Аномальные явления и флуктуации в процессах взаимодействия частиц и ядер при высоких и сверхвысоких энергиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

На правах рукописи

Лебедев Игорь Александрович

АНОМАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ФЛУКТУАЦИИ В ПРОЦЕССАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ И ЯДЕР ПРИ ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЯХ

01.04.23 - физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 2009

09-4 3601

Работа выполнена в Физико-техническом институте Министерства Образования и Науки Республики Казахстан

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор [Руськин В .И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Шаулов С.Б.

доктор физико-математических наук Мухамедшин Р. А.

доктор физико-математических наук Свешникова Л.Г.

Ведущая организация: Объединенный институт ядерных исследований

Защита диссертации состоится 21 сентября 2009 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 002.023.02 ФИАН по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д.53, ФИАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН

Автореферат разослан &&с^о^я. 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

профессор, доктор физ.-мат. наук

/Я.Н.Истомин/

российская г о с у д л р с т в е н н а я в и б л и о т е к а 2 О О О

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Современная стратегия исследований процессов взаимодействия релятивистских частиц и ядер следует тенденции развития в сторону увеличения энергии частиц и ядер, разгоняемых на ускорителях, и увеличения точности анализа космических лучей (КЛ), которые представляют собой естественный источник частиц сверхвысоких энергий, не достижимых на современных ускорителях.

Изучение таких процессов, необходимо как для получения новых сведений о строении вещества на самых малых пространственно-временных интервалах, о свойствах и состояниях ядерной материи при высоких плотностях и температурах, так и для изучения космических лучей сверхвысоких энергий, методов их ускорения и распространения через космическое пространство.

При этом исследования на ускорителях, обладая спектром более мощных и более точных возможностей, позволяют уточнять результаты (полученные при изучении КЛ) в количественном отношении и дать более полную физическую интерпретацию наблюдаемых явлений. Поэтому сравнительный анализ взаимодействий, зарегистрированных в космических лучах и на коллайдерах, является актуальным как для изучения КЛ, так и для изучения динамики процессов множественного рождения частиц.

Кроме того, информация о динамике взаимодействия релятивистских частиц, получаемая на ускорителях и с помощью прямых измерений КЛ (баллонные и космические эксперименты), необходима для построения моделей, описывающих развитие широких атмосферных ливней (ШАЛ) в атмосфере Земли. В то же время, ШАЛ на данный момент являются единственным источником информации о взаимодействиях частиц и ядер с энергией выше 1015 эВ.

Наиболее актуальным при этом является изучение аномальных (не согласующихся или даже противоречащих, на первый взгляд, существующим научным представлениям и предсказаниям) явлений.

Так, излом энергетического спектра КЛ при 3-Ю15 эВ («колено»), характеризуемый резким уменьшением степенного показателя у, считается ключевой проблемой для описания происхождения КЛ, способов их ускорения и распространения через космическое пространство. Несмотря на огромные усилия, эта проблема до сих пор не получила однозначного ответа. В первую очередь это связано с огромными флуктуациями в развитии ШАЛ в атмосфере Земли. И, как следствие этого, с отсутствием методов, позволяющих проводить нестатистическую идентификацию первичных космических частиц и построить энергетические спектры отдельных элементов.

Исследование аномальных событий в элементарном акте взаимодействия актуально как в качестве теста для существующих

моделей, описывающих множественные процессы и, следовательно, развитие ШАЛ в атмосфере Земли, так и для поиска новых состояний ядерной материи, таких как, например, кварк-глюонная плазма (КГП). Подобное состояние, в котором нет индивидуальных нуклонов, а все кварки внутри плазмы находятся в квазисвободном состоянии, предсказано в рамках квантовой хромодинамики. Сегодня поиски КГП -заманчивая задача многих экспериментаторов в мире. При этом в первую очередь исследуются взаимодействия с аномальными характеристиками: большие множественности, большие поперечные импульсы вторичных частиц, высокая плотность частиц на единичный интервал распределения по псевдобыстроте и т.д.

Открытие кольцевых событий, событий с аномально большими поперечными импульсами вторичных частиц, явления перемежаемости в экспериментах довольно широкого класса (от электрон-позитронных до ядро-ядерных взаимодействий) породило интенсивные исследования во многих лабораториях мира.

При этом изучение таких больших нестатистических флуктуации адронной (ядерной) материи потребовало и новых подходов к анализу данных, отличных от стандартных математических методов обработки данных.

Таким образом, исследование аномальных явлений и разработка новых методов для их поиска и анализа является актуальной задачей, поскольку, с одной стороны, аномальные явления являются наиболее критичными для всех моделей, претендующих на описание высокоэнергичных процессов взаимодействия частиц и ядер, с другой стороны, традиционные подходы к описанию процессов множественной генерации, а также новые теоретические интерпретации, несмотря на существенный прогресс, на современном этапе не могут описать в совокупности наблюдаемые флуктуации и корреляции.

Цель диссертации состояла в исследовании аномальных явлений и флуктуаций в процессах взаимодействия частиц и ядер, как на уровне элементарного акта, так и в ШАЛ экспериментах, а также в разработке новых методов поиска и анализа таких явлений.

Научная новизна работы.

1. Предложена методика определения энергии и массы первичных космических частиц с помощью измерения ШАЛ, регистрируемых на наземных станциях, на основе различных инвариантных корреляционных кривых. На уровне гор предложено использовать кривые зависимости числа электронов, Ые, от «возраста» ливня и кривые зависимости N. от разницы размера ШАЛ на двух уровнях наблюдения, разделенных слоем поглотителя. На уровне моря кривые зависимости Ые от отношения числа мюонов и электронов.

2. На основе анализа данных КАЭСАОЕ коллаборации с помощью метода инвариантных корреляционных хфивых обнаружен излом (с су

щественным увеличением степешого показателя у) в энергетическом спектре тяжелых элементов КЛ при энергии 7-10!5эВ и различие массового состава КЛ в различных интервалах зенитного угла.

3. Даны теоретические предсказания поведения энергетических спектров элементных групп и массового состава космических лучей в области «колена» на основе модели диффузионного ускорения частиц ударной волной и учета суперпозиции вкладов от нескольких источников КЛ (взрывов сверхновых звезд различных типов).

4. Обнаружены события с аномальными корреляциями в псевдобыстротном распределении вторичных частиц, образованных во взаимодействиях ядер серы (32Я 200 А-ГэВ) и золота (191 Аи 10.7 А-ГэВ) с ядрами фотоэмульсии (Я, СЮ, AgBr).

5. Дана интерпретация событий с большими поперечными импульсами вторичных частиц, образованных во взаимодействиях ядер космического излучения с ядрами мишенных слоев ренгенэмульсионных камер как процессов взрывного типа, протекающих с образованием промежуточного кластера.

Научная и практическая ценность работы.

1. Предложенная в диссертации методика позволяет существенно уменьшить ошибку определения энергии и массы первичных космических частиц и как следствие этого продвинуться в решении ряда проблем физики космических лучей, таких, как изучение энергетического спектра элементных групп, поведение массового состава космических лучей при различных энергиях и др. Использование этой методики для анализа экспериментальных данных КАвСАОЕ коллаборации позволило обнаружить излом в энергетическом спектре тяжелых элементов К Л при энергии 74015эВ и различие массового состава КЛ в различных интервалах зенитного угла. Это может стать серьезным критерием для моделей, претендующих на описание астрофизических проблем.

2. Учет вкладов от суперпозиции нескольких источников КЛ с определенным массовым составом позволяет объяснить (без привлечения трудно проверяемых астрофизических или ядернофизических гипотез) особенности энергетического спектра КЛ в области «колена». При этом показано существование «антиколена» (т.е. излома спектра с резким увеличением у) в энергетическом спектре тяжелых элементов при энергии ~3-7-1015эВ и значительное увеличение содержания тяжелых элементов в составе космического излучения при энергиях выше 3'1015эВ.

3. Анализ ядро-ядерных взаимодействий (данные ЕМШ1 коллаборации) позволил выделить класс событий с аномальными многочастичными корреляциями в распределении вторичных частиц. Исследование особенностей фрагментации таких взаимодействий

показало, что наиболее значительные многочастичные псевдобыстротные корреляции обнаруживаются в центральных взаимодействиях тяжелых ядер и ядер СМЭ-группы, в которых наблюдается полный развал ядра мишени. При этом поведение экспериментальной корреляционной кривой подобно поведению корреляционной кривой, соответствующей процессам взрывного типа, протекающих с образованием промежуточного кластера.

4. Анализ экспериментальных данных стратосферного эксперимента для распределений вторичных частиц для 2-х типов взаимодействий (с обычными и большими поперечными импульсами) показал наличие значительных многочастичных корреляций в псевдобыстротиых распределениях вторичных частиц с большими поперечными импульсами по сравнению со взаимодействиями с обычными Рх. При сравнении поведения показателя коррелированное™ оказалось, что события с большими поперечными импульсами вторичных частиц, обнаруженные в стратосферном эксперименте, так же, как и аномальные события ЕМШ1, имеют подобное поведение показателя коррелированности и, следовательно, эти события вероятно имеют подобную динамику взаимодействия.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Решение (на основе использования инвариантных корреляционных кривых) проблемы уменьшения влияния гигантских флуктуаций в развитии ШАЛ на результаты нестатистического определения энергии первичных космических частиц.

2. Интерпретация особенностей в спектрах элементных групп КЛ на основе модели диффузионного ускорения частиц ударной волной и учета вкладов от суперпозиции нескольких источников космических лучей (взрывов сверхновых звезд различных типов).

3. Обнаружение (на основе метода нормированного размаха) во взаимодействиях ядер 32^ 200 АхГэВ и 197Аи 10.7 АхГэВ с ядрами фотоэмульсии событий со значительными многочастичными корреляциями в псевдобыстротном распределении вторичных частиц.

4. Обнаружение существенного излома кривой Херста в событиях с большими поперечными импульсами, зарегистрированных в стратосферном эксперименте.

Личный вклад автора.

В получении результатов, выносимых на защиту, личный вклад

автора является определяющим.

б

Апробация работы

Результаты, содержащиеся в диссертации, обсуждались на рабочих совещаниях КАБСАБЕ коллаборации (Карлсруэ, Германия, 2003, 2005, 2007), на международном рабочем совещании по космическим лучам «Тянь-Шань 2006» (Алматы, 2006), на международной конференции «Суверенный Казахстан: 15летний путь развития космической деятельности» Алматы, 2006), на 29-й международной конференции по космическим лучам (Пуне, Индия, 2005), на 28-й международной конференции по космическим лучам (Тсукуба, Япония, 2003), на 27-й международной конференции по космическим лучам (Гамбург, Германия, 2001), на Международной конференции «Современные проблемы ядерной физики» (Ташкент, 2001), на Ш международной конференции по ядерной и радиационной физике (Алматы, 2001), на Международной конференции «Рождение частиц при МэВных и ТэВных энергиях (Наймеген, Голландия, 1.08-14.08, 1999), на Международной конференции «Ряды, последовательности и их корреляционные свойства» (Бад-Уиндсхейм, Германия, 2-14.08.1998), на Европейской школе по физшсе высоких энергий (Санта Эндрю, Шотландия, 23.0805.09 1998), на Международной конференции для молодых ученых по Проблемам Ускорителей Заряженных Частиц (Дубна, Россия, 2-9 сентября, 1996), на Международной конференции по физике высоких энергий и квантовой теории поля (Москва, Россия, 15-21 сентября, 1993), на семинарах ФТИ МОП РК, ИЯФ НЯЦ РК, ФИРАН.

Публикации

Диссертационная работа написана на основе 40 научных работ, в том числе 13 в рекомендуемых ВАК РФ и 17 в рекомендуемых ВАК РК.

Связь с научно-исследовательскими государственными и международными программами.

Работа выполнялась в соответствии с планами научной работы Физико-технического института МОН РК по Государственной Программе фундаментальных исследований Ф.0090 тема: «Изучение особенностей ядро - ядерных взаимодействий при энергиях 3,7-200 АГэВ», по Государственной Программе фундаментальных исследований Ф.0193 «Экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействий ядер при релятивистских энергиях», по НТП 0313 «Исследование динамики взаимодействий элементарных частиц и ядер при высоких энергиях», по Государственной программе «Физика взаимодействия частиц и ядер, ускоренных в земных условиях и в космическом пространстве», по Государственной программе «Исследование ядерио-физических процессов на ускорителях и в космических лучах».

Исследования поддерживались грантами НАТО, Немецкого физического союза (ВРО), Гамбургского университета, Фонда науки РК.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа объемом 217 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, 4 таблиц и 40 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий обзор ситуации по современному состоянию исследований рассматриваемых в диссертации аномальных явлений, сформулированы цель, актуальность, научная новизна, ценность проведенного исследования и даны основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, написанной на основе работ [1-18], проведено исследование основных проблем при исследовании космических лучей с помощью ШАЛ экспериментов. Это излом энергетического спектра 1СЛ при 3-Ю15 эВ, исследование энергетических спектров элементных групп и массового состава КЛ, методы поиска источников КЛ.

Происхождение и механизм ускорения космических частиц сверхвысоких энергий обсуждается достаточно долго. В области энергий Е>1015 эВ все сведения о характеристиках взаимодействий первичного космического излучения (ПКИ) с атомными ядрами газов атмосферы получены путем изучения широких атмосферных ливней, наблюдаемых в глубине атмосферы Земли.

Причем информация, получаемая при исследовании ШАЛ, имеет весьма косвенный характер, т.к. первое взаимодействие космической частицы происходит в верхних слоях атмосферы, образуя затем, по мере прохождения, каскад, потомки которого и регистрируются на станциях космических лучей.

Вследствие этого, обычно экспериментаторы оперируют не с одиночными событиями, а с целым ансамблем ливней, разбитых на группы по числу электронов на уровне наблюдения, которое в среднем пропорционально энергии первичной частицы. В процессе анализа проводится сопоставление средних характеристик группы ливней с модельными расчетами, в основу которых обычно закладываются параметры элементарного акта из ускорительных данных.

Тем не менее, практически всеми исследовательскими группами в мире на большой статистике был установлен факт наличия излома энергетического спектра ШАЛ, так называемого «колена», т.е. резкого изменения (уменьшения) показателя энергетического спектра в области энергии 3-Ю15 эВ. В целях объяснения указанного излома спектра был выдвинут целый ряд предположений и моделей, которые, в основном, можно разделить на две группы.

Модели первой группы основываются на астрофизическом толковании «колена» - нерегулярности в первичном космическом излучении, неоднородность магнитных полей в космическом

пространстве, взаимодействия космических лучей с жестким электромагнитным излучением вблизи источников, существенным увеличением доли тяжелых ядер и т.д. Иными словами, излом спектра присущ еще первичному космическому излучению и (или) обусловлен механизмом ускорения и прохождения частиц ПКИ в Галактике.

Модели второй группы используют ядернофизическое объяснение, в котором излом энергетического спектра трактуется как изменение элементарного акта ядерного взаимодействия (изменение процесса адронизации кварков, рождение сверхтяжелых частиц, существенная роль процессов фоторождения и др.).

Существующие в настоящее время методы изучения ШАЛ не дают возможности выбрать одну из гипотез для решения этой ключевой проблемы в первую очередь из-за огромных проблем при идентификации первичных космических частиц.

Исследование, представленное в диссертации, проводилось в трех взаимно дополняющих направлениях. Это разработка методов корректной нестатистической идентификации космических частиц, анализ возможных астрофизических сценариев появления «колена» и исследование ядернофизического аспекта данной проблемы (а именно, поиск и исследование аномальных эффектов в элементарном акте взаимодействий на основе коллайдерных экспериментов и прямых измерений КЛ).

Модели, описывающие развитие ШАЛ в атмосфере, дают близкие предсказания характеристик ШАЛ, прежде всего, из-за «усредняющего» фактора, возникающего в результате наложения многочисленных актов последовательных соударений адронов с ядрами атмосферы.

Более существенно на результаты оценки первичной энергии, Е, влияют флуктуации в развитии ливня в атмосфере, которые приводят к существенному разбросу измеряемого на уровне наблюдения числа частиц и, соответственно, к огромным ошибкам в оценке первичной энергии, определяемой, кшс правило, из степенного закона

N.=aEß, (1)

где а и ß - параметры, зависящие от глубины проникновения ШАЛ до уровня наблюдения.

На рис. 1а представлены каскадные кривые (т.е. зависимость log N„ от глубины регистрации ливня Z) для пяти протонных ливней с одинаковой первичной энергией Е0 = 1016 эВ, рассчитанных по QGSJET модели пакета программ CORSIKA (Heck D. Et al.= FZKA Report 6019, Karlsruhe, 1998). Видно, что вследствие флуктуации глубины зарождения ливней, Z0, рассчитанные значения Ne иа уровне моря отличаются почти иа порядок.

На рис. 1 b для иллюстрации приведены кривые двух ливней -образованные ядром железа с первичной энергией 1016 эВ и протоном с энергией 1015 эВ. На уровне наблюдения (Z=1023 г/см2) Ne для

протонного ливня больше, чем дня ливня, образованного ядром железа, энергия которого на самом деле на порядок выше.

Рис. 1. Каскадные кривые для ливней, образованных: а) протонами с Е=1016 эВ Ь) протоном, генерированным с энергией 1015 эВ, и ядром железа о первичной энергией 1016 эВ. Точка в квадратике и звездочка в кружочке - значения параметров ШАЛ на уровне наблюдения Ъ = 1023 г/ем2

Определение энергии Е0 по формуле (1) для этой глубины Ъ приводит к заведомо неверному определению энергии этих двух ливней. Учитывая резко спадающий энергетический спектр космических лучей, это может существенно исказить реальный спектр космических частиц.

Использование для определения энергии дополнительных параметров, характеризующих развитие ливня в атмосфере, таких, как возраст ливня, число мюонов и т.п., чаще всего сводится к использованию соотношений типа:

1оёЕ =А-1оё N. + B■log Л^. (2)

Это не дает возможности существенно повысить точность идентификации первичных частиц.

Дело в том, что число вторичных частиц, регистрируемых на уровне наблюдения, зависит от достаточно большого числа параметров, характеризующих развитие ШАЛ в атмосфере Земли. Наиболее значимыми являются: ^ первичная энергия, которая определяет амплитуду максимума ливня;

масса первичной частицы, которая определяет положение максимума ливня в глубине атмосферы Земли;

^ зенитный угол, который определяет толщину атмосферы, которую преодолевает ШАЛ до уровня наблюдения;

^ параметры первого (нескольких первых) взаимодействия, которые

вносят основной вклад во флуктуации развития ШАЛ в атмосфере.

При использовании соотношения (1) или (2) вынужденно применяют ряд допущений, которые лишают возможности проводит, нестатистическую идентификацию первичных космических частиц.

Так, например, все расчеты по определению энергии вынужденно выполняются для частиц некой усредненной массы, т.к. масса первичной частицы неопределенна. Эта масса выбирается исходя из массового состава КЛ, который, во-первых, в области ШАЛ экспериментов неизвестен, во-вторых, не является постоянным для различных энергетических интервалов.

Ливни, идущие под различными зенитными углами 0, преобразуются к уровню в-0° с помощью закона поглощения:

N° = W,exp(Z/A,(see(e)-l)).

При этом длина поглощения Ае вынужденно полагается константой, хотя эта величина на уровне наблюдения, Z, зависит, по крайней мере, от первичной энергии и массы. Кроме того, для уменьшения ошибки вынужденно проводят обрезание области анализируемых углов.

Самый «страшный» пункт, для «борьбы» с которым в данное время нет методов - это флуктуации параметров первого (нескольких первых) взаимодействия. Причем важным является как глубина проникновения ливня до точки первого взаимодействия, так и параметры самого взаимодействия (периферичиость, множественность и т.п.). Так, ШАЛ с высокой множественностью в первом взаимодействии развиваются значительно быстрее усредненного значения и, как следствие, имеют максимумы, сдвинутые в сторону меньших глубин проникновения Z. В результате на уровне наблюдения обнаруживаются значительные флуктуации Ne.

Для решения этой проблемы в п.1.1 - 1.3 диссертации предлагается методика, позволяющая подавлять влияние флуктуаций в развитии ШАЛ на оценку энергии и массы первичных частиц. Предлагаемый подход основан на использовании неких инвариантных корреляционных кривых, поведение которых не зависит от зенитного угла, флуктуаций в развитии ШАЛ и слабо зависит от массы первичных частиц. Это позволяет, во-первых, значительно уменьшить ошибки при определении первичной энергии и, во-вторых, проводить анализ индивидуальных ливней.

Для демонстрации преимуществ предлагаемого в диссертации подхода на рис.2 представлены корреляционные кривые зависимости между размером, log Ne, и «возрастом», s, ливня (далее sZ-кривые) для тех же самых ШАЛ, что и на рис. 1.

Из рис.2а видно, что все выбранные ливни тесно коррелированны. Это проявляется потому, что при рассмотрении si-кривых максимумы всех ливней расположены в одной и той же точке s=l.

1

s

s

Рис. 2. а) Корреляционная зависимость размера ШАЛ и его возраста для пяти протонных ливней, представленных на рис. la. Ь) Средние ^/-кривые для протонных (сплошные линии) и железных (прерывистые линии) ШАЛ с энергиями 1015 и 1016 эВ. Точка в квадратике и звездочка в кружочке соответствуют ливням, представленным на рис. 16 при Z = 1023 г/см2.

В области максимума размер ливня, образованного, например, первичной частицей с энергией 1016 эВ, достигает несколько миллионов вторичных частиц.

При дальнейшем распространении ШАЛ (с таким количеством частиц) флуктуирует незначительно, т.к. отрицательные флуктуации параметров взаимодействия одних частиц компенсируются положительными флуктуациями других. И поэтому суммарные флуктуации невелики.

Таким образом, все ливни, образованные космическими частицами одинаковой энергии и массы, после прохождения максимума ливня развиваются примерно одинаково. При этом на уровне наблюдения «точки» (значение параметров) на logNe-s плоскости для быстро развивающихся ливней расположены на той же самой ^/-кривой, что и для медленно развивающихся. Только первые из них расположены на этой кривой правее (т.е. имеют малые значения log N„ и большие значения s) вторых.

Это же происходит с ливнями, идущими под различными зенитными углами. А именно, «точки» ливней, образованных космическими частицами одинаковой энергии и массы, но идущих под различными зенитными углами, расположены на одних и тех же корреляционных кривых. При этом ливни с большими в расположены правее ливней с малыми в.

Использование ^/-кривых также позволяет корректно определить энергию для сильно флуктуирующих ливней, которые вызывают наиболее значительные ошибки при использовании стандартной методики (1).

Так, на рис.2б представлены ¿/-кривые и нанесены значения на уровне наблюдения (Z= 1023г/см2) аномальных ливней, представленных на рис. 16. Как видно из этого рисунка, оба «аномальных» ливня расположены в ¿/-плоскости около соответствующих (заданной первичной энергии) ¿/-кривых, т.к. возраст ливня от ядра железа (представленного на рис. 16 и 26) намного больше возраста протонного ливня.

Из рис.26 также видно, что зависимость от первичной энергии Е0 гораздо существеннее, чем зависимость от массы ядра, вызвавшего ливень.

Усредненные кривые для ШАЛ, образованных частицами различной энергии, можно с хорошей точностью аппроксимировать полиномами:

loENe(s,E0) = ^(E0) + Xi(E0)s + X2(E0)s2 +А3(E0)s3 +XA(E0)s\ (3) где А,- =А;(0) + А,(1)Я0 +А,.(2)Я02.

Набор фигированных констант X,•(/') обеспечивает воспроизведение ливневых кривых в диапазоне энергий Е0 = 10|4-1018 эВ с погрешностью много меньше 1%.

Для определения энергии ¡'-того ливня, пользуясь набором кривых (3), необходимо варьировать s и Е0 таким образом, чтобы одновременно минимизировать разности между заданным и экспериментально измеренным значением s и между вычисленным с помощью (3) и экспериментально измеренным значением log Ne.

В диссертации предлагаются три метода, использующих различные корреляционные кривые. При этом каждый из трех предлагаемых методов нацелен на решение задачи идентификации первичных частиц для различного рода экспериментальных установок.

Так, первый метод (¿/-метод), использующий ¿/-корреляционные кривые, предназначен для установок, расположенных в горах, где слой атмосферы, преодолеваемой ШАЛ, значительно меньше, чем на уровне моря. В этом случае точность определения возраста ливня значительно выше.

Второй метод (с/Ж-метод) использует кривые зависимости logNe от dN=logNe(Z^-logNe(Z^>, т.е. от разницы размера ШАЛ на двух уровнях наблюдения, разделенных слоем поглотителя. Этот метод также предназначен для уровня гор. Точность этого метода выше, чем при использовании ¿/-кривых, но требует модернизации установки.

Третий метод (Л^-метод) предназначен для установок, расположенных на уровне моря. Этот метод основан на использовании корреляционных кривых зависимости logNe от dNCi=logNc-logNit , т.е. отношения числа мюонов, Ntl, и электронов в ШАЛ. Дело в том, что электрон-фотонная компонента поглощается значительно больше

шоонной компоненты. В связи с этим если на уровне гор содержание мюонов в ливне всего несколько процентов (и использование Л^ мало эффективно), то на уровне моря после прохождения толстого слоя атмосферы содержание мюонов может достигать десятков процентов (и N становится наиболее оптимальной величиной для корреляционного анализа).

Корректное определение энергии позволяет оценить массу первичных частиц. При этом в диссертации рассматриваются подходы, основанные или на восстановлении эффективной точки взаимодействия (в сЖ-методе), или на пространственном разделении различных компонент КЛ одинаковых энергий в /о§М,-.у плоскости (в ^/-методе), или на использовании дополнительных корреляционных кривых (в NeN|:-методе).

К сожалению, ошибки определения массы первичных частиц значительно выше, чем при определении энергии. Тем не менее, точность методики позволяет рассматривать пять элементных групп.

В табл. 1 представлены результаты определения первичной массы на основе Л^Л^-кривых на уровне наблюдения 1023 г/см2 для 1ПАЛ, моделированных на основе СОБАКА (ЗОБШТ для 5 элементов (протона, гелия, углерода, кремния и железа) в энергетическом интервале 1015-1018 эВ.

Из таблицы видно, что основной вклад в ошибку идентификации дают соседние элементы. Этот вклад составляет около 25 %. Вероятность перепутать ШАЛ, образованные ядром железа и протоном, ничтожно мала. Это существенный прогресс по сравнению с существующими методиками.

Таблица 1. Процентное содержание генерированных элементов (р, Не, С, ¿7, Ре) в реконструированной группе (])*, Не*, С* &'*, Ре*)

р 62.45 27.15 8.57 1.80 0.03

Не 28.84 38.59 26.40 5.06 1.11

С 8.02 27.77 39.15 20.10 4.96

0.69 6.08 22.06 47.50 23.67

Ре 0.01 0.41 3.82 25.54 70.23

Р* Не* С* Я*

На рис. 3 представлены результаты анализа (с помощью ^ЧД-метода) экспериментальных данных КАЭСАБЕ коллаборации на основе СЮЗШТ и 8Лу11 моделей. Для анализа использовались, так называемые, «золотые запуски» КАБСАБЕ, когда все детекторы работали и были хорошо откалиброваны. Всего около 187 млн. событий в интервале

зенитных углов 0=0-42°.

Из сравнения рис. За видно, что существует значительная неопределенность энергетических спектров элементных групп, рассчитанных на основе различных моделей. Особенно это относится к массовому составу КЛ. Тем не менее, на качественном уровне поведение этих спектров совпадает. А именно, излом («колено») полного энергетического спектра КЛ при 3-Ю15 эВ вызван изломом (резким уменьшением у) спектров легких элементов.

Рис.3а: Энергетические спектры элементных групп (Н-р, *-Не, О - С, П-• - Ре) и полный энергетический спектр (*) 1СЛ, рассчитанные на основе экспериментальных данных КАЯСАБЕ коллаборации с помощью метода корреляционных кривых по моделям: а) вйЬуП (левый) и б) С>05иЕТ(правый).

Кроме того, наблюдается излом с резким увеличением у («антиколено») в спектре тяжелых элементов при ~7-1015 эВ. Это приводит и к резкому увеличению содержания тяжелых элементов.

Хотелось бы обратить внимание, что если существование «антиколеиа» будет подтверждено другими экспериментальными группами, оно станет серьезным критерием для моделей, претендующих на описание астрофизических проблем.

Другой важное наблюдение, обнаруженное при анализе данных КАБСАОЕ, представлено на рис. 36. Как можно увидеть из этого рисунка относительный вклад различных элементных групп значительно отличается для различных интервалов зенитного угла. Особенно отчетливо это обнаруживается по содержанию протонной группы, которое значительно ниже для малых зенитных углов 0=0-18°. Содержание других элементов в данном интервале наоборот выше. И, как следствие этого, средняя масса КЛ в данном интервале заметно «тяжелее» для ливней, приходящих под большими зенитными углами.

Ч/ПМ1

"Г..............................£

А -I I г II I п 1 I II 1 I I. I . II . II . I м . I || I . . I , I I I I II |'| I

* од м и 7 ТЖ 1Л ТЛ Л 19

1од(Егес}

Рис. 36. Содержание различных элементных групп КЛ в интервале 0=0-42° (открытые символы) и 0=0-18° (заполненные символы): р - 90, Не - ■□, С - АД,

Конечно, это не дает возможности говорить об анизотропии КЛ, но, тем не менее, данное наблюдение может быть, по крайней мере, неким дополнительным стимулом к поиску анизотропии КЛ.

В п. 1.4. рассматривается возможное поведение в спектре пяти элементных групп (р, Не, С, Ре) на основе модели диффузионного ускорения частиц ударной волной и учета вкладов от суперпозиции нескольких источников (взрывов сверхновых звезд различных типов). На основе модельных расчетов даны предсказания поведения энергетических спектров отдельных групп элементов и поведение кривой зависимости средней массы КЛ от энергии.

По современным представлениям эволюция звезд определенных классов заканчивается взрывом сверхновой (СН), после которого звезда перестает существовать. При этом выделяется Ю50 - 3-Ю52 эрг в виде кинетической энергии, сброшенной в результате взрыва части звезды.

Это порождает в окружающей среде сильную ударную волну, посредством которой энергия направленного движения среды передается непосредственно быстрым частицам [Бережко Е.Г., Крымский Г.Ф. УФЫ, 1988, 154, № 1; с.49-91]. Согласно этой модели, спектр КЛ, производимых ударной волной от сверхновой, имеет степенной вид бШЕ ~ Е"' с показателем у~ 2-2.1. «Пороговая» энергия ускоренных частиц (Емах) пропорциональна заряду этих частиц. При Е > Емах показатель у и 5.

При этом стандартная модель имеет, по крайней мере, две важные проблемы. Во-первых, экспериментально наблюдаемое значение показателя полного энергетического спектра КЛ соответствует ушб~2.75.

Во-вторых, обнаружено, по крайней мере, два излома энергетического спектра. Первый излом наблюдается при энергии ~3-1015 эВ и характеризуется изменением у„ав до величины 3.1. Второй при ~5-1018 эВ снова приводит к у наб»2.75.

Для объяснения экспериментально наблюдаемого значения у был выдвинут ряд предположений о неких дополнительных механизмах (галактический ветер, реакселерация и т.п.) для коррекции у источника (Уисг)> т.е. ушб = у,ют + Ау, и дополнительных механизмах, приводящих к изменению у до величины 3,1, описанных в начале этой главы.

Предлагаемое в диссертации решение данной проблемы основывается на том, что переход унаб уист может быть следствием суперпозиции вкладов от нескольких источников космических лучей (взрывов сверхновых звезд различных типов) с определенным массовым составом элементов. При этом данный подход объясняет и проблему «колена», и не требует привлечения трудно проверяемых астрофизических гипотез и (или) новых особенностей взаимодействия частиц.

Если предположить, что содержание элементов в источнике КЛ следующее: р-46.7%, Не-28.3%, С-13.5%, ¿7-6.9%, РеА.6%, то это обеспечит у и 2.75 вместо у = 2 на протяженном энергетическом интервале: от протонного Ешах до «железного» Е111ах. Такой состав примерно соответствует массовому составу КЛ данных КАБСАОЕ коллаборации (рассчитанному с помощью метода корреляционных кривых) при 101 эВ на основе (ЗОБШТ модели.

Детальные наблюдения сверхновых звезд показали, что природа этого явления является достаточно сложной. Сверхновые не представляют собой однородный класс объектов. По химическому составу оболочек и их массам, по характеру выделения энергии и т.д. сверхновые разделены на несколько типов.

На рис.4 представлен полный протонный энергетический спектр, генерированный различными типами сверхновых, и отдельный вклад каждого типа, опубликованный в работе (БуезЬшкоуа Ь.О., азЬго-рЬ/0303159 у2, 2003.).

Как видно из рисунка, полная интенсивность протонных космических лучей при энергиях выше ЗЛО15 эВ практически формируется за счет сверхновых 1Ьс1 и Пп типа. Сверхновые ШЛ, 1Ьс2 и ПР типов имеют близкие значения Ешск и поэтому дают большой суммарный вклад.

Сверхновые 1а типа имеют значительно более низкое значение Ешох и поэтому их вклад в области 3-Ю15 эВ может проявляться только в виде энергетических спектров тяжелых элементов. При этом хотелось бы заметить, что процентное содержание тяжелых элементов в сверхновых I типа значительно выше, чем в сверхновых II типа.

На рис.5 представлен моделированный автором диссертации

полный энергетический спектр на основе вкладов пяти групп элементов (р, Не, С, Ре) от сверхновых различных типов.

То 0.01-

10'' 101 101 101 »' ю'

Е.ТвУ

Рис. 4: Протонный спектр (в относительных единицах), генерированный различными типами сверхновых.

|<Э(Е)/Ш/

Рис.5: Энергетические спектры от сверхновых различных типов.

Основные черты полного энергетического спектра в области «колена» соответствуют экспериментальным результатам: у»2,75 до 3-1015 эВ и далее у«3,1.

Излом энергетического спектра при 5-Ю18 эВ не описывается в рамках представленных источников от 5 элементных групп. Для объяснения этого явления в рамках данной модели необходимо рассмотрение либо более высокоэнергетических источников КЛ, на роль которых могут претендовать, например, так называемые, гиперновые звезды, либо необходимо учесть вклады от более массивных элементов.

На рис.б представлены энергетические спектры, рассчитанные в диссертации на основе учета вкладов сверхновых различных типов, для 5 элементных групп.

Как видно из этого рисунка, спектры отдельных элементов испытывают существенные колебания. Это результат дискретного расположения Етах источников КЛ. При этом хотелось бы обратить внимание, что из-за значительного отлитая Ешах сверхновых 1а типа и соседних сверхновых ПЫ, 1Ьс2 и ПР типов в спектре тяжелых элементов наблюдается «антиколено» (резкое увеличение показателя у) при энергии 3-7-1015эВ.

В поведении средней массы первичных космических частиц (рис.7) наблюдается резкий рост, начиная от 3-1015эВ, что является естественным результатом изломов спектров элементных групп.

Рис. 6. Энергетические спектры элементных групп от суперпозиции вкладов сверхновых различных типов.

<1пА>

1д(Е)ДеУ

Рис. 7. Энергетическая зависимость средней массы первичных космических частиц.

Для поиска источников КЛ в п.1.5 изложена методика, основанная на накоплении флуктуаций относительно среднего значения, и позволяющая почти на порядок увеличить отношение сигнал / шум.

Траектории частиц космических лучей (вследствие их соударений с межзвездным газом и отклонением заряженных частиц магнитными полями, имеющимися в Галактике) не прямолинейны. При таком движении происходит интенсивное перемешивание частиц от различных источников.

Поиск и исследование источников космических частиц сверхвысоких энергий более эффективны при анализе высокоэнергичных у-квантов, которые не отклоняются магнитными полями и могут указать направление на источник.

При этом используются методы анализа ШАЛ с малым числом мюонов, т.к. полагается, что ливень, образованный у-кваитом, содержит мюоиы, которые возникают, главным образом, в результате фоторождения тс-мезонов. Но сечение этого процесса много меньше сечения генерации л-мезонов ядерно-активными частицами.

Так как относительная интенсивность таких ШАЛ не высока, то необходимы специальные методики выделения сигнала из шума.

В современных экспериментах для выделения сигнала из шума используется способ накопления по времени. Сущность этого способа заключается в проведении определенного числа идентичных измерений одного и того же спектра. Затем получаемые последовательности спектров складываются, сигналы при этом суммируются, а шум вследствие своей хаотичной природы частично усредняется. В случае белого шума при этом происходит увеличение отношения сигнал/шум в

л/я раз, где п - число «записей» в идентичных условиях исходного спектра. Таким образом, чем большее число записей спектра производится, т.е. чем больше времени уходит на измерение, тем выше отношение сигнал/шум.

Сущность предлагаемого нами подхода заключается в сочетании двух действий: накопление отклонений от среднего значения спектра вдоль спектра (горизонтальное накопление) и усреднение спектра по времени (вертикальное накопление). При этом сигналы накапливаются как по горизонтали, так и по вертикали, а шум, вследствие своей хаотичной природы, частично усредняется как при горизонтальном, так и при вертикальном накоплении.

При этом происходит увеличение отношения сигнал/шум в л/"у раз, где Я - площадь под кривой сигнала, а

где к - полное число каналов изменения спектра, Н - показатель коррелированное™ (индекс Херста). В случае белого шума Я = 0,5 [Hurst НЕ, Black R.P., Simaika Y.M. (1965), Long-Term Storage: An Experemental Study (Constable, London)].

Таким образом, этот подход обеспечивает уменьшение затрат времени на накопление спектра дая получения требуемого отношения сигнал/шум в (S/1)2 раз по сравнению со стандартной методикой.

Для понимания сущности предлагаемого метода рассмотрим теоретический пример, в котором точно известны форма сигнала, шума, их отношение и т.п. Рассмотрим некоторый спектр П. Этот спектр представляет собой в общем случае суперпозицию полезного сигнала и шума. Формально для теоретического примера накопление сигнала вдоль спектра можно представить в виде величины Хт - накопленного отклонения от среднего

где т - число каналов, по которым проводится накопление отклонений от среднего значения спектра, 1 <т ¿к П,- - значение спектра в 1 -том канале; г - номер канала, 1 ¿¡¿к, к - полное число каналов изменения спектра П; 1 к

<П>=-]ГП,- среднее значение спектра П на протяжении к «¡=1

каналов.

Выберем к = 1024 каналам. В качестве функции полезного сигнала

т

хт = 1(пг<п>),

С; используем дифференциальную гауссовскую функцию с областью изменения значений [-1; 1]

С,- = -1,4

1,386(2-

0,5<т

—ехр|-0,б9з['

и с параметрами, например, сг = 200 и ¡о = 512, что соответствует центру спектра при к = 1024. Для вычисления функции шума Щ используем стандартную подпрограмму-функцию ЮЯТМ, задающую случайное число в интервале [0; 1]. Чтобы область изменения Щ была [-1; 1], т.е. соответствовала области изменения полезного сигнала, преобразуем эту функцию следующим образом:

Щ = 2-КШМС0-1,

где КЬГОМ(1) - значение, заданное подпрограммой-функцией КЬГОМ(д в ьтом канале.

Представим значения анализируемого теоретического спектра в 1 -том канале в виде суммы полезного сигнала и шума в следующем виде:

П| = А'С; + ВШЬ (4)

где А и В - некоторые коэффициенты, с помощью которых можно задавать любое начальное отношение сигнал/шум.

В качестве иллюстрации на рис. 8 представлены значения анализируемого теоретического спектра П, (4) с параметрами А=0.1 и В=1 (слабый сигнал) и значения Хт для того же спектра после накопления вдоль спектра. Видно существенное улучшение отношения сигнал/шум в результате накопления спектра по предлагаемому способу.

Рис.8. Значения анализируемого теоретического спектра (4) с параметрами А=0.1 и В=1: а) первичного (левый), б) после накопления (правый).

Причина такого увеличения отношения сигнал/шум следующая. Пока нет сигнала (С;=0), вследствие хаотичности шума не происходит сколько-нибудь значительного регулярного накопления отклонений от среднего. Но ситуация существенно изменяется, как только Q становится отличным от нуля на протяжении достаточно большого числа каналов. В этом случае происходит значительное накопление отклонений от среднего <П> за счет накопления сигнала.

В таблице 2 приведены значения отношения сигнал/шум (R=S/N), где 5 - максимальная амплитуда полезного сигнала;

N - дисперсия функции Ш,:

№

кр

Ш,

1 к К 1

в зависимости от числа «прохождений» п для спектра (4) с параметрами А=В= 1, накопленного предлагаемым способом. Для сравнения приведены значения сигаал/шум (К/) для того же спектра, накопленного по стандартной методике, и отношение ЛЯ;.

Таблица 2. Зависимость отношения сигнал/шум от вдела измерений п для значений спектра (4) с параметрами А=В=1

п Ri R R/Ri

1 1,74 36,61 21,01

4 3,34 68,71 20,57

9 5,07 87,52 17,27

16 6,79 105,48 15,54

100 17,12 247,77 14,47

10000 183,48 1878,45 10,23

Как видно из таблицы, в случае обычного усреднения по времени для п измерений происходит увеличение отношения сигнал/шум примерно в 4п раз. Но если использовать предлагаемый способ, то это отношение увеличивается еще более чем на порядок. Таким образом, время измерений для получения одинакового отношения сигнал/шум уменьшается более чем на два порядка по сравнению со стандартной методикой.

Использование предлагаемого способа может быть особенно полезным, когда требуется существенное увеличение отношения: сигнал/шум при экспрессных измерениях, а исходное отношение сигаал/шум очень мало.

Во второй главе, написанной на основе работ [19-23], представлено исследование экспериментальных данных [Апанасенко и др. Препринт

ФИРАН 1996-1] по взаимодействиям космических частиц с энергией более 1 А-ТэВ с ядрами мишенных слоев ренгешмулъсионных камер, экспонируемых в стратосфере Земли. Анализ проводился на основе модифицированного метода нормированного размаха.

В данном стратосферном эксперименте ранее были обнаружены события с аномально большими поперечными импульсами вторичных частиц. При этом интегральное распределение по поперечному импульсу вторичных гамма-квантов, которое приведено на рис.9, описывается двумя экспонентами

= А]ехр(-Р1г/Р01) +А2ехр(-РХу/Р0}), где Ре, = 0,20 ± 0,02 ГэВ/с, аР02= 1,0 + 0,2 ГэВ/с.

При этом хотелось бы отметить, что во взаимодействиях с большим средним поперечным импульсом подавляющее число гамма-квантов имеет Р >0,5 ГэВ/с.

Позднее аналогичные события были обнаружены коллаборациями JACEE и Concorde.

Данные стратосферного эксперимента и данные коллабораций JACEE и Concorde свидетельствуют о том, что «особые» события с большим средним значением поперечного импульса (Р0 ~ 1,0 ГэВ/с) реализуются более часто в ядро-ядерных столкновениях, чем в нуклон-ядерных.

Однако другие общие характеристики этих событий -множественность, псевдобыстротные распределения, распределения гамма-квантов по энергиям - существенно не различаются и не позволяют анализировать особенности динамики взаимодействия.

Анализ экспериментальных данных стратосферного эксперимента, представленный в диссертации, проводился с помощью модифицированного метода нормированного размаха (МНР). Впервые

МНР был предложен в работе [Hurst Н.Е., Black R.P., Simaika Y.M. (1965), Long-Term Storage: An Experemental Study (Constable, London)] для исследования временных последовательностей.

Для количественной характеристики корреляций между членами анализируемой последовательности, МНР использует отношение среднеквадратичного отклонения

S(fc) =

К loi

и размаха, Я, который определяется как разность между наибольшим и наименьшим накопленным отклонением от среднего:

Л J.I

l<iim<k, (5)

где к - полное число членов анализируемой последовательности,

m - число членов последовательности, по которым проводится накопление флуктуктуаций.

Херстом было показано, что нормированный размах подчиняется соотношению:

H (к) = R(k) / ЗД = (ак)\ (6)

где А и а два свободных параметра (А так называемый корреляционный показатель). Причем, если анализируемая последовательность представляет собой белый шум, т.е. совершенно некоррелированный сигнал, то h = 0.5. Случай 0.5 < h < 1 говорит о наличии длинных корреляций в системе (для полностью скоррелированного сигнала - h = 1) (Feder J. "Fractals", Plenum Press, New York, 1988).

Для анализа псевдобыстротных распределений вторичных частиц автором диссертации была проведена модификация процедуры анализа, связанная с выбором способа разбиения анализируемого интервала, нормировкой исследуемого «сигнала», выбором направления оси «времени» и способа усреднения как внутри отдельного события, так и для усреднения по событиям. Это было сделано для учета особенностей (псевдо)быстротных распределений, которые обладают значительно более сложной (для применения МНР) структурой по сравнению с временными рядами с равновероятным распределением значений членов анализируемой последовательности и выделенным направлением развитая процесса. Модельные расчеты показали, что модифицированный МНР позволяет оценивать относительный вклад динамических и статистических флуктуаций псевдобыстротных распределений вторичных частиц и может быть использован для определения «силы» и «длины» корреляций.

Процедура анализа экспериментальных данных стратосферного эксперимента была следующая. Псевдобыстротный интервал, в котором проводился анализ, был ограничен областью пионизации и выбран в

интервале 77 = 3 + 7. Этот интервал Д17 = 4 был разделен на /с=2048 частей.

Подсчитав число частиц, заполнивших каждый подинтервал 5т?, , мы получили последовательность чисел п{. Для анализа флуктуаций в индивидуальных событиях от среднего псевдобыстротного распределения мы рассмотрели последовательность

где и,- - число частиц, попавших в г'-й бин рассматриваемого события; пе - число частиц в этом событии; п{ = - полное число частиц в г'-м

бине для всех событий; п=Еп' - полное число частиц во всех событиях.

Взяв последовательность чисел 1 <, г < к, мы рассчитали значение Щк) = К{к) / Я(к), используя выражение (5). Далее, разбив Непоследовательность чисел на две одинаковые части и получив, таким образом, два независимых ряда «длиной» к' = /с/2, мы рассчитали значение Щк/2) для каждого ряда отдельно. После этого каждый из вновь полученных рядов мы разбили на две части, получив четыре независимых последовательности «длиной» к= к/4, и вычислили Щк/4).

Такая процедура разбивки и анализа вновь получаемых рядов значений § продолжалась до тех пор, пока число членов в рядах -остатках не становилось меньше 16 (»1), после чего процедура деления останавливалась. Результаты дня Н, соответствующие одному и тому же значению к, усреднялись и откладывались в двойном логарифмическом масштабе как функция от к'. Затем, фитом, используя (6), находилось значение показателя А. Все это делалось для одного события.

Усреднение по событиям проводилось двумя способами. Заранее скажем, что конечные результаты для к в обоих вариантах примерно совпали. В первом варианте значения Щк) вычислялись для всех событий и конечное значение Щк) получалось простым усреднением. Затем находился с помощью фитирования показатель коррелированности /1. Во втором способе для каждого события определялся к, а затем уже проводилось усреднение по к

Прежде всего, хотелось бы отметить, что -распределения для событий с большими и обычными Рх подобны (по крайней мере, формально).

В то же время поведение корреляционного индекса (кривой Херста) значительно отличается при 8г) > 0.5, где наблюдается резкое увеличение показателя коррелированности, свидетельствующее об увеличении «силы» корреляций для событий с большими Р± вторичных частиц (рис. 10).

Рис.10. Зависимость корреляционного индекса от величины псевдобыстротного интервала: 1 - события с обычными Pj.; 2 - события с

большими Pi..

Существует множество возможных причин возникновения корреляций: фазовые переходы, промежуточные состояния различного типа, процессы каскадного типа и т.п. Проведя моделирование распределений вторичных частиц на основе различных динамических подходов, было установлено, что подобное поведение показателя Херста может наблюдаться для следующего процесса. В результате высокоэнергичного непериферического взаимодействия двух частиц происходит образование некого общего кластера (или кластеров), которые затем разваливаются на большое количество вторичных частиц, в интервале т/ ± 5т] (5г] <1,7] -псевдобыстрота «частицы»- родителя).

Такой процесс был смоделирован следующим образом. С помощью программы HRNDM, входящий в пакет программ НВООК (Brun R., LienartD. CERN computer centre program library long write-up, 1987), мы генерировали стохастические события с распределениями по псевдобыстроте, аналогичными экспериментальным данным. Часть генерированных частиц, число которых определяется задаваемой вероятность р, играли роль кластеров и распадались случайным образом на j частиц с псевдобыстротами i)mi = 77, + RNDM,„, где RNDM -стохатическая функция, которая изменяется в интервале [-RN, +RN], 1 < m < J, г/, - псевдобыстрота «частицы»- родителя. Варьируя р, j и RN, можно определить кривые, наиболее точно повторяющие поведение экспериментальных кривых.

При этом, чем больше размеры кластера, тем больше излом корреляционной кривой. Более того, такие большие изломы корреляционной кривой, которые наблюдаются для событий с большими Pi. вторичных частиц, не могут быть объяснены с помощью двухчастичных распадов. Так, для кривой, соответствующей процессу с максимальными двухчастичными корреляциями, т.е. процессу, в

котором все вторичные частицы родились из двухчастичных распадов, корреляционный показатель достигает только 0.62. Чтобы объяснить поведение h для этих событий с большими PL, необходимо предположить, что образуется огромная компаунд-система, из которой рождается более 40 % вторичных частиц.

В третьей главе, написанной на основе работ [24-34], представлен анализ коллайдерных данных EMU-01 коллаборации.

Гигантские проекты в ЦЕРНе (Европейский центр ядерных исследований) и BHJI (Брукхевенская национальная лаборатория), исследовавшие взаимодействия встречных пучков Pb-Pb и Аи-Аи, вроде бы обнаружили сигналы КГП. Однако трудности идентификации состояния кварк-глюонной плазмы не позволяют сделать однозначный вывод о том, удалось ли на самом деле получить КГП. Большие надежды возлагаются на большой адронный коллайдер (LHC), где предполагается достичь энергий 6300 ГэВ/нуклон. При этом хотелось бы отметить, что наибольшие усилия были сконцентрированы на исследованиях встречных пучков тяжелых ядер с тяжелыми (для достижения наибольшей энергии взаимодействия), и не достаточно тщательно анализировались другие возможности.

При этом, перспективными для этих целей являются взаимодействия релятивистских ядер с ядерной фотоэмульсией. Это связано с высокой разрешающей способностью ядерных треков в эмульсии, отсутствие порога регистрации для любого из заряженных продуктов реакции (и как следствие - уникальная возможность наблюдения процесса при очень малых передаваемых 4-импульсах), отсутствием (в отличии от экспериментов со встречными пучками) "мертвых" зон (т.е. кинематических областей, в которых детектирование вторичных частиц невозможно) и возможностью анализа взаимодействия различных ядер в совершенно одинаковых экспериментальных условиях.

В диссертации проведен анализ данных EMU-01 коллаборации. При этом наиболее интересные результаты получены при исследовании взаимодействий 32S 200 А-ГэВ и 191 Au 10.7 А-ГэВ с ядрами фотоэмульсии (р, CNO, AgBr) на основе модифицированного метода нормированного размаха. При этом, процедура анализа соответствовала описанной в главе 2 для возможности сопоставления результатов.

Детальный анализ каждого, отдельно взятого события показал, что кроме обычных событий, которые описываются теоретическими моделями типа каскадно-испарительной модели, и показателем скоррелированности h~0.S, существуют события, в которых набшо даются сильные многочастичные корреляции (/i~0.9) в псевдобыстротном распределении вторичных частиц при 8т}> 0.5.

Отбор событий производился по среднему показателю коррелированности. Если фит корреляционной кривой (ln(H(drj)) от

ln(dr\)) был больше 0.62 (т.е. hcp > 0.62), событие относилось к группе коррелированных событий (с изломом корреляционной кривой). Таким же образом можно увеличить критерий отбора до hcp > 0.7 или )гср > 0.8 и анализировать наиболее сильно коррелированные события.

Как видно из рис.11, «сила» корреляций при Л] >0.5 для аномальных событий 32S+Em 200 А-ГэВ, заметно меньше, чем для аномальных событий тАи+Ет 10.7 А-ГэВ (кривая 2 ниже кривой 1).

1. An + Ет 10.7 А-ГэВ с hcp> 0.62; 2.S + Em 200 А-ГэВ с hep> 0.62;

3. Аи + Ет 10.7 А-ГэВ с hcp <, 0.62; 4 .S + Em 200 А-ГэВ с hcp < 0.62.

Рис.11. Зависимость показателя коррелированное™ для EMU-01 данных

Это связано с отсутствием сильно коррелированных (с hcp > 0.8) событии S+Em по сравнению с Аи+Ет, где обнаружено 30 таких событий из 315 анализируемых. Хотелось бы заметить, что и количество событий S+Em с изломом по критерию 0.62 существенно меньше, чем в случае взаимодействия Аи+Ет. В случае серы таких событий 97 из 264 анализируемых, для золота 187 из 315.

Для исследования возможных различий в механизме формирования конечного состояния для двух типов (обычных и аномальных) событий, анализировалось поведение фрагментов ядра снаряда и ядра мишени.

При этом наиболее существенные отличия в распределении вторичных частиц обнаружены для N/,--распределений (рис. 12а, 12Ь), которые представляют собой сумму щ и пЕ частиц (где щ и ns -фрагменты ядра мишени с кинетической энергией Екш<26 МэВ и 26<Еиш<400 МэВ соответственно) и характеризуют степень распада ядра мишени.

Для событий с изломом большая часть взаимодействий событий идет с полным разрушением ядра мишени (пик в области N¡,=0). А в «обычных» взаимодействиях событий с Nh=0 вообще нет.

ш

а)

' ¿о,ьо'

£

м.ьб "«.оо

Мь

л

ь)

юло аоло зо.оо ю.оо

Рис.12. Л',,-распределение для событий Аи+Ет 10.7 А-ГэВ о а) Иср > 0.62 и с Ь) Иср < 0.62

Анализ событий с Иср > 0.7 и Иср >0.8 показал, что полное разрушение ядра мишени наиболее вероятно именно в событиях с большим изломом корреляционной кривой (рис. 13).

"Учитывая сложный состав фотоэмульсии, которая включает в себя водород (39.2%), ядра СМЭ-группы (35.3%) и ядра ЛgBr (25.5%), для выяснения типа, к которому относятся аномальные события, были проана-лизированы распределение я^-частиц (пионов и провзаимодействовавших протонов ядра снаряда с Еющ>400 МэВ) для событий с пь = 0 (рис.14).

Первый пик п1 < 30 в этом распределении складывается из периферических событий взаимодействия золота с ядрами фотоэмульсии и центральных соударенийр + Аи.

XX

'за,оо ь | '*о,оо

N(1

-О

Е

С 100,00 (п

с и

Ш 50,00

»1 I

Ю0.00 40ОДО

П.

Рис, 13. Иц-распределение для событий Аи+Ет 10.7 А ГэВ с /¡„, >0.8

Рис.14.«,-распределение для событий Аи+Ет 10.7 А ГэВ с пъ = О

Второй пик 30 < п, < 200 соответствует центральным взаимодействиям группы легких ядер СИО с ядрами золота. Третий п? >200 - центральным событиям ядер золота с ядрами Афг. Следовательно, проводя расчеты с л, > 200, мы гарантированно исследуем взаимодействие тяжелых ядер Ag и Вг с ядрами золота, ожидая, что наибольшие корреляции должны быть именно в таких взаимодействиях (рис.15).

«.оо

О <2.00

Л

3

с

с

5: '

ш

N.

Тйо

Рис.15. А/),-распределение для событий Аи+Ет 10.7 А ГэВ с п, > 200

Но, как видно из этого рисунка, пик в области N¡,=0, соответствующий событиям с наибольшими значениям показателя коррелированности, в этом случае не наблюдается.

Таким образом, наиболее значительные многочастичные псевдобыстротные корреляции проявляются в центральных взаимодействиях ядер золота и ядер СМЗ-группы, т.е. ядер, сильно отличающихся по объему (атомному весу, заряду и т.п.).

Сопоставление графиков, описывающих поведение корреляционной кривой для событий с аномально большими Р± и ЕМТО1 событий с полным разрушением ядра мишени, позволяет предположить, что они имеют подобную динамику взаимодействия.

В четвертой главе, написанной на основе работ [35-40], проведено исследование некоторых аномальных явлений в физике частиц. Это так называемые «кольцевые» события, аномально большие флуктуации в малых интервалах псевдобыстротных распределений (перемежаемость), большие радиационные поправки (РП) в рождении W-бoзoнoв. Объяснения этих необычных явлений даются квантовополевыми методами и не требуют выхода за рамки Стандартной модели.

В п.4.1 вычислены РП к полному и к дифференциальному сечению процесса е'е~ -»

В настоящее время значительная часть информации о свойствах и взаимодействиях элементарных частиц получается из экспериментов со

встречными пучками, а также из экспериментов по рассеянию высокоэнергичных лептонов на ядрах. Несмотря на малость постоянной тонкой структуры а, сечения процессов, идущих благодаря электромагнитному взаимодействию частиц, больше характерных сечений процессов идущих в е+е~ столкновениях при современных энергиях с участием сильных или слабых взаимодействий. Поэтому извлечение достоверной информации о свойствах адронов из данных экспериментов невозможно без детального знания электромагнитных фоновых процессах.

В диссертации РП вычислялись методом структурных функций, впервые примененным в электрослабой теории Э.А. Кураевым и B.C. Фадиным (Кураев Э.А., Фадин B.C. Ядерная физика, 1985, т.41, с.753) и основанном на ренорм-групповом анализе, широко используемой в квантовой хромодинамике. При этом применяется партонное представлении о столкновениях лептонов и фотонов, согласно которому реальные и виртуальные электрон, позитрон и фотон, излучаемые частицей А (которая, в свою очередь, электрон, позитрон или фотон), можно рассматривать как партоны. Тогда расчет радиационных поправок сводится к вычислению структурных (партонных) функций DA^a(x,S), определяющих вероятность найти партон а с долей импульса х и виртуальностью вплоть до S внутри начальной частицы.

Общий вид структурных функций не известен, но имеется способ их вычисления в рамках главного логарифмического приближения, в котором они подчиняются уравнениям Грибова - Липатова - Альтарелли - Паризи [Грибов В.Н., Липатов А.Н. //Ядерная физика, 1972,т. 15, с.466; Altarelli G., Parisi G. Nucí. Phys., 1977, B126, р.29881,82].

В результате расчетов было получено, что вклад радиационных поправок к полному сечению процесса e+e"-^W+Wr при энергии л/s =2 ТэВ достигает ~20%! Вклад радиационных поправок к дифференциальному сечению этого процесса для энергий 180-2000 ГэВ при малых углах рассеяния составляет ~ 5% от борновского. Для больших углов рассеяния (в ~ 180°) сечение процесса с учетом радиационных поправок значительно превышает сечение рассеяния в борновском приближении. Этот эффект усиливается с ростом энергии, что связано с излучением жестких фотонов первичными элеюрон-позитронными пучками,

Существование аномально больших РП могут имитировать отклонения от Стандартной Модели электрослабых взаимодействий. Оценки, сделанные без учета РП, могут привести к ошибочным выводам.

В п.4.2 проведен анализ экспериментальных данных FNAL, NA22 и NA2З-коллабораций с целью объяснения кольцевых событий (т.е. событий с резкими флуктуациями на оси псевдобыстрот, довольно изотропно распределенными по азимутальному углу) на основе модели

когерентного излучения кварков и глюонов на конечной длине (Дремин И.М., Назиров М.Т. Краткие сообщения по физшсе ФИАН. 1989, № 9, с.45), аналогичного излучению Вавилова-Черешсого в электромагнитных полях.

В соответствии с основной идеей модели для цветных глюонов и кварков длина когерентности из-за конфайнмента ограничена областью существования квазисвободных кварков и глюонов. Ограничение длины когерентности приводит к увеличению угла излучения.

Предполагая слабое изменение кинематики струй в процессе обесцвечивания кварков и глюонов («мягкая» адронизация) можно ожидать существование событий с аномально высокой плотностью вторичных адронов и интервале в, в + АО. Учет знака цветных зарядов излучающих кварка и антикварка приводит к разительным отличиям вторичных спектров, наблюдаемых в рр- и рр-, тг^р-взаимодействиях. Кварк-кварковое тормозное излучение из-за совпадения знаков цветных зарядов приводит к «двугорбовому» быстротному спектру вторичных частиц. Тогда как кварк-ангикварковое тормозное излучение приводит к «одногорбовому», колоколообразному вторичному спектру. Во взаимодействии адронов, имеющих одинаковое кварк-антикварковое «содержание», эффект «двугорбовости» должен «замазываться».

Результаты анализа экспериментальных данных FNAL, NA22 и ЫА23-коллабораций показали, что для комбинированных рр данных при 205 ГэВ, 250 ГэВ и 360 ГэВ при довольно большом фоне заметны два пика в распределении по псевдобыстроте. Для данных л+р и К'р такие пики не наблюдаются.

Таким образом, гипотеза когерентного излучения глюонных струй в адронных взаимодействиях определенно реализуется, но, однако, не является доминирующей.

В п.4.3 дана интерпретация явления перемежаемости на основе модели фазовых переходов первого рода ядерной материи из кварк-глюонного состояния в адронное.

Явление перемежаемости, которое характеризуется кшс степенное поведение факториальных моментов (A.Bialas, R.Peschanski, Nucí. Phys., 1986, 8273, 703) в зависимости от ширины псевдобыстротного интервала 6r¡, вызвало огромный всплеск интереса к изучению корреляций и флуктуаций, т.к. ни одна из теоретических моделей, описывающих множественное рождение частиц, не предсказывала такого поведения факториальных моментов (за исключением описания е+е" аннигиляции, где ситуация менее определена).

Следует отметить, что в настоящее время наблюдается определенный прогресс в описании явления перемежаемости. Так, например, модель случайных каскадов обеспечивает большие флуктуации в малых псевдобыстротных бинах за счет мультипликативной формы вероятности распада. Другая интерпретация,

описывающая поведение факториальных моментов, основана на аналогии с явлением турбулентности в жидкости.

Усиление флуктуаций и степенные законы являются также наиболее характерными признаками при описании фазовых переходов. Идея описания (псевдо)быстротных флуктуаций при помощи теории фазовых переходов второго рода Гинзбурга-Ландау была предложена М.Т. Назировым и R.C. Hwa. (R.C. Hwa, М.Т. Nazirov. Ph.ys.Rev.Lett. 1992, v.69, p.741) При этом было показано, что при таком описании наблюдается сингулярное поведение факториальных моментов. Однако теоретически полученные значения нормированных показателей перемежаемости Д, отличались от экспериментальных.

В диссертации дана интерпретация явления перемежаемости на основе модели фазовых переходов первого рода ядерной материи из кварк-глюонного состояния в адронное.

Общие положения модели следующие.

Пусть п - число адронов в событии в малом фазовом объеме 5 =8у8р, трехмерного фазового пространства z = (у, pt). Усредненное по всем событиям распределение по множественносги, Ри(5), в отсутствие динамических корреляций есть распределение Пуассона. Существование динамических корреляций приводит к тому, что система описывается состоянием |Ф>. Распределение по множественности, Р„(8), определяется теперь функциональным усреднением по всем возможным конфигурациям |Ф> со стандартным весом (вероятностью появления данной конфигурации) - ехр(-Я(ф)), где Н(ф) - аналог свободной энергии или «гамильтониана» системы. В качестве гамильтониана использовался

с(Т)

+ а(Т)\ ф(2) |2 +g(T) | № |3 +b(T) | W) |4

Совпадение теоретически полученных нормированных показателей перемежаемости с /3?, вычисленными по экспериментальным данным, говорит о том, что явление перемежаемости может быть критерием существования фазового перехода кварки адроны.

Однако хотелось бы отметить, что экспериментальные ошибки довольно велики.

ВЫВОДЫ

Предложена новая методика, позволяющая с высокой точностью для ШАЛ-экспериментов определять энергию и оценивать массу первичных космических частиц на уровне гор (500-700 г/см2) с помощью корреляционных кривых зависимости размера ШАЛ от возраста или от наклона каскадной кривой и на уровне моря (1023 г/см2) с помощью кривых размера широкого атмосферного ливня от отношения та ела электронов и мюонов на уровне наблюдения.

Данная методика позволяет подавлять влияние флуктуаций в развитии TTTA.IT на оценку энергии и массы первичных космических частиц. Кроме того, корреляционные кривые инвариантны относительно зенитного угла и уровня наблюдения. Это позволяет продвинуться в решении ряда проблем физики космических лучей, таких, как излом энергетического спектра при 3-Ю15 эВ, изучение массового состава космических лучей при различных энергиях, исследования анизотропии КЛи др.

На основе метода инвариантных корреляционных кривых обнаружен излом в энергетическом спектре тяжелых элементов КЛ при энергии 7-1015эВ и различие массового состава КЛ в различных интервалах зенитного угла. Это может стать серьезным критерием для моделей, претендующих на описание астрофизических проблем.

Проведено моделирование общего энергетического спектра первичного космического излучения в области «колена» на основе модели диффузного ускорения космических частиц ударной волной и учета вкладов от суперпозиции нескольких источников. Предсказываются существенные колебания в энергетическом спектре отдельных элементных групп (р, Не, С, Ре). При этом наиболее важно заключение, что при энергии -7-1015 эВ предсказывается существование «антиколена», т.е. резкого увеличения показателя у, в энергетическом спектре ядер группы Ре и далее резкое увеличение средней массы (увеличение доли тяжелых элементов в массовом составе космических лучей).

Для поиска и исследования источников КЛ с помощью анализа ШАЛ, предложен способ, позволяющий выделять и усиливать полезный сигнал из шума. Использование этого подхода позволяет увеличить отношение сигнал/шум примерно на порядок по сравнению со стандартным методом накопления сигнала по времени. Тем самым, время измерений, необходимое для получения аналогичного отношения сигнал/шум, уменьшается примерно на дна порядка.

Для поиска класса ядро-ядерных взаимодействий с наиболее значительными многочастичными корреляциями с помощью модифицированного метода нормированного размаха были проанализированы флуктуации плотности распределения вторичных заряженных частиц, образованных во взаимодействиях 325 (200 ГэВ на нуклон) и тАи (10.7 ГэВ на нуклон) с ядрами фотоэмульсии (экспериментальные данные ЕМШ1 коллаборации),

В результате анализа были обнаружены аномальные события с большими многочастичными корреляциями. Такие события соответствуют центральным взаимодействиям ядер и имеют следующие характерные черты: в результате взаимодействия происходит полный распад ядра мишени; доведение экспериментальной корреляционной кривой подобно поведению корреляционной кривой, соответствующей

процессам взрывного типа, протекающих с образованием промежуточного кластера.

На основе метода нормированного размаха проведен анализ псевдобыстротных распределений вторичных частиц, образованных во взаимодействиях ядер космического излучения с ядрами мишенных слоев ренгенэмулъсионных камер, для двух типов взаимодействий (с обычными и большими поперечными импульсами), зарегистрированных в стратосферном эксперименте.

Показано, что события, в которых вторичные у-кванты имеют аномально большой поперечный импульс, описываются корреляционной кривой, подобной аномальным событиям, обнаруженным при анализе эмульсионных данных EMU-01. Вероятно, эти события соответствуют одному классу взаимодействий.

Анализ аномальных флуктуаций на основе модели когерентного излучения глюонных струй, подтвердил предсказания о существовании кольцевых событий в ^-взаимодействиях и их отсутствие в Tip-, К*р-взаимодействиях. Результаты обработки экспериментальных данных свидетельствуют о том, что хотя гипотеза когерентного излучения глюонных струй в адронных взаимодействиях определенно реализуется, но не является доминирующей.

Явление перемежаемости описано в терминах фазовых переходов первого рода, аналогичных обычным фазовым переходам в конденсированных средах. Совпадение теоретически полученных нормированных показателей перемежаемости с ßq, определенными по экспериментальным данным, говорит о том, что явление перемежаемости может быть хорошим критерием существования фазового перехода кварки -» адроны.

Вклад радиационных поправок к полному сечению процесса е+е~ —>■ W+W~ при энергии Vs = 2 ТэВ достигает -20% ! Влияние радиационных поправок заметно усиливается с ростом энергии, что связано с излучением жестких фотонов начальными электрон - позитронными пучками.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Boos E.G., Heimelmann G., Lebedev I.A., Lindner A., Röhring A. A new method to reconstruct the energy and mass of primary cosmic ray particles by EAS measurements. // Proc. of Int. Cosmic Ray Conf. Hamburg, Germany, 2001, p.269-272.

2. Boos E.G., Lebedev I.A. Modeling of energy spectrum of cosmic rays in the knee region. // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 32 (2006) 2273-2278.

3. Apel W.D., Lebedev I.A. et al. (KASCADE coll.) Applying Shower Development Universality to KASCADE data // Astropart.Phys. 2008, V29, N6, p412-419.

4. Boos E.G., Lebedev I.A. Determination of primary cosmic particle initiating EAS in individual case. // Известия MOH PIC, сер. физ.-мат., 2000, №6, c.42.

5. Lebedev I. et al. . (KASCADE coll.) Energy spectrum of High-Energy Cosmic Rays - application of new correlation method to KASCADE data // KASCADE-Grande report 2005-03, Forschungszentrum Karlsruhe, Germany, 2005,42 p.

6. Бабаев M.K., Лебедев И.А. u др. Проект создания установки по определению энергии и природы первичной частицы, образовавшей ШАЛ. // Препринт 2001-01, Алматы, 2001,16с.

7. Й.А. Лебедев, Ю.А.Рябшсин. Способ увеличения отношения сигнал/шум. Патент на изобретение № 1209/01 МШС G01N 24/00. №2001/0979.1-7291/2. Заяв. 25.07.01.

8. Boos E.G., Lebedev IA. et al. A determination of the energy and the mass of primary cosmic particle by EAS measurements. // Межд. конф. "Современные проблемы ядерной физики". Ташкент, 2001, с.97-99.

9. Лебедев И.А., Садыков Т.Х., Садыкова Т.С. Влияние космических лучей на физические процессы на Земле. // Межд. конф., посвященная 10-легию независимости РК. Алматы, 2001, с. 95-99.

Ю.Воос Э.Г., Лебедев И.А., Садыков TJC. Непараметрический и нестатистический метод определения энергии и массы первичной космической частицы с помощью измерения ШАЛ. // Известия МОН РК, сер. физ.-мат., 2002, №2, с.68-74.

11 .Boos E.G., Lebedev I.A. Method to reconstruct the energy and mass of individual primary cosmic ray particles. // Proc. 28th Int. Cosmic Ray Conf, Tsukuba, Japan, 2003, p.259-262.

12.Лебедев И.А., Рябикин Ю.А. Новый эффективный метод выделения сигнала из шума. // III Межд. конф. по ядерной и радиационной физике. Алматы, 2001, т. III, с.322-330.

13 .Lebedev I.A. Energy reconstruction of anomalous extensive air showers. // Proc. of 5th Intern. Conf. Modern Problems of Nuclear Physics. Samarkand (Uzbekistan) 2003, p.141.

14 .Боос Э.Г., Лебедев И. А. Новый метод идентификации высокоэнергетичных частиц космического излучения. // Труды IV научной конференции немцев Казахстана, Алматы 2003, с.207-221

15.Лебедев И.А. Определение энергии и массы космических частиц на уровне моря. // "Известия МОН PIC", сер. физ.-мат., 2004, № 26 с.79-85.

16.Лебедев И.А. Влияние выбора модели развития ШАЛ на оценку энергии и массы космических частиц. // Вестник HAH PIC, 2004, № 5, с.20-27.

17. Лебедев И.А. Особенности энергетического спектра первичного космического излучения в интервале 1015-101S эВ. // Доклады НАН

РК, 2004, №5. с. 69-78

18.Боос Э.Г., Лебедев И А., Лебедева А А., Садыков Т.Х. Определение энергии и природы первичной частицы, образовавшей ШАЛ, в индивидуальном случае. // III Межд. конф. по ядерной и радиационной физике. Алматы, 2001, с.95-102.

19.Lebedev LA., Shaihatdenov B.G. The use of Hurst method for rapidity correlations analysis. // J.Phys.G: Nucl.Part.Phys., 1997,23, p. 637-641.

20 .Лебедев И.А. Быстротные корреляции, метод факториальных моментов и метод нормированного размаха.// Изв. МН-АН РК сер.физ-мат, 1997, №2, с40-48.

21 .Lebedev LA. New Method for Analysis of Correlations in Multipartiple Processes. // Phys. At. Nucl., 1997, v60, pl212-1214.

22 .Квочкипа Т.Н., Лебедев H.A., Лебедева A.A. Анализ высокоэнергичных взаимодействий с большими поперечными импульсами//Изв. МН-АН РК сер.физ-мат, 1999, №2, с67-76.

23.Kvochlcina T.N., Lebedev L.A., Lebedeva АА.. An analysis of high-energy interactions with large transverse momentum of secondary particles. //J.Phys. G.: Nucl. Part.Phys. 26 (2000), p.35-41.

24.Adamovich M.L, Lebedev I.A. et al. Fragmentation and multifragmentation of 10.7 AGeV gold nuclei. // Eur. Phys. J. 1999, A5, p.429-440.

25.Андреева Н.П., Лебедев ИА. . u др. Полное разрушение легких и тяжелых ядер при энергиях 3,7-158 АГэВ .// Письма в ЭЧАЯ, Т4, №1[137], 2007, с. 109-118.

26.Adamovich M.L Lebedev LA. et al. Multiparticle correlation in nucleus-nuclear interaction,// Proc.of Int.conf. "Particles production from MeV to TeV energies region", Nijmegen, Holland, 1-14 August 1999, p.430.

27.Adamovich M.L, Lebedev L.A. et al Factorial Moments of 2SSi Induced Interactions with Ag(Br) Nuclei. // Heavy Ion Physics. 2001, v.13. N4. p.11-19.

28.Адамович МЛ., Лебедев И.А. и др. Азимутальные корреляции вторичных частиц во взаимодействиях 32S с ядрами Ag(Br) при 4,5 ГэВ/с/нуклон.// Письма в ЭЧАЯ, 4[101], 2000, с.75-82.

29.Адамович МЛ., Лебедев И.А. и др. Особенности взаимодействия ядер 197Аи (10,7 А ГэВ) и ядер 32S (200 А ГэВ) с ядрами фотоэмульсии. // Известия МОН PIC, сер. физ.-мат., 2001, №б, с.43-53.

ЪО. Андреева Н.П., Гайтинов А.Ш., Лебедев И.А., Филиппова Л.Н., Шайхиева Д.Б. Центральные и периферические взаимодействия ядер Аит (10,7 А ГэВ) и РЬШ (158 А ГэВ) с ядрами фотоэмульсии, // III Межд. конф. по ядерной и радиационной физике. Алматы, 2001, с338-347.

31.Андреева Н.П., Гайтинов А.Ш., Лебедев И.А., Лебедева А.А., Русъкин В.И., Филиппова Л.Н., Шайхиева Д.Б. Аномальные псевдобыстротные корреляции в асимметричных ядро-ядерных взаимодействиях. // Ш

Межд. конф. по ядерной и радиационной физике. Алматы, 2001, с84-95.

Ъ2.Адамович МЛ., Лебедев И.А. и др. Псевдобыстротные корреляции во взаимодействиях ядер 197Аи (10,7 А ГэВ) и ядер 32S (200 А ГэВ) с ядрами фотоэмульсии. // Известия МОН РК, сер. физ.-мат,, 2001, №2, с. 60-68

33.Andreeva N.P., Lebedev I.A. et al. Flow effects in high energy nuclei collisions with Ag(Br) in emulsion. // Phys.At.Nucl., V67, N2 (2004), p.273-281.

34.Андреева Н.П., Гайтинов А.Ш., Лебедев И.А., Филиппова Л.Н., Шайхиева Д.Б. Взаимодействия ядер шАи (10,7 А ГэВ) с ядрами, в которых не наблюдаются фрагменты мишени. // "Известия МОН РК", сер. физ.-мат., 2003, № 6, с. 42-48.

35.Lebedev LA. The radiative corrections for the process: eV W+W". // Proc. of HEPI "Interaction of particles and nuclei at high and superhigh energies.", 1993, p.234.

36.1vkin A.V., Kuraev E.A., Lebedev LA., Nazirov M.T. The large radiative corrections to processes of the lowest order in standard model. // Ядерная физика, т.57,1994, с. 1478.

31.Lebedev I.A, Nazirov M.T. About "confiment" radiation. // Известия HAH РК, сер. физ.-мат., № 2,1995, c.69.

3S.Agababyan N.M., Lebedev I. et al. Comparison at spike production in pp and 7C+p/K*p interactions at 205-360 Gev/c.// Phys. Lett. B. 389 (1996) p.397-404.

39.Lebedev L.A, Nazirov M.T. Intermittency in the second-order phase transition theory. //Proc.Int.Conf. Moscow, 15-21 sept, 1993,p.l44.

40.Lebedev LA, Nazirov M.T. Intermittency in the first- and second-order phase transition theory. // Mod. Phys. Lett. A Vol.9, No 32 (1994) p. 2999.

Отпечатано в ОПНИ ФТИ РК Подписано к печати 07.07.2009г. Тираж 100 экз.

Введение.

1 Изучение аномально флуктуирующих событий на наземных станциях космических лучей.

1.1. Определение энергии и массы первичных космических частиц на основе флуктуационных и корреляционных характеристик ШАЛ на уровне 700 г/см2.

1.1.1. Использование метода Монте-Карло для расчета прохождения ливней через атмосферу.

1.1.2. Учет возраста ливня.

1.1.3. Измерение числа ливневых частиц Ые на двух фиксированных уровнях наблюдения, 2\ и разделенных слоем поглотителя.

1.2 Изучение характеристик первичных космических частиц на уровне моря„,„„,.

1.2.1. КА8СМ)Е-Огапс1е эксперимент.

1.2.2. Моделирование ШАЛ.

1.2.3. Методы определения энергии и массы первичной частицы.

1.2.4. Метод инвариантных корреляционных кривых

1.2.5. Анализ Монте-Карло данных.

1.2.6. Экспериментальные результаты

1.3 Влияние выбора модели развития ШАЛ на оценку энергии и массы космических частиц.

1.4 Особенности энергетического спектра первичного

1С 1 © космического излучения в интервале 10 -10 эВ.

1.5 Методика выделения сигнала из шума.

1.5.1. Метод.

1.5.2. Обсуждение.

1.6 Краткие выводы.

2 Изучение адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий с аномально большими поперечными импульсами вторичных частиц.

2.1 Об области применимости МФМ.

2.2 Метод нормированного размаха.

2.3 Анализ моделированных данных.

2.4 Методика стратосферного эксперимента.

2.5 Анализ экспериментальных данных.

2.6 Краткие выводы.

События с аномально большими многочастичными корреляциями в процессах взаимодействия релятивистских ядер с ядрами фотоэмульсии.

3.1 Данные.

3.2 Процедура анализа.

3.3 Анализ экспериментальных данных.

3.4 Краткие выводы.

Аномальные флуктуации в образовании адронов и радиационные поправки в процессах рождения \¥-бозонов.

4.1 Аномально большие радиационные поправки к процессу е+е~ -> ^^.

4.1.1. Метод структурных функций.

4.1.2. Борновское приближение.

4.1.3. Полное сечение с учетом радиационных поправок.

4.1.4. Дифференциальное сечение с учетом радиационных поправок.

4.2 Аномальные флуктуации плотности вторичных частиц как критерий когерентного излучения глюонных струй.

4.2.1. Модель.

4.2.2. Методика анализа событий.

4.2.3. Данные.

4.2.4. Результаты.

4.3 Перемежаемость в распределении плотности вторичных частиц как критерий фазового перехода кварки -> адроны.

4.3.1. Метод факториальных моментов.

4.3.2. Перемежаемость и фазовые переходы.

4.4 Краткие выводы.

Современная стратегия поиска и исследования новых физических явлений в процессах взаимодействия релятивистских частиц и ядер направлена на увеличение энергии частиц и ядер, разгоняемых на ускорителях, и на увеличение точности анализа космических лучей, которые являются естественным источником высоко энергичных частиц [1].

Изучение таких процессов, необходимо как для получения новых сведений о строении вещества на самых малых пространственно-временных интервалах, о свойствах и состояниях ядерной материи при высоких плотностях и температурах, так и для изучения космических лучей сверхвысоких энергий, методов их ускорения и распространения через космическое пространство.

При этом значительное место в развитии современной физики высоких энергий занимают аномальные явления, так как с одной стороны такие явления являются наиболее критичными к выбору моделей претендующих на описание динамики взаимодействия частиц и ядер при высоких энергиях, а с другой возбуждают интенсивные экспериментальные и теоретические исследования.

Так, обнаружение [2] излома энергетического спектра космических лучей (КЛ) при 3-1015 эВ, вызвало огромный всплеск экспериментальной и теоретической активности во всем мире. Было создано десятки ШАЛ установок. При этом каждая начинала работу с экспериментального исследования этого феномена, который принято называть «коленом».

Такая активность в первую очередь связана с убеждением, что исследование излома энергетического спектра космических лучей может дать ключ к пониманию основных астрофизических проблем, которые в физике космических лучей относятся к источникам космических лучей, механизмам их ускорения и прохождения через космическое пространство.

В целях объяснения указанного излома спектра был выдвинут целый ряд предположений и моделей, которые условно можно разделить на два направления (см. обзор [3] и ссылки там).

Первое - это астрофизическое, когда излом объясняется существованием нерегулярностей в первичном космическом излучении (неоднородность магнитных полей, взаимодействия космических лучей с жестким электромагнитным излучением вблизи источников, существенным увеличением доли тяжелых ядер и т.д.). Иными словами, излом спектра присущ еще первичному космическому излучению и обусловлен механизмом ускорения и прохождения частиц ПКИ в Галактике и Метагалактике.

Второе направление - ядернофизическое, внутри которого излом трактуется как изменение элементарного акта ядерного взаимодействия (изменение процесса адронизации кварков, существенная роль процессов фоторождения и др.).

Существующие вплоть до настоящего времени эксперименты и методы по изучению ШАЛ не дают возможности выбрать одну из этих гипотез. В первую очередь это связано с огромными флуктуациями в развитии ШАЛ в атмосфере Земли. И, как следствие этого, с отсутствием методов, позволяющих проводить нестатистическую идентификацию первичных космических частиц и построить энергетические спектры отдельных элементов.

Все методы оценки энергии и природы космических частиц основаны на использовании моделей развития ливней в атмосфере и заданием механизма генерации вторичных ядерноактивных частиц во взаимодействиях с ядрами атомов атмосферы (Я, О, С, Я). При этом закладываются в расчеты экспериментальные данные, полученные на ускорителях и экстраполируемые в область более высоких энергий.

Существующие здесь модели [4] дают близкие предсказания о развитии ливня заряженных частиц при его прохождении через атмосферу Земли, прежде всего, из-за «усредняющего» фактора, возникающего в результате наложения многочисленных актов последовательных соударений адронов с ядрами атмосферы.

Более существенно на результаты измерения энергии частиц на уровне наблюдения сказываются флуктуации параметров первого (нескольких первых) взаимодействий (глубины зарождения ливня, множественностей и т.д.), связанные с сечением взаимодействия протонов и других частиц космического излучения с атомными ядрами атмосферы. Разброс глубины «начала» ливня в атмосфере приводит к существенному разбросу измеряемого на уровне наблюдения числа частиц Ые, и, соответственно, к огромным ошибкам в оценке первичной энергии, Е, определяемой, как правило, из степенного закона

Ые=аЕр, где а и /3 - коэффициенты, которые зависят от уровня наблюдения, массового состава космического излучения и модели развития ШАЛ в атмосфере.

Вследствие этого, обычно экспериментаторы оперируют не с одиночными событиями, а с целым ансамблем ливней, разбитых на группы по числу электронов на уровне наблюдения. Безусловно, такая процедура не всегда однозначна и оставляет чувство неудовлетворенности.

Исследования на ускорителях, обладая спектром более мощных и более точных возможностей, позволяют уточнять результаты (полученные при изучении КЛ) в количественном отношении и дать более полную физическую интерпретацию наблюдаемых явлений. Поэтому сравнительный анализ взаимодействий, зарегистрированных в космических лучах и на коллайдерах, является актуальным как для изучения КЛ, так и для изучения динамики процессов множественного рождения частиц.

Кроме того, информация о динамике взаимодействия релятивистских частиц, получаемая на ускорителях и с помощью прямых измерений КЛ (баллонные и космические эксперименты), необходима для построения моделей, описывающих развитие широких атмосферных ливней (ШАЛ) в атмосфере Земли. В то же время, ШАЛ на данный момент являются единственным источником информации о взаимодействиях частиц и ядер с энергией выше 1015 эВ.

Более того, актуальность изучения взаимодействий релятивистских ядер связана с поиском необычных состояний ядерной материи, которые могут проявиться в столкновении ядер при больших передачах энергии, в частности, кварк-глюонной плазмы (КГП) [5]. Подобное состояние, в котором нет индивидуальных нуклонов, а все кварки внутри плазмы находятся в квазисвободном состоянии, предсказано в рамках квантовой хромодинамики.

Поиски КГП - заманчивая задача многих экспериментаторов в мире. Строятся большие установки, создаются сверхмощные и сверхдорогостоящие ускорители тяжелых ионов на сверхвысокие начальные энергии. Идея состоит в том, чтобы при столкновениях тяжелых ионов, т.е. большого числа нуклонов в области столкновения, создать соответствующие условия (высокие плотности и температуры) для образования КГП.

Теоретические оценки показывают, что в столкновениях ядер с энергией 100 ГэВ на нуклон может быть достигнута барионная плотность и 2-3 раза превышающая плотность стабильной ядерной материи. Кроме того, образующаяся в области столкновения ядер система сильновзаимодействующих частиц существует достаточно долго для достижения состояния термодинамического равновесия при температуре около 200 МэВ, превышающей температуру фазового перехода в состояние кварк-глюонной плазмы [6].

Гигантские проекты в ЦЕРНе и БНЛ, исследовавшие взаимодействия РЬ-РЬ и Аи-Аи, заявили об обнаружении сигналов КГП [7]. Однако трудности идентификации состояния кварк-глюонной плазмы не позволяют сделать однозначный вывод о том, удалось ли на самом деле получить КГП. Большие надежды возлагаются на большой адронный коллайдер (ЬНС), где предполагается достичь энергий 6300 ГэВ/нуклон.

При этом хотелось бы отметить, что наибольшие усилия были сконцентрированы на исследовании встречных пучков тяжелых ядер с тяжелыми. Для комплексного поиска класса событий, в которых обнаружение КГП наиболее вероятно, целесообразно проанализировать взаимодействия различных ядер.

При этом наиболее перспективными для этих целей являются взаимодействия релятивистских ядер с ядерной фотоэмульсией. Это связано с высокой разрешающей способностью ядерных треков в эмульсии, отсутствие порога регистрации для любого из заряженных продуктов реакции (и как следствие - уникальная возможность наблюдения процесса при очень малых передаваемых 4-импульсах), отсутствием (в отличие от экспериментов со встречными пучками) "мертвых" зон (т.е. кинематических областей, в которых детектирование вторичных частиц невозможно) и возможностью анализа взаимодействия различных ядер в совершенно одинаковых экспериментальных условиях.

Наиболее перспективными с точки зрения поиска КГП считаются исследования центральных ядро-ядерных взаимодействий, а также взаимодействий с аномальными характеристиками: большие множественности и большие поперечные импульсы вторичных частиц, высокая плотность частиц на единичный интервал распределения по псевдобыстроте и т.д. [8].

Наряду с новыми физическими свойствами, в некоторых случаях аномальные явления являются всего лишь следствием влияния неучтенных характеристик стандартных моделей.

Так, например, большое влияние на результаты теоретического анализа могут оказать обычные радиационные поправки (РП). Они приводят к изменению угловых и энергетических спектров рождающихся частиц и продуктов их распада. Большие вклады РП могут имитировать отклонения от Стандартной Модели, и оценки, сделанные без их учета, могут привести к ошибочным выводам.

Трудности стандартного подхода к вычислению радиационных поправок в электрослабой теории является большое число петлевых диаграмм, что приводит к чрезвычайно громоздким результатам и требует больших компьютерных возможностей для аналитических и численных расчетов.

Более перспективным для решения этой задачи является метод структурных функций, предложенный в работе Э.А. Кураева и B.C. Фадина [9]. Этот метод основан на партонной картине е+е~ - аннигиляции, аналогичной той, которая применяется в квантовой хромодинамике (КХД), и позволяет учесть электромагнитные радиационные поправки во всех порядках теории возмущений в рамках главного логарифмического приближения.

Изучения флуктуационных и корреляционных особенностей распределений вторичных частиц в процессах множественного рождения частиц, проводимые в последние годы, оказались чрезвычайно идейно плодотворными. Открытие событий с аномальными флуктуациями (см. обзор [10] и ссылки там) и явления перемежаемости [11] в экспериментах довольно широкого класса (от электрон-позитронных до ядро-ядерных взаимодействий) породило интенсивные исследования во многих лабораториях мира.

При этом изучение таких больших нестатистических флуктуаций адронной (ядерной) материи потребовали и новых подходов к анализу данных, отличных от стандартных математических методов обработки [12].

Существующие в данное время динамические подходы к решению проблемы аномальных флуктуаций сводятся к их моделированию в рамках регулярной или стохастической динамики.

Пока не ясно, насколько глубоки физические аналогии. Но очень часто именно они позволяют понять явление и выработать некие новые подходы к решению проблемы.

Так, например, модель когерентного излучения глюонных струй, предложенная И.М. Дреминым [13], была основана на аналогии с черенковским излучением фотонов. Эта модель приводила к предсказаниям, что из-за ограничения (явлением конфайнмента) длины формирования излучения, должны наблюдаться пики в узких интервалах псевдобыстрот на большие углы в системе центра масс сталкивающихся адронов. Причем, учет цветного заряда кварка должен был привести к различию в псевдобыстротных спектрах в рр- и рр-, к+р-, К+рвзаимодействиях. Из-за деструктивной интерференции кварк-кварковые излучения должны давать (благодаря одинаковому цветному заряду) "двугорбовый" быстротный спектр вторичных частиц, а кварк-антикварковые излучения приводят к "одногорбовому" вторичному спектру (как результат конструктивной интерференции).

В работе [14] была предложена методика выделения плотных групп в распределении вторичных частиц и на ограниченной статистике было показано, что для /^-взаимодействий действительно наблюдаются два "горба" в псевдобыстротном распределении.

Для подтверждения этой гипотезы необходимо было также проверить "одногорбовые" события, а также рр события на более высокой статистике.

Другая гипотеза исходит из того, что появление флуктуаций обусловлено стохастическим характером процесса.

Для решения данной проблемы в работах [15,16] было предложено изучать поведение нормированных факториальных моментов <п{п - 1).(и -д +1) > п>" в зависимости от ширины псевдобыстротного бина.

Факториальные моменты оказались чрезвычайно чувствительны к малейшим флуктуациям псевдобыстротных распределений. Анализ экспериментальных данных с помощью факториальных моментов оказался жестким критерием на право существования различных подходов и моделей, которые до этого успешно описывали процессы множественного рождения.

Факториальные моменты были вычислены по экспериментальным данным во многих реакциях при разных энергиях (см. обзор [17]). Анализ данных показал, что, по крайней мере, в области 0.1<<5т7<1 наблюдается, так называемое, явление перемежаемости, которое определяют как степенное поведение факториальных моментов в зависимости от ширины псевдобыстротного интервала 8т]: где (рд - так называемые, показатели перемежаемости. Полученные значения (рд оказались сравнительно небольшими, но все же заметно отличными от нуля.

Все попытки объяснить это явление традиционно, т.е. найти неучтенные ранее особенности предлагавшихся моделей или каким-либо образом свести флуктуации к чисто статистическим, либо к слабым парным корреляциям и т.п. успеха не принесли.

Однако усиление флуктуации и степенные законы являются наиболее характерными признаками при описании фазовых переходов. Поэтому логично попробовать описать перемежаемость с точки зрения фазового перехода из кварк-глюонной фазы в адроную.

Попытка описать явление перемежаемости с помощью теории фазовых переходов второго рода Гинзбурга-Ландау была сделана М.Т. Назировым и КС. Н\уа [18]. В этой работе было показано, что в рамках этой модели наблюдается сингулярное поведение факториальных моментов. Однако теоретически полученное значение параметров, связанных с показателями перемежаемости этого параметра, оказалось отличным от значения, оцененного по экспериментальным данным. Поэтому целесообразно было попробовать описать явление перемежаемости с помощью фазовых переходов первого рода.

Несмотря на все достоинства метода факториальных моментов (МФМ), существует и ряд серьезных недостатков. МФМ имеет ограниченную область применения: непригоден в случае больших гауссовских шумов и не может анализировать дальнодействующие корреляционные связи.

Для решения этой задачи удобно использовать методику накопления флуктуаций. Для анализа временных рядов такой метод был предложен Херстом [19]. Для учета особенностей (псевдо)быстротных распределений, которые обладают значительно более сложной (для применения МНР) структурой по сравнению с временными рядами с равновероятным распределением значений членов анализируемой последовательности и выделенным направлением развития процесса, необходимо было модифицировать этот метод применительно к исследованию множественных процессов и затем использовать для анализа экспериментальных данных.

В окрестностях нескольких десятков ТэВ исследования на ускорителях смыкаются с экспериментами, изучающими космические лучи на основе прямых измерений. Такие эксперименты представляют значительных интерес как для изучения энергетических спектров и массового состав КЛ, так и для исследования события с аномальными характеристиками.

Так, во взаимодействиях ядер первичного космического излучения с энергией выше 1 А-ТэВ с помощью метода рентгенэмульсионных камер, экспонируемых на высотах около 30 км в стратосфере, были обнаружены события с аномально большими поперечными импульсами вторичных частиц [20].

Попытки анализа этих событий с помощью стандартных методов не принесли существенных результатов для понимания природы таких взаимодействий. Тем более что другие общие характеристики -распределение по множественности, псевдобыстротные распределения, распределения гамма-квантов по энергиям - подобны обычным событиям и не позволяют выявить какие-либо различия в механизмах их генерации.

Итак, исследование аномальных явлений и флуктуаций является актуальной и важной задачей, поскольку, с одной стороны, эта проблема является наиболее критичной для всех моделей, претендующих на описание высокоэнергичных процессов взаимодействия элементарных частиц и ядер, с другой стороны, традиционные подходы к описанию процессов множественной генерации, а также новые теоретические интерпретации, несмотря на существенный прогресс, на современном этапе не могут описать в совокупности наблюдаемые флуктуации и корреляции.

Цель диссертации состояла в исследовании аномальных явлений и флуктуаций в процессах взаимодействия частиц и ядер, как на уровне элементарного акта, так и в ШАЛ экспериментах, а также в разработке новых методов поиска и анализа таких явлений.

Научная новизна работы.

1. Предложена методика определения энергии и массы первичных космических частиц с помощью измерения ШАЛ, регистрируемых на наземных станциях, на основе различных инвариантных корреляционных кривых. На уровне гор предложено использовать кривые зависимости числа электронов, Ые, от «возраста» ливня и кривые зависимости Ые от разницы размера ШАЛ на двух уровнях наблюдения, разделенных слоем поглотителя. На уровне моря кривые зависимости Ые от отношения числа мюонов и электронов.

2. На основе метода инвариантных корреляционных кривых обнаружен излом в энергетическом спектре тяжелых элементов КЛ при энергии 7-1015эВ и анизотропия КЛ по зенитному углу.

3. Даны теоретические предсказания поведения энергетических спектров элементных групп и массового состава космических лучей в области «колена» на основе модели диффузионного ускорения частиц ударной волной и учета суперпозиции вкладов от нескольких источников КЛ (взрывов сверхновых звезд различных типов).

4. Для поиска источников КЛ разработана методика выделения и усиления полезного сигнала из шума на основе накопления флуктуаций вдоль «спектра».

5. Обнаружены события с аномальными корреляциями в псевдобы-стротном распределении вторичных частиц, образованных во

ЛЛ 1 ла взаимодействиях ядер серы ( 5 200 А-ГэВ) и золота С'Аи 10.7 А-ГэВ) с ядрами фотоэмульсии (Я, СЫО, AgBr).

6. Дана интерпретация событий с большими поперечными импульсами вторичных частиц, образованных во взаимодействиях ядер космического излучения с ядрами мишенных слоев ренгенэмульсионных камер как процессов взрывного типа, протекающих с образованием промежуточного кластера.

Научная и практическая ценность работы.

1. Предложенная в диссертации методика позволяет существенно уменьшить ошибку определения энергии и массы первичных космических частиц и, как следствие этого, продвинуться в решении ряда проблем физики космических лучей, таких, как изучение энергетического спектра элементных групп, поведение массового состава космических лучей при различных энергиях и др. Использование этой методики для анализа экспериментальных данных КАБСАБЕ коллаборации позволило обнаружить излом в энергетическом спектре тяжелых элементов К Л при энергии 7-1015эВ и анизотропию КЛ по зенитному углу. Это может стать серьезным критерием для моделей, претендующих на описание астрофизических проблем.

2. Учет вкладов от суперпозиции нескольких источников КЛ с определенным массовым составом позволяет объяснить (без привлечения трудно проверяемых астрофизических или ядернофизических гипотез) особенности энергетического спектра КЛ в области «колена». При этом предсказывается существование «антиколена» (т.е. излома спектра с резким увеличением у) в энергетическом спектре тяжелых элементов при энергии -3-7-1015 эВ и значительное увеличение содержания тяжелых элементов в составе космического излучения при энергиях выше 3-1015 эВ.

3. Использование методики накопления флуктуаций вдоль спектра позволяет увеличить отношение сигнал/шум примерно на порядок по сравнению со стандартным методом накопления сигнала по времени. Тем самым время измерений, необходимое для получения аналогичного отношения сигнал/шум, уменьшается примерно на два порядка.

4. Анализ ядро-ядерных взаимодействий (данные ЕМШ1 коллаборации) позволил выделить класс событий с аномальными многочастичными корреляциями в распределении вторичных частиц. Исследование особенностей фрагментации таких взаимодействий показало, что наиболее значительные многочастичные псевдобыстротные корреляции обнаруживаются в центральных взаимодействиях тяжелых ядер и ядер СМ9-группы, в которых наблюдается полный развал ядра мишени. При этом поведение экспериментальной корреляционной кривой подобно поведению корреляционной кривой, соответствующей процессам взрывного типа, протекающих с образованием промежуточного кластера.

5. Анализ экспериментальных данных стратосферного эксперимента для распределений вторичных частиц для 2-х типов взаимодействий (с обычными и большими поперечными импульсами) показал наличие значительных многочастичных корреляций в псевдобыстротных распределениях вторичных частиц с большими поперечными импульсами по сравнению со взаимодействиями с обычными Р^. При сравнении поведения показателя коррелированности оказалось, что события с большими поперечными импульсами вторичных частиц, обнаруженные в стратосферном эксперименте, так же, как и аномальные события ЕМШ1, имеют подобное поведение показателя коррелированности и, следовательно, эти события имеют подобную динамику взаимодействия.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Решение (на основе использования инвариантных корреляционных кривых) проблемы уменьшения влияния гигантских флуктуаций в развитии ШАЛ на результаты нестатистического определения энергии первичных космических частиц.

2. Интерпретация особенностей в спектрах элементных групп КЛ на основе модели диффузионного ускорения частиц ударной волной и учета вкладов от суперпозиции нескольких источников космических лучей (взрывов сверхновых звезд различных типов).

3. Обнаружение (на основе метода нормированного размаха) во взаимодействиях ядер 32£ 200 А*ГэВ и ^Аи 10.7 АхГэВ с ядрами фотоэмульсии событий со значительными многочастичными корреляциями в псевдобыстротном распределении вторичных частиц.

4. Обнаружение существенного излома кривой Херста в событиях с большими поперечными импульсами, зарегистрированных в стратосферном эксперименте.

Личный вклад автора.

В получении результатов, выносимых на защиту, личный вклад автора является определяющим.

Апробация работы

Результаты, содержащиеся в диссертации, обсуждались на рабочих совещаниях КАБСАБЕ коллаборации (Карлсруэ, Германия, 2003, 2005, 2007), на международном рабочем совещании по космическим лучам «Тянь-Шань 2006» (Алматы, 2006), на международной конференции «Суверенный Казахстан: 15летний путь развития космической деятельности» Алматы, 2006), на 29-й международной конференции по космическим лучам (Пуне, Индия, 2005), на 28-й международной конференции по космическим лучам (Тсукуба, Япония, 2003), на 27-й международной конференции по космическим лучам (Гамбург, Германия, 2001), на Международной конференции «Современные проблемы ядерной физики» (Ташкент, 2001), на III международной конференции по ядерной и радиационной физике (Алматы, 2001), на Международной конференции «Рождение частиц при МэВных и ТэВных энергиях (Наймеген, Голландия, 1.08-14.08, 1999), на Международной конференции «Ряды, последовательности и их корреляционные свойства» (Бад-Уиндсхейм, Германия, 2-14.08.1998), на Европейской школе по физике высоких энергий (Санта Эндрю, Шотландия, 23.08-05.09 1998), на Международной конференции для молодых ученых по Проблемам Ускорителей Заряженных Частиц (Дубна, Россия, 2-9 сентября, 1996), на Международной конференции по физике высоких энергий и квантовой теории поля (Москва, Россия, 15-21 сентября, 1993), на семинарах ФТИ МОИ РК, ИЯФ НЯЦ РК, ФИРАН.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 46 научных работ [21-66], в том числе 13 в рекомендуемых ВАК РФ и 17 в рекомендуемых ВАК РК.

Связь с научно-исследовательскими государственными и международными программами.

Работа выполнялась в соответствии с планами научной работы Физико-технического института МОН РК по Государственной Программе фундаментальных исследований Ф.0090 тема: «Изучение особенностей ядро - ядерных взаимодействий при энергиях 3,7-200 АГэВ», по Государственной Программе фундаментальных исследований Ф.0193 «Экспериментальное и теоретическое исследование взаимодействий ядер при релятивистских энергиях», по НТП 0313 «Исследование динамики взаимодействий элементарных частиц и ядер при высоких энергиях», по Государственной программе «Физика взаимодействия частиц и ядер, ускоренных в земных условиях и в космическом пространстве».

Исследования поддерживались грантами НАТО, Немецкого физического союза (ОГО), Гамбургского университета, Фонда науки РК. Исследования проводились совместно с международными коллаборациями ЕМ1Ю1, ВЕСдЦЕЯЕЬ, КАБСАБЕ, НЕС11А.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа объемом 217 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, 7 таблиц и 89 рисунков.

Заключение

Предложена новая методика, позволяющая с высокой точностью для ШАЛ-экспериментов определять энергию и оценивать массу первичных космических частиц на уровне гор (500-700 г/см2) с помощью корреляционных кривых зависимости размера ШАЛ от возраста или от наклона каскадной кривой и на уровне моря с помощью кривых размера широкого атмосферного ливня от отношения числа электронов и мюонов на уровне наблюдения.

На основе экспериментальных данных КАБСАБЕ коллаборации с помощью метода инвариантных корреляционных кривых обнаружен излом в энергетическом спектре тяжелых элементов КЛ при энергии 7-1015эВ и анизотропия КЛ по зенитному углу.

Проведено моделирование общего энергетического спектра первичного космического излучения в интервале 1015-1018 эВ на основе модели диффузного ускорения космических частиц ударной волной от суперпозиции нескольких источников. Предсказываются существенные колебания в энергетическом спектре отдельных элементных групп (р, Не, С, 57, Ре).

При этом наиболее важно заключение, что при энергии ~1016 эВ предсказывается существование «антиколена» в энергетическом спектре ядер группы Ре и далее резкое увеличение средней массы (увеличение доли тяжелых элементов в массовом составе космических лучей).

Для поиска и исследования источников КЛ с помощью анализа ШАЛ, образованных у-квантами, предложен способ, позволяющий выделять и усиливать полезный сигнал из шума. Использование этого подхода позволяет увеличить отношение сигнал/шум примерно на порядок по сравнению со стандартным методом накопления сигнала по времени. Тем самым, время измерений, необходимое для получения аналогичного отношения сигнал/шум, уменьшается примерно на два порядка.

Задачей дальнейших исследований является восстановление первичного спектра по результатам измерения характеристик ШАЛ на уровне наблюдения. Поскольку все выводы сделаны в рамках «теоретического» эксперимента, представляется весьма желательным использовать развитую идеологию в анализе атмосферных ливней, измеренных в реальных установках.

Анализ экспериментальных данных позволит с помощью этой методики продвинуться в понимании проблемы происхождения и способов ускорения космических частиц сверхвысоких энергий.

Анализ экспериментальных данных стратосферного эксперимента для распределений вторичных частиц для 2-х типов взаимодействий (с обычными и большими поперечными импульсами) показал наличие значительных многочастичных корреляций в псевдобыстротных распределениях вторичных частиц с большими поперечными импульсами по сравнению со взаимодействиями с обычными Р^. При этом поведение показателя коррелированности при изменении величины псевдобыстротного бина соответствует событиям взрывного типа, протекающих с образованием некоего промежуточного состояния.

Для поиска класса ядро-ядерных взаимодействий с наиболее значительными многочастичными корреляциями с помощью модифицированного метода нормированного размаха были проанализированы флуктуации плотности распределения вторичных заряженных частиц, образованных во взаимодействиях 32£ (200 ГэВ на

1 ОТ нуклон) и Аи (10.6 ГэВ на нуклон) с ядрами фотоэмульсии (экспериментальные данные ЕМШ1 коллаборации).

В результате анализа были обнаружены аномальные события с большими многочастичными корреляциями. Такие события соответствуют центральным взаимодействиям ядер, сильно отличающихся по объему (атомному весу, заряду и т.п.), и имеют следующие характерные черты: в результате взаимодействия происходит полный распад ядра мишени; поведение экспериментальной корреляционной кривой подобно поведению корреляционной кривой, соответствующей процессам взрывного типа с образованием некоего промежуточного кластера.

При сравнении поведения показателя коррелированности оказалось, что события с большими поперечными импульсами вторичных частиц, обнаруженные в стратосферном эксперименте, так же, как и аномальные события ЕМ1Ю1, имеют излом корреляционной кривой при 8гр>0,5 и подобное поведение показателя коррелированности и, вероятно, эти события имеют подобную динамику взаимодействия.

Анализ аномальных флуктуаций на основе модели когерентного излучения глюонных струй, подтвердил предсказания о существовании кольцевых событий в /^-взаимодействиях и их отсутствие в к+р-, }Ср-взаимодействиях. Результаты обработки экспериментальных данных свидетельствуют о том, что хотя гипотеза когерентного излучения глюонных струй в адронных взаимодействиях определенно реализуется, но не является доминирующей.

Наряду с исследованиями (псевдо)быстротных распределений в полном фазовом объеме, был проведен анализ этих распределений в малых (псевдо)быстротных бинах методом факториальных моментов. При этом явление перемежаемости описано в терминах фазовых переходов первого рода, аналогичных обычным фазовым переходам в конденсированных средах.

Совпадение теоретически полученных нормированных показателей перемежаемости с определенными по экспериментальным данным, говорит о том, что явление перемежаемости может быть хорошим критерием существования фазового перехода кварки -» адроны.

Радиационные поправки существенно влияют на угловые и энергетические спектры распределения вторичных частиц. Особенно сильно это проявляется при высоких энергиях. Так, вклад радиационных поправок к полному сечению процесса е+е —> W^W при энергии 4s =2 ТэВ достигает -20%!

Вклад радиационных поправок к дифференциальному сечению этого процесса для малых углов -5%. Для больших углов (0 ~ 180°) дифференциальное сечение процесса с учетом радиационных поправок значительно превышает рассчитанное в борновском приближении. Влияние радиационных поправок заметно усиливается с ростом энергии, что связано с излучением жестких фотонов начальными электрон - позитронными пучками.

Большие вклады радиационных поправок могут имитировать заметное отклонение от Стандартной Модели. Оценки, сделанные без их учета, могут привести к ошибочным выводам. Поэтому, эти эффекты должны обязательно учитываться при проведении программ по высокоточным измерениям характеристик W - бозонов, при поиске отклонений от Стандартной Модели и т.п. на новых строящихся ускорителях.

В заключение я хотел бы поблагодарить всех моих коллег и соавторов за полезное обсуждение и совместную плодотворную работу. При этом хотелось бы выделить д.ф.-м.н. НазироваМ.Т., д.ф.-м.н., проф. РуськинаВ.Н. и д.ф.-м.н., академика HAH PK Боос Э.Г., которые оказали существенное влияние на формирование моего научного мировоззрения на различных этапах моей научной деятельности. Огромная благодарность к.ф.-м.н. Квочкиной Т.Н., к.ф.-м.н. Гайтинову А.Ш., к.ф.-м.н. Андреевой Н.П., которые предоставили мне возможность обработки экспериментальных данных стратосферного эксперимента и EMU01 коллаборации, а также Шайхиевой Д.Б., Слядневой В.Н., Фесенко Н.В. и Федюркиной Н.В., которые участвовали в получении этих данных. Хочу поблагодарить за консультативную научную помощь и плодотворную совместную работу д.ф.-м.н. Садыкова Т.Х., к.ф.-м.н. Кучина И.А., д.ф.-м.н. Локтионова A.A., д.ф.-м.н. Кураева Э.А., к.ф.-м.н. Ивкина A.B., к.ф.-м.н. Сахояна С.Н., Аргынову А.Х., Покровского Н.С., к.ф.-м.н. Кочелева H.H., к.ф.-м.н. Зарубина П.И. и зарубежных коллег Prof. Haungs A. J., Prof. Heinzelmann G., Dr. Lindner А. и Dr. Röhring А. Особую благодарность хочу выразить Сатиевой Л.Б. за помощь в компьютерном наборе, редактировании и систематизации материалов диссертации и Филипповой Л.Н. за огромную помощь в проведении численных расчетов и обсуждении результатов анализа.

1. Yodh G.B. Cosmic Rays, Particle Physics and the High Energy Frontier. // Proc. 29th Int. Cosmic Ray Conf. Pune, 2005,10,13-36.

2. Куликов Г.В., Христиансен Г.Б., ЖЭТФ 35 (1959) 441.

3. Kampert K.-H. et al. The physics of the knee in the cosmic ray spectrum // KASCADE coll. 2002 Proc 27th ICRC (Hamburg) Inv., Rapp. and Highlight papers, P. 240-249.

4. Heck D„ Knapp J., Capdeville J.N., Schatz G„ Thouw T. CORSIKA: A Monte Carlo Code to Simulate Extensive Air Showers // FZKA 6019, Karlsruhe, 1998, 89p.

5. Boos E.G., Madigozhin D. Astropart. Phys. 9 (1998) 311-324.

6. Satz H. The quark-gluon plasma // Proc. Int. Conf. "Particle production spanning MeV and TeV energies". Nijmegen, Netherlands 1999 p.101-117.

7. Салеев В.А. Кварк-глюонная плазма новое состояние вещества // СОЖ. 2000, Т. 6, № 5, С. 64-70.

8. Satz Н. Colour deconfinement and quarkonium binding // J.Phys.G 32 (2006) R25-R69

9. Maiani L. Towards a new state matter: Progress on Quark-Gluon Plasma// Proc .of Int.Conf. Quark matter'2005, Budapest, http://qm2005.kfki.hu

10. Кураев Э.А., Фадин B.C. Ядерная Физика, 1985, т.41, с.753.

11. Kittel W. Correlationg and fluctuations in high energy collisions // Proc. Int. Conf. "Particle production spanning MeV and TeV energies". Nijmegen, Netherlands 1999, p.157-182.

12. Sengupta K., Jain P.L., Simgh G., Kim S.N. Intermittency in multiparticle production at ultra-relativistic heavy ion collisions. // Phys. Lett. B, 1990, V. 236, №3, P. 219-223.

13. Singh J.B., Kohli J.M. Intermittency patterns in pp collisions at 360 GeV/c // Phys. Lett. B, 1989, V. 261, N 1,2, P. 160-164.

14. Agababyan N.M. et al. Intermittency effects in 7i+p and K+p collisions at 250 GeV/c //Phys. Lett., 1990, B235, p.373.

15. Дремин И.М. Квантовая хромодинамика и распределения частиц по множественности // УФН, 1994, т.164, с.785-809.

16. Дремин И.М. Когерентное адронное излучение при сверхвысоких энергиях // Письма в ЖЭТФ. 1979. т. 30. с. 152-156.

17. Дремин И.М., Локтионов А.А., Назиров М.Т. Ядерная Физика, 1990, т.52, с.840.

18. Bialas A., Peschanslci R. Moments of rapidity distributions as a measure of short-range fluctuations in high-energy collisions // Nucl. Phys., 1986, В 273, P. 703-717.

19. Bialas A., Gazdzicki M. A new variable to study intermittency // Phys. Lett. B, 1990, V. 252, N 3, P. 483-486

20. Вольф Э.А.Д., Дремин И.М., Китель В. Поведение корреляций и флуктуаций в процессах рождения адронов при высоких энергиях // УФН. 1993. т.163. №1.

21. Hwa R.C., Nazirov М.Т. Phys. Rev. Lett., 1992, V. 69, P. 741.

22. Hurst H.E., Black R.P., Simaika Y.M. (1965), Long-Term Storage: An Experemental Study (Constable, London)

23. Apanasenko A. et al // Proc 21st ICRC, 1990, Adelaide, v.8, p. 112.

24. Lebedev I.A. The radiative corrections for the process: eV -> Vv^W". // Proc. of HEPI "Interaction of particles and nuclei at high and superhigh energies.", 1993, p.234.

25. Lebedev I.A, Nazirov M.T. Intermittency in the second-order phase transition theory//Proc.Int.Conf. Moscow, 1993, Sept. 15-21, P. 144.

26. Lebedev I.A, Nazirov M.T. Intermittency in the first- and second-order phase transition theory // Preprint HEPI 93-12, 1993, Almaty.

27. Lebedev I.A, Nazirov M.T. Intermittency in the first- and second-order phase transition theory // Mod. Phys. Lett. A 1994, V. 9, No 32, P. 2999.

28. Ivkin A.V., Kuraev E.A., Lebedev I.A., Nazirov M.T. The large radiative corrections to processes of the lowest order in standard model // Ядерная физика, 1994, т. 57, с. 1478.

29. Lebedev I.A, Nazirov M.T. About "confiment" radiation // Известия HAH PK, сер. физ.-мат., 1995, № 2, c.69.

30. Agababyan N.M., Lebedev I. et al. Comparison at spike production in pp and 7tp/K^p interactions at 205-360 Gev/c// Nijmegen preprint HEN 380 Nov. 1996, 12 p.

31. Лебедев И.А., Назиров M.T., Шайхатденов Б.Г. Метод Херста и быстротные корреляции // Препринт ФТИ 96-07,1996,11с.

32. Agababyan N.M., Lebedev I. et al. Comparison at spike production in pp and np/ltp interactions at 205-360 Gev/c // Phys. Lett. B. 1996, 389, p.397-404.

33. Лебедев И. А. Применение метода Херста для выявления корреляций в множественных процессах // Ядерная Физика, 1997, т.60, №7, с.1340.

34. Lebedev I.A., Shaihatdenov B.G. The use of Hurst method for rapidity correlations analysis // J.Phys.G: Nucl.Part.Phys., 1997, 23, p. 637-641.

35. Лебедев И.А. Быстротные корреляции, метод факториальных моментов и метод нормированного размаха// Изв. МН-АН PK, сер.физ-мат, 1997, №2, с. 40-48.

36. Lebedev I.A. New Method for Analysis of Correlations in Multipartiple Processes // Phys. At. Nucl., 1997, v. 60, p. 1212-1214.

37. Agababyan N.M., Lebedev I. et al. Factorial Moments of 28Si Induced Interactions with Ag(Br) Nuclei // APH N.S. Heavy Ion Physics, 2001, v. 13. No. 4. p. 11-19.

38. Космачев О.С., Лебедев И.А. Группа кватернионов и ее расширения. I // Изв. МН-АН PK, сер. физ-мат, 1997, № 6, с. 28-36.

39. Космачев О.С., Лебедев И.А. Группа кватернионов и ее расширения. II // Изв. МН-АН PK, сер. физ-мат, 1998, № 2, с.47-55.

40. Adamovich M.I., Lebedev I.A. et al. Fragmentation and multifragmentation of 10.7 AGeV gold nuclei // Eur. Phys. J. 1999, A5, p.429-440.

41. Adamovich M.I. Lebedev I.A. et al. Multiparticle correlations in nucleus-nucleus interaction.// NATO ASI "Particles production from MeV to TeV energies region", Nijmegen, Holland, 1-14 August 1999, p.430.

42. Квочкина Т.Н., Лебедев И.А., Лебедева А.А. Анализ высокоэнергичных взаимодействий с большими поперечными импульсами // Изв. МН-АН РК, сер.физ-мат, 1999, № 2, с. 67-76.

43. Kvochkina T.N., Lebedev I. A., Lebedeva A. A. An analysis of high-energy interactions with large transverse momentum of secondary particles //J.Phys. G.: Nucl. Part.Phys. 2000, V. 26, P. 35-41.

44. Адамович М.И., Лебедев И.А. и др. Азимутальные корреляции вторичных частиц во взаимодействиях 32S с ядрами Ag(Br) при 4,5 ГэВ/с/нуклон // Письма в ЭЧАЯ, 2000, 4101., с. 75-82.

45. Boos E.G., Lebedev I. A. Determination of primary cosmic particle initiating EAS in individual case // Известия MOH РК, сер. физ.-мат., 2000, № 6,с.42-47.

46. Адамович М.И., Лебедев И.А. и др. Псевдобыстротные корреляции во взаимодействиях ядер Аи (10,7 А ГэВ) и ядер S (200 А ГэВ) с ядрами фотоэмульсии // Известия МОН РК, сер. физ.-мат., 2001, № 2, с. 60-68.

47. Адамович М.И., Лебедев И.А. и др. Особенности взаимодействия ядер 197Au (10,7 А ГэВ) и ядер 32S (200 А ГэВ) с ядрами фотоэмульсии // Известия МОН РК, сер. физ.-мат., 2001, № 6, с. 43-53.

48. Бабаев М.К., Лебедев И.А. и др. Проект создания установки по определению энергии и природы первичной частицы, образовавшей ШАЛ // Препринт 2001-01, Алматы, 2001, 16с.

49. Boos E.G., Heinzelmann G., Lebedev I.A., Lindner A., Rohring A. A new method to reconstruct the energy and mass of primary cosmic ray particles by EAS measurements // Proc. of Int. Cosmic Ray Conf. Hamburg, Germany, 2001, p. 269-272.

50. Kalinin Yu.G., Lebedev I.A. et al. A new approach to the design of the multichannel analog processors // Proc. of Int. Cosmic Ray Conf. Hamburg, Germany, 2001, p. 908-910.

51. Babaev M.K., Lebedev I. A. et al. Spatial structure of event with galo area energy >1015eV // Proc. of Int. Cosmic Ray Conf. Hamburg, Germany, 2001, p. 50-53.

52. Boos E.G., Lebedev I.A., Lebedeva A.A., Sadykov T.Kh. A determination of the energy and the mass of primary cosmic particle by EAS measurements // Межд. конф. "Современные проблемы ядерной физики". Ташкент, 2001, с. 97-99.

53. Боос Э.Г., Лебедев И.А., Лебедева А.А., Садыков Т.Х. Определение энергии и природы первичной частицы, образовавшей ШАЛ, виндивидуальном случае // III Межд. конф. по ядерной и радиационной физике. Алматы, 2001, с. 95-102.

54. Лебедев И.А., Рябикин Ю.А. Новый эффективный метод выделения сигнала из шума // III Межд. конф. по ядерной и радиационной физике. Алматы, 2001, т. III, с. 322-330.

55. Лебедев И.А., Садыков Т.Х., Садыкова Т.С. Влияние космических лучей на физические процессы на Земле // Межд. конф., посвященная 10-летию независимости РК. Алматы, 2001, с. 95-99.

56. Боос Э.Г., Лебедев И.А., Садыков Т.Х. Непараметрический и нестатистический метод определения энергии и массы первичной космической частицы с помощью измерения ШАЛ // Известия МОН РК, сер. физ.-мат., 2002, № 2, с. 68-74.

57. Andreeva N.P., Lebedev I.A. et al. Flow effects in high energy nuclei collisions with Ag(Br) in emulsion // Ядерная физика, 2003, V.66, P.31-35.

58. Патент № 1209/01 МПК G01N 24/00. И.А. Лебедев, Ю.А. Рябикин. Способ увеличения отношения сигнал / шум в спектроскопии.2001/0979.1-7291/2. Заяв. 25.07.01.

59. Boos E.G., Lebedev I.A. Modeling of energy spectrum of cosmic rays in the knee region. // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 32, 2006, p. 2273-2278.

60. Андреева Н.П., Гайтинов А.Ш., Лебедев И.А., Филиппова Л.Н.,7 ПП

61. Шайхиева Д.Б. Взаимодействия ядер 1У,Аи (10,7 А ГэВ) с ядрами, в которых не наблюдаются фрагменты мишени // Известия МОН РК, сер. физ.-мат., 2003, № 6, с. 42-48.

62. Лебедев И.А.Определение энергии и массы космических частиц на уровне моря // Известия МОН РК, сер. физ.-мат., 2004, № 2, с.79-87.

63. Лебедев И.А. Влияние выбора модели развития ШАЛ на оценку энергии и массы космических частиц // Доклады НАН РК, 2004, № 5. с45-52.

64. Лебедев И.А. Особенности энергетического спектра первичного космического излучения в интервале 1015-1018 эВ // Вестник НАН РК,2004, № 5, с.20-28.

65. Lebedev I. et al. (KASCADE coll.) Energy spectrum of High-Energy Cosmic Rays application of new correlation method to KASCADE data // KASCADE-Grande report 2005-03, Forschungszentrum Karlsruhe, Germany,2005, 42 p.

66. Apel W.D., Boos E.G., Lebedev I.A. et al. Applying Shower Development Universality to KASCADE data // Astropart.Phys. 2008, V29, N6, p412-419

67. Боос Э.Г., Лебедев И.А. Реконструирование энергетических спектров элементных групп космических лучей на основе измерения широких атмосферных ливней. // Труды 6-й научной конференции немцев Казахстана. Алматы, 2008, С.401-416

68. Мурзин B.C. Введение в физику космических лучей, М.,1988

69. Славатинский С.А. Космические лучи и их роль в развитии физики высоких энергий и астрофизики // СОЖ, 1999, № 10, с.68-74.

70. Хаякава С. Физика космических лучей, М., 1973

71. Зацепин В.И., Куликов Г.В., Фомин Ю.А. Развитие экспериментальных исследований по физике космических лучей, http://wings.machaon.ru/ inp50/Cosmos.htm

72. Калмыков Н.Н. Исследование космических лучей сверхвысоких энергий методом регистрации ШАЛ, http://grif.npi.msu.Su/bib/schol/history/4.htm

73. J.Milke et al. Investigation of hadronic interaction models with the KASCADE experiment // Nucl.Phys.(Proc.Suppl.) 151(2006) p.469-472

74. Haungs A., Rebel H., Roth M. Energy spectrum and mass composition of high-energy cosmic rays. //Rep. Prog. Phys. 2003, V. 66, P. 1145-1206.

75. Панасюк М.И. и др. Тайна происхождения галактических космических лучей, http://www.roscosmos.ru/Docl Show.asp?DocID=17

76. Nagano М. et al. J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 1984, V.10, P.1295.

77. Amenomori M. et al. Astrophys. J. 1996, V.461, P.408.

78. Fomin Y. A. et al. Proc. ТГ Int. Cosmic Ray Conf. (Dublin), 1991, v.2, p.85.

79. Arqueros F. et al. Astron. Astrophys. 2000, V.359, P.682.

80. Kieda D.B., Swordy S. P., Wakely S.P. A High Resolution Method for Measuring Cosmic Ray Composition beyond 10 TeV // Astropart.Phys. 2001, 15, p. 287-303.

81. Glasmacher M. et al. Astropan. Phys. 1999, V. 12, P. 1.

82. Glasstetter R. et al (HiRes-MIA Collaboration) Measurement of the Cosmic Ray Energy Spectrum and Composition from 1017 to 1018 eV // Astrophys. J. 2001, 557, p. 686-699; astro-ph/0010652.

83. Fowler J. W. et al. A Measurement of the Cosmic Ray Spectrum and Composition at the Knee // Astropart. Phys. 2001, V.15, P. 49-64.

84. Antoni T. et al Astropart. Phys., 2002, V.16, P. 245.

85. Glasstetter R. et al 26th Int. Cosmic Ray Conf. (Salt Lake City), 1999, v. 1, p. 222.

86. Ulrich H. et al. Proc. 27th Int. Cosmic Ray Conf. (Hamburg), 2001, v.l, p.97.

87. Haungs A. Energy spectrum and mass composition around the knee by EAS measurements // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 2003, 29, 809.

88. Antoni T. et al. A Non-Parametric Approach to Infer the Energy Spectrum and the Mass Composition of Cosmic Rays // Astropart. Phys. VI6, 2002, p. 245-263

89. Antoni T. et al. KASCADE measurements of energy spectra for elemental groups of cosmic rays: results and open problems // Astropart.Phys. 24 (2005) 1-25; astro-ph//0505383

90. Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S. ЯФ, 1993, 56, 105.

91. Калиновский A.H. и др. Прохождение частиц высоких энергий через вещество, Энергоатомиздат, 1985

92. Apel W.D. et al. Comparison of measured and simulated lateral distribution for electrons and muons with KASCADE // Astropart. Phys. 2006, V. 24, P. 467-483.

93. Antoni T. et al. The cosmic ray experiment KASCADE // Nucl.Instr. and Meth. 2003, A513, pp.490-510.

94. Antoni T. et al. KASCADE-Grande experiment // Proc. 28th Int. Cosmic Ray Conf. (Tsukuba), 2003, v.l, p.101

95. KASCADE-Grande home page, http://www-ik.fzk.de/interna/kascade.html

96. Battistoni G. et al. The FLUKA Monte Carlo, non-perturbative QCD and Cosmic Ray cascades // hep-ph/0412178vl, 2004, 8 p.

97. Engel J. et al. Phys.Rev.D50 (1994) 5013

98. CERN, GEANT: CERN Program Library Long Writeups, 199310

99. Sommers P. Air shower experiments and results: E>10 eV, Proc. of 27 Int. Cosmic Ray Conf., 2001, Hamburg, Germany, p. 170-180

100. Blasi P. Theoretical aspects of ultra high energy cosmic rays // Astro-ph/0304206, 2003, v 1. Юр.

101. Yakovlev V.I. On a possible role of the long-flying component in the seemingabsence of the GZK cutoff// ЭЧАЯ, 2005, т.36, вып.5, с. 1244-12531

102. Knurenko S.P. et al Spectrum of cosmic rays with energy above 10 eV. // astro-ph/0411484 vl 17Nov2004 4p.

103. Dedenko L.G., Fedorova G.F., Fedunin E.Yu., Glushkov A.V., Kolosov V.A., Pravdin M.I., Roganova T.M., Sleptsov I.E. The new energy estimates of giant air showers //Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), 2003,122, P. 329-332.

104. Drescher H-J., Bleicher M., Soff S., Stocker H. Model Dependence of Lateral Distribution Functions of High Energy Cosmic Ray Air Showers // astro-ph/0307453 v2 4Dec2003 8p.

105. Tonwar S. EAS results and interpretation // Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), 2003,122, P. 109-119.

106. Mattews J. Extensive Air Showers Near the Knee // Proc. 29th Int. Cosmic Ray Conf. Pune, 2005,10, 283-296.

107. Бережко Е.Г., Крымский Г.Ф. Ускорение космических лучей ударными волнами // УФН 1988 Т.154, вып.1, 49-91.

108. Berezhko E.G., Volk HJ. Theory of cosmic ray production in the supernova remnant RX J1713.7-3946 // Astron & Astroph. N 4595rxj Feb 9, 2006; astro-ph/0602177 vl 8 Feb2006 lip.

109. Герштейн C.C. Эволюция звезд и вспышки сверхновых // http://baclanout.abitu.ru/ims/cfmsgm/ji8amm/lw9amm.esp, 8с.

110. Имшенник B.C., Надёжин Д.К. Сверхновая 1987А в Большом Магеллановом облаке: наблюдения и теория // УФН 1988, Т. 156, вып.4, с.561-651.

111. Drury L.O'C. et al. Tests of Galactic Cosmic Ray Source Models. // astro-ph/0106046 vl 4Jun2001 27p.

112. Berezhko E.G. et al. Spectrum and chemical composition of CRs accelerated in SNRs // astro-ph/9706209 v2 20Junl997 4p.

113. Ptuskin V.S. Origin of Galactic Cosmic Rays: Sources, Acceleration, and Propagation // Proc. 29th Int. Cosmic Ray Conf. Pune, 2005,10, 317-328.

114. Berezhko E.G. et al. Cosmic ray production in supernova remnants including reacceleration// astro-ph/0308177 vl 12Aug2003 lip.

115. Horandel J. Models of the Knee in the Energy Spectrum of Cosmic Rays // Astro-ph/0402356, 2004, v 2. 29p.

116. Цветков Д.Ю. Сверхновые типа Ib/c. Новые данные наблюдений // УФН 2002 Т. 172. № 8, 963-966.

117. Sveshnikova L.G. The Knee in Galactic Cosmic Ray Spectrum and Variety in Supernovae // astro-ph/0303159 v2, 2003,17p.

118. Ellis J. High-energy astrophysics and cosmology // Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), 2003, 122, P. 12-23.

119. Biermann P.L., Tanco G.M. Ultra high energy cosmic ray sources and experimental results //Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), 2003, 122, P.86-97.

120. Volk H.J. Gamma-ray astronomy of cosmic rays // Proc 27th ICRC (Hamburg), 2001, Inv., Rapp. and Highlight papers, p.3-17.

121. Erlikin A.D., Wolfendate A.W. High-energy cosmic gamma rays from the "Single Source" //astro-ph/0302380 vl 19Feb2003 lip.

122. Antoni Т., et al KASCADE coll. // Search for cosmic-ray point sources with KASCADE // Astrophys. J. 2004, 608:865-871.

123. Erlikin A.D., Wolfendate A.W. Cosmic rays from SNR, II: Anisotropics // Proc. of ICRC 2001, 1810-1811.

124. Prahl J. Suche nach kosmischen Gamma-Punktquellen oberhalb von 20 TeV mit den HEGRA-Detektorfeldern. Hamburg: Univ. Hamburg, 1999,177p.

125. Пул Ч. Техника ЭПР-спектроскопии. Мир, 1972.

126. Feder J. "Fractals", Plenum Press, New York, 1988.

127. Brun R., Lienart D. CERN computer centre program library long write-up, 1987.

128. Spillantini P. Balloon and satellite experiments. Future prospects: from Balloons to NINA and PAMELA satellite experiments // Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), 2003, 122, P. 66-75.

129. Добротин H.A. и др. Изучение взаимодействий частиц космических лучей в стратосфере // Препринт ИФВЭ 76-79, Алма-Ата, 1979

130. Slavatinsky S.A. Results of emulsion chamber experiments with very high-energy cosmic rays which are difficult to explain in the framework of the Standard Model//Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), 2003,122, P. 3-11.

131. Дремин И.М. Квантовая хромодинамика и распределения частиц по множественности // УФН, 1994, т.164, с.785-809.

132. Дремин И.М. Дальние корреляции частиц и вейвлеты. // УФН, 2000, Т. 170 (11), с.1235-1244.

133. Дремин И.М. Корреляции и флуктуации в процессах множественного рождения частиц // УФН, 1990, т.160, с.105-133.

134. Bialas A., Krzywicki A. Quantum Interference And Monte-Carlo Simulations Of Multiparticle Production // Preprint CERN hep-ph/9504349.

135. Capella A., Fialkowski K., Krzywicki A. Has intermittency been observed in multi-particle production? // Phys. Letters B, 1989, v.230, N1,2, p.149-152.

136. Маркин H.C. Основы теории обработки результатов измерений, М. 1991

137. Mandelbrot В.В. "The fractal Geometry of Nature", NewYork, 1983

138. Mandelbrot B.B. Lectures in Proc. Fractals in Physics, ICTP, Trieste, Italy, July 9-12, 1985

139. Dremin I.M. Fluctuations, Intermittency and Fractal Dimensions in Multiple Production // Preprint CERN-TH 4693/87. CERN-Geneva 1987, 13p.

140. Suzuki N., Yasutani Y., Biyajima M., Mizoguchi T. Fractal Dimension in JACEE Events. //Theor. Phys. 1991, v.85, N 1, p.149-156.

141. Дремин И.М. Фрактальность в процессах множественного рождения // Письма в ЖЭТФ, 1987, т.45, вып. 11, с.505-507.

142. AndreevaN.P. et al. (EMU01- Collaboration). Critical behaviour in Au fragmentation at 10.7AGeV // Eur. Phys. J. Al, 1998, p.77-83.

143. Апанасенко A.B. и др. Изучение центральных ядро-ядерных взаимодействий методом стратосферных ренгенэмульсионных камер // Препринт ФИАН, Москва 1996

144. Burnett T.N. et al (The JACEE Coll.) // Phys.Rev.Lett., 1986, v.57, N 26, p.3249

145. Capdevielle J.N. et al (The Concord Coll.) // J.Phys. G., 1988, v. 14, p.503

146. Дремин И.М., Фейнберг E.JI. Проблемы кластеров в физике частиц высоких энергий // ЭЧАЯ, 1979, т. 10, вып.5, с. 996-1037

147. Мухин К.Х., Тихонов В.Н. Старая и новая экзотика в мире элементарных частиц // УФН, 2001, т. 171, № 11, с. 1201-1239

148. Adamovich M.I. et al (EMU01 Coll.) // Phys.Lett. B, 1989, v. 227, p. 285

149. Adamovich M.I. et al (EMU01 Coll.) // Phys.Lett. B, 1995, v. 352, p. 637

150. Адамович М.И. и др. X Междунар. семинар "Релятив. ядер, физика и КХД", Дубна, сент. 1990, труды конф., с. 412-419.

151. Nilsson-Almqvist В., Stenlund Е. // Comut.Phys.Commun, 1987, v.43, р.387

152. Галоян А.С., Ужинский В.В. Рождение кумулятивных частиц в модели FRITIOF // Краткие сообщения ОИЯИ №2(94)-99, с.30-36.

153. Кураев Э.А. Неупругие процессы квантовой электродинамики при высоких энергиях // Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Новосибирск, 1984

154. Окунь Л.Б. Лептоны и кварки, М., Наука, 1990.

155. Физика на ВЛЭПП, Труды I Всесоюзного рабочего совещания 4-6 июня 1991. Протвино, СССР, в 3-х томах.

156. Hollik W.F.L. Radiative corrections in the standard model and their role for precision tests of the electroweak theory // Preprint DESY-88-188, 988. 116 pp.; Fortsch.Phys. 1990, 38, pp.165-260.

157. Beenakker W., Denner A. Standard model predictions for W pair production in electron-positron collisions // Preprint DESY-94-051,1994.79pp.; Int.J.Mod.Phys.A9 1994, pp.4837-4920.

158. Flambaum V.V., Khriplovich I.B., Sushkov O.P. Tests of renormalizable models of weak interaction in eV -collisions // Ядерная физика, 1975, p.537-540.

159. Beenakker W. et al. W W cross-sections and distributions // Report CERN-96-01, 1996, 61pp.; Physics atLEP2, 1995, v. 1, p.79-139; e-Print Archive: hep-ph/9602351.

160. Alles W. et al. W Boson production in E+ E- collisions in the Weinbers -Salam model //Nucl. Phys. 1977, B119,125.

161. Fleischer J., Jegerlehner F., Kolodziej K., Jan G., van Oldenborgh. EEWW: a generator for eV W+W" including one-loop and leading photonic two-loop corrections//PreprintPSI-PR-94-16,1994; Comput. Phys. Commun 1995, 85, p. 29-39; hep-ph/9405380.

162. Lemoine M., Veltman M. Radiative corrections to E+ E~ -» W* W" in the Weinberg model//Nucl.Phys. 1980, В164, 445.

163. Philipe B. Phys.Rev. 1982, D26, 1588.

164. Bohm M. et al. Electroweak radiative corrections to E+ E" -» W* W". // Nucl. Phys. 1988, B304,463.

165. Fleischer J. et al. Radiative corrections to helicity amplitudes for W pair production in E+ E- annigilation// Z.Phys. 1989, C42,409.

166. Barger V. et al. W W Z, Z Z Z and W W gamma production at E+ E" colliders // Phys .Rev. 1989, D39,146.

167. Андреев И.В. Квантовая Хромодинамика и жесткие процессы при высоких энергиях. М. 1981.

168. Beenakker W.L., van Neerven, Meng R., Schuler G.A., Smith J. QCD corrections to heavy quark production in hadron-hadron collisions // Preprint ITP-SB-90-46, DESY 90/064,1990, 81pp.; Nucl. Phys. 1991, B351, p.507-560.

169. Drell S.D., Yan T.M. Massive lepton pair production in hadron-hadron collisions at high-energies // Phys. Rev. Lett. 1970, 25, 316.

170. Ивкин A.B. и др. // Ядерная физика, 1992, т.55, с. 336.

171. Грибов В.Н., Липатов А.Н. // Ядерная физика, 1972, т. 15, с.466

172. Altarelli G., Parisi G. Nucl. Phys., 1977, B126, p.298

173. Ивкин A.B. и др. //Ядерная физика, 1991, т.54, 1682.

174. Kawabata S. A new Monte Carlo event generator for high-energy physics // KEK-PREPRINT-85-26, Jul 1985. 44pp.; Comput. Phys. Comman. 1986, 41, p. 127.; Tsukuba Workshop: JLC 1990, p.239-249.

175. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля, М., Наука, 1973.

176. Алексеева К.И. и др., ЖЭТФ 1962 т.43 с.783

177. Апанасенко А.В., Добротин Н.А., Дремин И.М., Котельников К.А. Новая интерпретация некоторых "аномальных" событий в космических лучах // Письма в ЖЭТФ, 1980, т.ЗО, с.157.

178. Adamus М. et al. (NA22) Maximum particle densities in rapidity space of 7r+p, K+p and pp collisions at 250 GeV/c // Phys. Lett. 1987, B185, p.200.

179. Дремин И.М., Леонидов A.B. Теоретические поиски коллективных эффектов в множественном рождении частиц. // УФН, 1995, Т. 165 (7), с. 759-772.

180. Назиров М.Т. Флуктуации и аномальные явления в рождении адронов и W, Z-бозонов. Диссертация на соискание доктора физико-математических наук,- Москва 1994.

181. Тамм И.Е. Сборник научных трудов. Наука, 1975. т.1. с.77.

182. Ахиезер А.И., Берестецкий В.Б. Квантовая электродинамика. М. 1953. с.246.

183. Дремин И.М. ЯФ. 1981. т. 33. с.1357-1365.

184. Дремин И.М., Назиров М.Т. Краткие сообщения по физике. ФИАН. 1989. N9. с.45.

185. Дремин И.М. и др. Ядерная Физика, 1990, т.52, с.536.

186. Charlton G. et al. Charged particle multiplicity distribution from 200GeV pp-interactions // Phys. Rev. Lett. 1972. Y.29. P.515.

187. Bailly J. et al. // Z. Phys. C. 1984. V.23. P.205.

188. Adamus M. et al. (NA22 Coll.) Charged particle production in K+p, 7i+p and pp-interactions at 250 GeV/c // Z. Phys. 1988, C39, P.311-329.188. Hwa B.C. OITS-558,1994.

189. Дремин И.М. Корреляции и флуктуации в процессах множественного рождения частиц // УФН 1990, т. 160, вып.8, с. 104.

190. Adamovich М . et al. (EMU01) Scaled factorial moment analysis of 200 A/GeV sulfur + gold interactions //Phys. Rev. Lett. 1990, 65, P.412-415.

191. Buschbeck В., Lipa P., Peschanski R. Signal for intermittency in eV reactions obtained from negative binomial fits //Phys. Lett., 1988, B215, 788 Sugano K. Argonne preprint ANL-HEP-CP, 90-37.

192. Abachi S. et al. (HRS), Preprint ANK-HEP-CP-90-50.

193. TASSO coll. Study of intermittency in electron-positron annihilation into hadrons //Phys. Lett., B231, 1989, 548.

194. DELPHI coll. A study of intermittency in hadronic Zo decays // Preprint CERN EP-90 - 78, 1990, 20 p.; Phys.Lett. 1990, B247 p.137-147;

195. Bialas A., Peschauski R. Nucl. Phys., 1988, B308, P.857.

196. Campbell B.A., Ellis J., Olive K.A. Effective lagrangian approach to QCD phase transitions // Phys. Letters B, 1989, v.235, N 3,4, P.325-330.

197. Беляков М.Ю., Киселев С.Б., Муратов A.P. Поведение термодинамических величин в широкой окрестности критической точки // ЖЭТФ, 1993, № 8, с.2785-2798.

198. Hwa B.C., NazirovМ.Т. //Phys. Rev. Lett., 1992, V. 69, p. 741.

199. Браут. Фазовые переходы, Москва, 1975.

200. Паташинский А.З., Покровский B.JI. Флуктуационная теория фазовых переходов, М., Наука, 1981.

201. Hwa R.C., Pan J., OITS-496, 1992.

202. Ochs W„ Wosiek J.W. Intermittency and jets //Phys. Lett. B, 1988, B214, p.617.

203. Holynski R. et al. (KLM), //Phys. Rev. Lett. 1989, 62, 733; Phys.Rev. C40, 1989, 2449. Holynski R. et al. (KLM), Phys. Rev. Lett. 1989, 62, 733; Phys.Rev. C40,1989,2449.