой электромагнитной компонентой ниже уровня наблюденияэнергии мюонной компоненты и т. д. Ориводятся экспериментально полученные формулы связи между энергией первичной частицы и параметрами ШАЛ (рвоо, /1/^ «/^и)•.

Глава 7 посвящена результатам исследования продольного развития ШАЛ в атмосфере. Даны спектры ШАЛ под разными зенитными углами, из которых найдены пробеги для поглощения ЛСр^о) и. Приведены результаты анализа глубины максимума ливня ^ и ее зависимости от энергии первичной частицы. По многим характеристикам различных компонент ШАЛ выполнено сравнение расчетных и экспериментальных данных. По результатам такого рассмотрения дается анализ применимости различных моделей элементарного акта для описания экспериментальных данных при Е0 > Ю17 эВ.

В главе 8 приводятся результаты анализа флуктуаций в развитии ШАЛ по измерениям различных компонент ливня. По этим данным дается оценка вероятного ядерного состава первичных частиц с.

17 Т7.

Ео>10 эВ. Дана оценка потока ^ -квантов с Е0> 10А' эВ.

Дан анализ ситуации с верхним пределом энергии частиц, измеренных на сегодняшний день. Анализируется противоречие, существующее по этому вопросу между данными Якутской установки и установки Хавера Парк.

В заключении приведены основные результаты, полученные в работе.

I. ЯКУТСКАЯ КОМПЛЕКСНАЯ УСТАНОВКА ШАЛ.

Основные результаты, полученные в диссертации, можно сформулировать следующим образом:

I. Результаты по созданию экспериментальной базы:

1. Создана самая крупная из действующих в мире Якутская установка ШАЛ с площадью контроля 18 км — на первом этапе созданы 13 пунктов регистрации заряженных частиц и черенковского излучения, когда автор был ответственным исполнителем работ, затем на втором этапе под руководством автора созданы: 31 пункт регистрации заряженных частиц с усовершенствованной электроникой, 21 детектор черенковского излучения улучшенной конструкции, 4 пункта детектирования мюонов с площадью детекторов 116 м², 6 детекторов формы импульса черенковского излучения, большой оптический детектор на 63 фотоумножителях, 15 детекторов заряженных частиц с площадью по 0,25 м² в центре установки и центральные регистраторы установки.

2. Разработаны и внедрены методы классификации и обработки материалов Якутской установки ШАЛ, методы калибровки сцинтилля-ционных детекторов и детекторов черенковского излучения, создан банк данных установки на магнитных носителях (на базе ЭШ СМ-3) за 1974;1982 гг.

П. Экспериментальные результаты по физике ШАЛ.

I. Получена экспериментальная функция пространственного распределения (ФПР) заряженных частиц на уровне моря для ШАЛ с Е0 = Ю17 — 3*Ю19 эВ и зенитных углов в — 0°-45° в диапазоне расстояний от 50 м до 1800 м от оси ливня.

Впервые установлена более слабая зависимость ФПР заряженных.

17 19 частиц в интервале 10−10 эВ от энергии первичной частицы, чем это было принято до создания Якутской установки ШАЛ.

ФПР выражается следующими аналитическими формулами:

Й.0.

N?,(6−2) /* Г’л К у (ёч) где Я* - характерное расстояние для классификации ливней (200, 300, 600 м), Й — расстояние до оси ливня,.

— мольеровский радиус, в среднем Д0 = 70 м, р* - классификационный параметр ливня (^¿-оо «Азоо «.

Рвоо) ~ плотность на расстоянии Д* от оси ливня;

— среднее число заряженных частиц, характеризующее ансамбль ливней с данным, = (3,58+0,05)-(1,9&*0,41) {1-<!а49)+(0,14+0,05)^^, б — зенитный угол.

2. Получена экспериментальная функция пространственного распределения и измерен полный поток черенковского излучения ШАЛ в атмосфере для ливней с.

Е0 = Ю17*Ю19 эВ и с/ < 45 в диапазоне расстояний от 50 до 1500 м, что позволило впервые для таких энергий экспериментально определять энергию, рассеянную ливнем в атмосфере.

ФПР черенковского излучения выражается следующими формулами:

Ю=с (о.з+й/трЬ+п/т)'ен9 где.

С (В, Е.) — ю (ЕЛ1*) «±0−03.

Ш, Ео) = ШЗ±0М-(27±07)(Зес9−0+(0Л±0М5)(%ЕоЧ8).

Энергия, рассеянная ливнем в атмосфере, выражается формулой:

Е1/Е0=(07Г±О.ОЗПОЛ5±0.05)(зеа9-ПаОЗт.ООЗ) %(Еа/101д).

3. Получена средняя функция пространственного распределения мюонов с I ГэВ для ливней с Е0 = эВ, 0 < 50° в интервале расстояний от 100 до 1800 м.

Получена зависимость между числом мюонов и числом заряженных частиц, зависимость доли мюонов в ШАЛ от энергии первичной частицы, зенитного угла и расстояния от оси ливня. ФПР мюонов с Вм ^ I ГэВ выражается форцулой: где /^и — полное число мюонов,.

А/^=(2.2±0.2)Ч06^(зоо), р)^(300) — плотность мюонов на расстоянии 300 м от оси ливня (в м-2),.

X=4-} Я — расстояние до оси ливня, = 300 м, но р

6 = 3,21 + 0,08.

Зависимость между числом мюонов Л/и и числом заряженных частиц N3 (в пределах Л^ = 3"Ю7-Ю9, # < 50°) выражается формулой: = в] т±0М.

Зависимость доли мюонов в ливне от Е0 и В (в пределах Е0 = З. Ю17−6"Ю18 эВ и в< 50°) выражается формулой:

О 2 В —002.

Н3=(3.59±0№)-Ю еоср[№(Зе<<&~0]-Е~ ' ' (Е0 § эЗ).

Зависимость доли мюонов от расстояния до оси ливня описывается выражениями: при Е0чотэ&, 9=20] ц^т-то*- при? о=2−10^эВ, 0=24°, Я- 5 004 300 м .

4. По полному массиву данных Якутской установки ШАЛ полу.

17 то чены спектры ливней по Рзоо и А600 с ~ Ю эВ в интервале глубин 1000−1600 г/см^.

Получены картины продольного развития различных компонент ливней, которые характеризуются следущими значениями пробегов поглощения классификационных параметров ливней «РбОО * числа заряженных частиц N?3, числа мюонов У^и и числа электронов Ме при Е0 = Ю18 эВ:

Л (Р пп) = 280+25 г/см2 с/ «5 (/у.

Л (рш) = 470+45 г/см2 (при Е = 7-Ю18 эВ), Л (Л£) = 200+30 г/см2 1400+300 г/см2 Л (Ж*) = 185+31 г/см2.

5. Получен спектр плотностей черенковского излучения ШАЛ в.

9 —Т диапазоне 20−1500 фотонов*см «эВ, соответствующем средней тк Т7 энергии первичных частид 10 -*10 эВ.

Интегральный спектр плотностей аппроксимируется в виде.

— 6/ оМо*аоз, т2.

1(>С/)~и.9−0.6)'Ю (%) с 'ср 1 при 17<0<60 фот смэВ.

1(>9НИ±2.1)'Ю (15) с<�ср-< при т<0<�МО фотсм-эВ*.

По вариациям спектра плотностей черенковского света получена количественная оценка ослабления черенковского излучения ШАЛ при прохождении через атмосферу.

Величина ослабления черенковского света над Якутской установкой ШАЛ в среднем составляет: 2Ъ% для ливней, регистрируемых под зенитным углом 8 = 16°, и 32 $ для ливней с в = 34°.

Т7 ТЙ.

6. Впервые в интервале энергий 2"10 — 3*10 эВ калориметрическим методом найдены следующие зависимости меаду энергией первичной частицы Е0 и различными параметрами ШАЛ на уровне моря: числом заряженных частиц, числом мюонов и основным классификационным параметром ливня для Якутской установкиплотностью частиц на расстоянии 600 м от оси ливня: п ((¡-ееВ-1 020 1, , ?о.вв±о.ов Ео=(7.2−2.1)-10 ехр£ т130 (МО),.

Ео*(Ш*0,), 0(8, 50') то.

При Е0 > 3*10 эВ экспериментальные данные не противоречат указанным формулам.

Т7 ТР.

7. Впервые в области энергий 10−10 эВ по средним характеристикам электронной, мюонной компонент и черенковского излучения получена зависимость глубины максимума ливня tm от Е0:

650+26) + (69+12). (- 17).

Здесь указаны статистические ошибки. Систематические ошибки определения равны +35 г/см2, — 15 т/ск?.

Ш. Результаты по физике взаимодействий и астрофизике космических лучей.

I. Из анализа характеристик черенковского излучения, электронной и мюонной компонент ШАЛ показано, что модели адронного взаимодействия с крайними степенями дробления энергии в элементарном акте (традиционные модели скейлинга и высокой множественности) не пригодны для описания экспериментальных данных при Е0 > Ю17 эВ.

Выбран класс моделей, наиболее удовлетворительно описывающих экспериментальные данные, в которых учитывается нарушение скейлинга в пионизационной области и эффективное дополнительное нарушение как в иионизационной, так и во фрагментационной области за счет отличия^ьИ и р// -взаимодействий от ¿-с, А и рАвзаимодействий.

2. Получены следующие значения абсолютной интенсивности космических лучей с энергией ^ 10*® эВ и ^ Ю*9 эВ: ^ Ю18 эВ)=(2,5 !?-?)• ИГ12 м^с^ср" *1 Ю19 эВ)=(1,9^)-Ю" 14 мЛ^ср" 1.

Показано, что поток частиц максимально высоких энергий не противоречит существованию «реликтового обрезания» первичного энергетического спектра.

3. Показано, что характеристики черенковского излучения,.

17 электронной и мюонной компонент ШАЛ при Е0> 10 эВ более согласуются со смешанным ядерным составом первичного излучения с г-+8 наиболее вероятным значением <А> =.

4. Получена оценка потока первичных 2Г~квантов с Ео¹⁰ эВ:

17 ТД 2 1 I ф (>10 эВ) = 2,9*Ю" А^ м «с.ср», что составляет примерно.

10″ ^ часть от всех космических лучей таких энергий.

Создание в СССР крупнейшей установки для исследования кос.

17 20 мических лучей с Е0 = 10−10 эВ явилось результатом коллективных усилий ряда институтов страны, координируемых Научным Советом по комплексной проблеме «Космические лучи» АН СССР во главе с Д. В. Скобельциным в первое время, затем — С. Н. Верновым, который до последних дней жизни уделял много времени делам.

Якутской установки, оказывал многостороннюю помощь в её создании и развитии. Начиная с проектирования и создания установки, постоянную помощь и поддержу работам, связанным с Якутской установкой, оказывают Зацепин Г. Т., Никольский С. И., Христиансен Г. Б., Чудаков А. Е. Всем им автор выражает свою глубокую благодарность.

Автор выражает свою глубокую благодарность:

Крымскому Г. Ф., Кузьмину А. И., Черскому Н. В., Шаферу Ю. Г. -за постоянную помощь и поддержку в работах по созданию и дальнейшему развитию установки, в постановке работ на установке;

Христиансену Г. Б. — за активное сотрудничество в разработке многих методических и научных вопросов, за весьма ценные обсужде1 ния настоящей работы;

Иваненко И.П. — за весьма детальные и ценные обсуждения настоящей работы;

Красильнпкову Д.Д., Кузьмину А. И., Никольскому С. И., Христиансену Г. Б., с которыми автор поделил основные тяготы, связанные с созданием Якутской установки ШАЛ;

Глушкову A.B., Гомерштадту М. Я., Грекову В. Г., Григорьеву В. М., Диминштейну О. С., Егорову Т. А., Ефремову H.H., Катанову Л. И., Колосову В. А., Корякину В. Д., Макарову И. Т., Максимову С. В., Михайлову A.A.- Орлову В. А., Павлову А. Н., Петрову П. Д., Правди-ну М.И., Слепцову И. Е., Сокурову В. А., Старостину С. К. и др. -за активное участие в создании установки, в получении экспериментального материала, в обработке и анализе данныхсотрудникам НИИЯФ МГУ Нечину Ю. А., Просину В. В., Силаеву A.A. — за активное участие в работах по созданию установки и внедрение метода анализа формы импульса черенковского излучения;

Отделу научно-технической информации ИКФИА во главе с Шафер Г. В. — за помощь в оформлении диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.