Астрофизические аспекты результатов наблюдений на установке Цхра-Цкаро тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

62 11/11

Институт физики им. Э.Андроникашвили Академии Наук

Грузии

На правах рукописи

Алексей Новалов

Астрофизические аспекты результатов наблюдений на установке

Цхра-Цкаро

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

01.04.23 Физика высоких энергий

Президиум ВАК. России ;

.';„?-*ение от "©В" (М Ц г.( № Щ

: :;-;л1ил выдать диком КАНДИДАТА. !

(^ЛуМЩ______:___наук \

ик управления ВАК России |

________шью |

Тбилиси - 2002

Оглавление

Оглавление.................................................................................... 1

Обзор темы. Физика космических лучей и ее статус в фундаментальной науке

1 .Введение...................................................................................... 5

2.Результаты гамма-астрономии.......................................................... 6

а.Результаты гамма-астрономии сверхвысоких энергий 3 .Широкие атмосферные ливни............................................................ 8

а. Энергетический спектр ПКИ

б. Химический состав ПКИ

в. Средний размер ливня

г. Пространственное распределение частиц в ливнях

4.Модель дискретного источника Лебедь Х-3......................................... 12

а.Особенности излучения от Лебедь Х-3

5.Длиннопробежные лавины.............................................................. 14

6.Заключение................................................................................. 16

Глава 1 Обзор результатов, полученных на установке Цхра-Цкаро-2

1. Введение.................................................................................................... 17

2. Схема эксперимента........................................................................................... 18

а. Структура установки Цхра-Цкаро-2

б. Запускающее устройство.

3. Характеристики падающего потока частиц..................................................... 20

а. Состав первичных частиц

б. Спектр падающих частиц.

в. Сечение неупругого взаимодействия протонов с ядрами воздуха

4. Множественное рождение частиц в адрон-ядерных взаимодействиях......... 23

4.1 Систематические погрешности и вводимые поправки............................. 23

а. Потери частиц при просмотре

б. Потери частиц в узком конусе

в. Потери частиц в широком конусе

г. Вторичные взаимодействия

д. Электрон-позитронные пары

е. Частицы отдачи

4.2 Средняя множественность заряженных частиц......................................... 24

а. Распределение множественности заряженных частиц

1

б. Двухчастичная корреляционная функция

4.3 Взаимодействия с малой множественностью рожденных частиц......... 30

4.4 Угловое распределение заряженных частиц.............................................. 31

4.5 Коэффициенты неупругости........................................................................ 32

5. Основные результаты работы................................................................ 34

6. Заключение.......................................................................................................... 38

Глава 2 Установка Видеошал, предназначенная для исследования широких

атмосферных ливней ШАЛ

1. Введение. Назначение установки...................................................................... 40

2. Техническое описание установки...................................................................... 40

2.1 Передвижная триггерная система ТС.......................................... 40

а. Сцинтилляционные счетчики

б. Схема дискриминации и совпадений

в. Усилитель триггерного сигнала

г. Развязывающее устройство светомастер

2.2 Регистрирующая система............................................................................ 43

а. Искровые камеры

б. Усилитель триггерного сигнала 2

в. Генераторы импульсных напряжений (ГИН)

2.3 Система фотографирования............................................................................ 46

а. Блок управления фотоаппаратом

б. Индикатор номера кадров и номера пленки

в. Фотоаппараты РФК

3. Определение ствола ливня и триггерные условия........................................... 47

а. Отбор ливней

б. Моделирования процесса выделения стволов ШАЛ

в. Эффективность триггерной системы

г. Определение энергетического порога ТС

4. Регистрация ливней............................................................................................. 53

а. Принцип действия установки

5. Исследование функции пространственного распределения

компонент ШАЛ и результаты..................................................................... 55

а. Поправки

6. Прохождение частиц космического излучения

сквозь атмосферу Земли........................................................... 57

а. Широкие атмосферные ливни

б. Размер ливня.

в. Пространственное распределение частиц

г. Расчет ливневого детектора

7. Заключение................................................................................ 60

Глава 3. Установка Телескоп для астрофизических наблюдений

1. Введение.............................................................................................................. 62

2. Гамма - астрономия............................................................................................ 62

3. Результаты у - астрономии. Дискретные источники..................................... 63

4. Наземные установки, регистрирующие у - источники.................................... 64

5. Дискретный источник Лебедь Х-3.................................................................... 64

6. Описание телескопа счетчиков......................................................................... 65

6.1 Ионизационный калориметр............................... ......................................... 66

а. Процессы диссипации энергии в калориметре

б. Калибровка калориметра

6.2 Систематические эффекты и поправки при оценке энергии э-я

каскада........................................................................................................... 72

а. Ошибка экстраполяции

б. Эффект поперечного развития лавины

в. Присчет частиц за счет электромагнитной наводки

6.3 Сцинтилляционные слои ионизационного калориметра ИК.................... 75

6.4 Электроника ионизационного калориметра.............................................. 76

7. Проведение эксперимента по наблюдению дискретного

источника Лебедь Х-3....................................................................................... 77

а. Эксперимент 1987-1991 г

б. Описание полученного материала

в. Форма каскадов в калориметре

г. Определение сечения генерации частиц

8. Заключение.......................................................................................................... 84

Глава 4. Анализ экспериментального материала

1. Введение.............................................................................................................. 85

2. Установка и наблюдение. Установка Видеошал и Телескоп....................... 85

3. Обработка материала детектора Видеошал......................................................................................................85

4. Исследование функции пространственного распределения

компонент ШАЛ и результаты............................................................................86

а. Поправки

б. Выводы

5. Обработка материала установок Телескоп и Цхра-Цкаро-2.......................... 88

а. Отбор и предварительная обработка калориметрического материала

б. Классификация калориметрического материала

в. Нормальные каскады и длиннопробежные лавины

г. Форма каскадов в ионизационном калориметре

6. Определение сечения неупругого взаимодействия частиц, образующих

длиннопробежные лавины..........................................................................................................................................................93

а. Описание метода определения сечения

б. Зависимость вклада аномальных событий от времен наблюдения

7. Избытки ливней от дискретного источника Лебедь Х-3............................................................97

а. Анализ данных

б. Метод поиска избытка ливней от известного источника

в. Звездное время и его определение

г. Анализ фазы 4.8-часового периода излучения от Лебедь Х-3

д. Юлианские дни. Вычисление юлианских дат.

8. Заключение......................................................................................................................................................................................................................104

9. Рисунки................................................................................................................................................................................................................................105

10. Общее заключение........................................................................................................................................................................................129

11. Цитированная литература................................................................................................................................................................131

12. Приложение............................................................................................................................................................141

Физика космических лучей и ее статус в фундаментальной

науке.

1. Введение

Физика космических лучей как наука имеет свои специфические особенности и давно сложилась в самостоятельное направление в фундаментальных исследованиях. Действительно, в 1927 г. было установлено [1], что космические лучи - это поток частиц высоких и сверхвысоких энергий, в связи с чем возникла задача изучения их свойств, а также характеристик их взаимодействий с ядрами атомов воздуха, т.е. в физике космических лучей появился ядерно-физический аспект, сближающий ее с ядерной физикой. С космическим пространством связаны два других аспекта физики космических лучей: астрофизический и геофизический. Геофизические задачи связаны с распространением космических лучей в межпланетном пространстве, астрофизический же представляют задачи, связанные с изучением источников первичного космического излучения ПКИ.

Открытия, сделанные в космических лучах, такие как множественная генерация частиц в одном взаимодействии: приближенное постоянство сечения взаимодействий адронов с ядрами в широкой области энергий; преобладание пионов в составе частиц, образующихся во взаимодействии, приблизительное постоянство среднего поперечного импульса образующихся частиц: периферический характер неупругого взаимодействия и многое другое [2.3.4.5], как правило, впоследствии подтверждались экспериментами на ускорителях [6].

К явлениям, специфичными для "космики" и которые не наблюдались в ускорительных экспериментах, к так называемым "аномальным", прежде всего следует отнести длиннопробежные лавины, наблюдавшиеся в ионизационных калориметрах (ИК) Тянь-Шаньской станции и высокогорной лаборатории Цхра-Цкаро им. Г'.Е. Чиковани. И. по-видимому, к этому же классу явлений следует отнести и э-я лавины, наблюдавшиеся в железном Ж на станции на г. Арагац. Частицы, вызывающие такие каскады были названы Т - частицами и. как выяснилось, такие события трудно наблюдать на ускорителях, хотя сечение их рождения как это следует из данных [7] велико.

К таким явлениям следует отнести, и еще один эффект, носящий пороговый характер - изменение высоты максимума ШАЛ в зависимости от

энергии первичной частицы, которое происходит в довольно узкой области энергий 5*1015 -5*101бэБ частиц ПКИ,

К этому же классу явлений, по-видимому, можно отнести и событие, наблюденное в эксперименте "Памир", которое, в силу своего необычного характера, даже получило собственное имя «Татьяна» [8]. Полная энергия, выделившаяся в этом семействе у- квантов, превышает 1016эВ и характерной особенностью его является большая проникающая способность центральной области семейства и сопровождающего его гало.

Наблюдавшиеся в космических лучах в работах Бразильско-японской коллаборации "Кентавры" - множественное рождение заряженных адронов высокой энергии при отсутствии нейтральных пионов - пока не обнаружены ни в других экспериментах с космическими лучами ни на ускорителях. Такие события говорят о том, что с ростом энергии происходит изменение характеристик взаимодействия частиц с веществом

В пользу изменения характеристик взаимодействия говорят и так называемые запаздывающие частицы. Указания на существование долгоживущих массивных частиц получены при детектировании запаздьшающих, относительно фронта широкого атмосферного ливня (ШАЛ), частиц. Можно думать, что эти частицы связаны с новыми квантовыми ароматами, однако это не могут быть системы с с- и Ь - кварками, имеющими меньшие времена жизни, Существование таких частиц вполне допустимо, например существуют модели тяжелых кварков с целочисленным зарядом, способных существовать в свободном состоянии с последующим распадом в адроны [9].

2. Результаты гамма-астрономии

Что касается астрофизического аспекта, то в этом направлении много дает у - астрономия, которая возникла в 60-х годах 20-го века Энергетический диапазон первичных у - квантов чрезвычайно широк и его принято делить на интервалы со своими характерными для них научными задачами и методикой наблюдения.

а. Область мягкого излучения с Е «1.0 -5.0Мэв.

(Л « 0.12*10-3 —2.4 * Ю-2 А)

б. Область промежуточных энергий с Е « 5.0 - 50.0Мэв.

(/U 2.4*10"3-2.4*10"4 Л) в. Область жесткого излучения с Е > 10 Гэв

(Л «2.4*10~4 -1.2*10~б А) и область гамма-излучения сверхвысоких энергий сЕ>\ 0 Гэв

Гамма-астрономия получила свое развитие в спутниковых экспериментах, среди которых, по значимости полученных результатов, следует отметить два:

1 Спутник SAS-2 работавший с ноября 1972 по июнь 1973г. В этом эксперименте была получена детальная структура распределения у- излучения в галактическом диске в диапазоне энергий 35Мэв - 1Гэв измерен поток из высокоширотных галактических областей и обнаружен ряд дискретных источников.

2. Спутник COS - В, работавший с 1975т по 1985г. Диапазон измеряемых энергий 5 ОМэв - 5 Гэв. В этом эксперименте были получены широтные распределения у - излучения для различных галактических долгот, распределения у - излучения вблизи галактической плоскости -20° <Ь< 20° ^ долготное распределение для интервала широт Ъ = -5° +5°. В этом эксперименте были обнаружены 25 дискретных источников у - квантов - второй каталог дискретных у - источников.

а. Результаты гамма-астрономии сверхвысоких энергии.

Поток гамма-квантов с энергией^ > 109эВ от самого мощного источника 2CG -195 + 04 не превышает 10"6 см"2с4 - это обстоятельство делает маловероятным измерение в спутниковых экспериментах потоков у- квантов с энергией больше Ю10эВ. Но такая возможность существует при регистрации у -квантов косвенным путем с помощью наземной аппаратуры, регистрирующей черенковское излучение от электронов и позитронов, образовавшихся во взаимодействиях первичных у - квантов с атмосферой Земли [10], Любое нарушение изотропии в распределениях интенсивности ПКИ по небесной сфере рассматривается как признак выделенности потока у -квантов по данному направлению.

Одним из способов определения направления прихода частиц является ограничение угла зрения регистрирующего детектора в сочетании со

сканированием исследуемой области небесной сферы. Эта принципиальная схема регистрации дискретных источников, сохранилась еще с 60-х годов от экспериментов проведенных А.Е. Чудаковым [11].

При наблюдении дискретных источников важной величиной является время, необходимое для уверенного обнаружения источника, с заданной доверительной вероятностью (10). В ранних работах [12] было показано, что это время t ~Npl Му2 где N р - число регистрируемых событий, а Иг - число событий от у -квантов. Более полный учет факторов, влияющих на время наблюдений проведен в [13].

А1^ - угловое разрешение в - площадь сбора ливней к - фактор подавления фона; е - эффективность отбора гамма - событий.

Гск (> Е) - поток космических лучей

Еу - поток гамма-квантов от дискретного источника

ш - заданный уровень сигнала от источника в ед.сг

Предел чувствительности при этом определяется фоновым потоком заряженных частиц космических лучей [10]. который можно оценить по следующей формуле:

где ) - интенсивность фонового изотропного потока

Д£2 « п(3) - пространственное угловое разрешение телескопа.

г| • - эффективность регистрации гамма-квантов.

8 -площадь детектора

Т - время наблюдения объекта

С - коэффициент, показывающий величину избытка сигнала над фоном, выраженный в стандартных отклонениях (обычно С = 3). 3. Широкие атмосферные ливни. Наиболее интересные явления в физике космических лучей, по-видимому, следует ожидать в области сверхвысоких энергий частиц ПКИ. При этом предпочтительным источником

астрофизической информации могут быть данные, полученные методикой ШАЛ, поскольку ШАЛ являются прямым и может быть единственным источником информации оКЛ в области энергий Е0 > 1014 эВ.

а. Энергетический спектр первичного космического излучении (ПКИ)[14].

Трудность извлечения информации из данных по КЛ при таких энергиях связана с тем, что наблюдаемые на опыте величины зависят не только от характеристик взаимодействия КЛ с ядрами атомов воздуха, но и от ряда других неизвестных параметров, к которым можно отнести, в первую очередь, энергетический спектр и химический состав первичного космического излучения (ПКИ).

Как правило, исследователи широко пользуются тремя видами энергетических спектров, которые известны как спектр Никольского, спектр Райана и спектр Григорова. Наиболее предпочтительным из них считается спектр Никольского. Достаточно широко применяется также и спектр Райана Спектр Никольского.

— (Е) = УВг(Е/ЮиУ2 66(I + E/(z/А)* 101534(/ + 2* 1 (Г5 /(г/ А))* dE ,

((£/10u)/(l + (£/z/^)*1015))) Этот спектр самый пологий из трех. Его параметры z и А - заряд и атомный вес ядер ПКИ. коэффициенты В, - определяют его химический состав. Спектр Райана

^(Е) = ^Вг(ЕП0иГ2-75

dE z

Этот спектр получен путем прямой экстраполяции экспериментальных данных до энергий 1015 эВ. Химический состав в этом спектре остается постоянным. Спектр Григорова.

dE

вАф~262

г , Е .

/ + (-—

1.5*10

-0.35

-1.35

+

0.03(£/10п)-1'6(^/1.5*1012)[/ + (^/1.5*1012)2]"

— = В(Е/10й у2'62 йЕ

Этот спектр получен на основе измерений, выполненных на спутниках серии "Протон". Спектр Григорова имеет наибольшую крутизну при энергиях 1012 -Ю14 эВ.

б. Химический состав ПКИ.

Все ядра, входящие в состав ПКИ. по традиции делятся на 6 групп: отдельную группу составляют у - кванты. Интенсивности этих групп нормированы в точке Е -\0и эВ*нукл"1 к имеющимся экспериментальным данным. Интенсив�