Характеристики низкоэнергетичных адронов и мюонов в составе шал С Ео = 10 - 3х10 эВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

РГ6 од

( ^о<9сН5ск^и-о'рдена Ленина, ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный университет им. М.В.Ломоносова

Научно-исследовательский институт ядерной физики

На правах рукописи УДК 537.591

Слепцова Венера Романовна

ХАРАКТЕРИСТИКИ НИЗКОЭНЕРГИЧНЫХ АДРОНОВ И МЮОНОВ В СОСТАВЕ ШАЛ С Ео = 10"-З Ю13эВ

01. 04.23 - физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1993 г.

Работа выполнена в Институте космофизических исследований и аэрономии ЯНЦ СО РАН

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Калмыков Н.Н.

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук

Роганова Т. М.

доктор технических наук

Сычев Б.С.

Ведущая организация:

Институт ядерных исследований РАН

Защита диссертации состоится Ь кд Л_1993 г. в ¡к час.

на-заседании Специализированного Совета (К. 053.05.24) в Московском Государственном университете им.М.В.Ломоносова (Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19 корпус, аудитория 2-15)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан 30 г.

Ученый секретарь ^ £

Специализированного Совета

'У ■■У

доктор физико-математических наук я ^Фомин Ю.А.

//

Актуальность проблемы

Получение информации из экспериментальных данных по широким атмосферным ливням (ШАЛ), являющимся в настоящее время единственным источником знаний о первичном космическом излучении сверхвысоких энергий и о взамодействиях адронов при энергиях выше ~2И015эВ, требует многопараметрического исследования ШАЛ. Например, изучение флуктуации числа мюонов в ливнях с фиксированным числом электронов или флуктуаций в распределении глубин каскадного максимума, изучаемых по черенковскому свету в ШАЛ с фиксированной первичной энергией, может дать информацию о составе первичного космического излучения. Энергию первичной частицы, инициировавшей ливень, чаще всего оценивают по заряженной составляющей ШАЛ.

Перечисленные компоненты, как правило, исследуются во всем диапазоне энергий ШАЛ, кроме этого, при энергиях <:101бэВ активно изучают высокоэнергичные ("стволовые") адроны. При энергиях Ео>1017эВ малая интенсивность первичного потока не позволяет провести статистически значимую регистрацию таких адронов, поэтому представляется интересным исследовать низкоэнергичную адронную компоненту, которая может быть полезна для изучения характеристик первичного космического излучения.

Наличие нейтронного монитора ЫМ-64 в составе Якутской установки ШАЛ (1976-1987 гг.) позволило выполнить такие исследования и тем самым, отчасти, заполнить существовавший пробел. Монитор был дополнительно оснащен небольшими коврами счетчиков для регистрации мюонной (с порогом >0.3 ГэВ) и электронной компонент ШАЛ.

Экстраполяция моделей ядерного взаимодействия, основанных на результатах ускорительных экспериментов, в область сверхвысоких энергий и сравнение результатов расчетов сданными о развитии ШАЛ - необходимая практика для изучения элементарного акта в сверхускорительной области энергий. В последние годы широкое распространение получила модель кварк-глюонных струн (КГС), основанная на представлениях квантовой хромодинамики и достаточно хорошо описывающая целый ряд наблюдаемых в ШАЛ характеристик. Сопоставление

предсказаний модели КГС с новыми экспериментальными фактами как по мюонам низких энергий {>0.3 ГэВ), так и по ранее не изучавшимся при энергиях >10" эВ; низкоэнергичным (>0.05 ГэВ) адронам также представляет определенный интерес.

Цель работы

Главная цель работы заключалась в экспериментальном (на уровне моря) и теоретическом изучении характеристик низкоэнергичной ад-ронной (>0.05 ГэВ) и мюонной (>0.3 ГэВ) компонент ШАЛ.

Для достижения этой цели требовалось разрешить ряд не исследовавшихся ранее вопросов. В частности, было необходимо разработать методику отбора, обработки и анализа экспериментальных данных по адронам. В том числе, - провести моделирование всех процессов, возбуждаемых адронами ШАЛ в нейтронном мониторе, служившем регистратором низкоэнергичных адронов.

Расчет проостранственно-энергетических характеристик мюонной и адронной компонент, также, отличался некоторой спецификой, связанной с огромным диапазоном рассматриваемых энергий (от десятков МэВ до десятков ЕэВ) и вытекающей из этого необходимостью раздельного рассмотрения физических процессов в разных энергетических интервалах.

Научная новизна

Новизна работы заключается в том, что впервые в ШАЛ с Ео>1017эВ экспериментально исследована низкоэнергичная адронная компонента. Мюонные исследования на Якутской установке ШАЛ дополнены изучением мюонов с самой низкой пороговой энергией, что позволяет получить низкоэнергичную часть энергетического спектра мюонов, имея в виду, что на Якутской установке регистрируются мюоны с энергиями >0.7 ГэВ и >1 ГэВ.

Впервые рассчитаны пространственно-энергетическиехарактерис-тики низкоэнергичных адронов и мюонов в рамках составной модели, включающей модель КГС в области высоких и сверхвысоких энергий и

систему аналитических-аппроксимаций двойных дифференциальных сечений в области низких энергий.

Впервые выполнен расчет спектральной чувствительности нейтронного монитора для условий эксперимента,проведенного на Якутской установке ШАЛ.

Научная и практическая ценность

Полученные результаты дополняют феноменологию ШАЛ при сверхвысоких энергиях новой компонентой, так как изученные в представленной работе характеристики низкоэнергичных адронов показали реальность их наблюдения в ливнях с энергией выше 10"эВ на расстояниях £100 м от оси. Совместное рассмотрение этой компоненты с другими составляющими ШАЛ позволяет оценить возможности ее использования в исследованиях первичного космического излучения.

Сравнение экспериментальных характеристик с результатами выполненных нами расчетов показывает, что данные по низкоэнергичным адронам и мюонам хорошо согласуются с современными модельными представлениями о развитии ШАЛ. Строгость рассмотрения всех физических процессов вплоть до МэВ-ных энергий позволила расчитать теоретические характеристики ливней на больших расстояниях от оси ШАЛ.

Вычисленные в ходе методического расчета дифференциальные энергетические спектры медленных нейтронов, возникающих в теле монитора №М-64 отпадающих на него адронов, можно использовать для анализа различных данных, получаемых в экспериментах с нейтронными мониторами указанного типа.

Вклад автора

Экспериментальные данные получены при непосредственном участии диссертанта в продолжении всего периода регистрации (1976-87 гг.).

Автором самостоятельно разработан метод анализа данных нейтронного монитора, выполнена обработка всего объема первичного экспериментального материала, проведен полный физический анализ и

интерпретация результатов эксперимента.

Автором осуществлена постановка задачи по расчету отклика нейтронного монитора, решение которой выполнено при его участии.

Модельный расчет развития ШАЛ в атмосфере проведен автором. Все выводы, полученные в диссертации, принадлежат автору.

На защиту выносится:

1. Результаты расчета функции отклика для реальной геометрии нейтронного монитора ЫМ-64 в реальном времени.

2. Экспериментальные функции пространственного распределения ад-ронов с Е„>0.05 ГэВ для (10"* 6-1018)эВ и в = (0° * 45°) на у.м.

3. Экспериментальныеэнергетическиехарактеристики низкоэнергичных адронов на фиксированных ДЯ для Е0= 3-1017эВ и 3-1018эВ при 0=20° на у.м.

4. Экспериментальные функции пространственного распределения мю-онов с Ел>0.3 ГэВ для (1017т 6-10,8)эВ и 0 = (0° т 45°) на у.м.

5. Зависимость отношений р/1(>0.3)/ре и р/1(>0.3)/р^ на фиксированных расстояниях от первичной энергии и зенитного угла.

6. Результаты модельного расчета пространственно-энергетических характеристик адронной и мюонной компонент в вертикальных ШАЛ с первичными энергиями 10'5 * 3-10,9эВ.

7. Результаты сравнения расчетных ФПР адронов и мюонов в ШАЛ от первичного протона и ядра железа.

с

Апробация работы

Результаты представленной работы были доложены на ряде международных конференций по физике к. л. (Киото, 1979; Москва, 1987; Аделаида, 1990; Дублин, 1991) и международных симпозиумах по высокоэнергичным взаимодействиям в к.л. (Лодзь, 1988; Тарб, 1990), опубликованы в научных изданиях ЯНЦ СО РАН. Результаты исследований по теме диссертации прошли обсуждение в ИКФИА ЯНЦ СО РАН, НИИЯФ МГУ, ИЯИ РАН и опубликованы в работах , список которых приведен в конце автореферата.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет 134 страницы, в том числе 26 рисунков, 9 таблиц и четыре приложения. Список литературы содержит 84 названия.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность исследований, очерчен круг рассматриваемых в работе вопросов в их взаимосвязи. Здесь же сформулированы положения, выносимые на защиту, а также научная новизна и ценность представленных в работе результатов.

В первой главе содержатся: краткая характеристика Якутской установки ШАЛ; описание совмещенного регистратора низкоэнергичных ад-ронов (>0. 05 ГэВ), мюонов (>0.3 ГэВ) и электронов и режим его работы в проведенном эксперименте; необходимые сведения о зарегистрированных ливнях. В этой главе подробно рассмотрены методические вопросы регистрации и анализа данных и приведены результаты расчета отклика нейтронного монитора на частицы ШАЛ.

Площадь Якутской установки ШАЛ составляет >—20 кв. км, она оснащена сцинтилляционными детекторами для регистрации заряженной и мюонной компонент, а также детекторами для регистрации черенков-ского излучения. Наш регистратор находился в центральной части Якутской установки на расстоянии ~30 м от ее геометрического центра (станция Ыо1). Счетчики заряженных частиц в виде небольших ковров располагались сверху и снизу нейтронного монитора ЫМ-64, с помощью которого производилась регистрация низкоэнергичных ливневых адро-нов. Прибор включался на регистрацию по мастерному импульсу Якутской установки, на формирование которого требуется 40 мкс. Опрос электронных и мюонных каналов производился сразу по получении "мастера", каналы регистрации ливневых адронов отпирались этим импульсом на время равное 400 мкс, т.к. борные счетчики монитора способны эффективно регистрировать только замедлившиеся до тепловых энергий вторичные нейтроны, появившиеся в теле монитора в результате межъядерных каскадов от ливневых адронов. Время 400 мкс соответствует

среднему времени жизни тепловых нейтронов в теле NM-64. Чистое время набора данных составило 87 месяцев, в течение которых было зарегистрировано около 24 тыс. ливней с Ео>1017эВ. Надо отметить, что полученные нами данные, практически, свободны от фоновых присчетов.

В работе выполнено моделирование среднего отклика регистратора адронов при использованном в эксперименте режиме его работы. Расчет проведен по программе MARS-9S, входящей в вычислительный комплекс MARS. При энергиях выше 5 ГэВ реализован инклюзивный (в рамках реджеонных параметризаций) подход к моделированию межъядерного каскада в теле прибора. Для энергий ниже 5 ГэВ использовалась система феноменологических формул, полученная Б.С.Сычевым по результатам ускорительных экспериментов. На рис.1 показаны расчетные кривые спектральной чувствительности борного счетчика монитора в зависимости от энергии падающего на прибор ливневого адро-иа. При этом нами был оценен возможный вклад в отклик прибора от гамма-квантов и отрицательных мюонов ливня. Вклад в общий счет детектора от нейтронов, возникших в "гигантском" резонансе гамма-квантов на свинце монитора, не превосходит 7%, вклад нейтронов от /г-захва-та оказался, также, пренебрежимо мал.

В результате рассмотрения всей совокупности экспериментальных данных и расчетных характеристик по отклику нейтронного монитора можно утверждать:

— в ходе проведенного эксперимента получена достаточная для анализа статистика;

— сформирован банк данных регистрации трех компонент ШАЛ и программ для полного анализа этих данных;

— показано, что регистрация тепловых нейтронов протекает локально, т.е. количество сработавших счетчиков монитора можно считать числом упавших на монитор ливневых нуклонов;

— среднее количество импульсов в сработавшем счетчике отражает энергию ливневого нуклона в диапазоне энергий Eh=(0.05-И0)ГэВ;

— имея в виду точности нашего эксперимента по низкоэнергичным ад-ронам, можно не учитывать вклад в отклик борных счетчиков от нейтронов порождаемых ливневыми гамма-квантами и /г-захватом.

Вторая глава посвящена детальному анализу данных для получения

функций пространственного распределения. Отобраны ливни с эффективностью регистрации не хуже 0.7, определен динамический диапазон-плотностей, позволяющий выполнить адекватный анализ данных. Подробно изложена процедура получения функций пространственного распределения (ФПР) низкоэнергичных адронов, мюонов и электронов. Пространственное распределение заряженной компоненты в нашем эксперименте использовалось для независимого контроля методики обработки данных путем их сравнения с ФПР заряженных частиц Якутской установки, полученной другим методом.

В результате отбора по всем критериям - по эффективности, по диапазону расстояний Р=(100-И200)м, по зенитному углу 0=(О°-г-45°) - в окончательный анализ попало около 5000 ливней. Это количество ШАЛ было разнесено по двум диапазонам зенитных углов (0°ч-30°) и (30°+45°). Внутри каждого диапазона по© ливни группировались по р600:(0.1-^ 0.3)м"г, (О.З-И.О)м-2, (1,0-ь4.0)м"2 и (4.0 + 20.0)м'2. Для определения Е0 использована формула Ео=4.8,1017-р600(©=0°). Для того, чтобы не исказить форму ФПР, при обработке данных были произведены необходимые нормировки. Надо отметить, что в ливнях, отбираемых по "малому" мастеру (оси ливней попадают не далее 1000 м от центра), в процедуре нормировки плотностей используется параметр р300.

На рис.2 показаны полученные нами ФПР низкоэнергичных адронов ШАЛ для 0=20° и первичных энергий: 0- 1.6-10"эВ, х - 3. 5-1017эВ,А -1018эВ и*- 3.6-1018. Штриховые линии - расчетные распределения. Представленные ФПР можно аппроксимировать выражением вида

Я„(Р) = (0.13 + 0.01)-(Р/300)"1'94±0'3° (1)

Из результатов следует, что на ДВ=(ЮО-ИООО)м ФПР низкоэнергичных адронов не меняет форму, и с ростом Е0 на порядок число адронов на расстояниях >100м от оси растет ~в9 раз.

Эксперимент показал, что при переходе к 0=37° наклон пространственных функций адронов не меняется, но число адронов растет только ~ в 6 раз с увеличением Е0 на порядок. Понятно, что это связано с более интенсивным поглощением низкоэнергичных адронов в наклонных ливнях, тем более, что их средняя энергия с ростом ^ несколько

понижается. Пробег поглощения таких адронов, оцененный по экспериментальным ФПР на Я = 300м от оси при Ёо=(3.5-1017-И.5-1018)эВ

погл

составляет=(400 + 80) г/см2. Используя величину пробега поглощения, связь мёжду плотностью адронов низких энергий и Е0 можно выразить в следующем виде

0.88+0.09

рь = (0.22+ 0.05) ехр (Дх/Я„пог")- (Ео/10,в) (2)

Расчитанная нами функция спектральной чувствительности нейтронного монитора позволила получить энергетические характеристики низкоэнергичных адронов. На рис.3 показан, в сравнении с расчетным, энергетический спектр адронов в ливнях с Ёс= 1018эВ и 0 = 20°, измеренный на расстоянии Й = 250м. Видно, что, в общих чертах, экспериментальный и расчетный спектры согласуются друг с другом.

Рис. 4 демонстрирует ФПР мюонов в ШАЛ с 0 = 20°. Результаты нашего расчета достаточно хорошо согласуются с экспериментом. Данные английской группы, согласуясь по форме, имеют превышение по абсолютной величине, возможно, из-за разницы в определении первичной энергии. Полученные нами ФПР мюонов (>0.3 ГэВ) в области Ё0=(3. 5-1017 + 1.5-10,8)эВ можно аппроксимировать зависимостью

Р„№) ~(Я/300)оГ- (1-ь(Р/300))/?-аг (3)

где а- - 0.75, р = - 3.4

Из экспериментальных ФПР мюонов для двух углов 0 был определен пробег поглощения мюонов, для Й = 300м в интервале АЕ0= (3.5-Ю17

ЛОГЛ

+ 1.5-1018)эВ его значение составило^ = (600+100) г/см2. Исходя из этого, связь между плотностью мюонов (>0.3 ГэВ) и Ео в вертикальных ливнях для указанного Я и ДЁ0 может быть представлена следующим образом

по™ , 0.85+0.05 р„=(2.6±0.3).ехр(Дх/А„ НЕ/1018) (4)

где дх = 1О2О(зес0 - 1) г/см2 - изменение толщи атмосферы в зависимости от угла 0. Для расстояния Й=300м отношение /^(>0.3)//>^(>1)

равно (1.20+0.15), что неплохо согласуется со спектром Грейзена.

По результатам, полученным в этой главе, можно утверждать, что:

— доказано существование измеримого потока низкоэнергичных адронов на уровне моря в ШАЛ с Е0> 1017эВ;

— по экспериментальным ФПР низкоэнергичных адронов видно, что, в пределах ошибок, их форма не зависит от Е0 и 0 в диапазоне 0 = (0°+ 45°) и Е0= (1.5-10" * 6-1018)эВ;

— полученная нами функция спектральной чувствительности монитора позволила получить энергетический спектр низкоэнергичных адронов, который согласуется с расчетным;

— экспериментальные и расчетные результаты по обеим компонентам (мюонной и адронной) показывают неплохое согласие. .

В третьей главе диссертации изложена модель расчета, подробно описаны физика, реализованная в расчете, и результаты, полученные для низкоэнергичных адронов и мюонов.

Ввиду того, что диапазон рассматриваемых в расчете энергий весьма велик (от первичной-3-10,9эВ до пороговой-50 МэВ) и при разных энергиях доминируют различные процессы, для расчета была сформирована комбинированная модель. В области высоких и сверхвысоких энергий были получены усредненные объемные источники высокоэнергичных адронов разного типа, рассчитанные согласно модели КГС, разработанной А. Б.Кайдаловым, К.А.Тер-Мартиросяном и Ю.М.Шабель-ским. Использовались инклюзивные спектры, рассчитанные Ю.М.Шабельским при значении интерсепта 0.14. При энергиях адронов ¿300 ГэВ рост сечений соответствовал предложенному Ю.М. Шабельским, при энергиях <300 ГэВ сечения считались постоянными и равными ар— 266 мб, а= 207 мб. Считалось также, что а = аж/1.2. Средний коэффициент неупругости нуклонов был принят равным 0.6 при энерги-ях^ЮО ГэВ и - медленно растущим при энергиях >100 ГэВ как <КН> = 0.6 + 0.0108 1п(Е/100).

Доля каонов в каждом акте взаимодействия росла от нуля на пороге рождения до асимптотического значения ~15% от числа пионов, доля ЫЫ-пар — до 6%. Распределение адронов по поперечным импульсам описывается двумя гауссовыми компонентами, параметры которых (величины <р201> и <Рг02>) соответствуют ускорительным данным.

Среднеквадратичные отклонения адронов вычислялись по методу, предложенному Л. Г. Деденко. Принципиальным здесь является то, что в каждом акте взаимодействия отклонения адронов независимы и это позволяет суммировать квадраты радиусов отклонения адронов от оси.

Наименьшая энергия адронов в этой части расчета была ~ 6 ГэВ. При энергиях ниже указанной уже нельзя пренебречь существенным изменением характера процесса взаимодействия адронов с ядрами.

Наличие полных объемных источников адронов по всей атмосфере позволило выполнить трехмерный расчет прохождения адронов и мюо-нов до уровня наблюдения. В этой части расчета использованы аналитические аппроксимации двойных дифференциальных распределений по энергии и углу для вторичных адронов, предложенные Б.С.Сычевым для описания результатов ускорительных экспериментов. Сечения упругих и неупругих взаимодействий задавались в виде таблиц, позволявших проводить интерполяцию. В этой части расчета были учтены следующие процессы:

— ионизационные потери протонов;

— квазиупругое рассеяние нуклонов;

— лидирующие нуклоны (в отсутствии квазиупругого рассеяния);

— каскадные нуклоны, выбитые из ядра в ходе внутриядерного каскада;

— потери энергии на возбуждение и развал ядра мишени;

— упругое рассеяние.

Заметим, что при энергиях <6 ГэВ нельзя пользоваться приближением малых углов.

В результате расчетов были получены ФПР низкоэнергичных адронов и мюонов в ШАЛ с первичными энергиями (3-Ю15-;- 3-1019)эВдля трех уровней в атмосфере.

Пространственные распределения адронов имеют единый наклон для данного уровня наблюдения вне зависимости от Ео и слабо меняются с глубиной атмосферы, так, для у.М. показатель наклона равен 1.90, для уровня Акено-2.07 и для уровня Тянь-Шаня ~2.30, погрешности здесь не превышают 0.02. Необходимо помнить, что единый наклон ФПР адронов наблюдается, примерно с 60м от оси, ближе этого расстояния существует переходная область к высокоэнергичной адронной компоненте, простирающаяся ~до (30 + 40)м.

Постоянство наклона ФПР для расстояний R>60m позволяет, теоретически, считать эту компоненту удобной мерой первичной энергии: Так, нау.м. и уровне Акено в вертикальных ливнях с первичными энергиями (3-1016+ 3-1019)эВ плотность низкоэнергичных адронов растет ~ в 9 раз при увеличении Е0 на порядок, для уровня Тянь-Шаня плотность растет а/ в8 раз при переходе от 3-1015эВ к 3-1016эВ.

Указанные свойства низкоэнергичных адронов позволяют написать

0.96+0.01 -1.90+0.02

p„(E0,R) = 4.7-10"2(Ео/10") (R/200) у.м. (5)

0.96+0.01 -2.07+0.02

p„(E0,R) = 6.6-10-2(Ео/1017) - (R/200) _ у.Акено-(б)

0.90+0.01 , -2.30+0.02 pn(E0,R) = 6.5-10"3(Е0/1017) - (R/70) - у.Т-Шаня (7)

По энергетическому спектру, рассчитанному для разных E0nAR, получается, что средняя энергия низкоэнергичных адронов в ливнях с Е0 = 3-1017эВуменьшается отЮГэВдля й = 75мдо0.15ГэВдля R = 350m, влив-няхс Е0 = 3-1018эВ - уменьшается от 7.7 ГэВ до 0.1 ГэВ, соответственно, на тех же расстояниях.

Расчитанные для атмосферы объемные источники адронов дали возможность получить пространственно-энергетические характеристики мюонов с различными пороговыми энергиями. Постоянные распада были приняты равными В^ = 118 ГэВ, В, = 885 ГэВ, В(< = 1.02 ГэВ. Расчетные ФПР низкоэнергичных мюонов достаточно хорошо совпадают с экспериментальными и могут быть описаны двухпараметрической формулой (3).

Полученные нами теоретические энергетические спектры мюонов согласуются со спектром Грейзена. Средняя энергия, приходящаяся на один мюон с Е > 0.3 ГэВ в ливне с Е0= 3-10'7эВ, составляет 9.3 ГэВ и 10.7 ГэВ - на один мюон с Е^> 1 ГэВ. В ливне с Ео= 3-1018эВ эти величины равны, соответственно, 7.8 ГэВ и 9 ГэВ.

В зависимости от расстояния, средняя энергия мюонов (>0.3 ГэВ) падает от 20.2 ГэВ (R = 50м) до 1.5 ГэВ (R = 950м) а ливнях с Е0= 3-10"эВ

и от 15.7 ГэВ (Й = 50м) до 1.2 ГэВ (Й = 950м) в ливнях с Е0= 3-1018эВ.

Таким образом, можно утверждать, что хорошее совпадение наших расчетных и экспериментальных характеристик по двум компонентам ШАЛ демонстрирует правильность использованного теоретического подхода и подтверждает предсказательную силу модели КГС (хотя и не доказывает чувствительности низкоэнергичных адронов к модели высокоэнергичного взаимодействия).

В четвертой главе проведено сравнение и обсуждение полученных нами экспериментальных и расчетных характеристик низкоэнергичной адронной и мюонной компонент ШАЛ для уровня моря.

Сравнение экспериментальных ФПР трех компонент —электронной, мюонной и адронной—дает отношения их плотностей. В таблице 1 показаны величины отношения (>0.3)//>в

Таблица 1

0 ё0,эв Р,м

200 300 500

20° 3.5-10'7 1.0-1018 0.14 0.09 0.22 0.16 0.37 0.25

- 5.7-Ю17 0.23 0.33 0.51

37°

1.5-1018 0.19 0.25 0.37

Из представленных результатов видно, что отношение р^(>0.3)/ре довольно сильно зависит от Е0, 9 и Н, т.е. неточности в определении первичной энергии, угла прихода и положения оси ливня могут ощутимо повлиять на величину рассматриваемого отношения и информация, извлекаемая из сопоставления/* и е - компонент, может иметь большие погрешности, несмотря на достаточную точность измерения самих плотностей.

В таблице 2 помещены отношения р1{0.3)/р)<

Таблица 2

0 Ё0,эВ Й, м

200 300 500

20° 3. 5-1017 1.0-1018 13.2(13.2) 12.3(14.0) 14.0(13.0) 12.9(13.2) 12.0(11.0) 11.8(12.0)

5.7-10" 12.3 13.5 14.8

37°

1.5-10'8 12.6 12.9 13.2

в круглых скобках показаны значения, полученные в нашем расчете. Видно, что отношениеменее чувствительно к изменениям Ео, 0, и Р, хотя погрешности в данном эксперименте довольно велики.

Найденный из экспериментальных ФПР адронов под разными углами пробег поглощения для расстояния Я=300м и ДЁ0=(3.5-10"-И. 5-1018)эВ равен (400+80)г/см2, расчетный пробег поглощения — (360±40)г/см2. Аналогичная величина для низкоэнергичных мюонов в эксперименте составляет (600+100)г/см2.

Расчитанные нами спектры/! и И позволили получить связь с Ео полного числа мюонов и адронов для энергетического диапазона (3-10,6-ь 3-1019)эВ на уровне моря для расстояний (100* 1000)м от оси. Т.к. на Якутской установке изучаются мюоны с пороговой энергией 1ГэВ, здесь также приведены зависимости для/<(>1 ГэВ)

0.96+0.01

= (0.30±0.02)-106-(Ео/10'8) ~ Е„>0.05ГэВ (8)

0.92+0.01

(4.27+0.10)-ЮЧЕ/Ю18) ~ Е„>0.3ГэВ (9)

0.92+0.01

(3.43+0.20)-106 (Ео/Ю'8) ~ _ Е„>1 ГэВ (10)

Число мюонов с пороговой энергией 1 ГэВ дает

Ес= (3.3±0.2)-10,8-(N,/107)1'09 (11)

По расчетным энергетическим спектрам можно оценить долю первичной энергии, содержащуюся в низкоэнергичных адронах и мюонах. При Е0 = 3-1017эВ в мюонах (>0.3 ГэВ) содержится 3% от Е0 и 2.5% - при Е0= 3-10,8эВ. Доля первичной энергии, заключенная в адронах с энергиями (0.05 + 1600)ГэВ, составляет около 0.5% при Е0 = 3-10'7эВ и~0.4% при Е0 = 3-10,вэВ. Наши результаты несколько не согласуются с оценкой, полученной Линсли (2Е~0.82Е^0.3£Е^), значение коэффициента в нашем расчете составляет приблизительно 0.2.

Для того, чтобы выявить чувствительность адронной и мюонной компонент к составу первичного излучения, были расчитаны ФПР этих компонент в ливнях от ядра железа. Расчет.проведен в модели суперпозиции для Е0 = 3-10"эВ и 3-1018эВ. Оказалось.что ФПР низкоэнергичных адроновслабо чувствует массовое число первичной частицы (S20%) в то время, как плотность мюонной компоненты на ДЯ = (150 -s- 400)м увеличивается приблизительно на 80% при переходе от протона к ядру железа.

Таким образом можно заключить, что:

— . экспериментальная ФПР адронов в пределах ошибок эксперимента не чувствительна к изменению 0 (до 45°);

— экспериментальная ФПР мюонов меняет форму в зависимости отв;

— расчетная плотность адронов ph слабо зависит от массового числа первичной частицы;

— расчетная плотность мюонов рчувствительна к массе первичной частицы на расстояниях (150^-400)м;

— плотности обеих компонент, практически, одинаковым образом чувствительны к изменению Е0.

Для того, чтобы по отношению p„/ph попытаться определить массо- -вое число первичной частицы, необходимо получить это отношение в эксперименте с точностью не хуже 20%, т.е. каждая компонента должна регистрироваться с точностью ~ 15%. В отношении мюонов такая точность вполне реальна. Оценка необходимых площадей регистрации для

низкрэнергичных адронов показывает, что для их регистрации в индивидуальных событиях (например, в ливне с Е0=З Ю,7эВ) на расстоянии Я=300м, гдер|1(>0.05) = 0.07м-2, нам потребуется площадь около 600 кв. м.

Для достижения той же точности при рассмотрении отношений /з,/р„ по средним ФПР мюонов и адронов в ливнях с Ео=3-10,7эВ на = 300м от оси требуется существенно меньшая площадь—95% вероятность срабатывания адронного детектора достигается при площади ~40 кв.м. Приведенные оценки показывают принципиальную возможность использования адронов низких энергий в ШАЛ для изучения первичного состава.

В приложениях помещены:

1. Имена и назначение созданных автором для обработки экспериментального материала, программ (приложение 1).

2. Тексты оригинальных программ для модельного расчета пространственно-энергетических характеристик низкоэнергичных адронов и мюонов в ШАЛ с Е = (3'1015н-3-10,9)эВ (приложения 2, 3, 4).

Заключение

В представленной работе проведено исследование экспериментальных характеристик трех компонент ШАЛ в диапазоне Е0 - (1017 + 6-1018)эВ для двух диапазонов зенитных углов со средними © равными 20° й 37°. В теоретическом плане исследованы пространственно-энергетические характеристики низкоэнергичных адронов и мюонов в вертикальных ливнях для первичных энергий (3-1015-^3-10,9)эВ. ^Для обработки и анализа экспериментальных данных проведен расчет отклика прибора N1*1/1-64 для режима эксперимента, осуществленного на Якутской установке ШАЛ. Получены следующие результаты:

а) дифференциальные спектры нейтронов, родившихся в теле монитора от ливневых адронов с энергиями (50 МэВ^2ТэВ), которые могут быть использованы при анализе данных в экспериментах с нейтронными мониторами данного типа;

б) временное распределение отклика борного счетчика СНМ-15 показывает, что в течение времени сбора(гс6=400мкс^скорость счета падает почти на порядок;

в) вид функции спектральной чувствительности ("отклик") монитора показывает, что при использованном в эксперименте режиме его работы, регистрация ливневых адронов протекает локально, а адекватный отклик возможен для адронов с энергиями не более 10 ГэВ.

2. Впервые осуществлено измерение плотности адронов в составе ШАЛ с Ео>1017эВ на уровне моря, в результате которого получено:

а) в ливнях с энергиями Ё0=(1.6-1017+3.6-10ш)эВ и 0=20° для расстояний АЯ=(100+500)м ФПР низкоэнергичных адронов имеют единый наклон с показателем (1.94+0.30);

б) пробег поглощения адронов (>0.05 ГэВ) в атмосфере для Я=300м в ливнях с Ёо=(3.5-10,7-И. 5-10,8)эВ и 0=20° составляетЯ=(400+80)г/см2;

в) зависимость плотности таких адронов от Е0 для средних расстояний в диапазоне Ё0=(3.5-1б"-И. 5-10,а)эВ и 0=20° имеет показатель равный ~ (0.9+0.1);

г) в ливнях с Ё0=(2.6-1017+6.3-10,8)эВ и0=37° показатель наклона ФПР, практически, не меняется, возможно, низкоэнергичная адронная компонента не чувствительна к изменению 0.

3. Интегральный энергетический спектр низкоэнергичных адронов для расстояния Й=250м, полученный с использованием расчетного отклика монитора, в общих чертах согласуется с результатами модельного расчета.

4. Впервые проведенное на Якутской установке исследование ФПР мюонов с пороговой энергией Е^=0.3 ГэВ показало, что в ливнях с 0=20° и Ё0= (1.6-10'7*3.6-10,а)эВ в диапазоне расстояний (250+600)м показатель наклона растет от 1.85 при Ё0=1.6-1017эВ до 2.7 при Ё0=3.6-1018эВ.

5. Для расстояний Д|}=(200+500)м отношение плотности мюонов к плотности адронов остается, практически, постоянным как в верти^ кальных, так и наклонных ливнях для конкретной первичной энергии.

6. Расчетные пространственно-энергетические характеристики низкоэнергичных адронов и мюонов получены в рамках составной модели, включающей модель КГС для описания взаимодействий при высоких и сверхвысоких энергиях и систему аналитических аппроксимаций двойных дифференциальных распределений в области низких энергий. Результаты расчета достаточно хорошо описывают экспериментальные распределения в вертикальных ШАЛ, из чего можно заключить: а)'значительная доля зарегистрированных нами ливней с энергиями

(10"+3. 6'10,в)эВ, по-видимому, происходит от первичных протонов; б) модель КГС в достаточной степени отражает реальную картину ад-рон-ядерного взаимодействия, по крайней мере, до первичных энергий ~ 5.10'8эВ, если иметь в виду обе рассмотренные компоненты, хотя пространственные характеристики адронов могут быть малочувствительны к модели взаимодействия.

7. Результаты настоящей работы позволяют утверждать, что:

а) исследование низкоэнергичной адронной компоненты в составе ШАЛ можно с успехом осуществить при помощи сравнительно простой аппаратуры (нейтронные мониторы), что делает реальным увеличение площадей детекторов;

б) исследование низкоэнергичной адронной компоненты в сочетании с другими компонентами ШАЛ может оказаться полезным для изучения состава первичного космического излучения.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Приходько А.Н., Скрипин Г.В., Слепцова В.Р., Упольников A.A. Использование счетчиков СГМ-14 для исследования мюонной компоненты ШАЛ // Характеристики широких атмосферных ливней космических лучей сверхвысоких энергий. Якутск: ЯФ СО АН СССР. 1976. С. 17-19.

2. Kozlov V.G., Migunov V.M., Skripin G.V., Sleptsova V.R. et al.'Neutrons in EAS with Number of Particles 10M08// 16-th ICRC, 1979. V. 8. P. 356-361.

3. Мигунов В. M., Скрипин Г. В., Слепцова В. Р., Упольников A.A. Пространственное распределение ядерно-активной компоненты I1IAÎI с Ео>10"эВ // бюлл. НТИ. Якутск. 1979. изд. ЯФ СО АН СССР. С. 20-21.

4. Козлов В. Г., Мигунов В. М., Слепцова В. Р., Упольников А. А. Спектр кратности нейтронов//бюлл. НТИ. Якутск. 1979. изд. ЯФ СО АН СССР. С.22-23.

5. Kalmykov N.N., Pravdin M. I., Sleptsova V.R. Relationship of Muon, Electron and Neutron Densities in EAS with Eo>10"eV // 21-th ICRC, 1990. V.9. P.110-113.

6. Pravdin V.l., Sleptsova V. R., Upolnikov A. A. Low-Energy Muons in EAS with Eo>1017eV // 5-th Intern. Symp. VHECRI, 1988. P.206-209.

7. Слепцова В.Р., Хвостенко В.И. Схема трехмерного расчета ШАЛ // Характеристики Широких Атмосферных Ливней космических лучей сверхвысоких энергий / Сб.научн.тр. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1976. С. 17-19.

8. ГлушковА. В., ДеденкоЛ.Г., Ефимов Н.Н. и др. Средние характеристики мюонной компоненты и развитие ШАЛ // Широкие Атмосферные Ливни с энергией выше 10"эВ / Сб.научн.тр. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1987. С. 11-28.

9. Dyakonov М. N., EgorovT.A., EfimovA. N. et al. Results of Study of EAS Structure on Measurements of the EAS Different Components with Eo=10"-1019eV//20-th ICRC, 1987. V.5. P.486-489.

10. Sleptsova V.R., Kalmykov N. N., Pravdin M.I. The Investigation of e, ц, and h for 10"-10,9eV Air Showers at Sea Level // 6-th Intern. Symp. VHECRL 1990. P.341-344

\

11. Слепцова В. P., Егоров Т.Д., Калмыков Н.Н., Правдин М. И. Исследование заряженной компоненты, низкоэнергичных мюонов и адронов в ШАЛ с Е0>Ю,7эВ // Современные проблемы гравитации. Якутск: ЯНЦ. 1991. С. 132-143.

12. SleptsovaV. R., EfimovN.N., EgorovT.A., Pravdin M.I., Kalmykov N. N. Characteristics of Low-Energy Hadrons and Muons of 1015-3 10,9eV EAS at Different Atmosphere Levels // 22-th ICRC, 1991. V.4. P. 343-346.

10*

х о а н

аз х

2

о 10'

ш

ш 10*

10г

/

X

_1_' '_I

10°

102

10« Е, ГэВ

Рис.1. Функция чувствительности счетчика СНМ-15.

— - отклик на нейтроны от ливневых нуклонов,

--- отклик на нейтроны от ливневых пионов,

---- суммарный отклик на заряженные продукты

от межъядерного каскада.

h>

M

-2

о г

1 -

\ \

\

о\

1\ г ^

N

\

\

V N

i ь

1-1-г

2 igR, м

"1 3

Рис.2. ФПР низкоэнергичных адронов в ливнях с 0=20° 0- Е0=1. 6-10"эВ, x - Е0=3. 5-1017эВ, Д - Е =10шэВ, *•- Е =3. 6-10шэВ.

Рис.3. Интегральный энергетический спектр адронов (>0. 05ГэВ) для др=(200т300)м. Точки - наш эксперимент, сплошные кривые - наш расчет.

м

-2

о-

\\

\\

\

\х" Vх V /V \

\

\\

\

*

Ул N V

\\

> V

Л

\ \

ЧМ

\

\ \ \

\

\

л

1дЯ, м

з

\

Рис.4. ФПР мюонов (>0.3ГэВ),

0- Е =1.6 Ю17эВ, к - Е =3.5-10"эВ,

о 'о '

Л - Ео=10'8эВ, Ео=3.6-10,8эВ, У - везде обозначают данные Якутской установки (>1ГэВ), N - данные Ноттингема, А - данные Акено.