Исследование массового состава первичного космического излучения в области сверхвысоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

л

а

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

имени Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи УДК 537.591

Сулаков Владимир Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ МАССОВОГО СОСТАВА ПЕРВИЧНОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГИЙ

1015 т 1017 ЭВ

Специальность 01.04.23 - физика высоких энергий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор физико-математических наук Калмыков Н.Н.

Москва 1999

Содержание

Введение ..................................................................4

Глава 1. Обзор основных результатов по массовому составу первичных космических лучей в области энергий

1014ч-51017ЭВ ..............................................11

1.1 Измерения массового состава с помощью установок ШАЛ. • • 12

1.2 Прямые методы измерения массового состава ..................20

Глава 2. Описание установки ШАЛ МГУ

и методические вопросы ................................24

2.1 Описание установки ШАЛ МГУ ................................24

2.2 Системы отбора ШАЛ. ......................................26

2.2.1 Центральная система отбора ................................26

2.2.2 Периферийная система отбора ........................27

2.3 Методика вычисления основных параметров ШАЛ ............28

2.3.1 Вычисление углов прихода по методу "треугольника" • ■ 29

2.3.2 Вычисление углов прихода методом

максимума правдоподобия ................................31

2.3.3 Вычисление положения оси, полного числа частиц и параметра функции пространственного распределения • • 33

2.4 Методика построения ФПР электронов в ШАЛ ..................37

2.5 Расчёт эффективных площадей установки ..................41

2.5.1 Эффективная площадь центральной системы отбора • • 41

2.5.2 Эффективная площадь периферийной системы отбора ■ • 50 Глава 3. Пространственное распределение электронов в ШАЛ с

числом частиц 105ч-108 ......................54

Глава 4. Дифференциальный спектр ливней по числу частиц и энергетический спектр ПКЛ в области энергий 51014-ь51017 эВ ...................... 63

4.1 Дифференциальный спектр ШАЛ по числу частиц ...... 63

4.1.1 Зависимость положения излома спектра по числу частиц от вертикального угла прихода ................ 67

4.1.2 Спектры ШАЛ с разными параметрами S ......... 71

4.2 Дифференциальный энергетический спектр ПКЛ в области энергий 1015ч-5-1017 эВ ....................... 72

Глава 5. Массовый состав ПКЛ в области энергий

51014^51017 эВ ...................... 74

5.1 Функция пространственного распределения мюонов ..... 74

5.2 Распределения ШАЛ по числу мюонов при

фиксированном числе электронов ............... 79

5.3 Определение массового состава ПКЛ по экспериментальным данным о флуктуациях числа мюонов в ШАЛ ........ 94

5.4 Использование градиента ФПР заряженных частиц для определения массового состава ПКЛ ............ 98

5.5 Обсуждение результатов определения массового состава • • • 102

Заключение ..............................107

Приложение 1 ..............................109

Литература ..............................118

Введение.

Актуальность темы:

Определение массового состава первичных космических лучей (ПКЛ)

сверхвысоких энергий и их энергетического спектра относится к фундаментальным проблемам физики космических лучей сверхвысоких энергий. Знание вида энергетического спектра и зависимости массового состава от энергии является очень важным для теории генерации космических лучей и их распространения в космическом пространстве. Весьма интересной в этом плане является область энергий до и после 3-1015 эВ, область излома энергетического спектра космических лучей, который был впервые обнаружен более 40 лет назад (Г.В. Куликов и Г.Б. Христиансен 1958 г. [1]). Результаты работы [1] были затем подтверждены токийской [2] и боливийской [3] группами, а впоследствии практически всеми научными группами, работающими в этом диапазоне энергий. Однако до сих пор существует неоднозначность толкования природы излома. Установление природы излома является одной из важнейших проблем физики космических лучей. Существенной характеристикой ПКЛ, правильное измерение которой способно пролить свет на природу излома, является массовый состав ПКЛ в этой области энергий. Но в настоящее время экспериментальные данные по массовому составу, полученные различными группами как с помощью прямых методов, так и с помощью установок для исследования широких атмосферных ливней (ШАЛ) ещё далеки от согласия. В связи с развитием теории распространения космических лучей в космическом пространстве, а также уточнением моделей взаимодействия ПКЛ в атмосфере, возрастает интерес к изучению ядерного состава ПКЛ, в частности, в области энергий до и после излома. Свидетельством тому является увеличивающееся в последнее время

количество публикаций на эту тему, разработка новых экспериментальных установок и усовершенствование старых для исследования этой проблемы.

Развитие техники и методики экспериментов в области измерения массового состава ПКЛ идёт по нескольким направлениям. Первое - это совершенствование прямых методов измерения массового состава первичных космических лучей. До настоящего времени с помощью прямых методов измерения ядерного состава ПКЛ, (измерения на спутниках: эксперименты "Протон [4], [5], [6] Сокол [7], [8]) баллонные эксперименты (JACEE [9], [10], [11], [12]), RANJOB [13], [14], и др.) за счёт длительной экспозиции удалось измерить массовый состав до энергий в несколько единиц на 1014 эВ/нуклон. Лишь будущие баллонные эксперименты (ATIC Collaboration [15]) и проектируемые спутниковые установки [16], [17] предполагают за несколько лет эксплуатации расширить эту область до 1015-1016 эВ.

Как видно из вышесказанного, массовый состав ПКЛ в области излома в энергетическом спектре космических лучей и, тем более, в области более высоких энергий доступен в настоящее время для исследования только методами, связанными с изучением ШАЛ, и, повидимому, эти методы будут оставаться единственно возможными в течение обозримого будущего. Здесь основным методом оценки массового состава ПКЛ, не утратившим своего значения до настоящего времени, является метод измерения флуктуаций мюонной компоненты в ШАЛ [18], впервые предложенный в работах [2, 19]. В частности, измерение соотношения мюонной и электронной компонент ШАЛ, а также зависимости флуктуаций мюонной компоненты в ШАЛ от энергии первичной частицы применяется на многих ныне действующих и проектируемых установках по исследованию массового состава ПКЛ. Это установка ШАЛ МГУ [2026], Тянь-Шань [27-29], АКЕНО [30], Haverah Park [31], EAS-TOP [32], KASCADE [33-35], GRAPES II [36] и другие.

Цель диссертационной работы:

Провести анализ функций пространственного распределения (ФПР)

заряженных частиц и мюонов в ШАЛ в зависимости от полного числа частиц.

С учётом анализа ФПР заряженных частиц в ШАЛ и расчёта эффективной площади установки, получить данные о спектре по числу

частиц в диапазоне Л^ «105 -108, в том числе для разных углов прихода

15 18

ШАЛ, и энергетическому спектру ПК Л в области энергий 10 -И0 эВ.

Построить экспериментальные распределения по числу мюонов в ливнях с фиксированным числом электронов в диапазоне

«105 -4-107.

На основании анализа флуктуаций числа мюонов в ШАЛ и сравнения полученных результатов с расчётными данными для разных массовых составов ПКЛ, количественно оценить массовый состав ПКЛ в диапазоне до и после излома энергетического спектра.

Использовать данные о совместном распределении числа мюонов в ШАЛ и градиенте ФПР электронов для улучшения точности оценок массового состава ПКЛ.

Научные результаты и новизна работы:

С использованием метода максимума функции правдоподобия

построены экспериментальные ФПР электронов в ШАЛ с полным числом

л о

частиц от 5-10 до 2-10 с шагом Л^Ме =0.2. Показано, что средние ФПР заряженных частиц в ШАЛ не описываются функцией Нишимуры-Каматы-Грейзена и ведут себя положе как на расстояниях меньше 20 м, так и на расстояниях больше 50 м от оси. Определён аналитический вид аппроксимации экспериментальной ФПР заряженных частиц, обеспечивающий лучшее описание данных по сравнению с применявшимися ранее.

Построены спектры ШАЛ по числу частиц для разных углов прихода ШАЛ в ливнях с числом частиц 105-й08. С высокой статистической точностью подтверждено существование излома в дифференциальном спектре по числу частиц на уровне моря; изменение показателя спектра составляет А к = 052 ± 0.02. Соответствующее изменение в энергетическом спектре ПКЛ Л у составляет 0.51 ±0.03.

Проанализированы спектры ШАЛ под разными зенитными углами и показано существование зависимости положения точки излома от глубины наблюдения в атмосфере.

Впервые на одной установке с использованием единой методики с большой статистикой получены распределения по числу мюонов в ливнях с фиксированным числом частиц в широком диапазоне энергий до и после излома энергетического спектра при 3-1015 эВ.

Впервые на основании анализа флуктуаций числа мюонов в ШАЛ с фиксированным числом частиц, выполненного в широком диапазоне

5 т

изменения Nеот 10 до 4-10 , что соответствует интервалу первичных

1С лп

энергий ~ 10 ч-10 эВ, проведены количественные оценки массового состава и показано, что имеет место утяжеление массового состава ПКЛ в области за изломом энергетического спектра. Совместный анализ флуктуаций числа мюонов и градиента ФПР электронов в ШАЛ подтверждает этот вывод и повышает точность оценок массового состава. Массовый состав до излома (Е0 ~ 1015 эВ) близок к нормальному составу. В области за изломом спектра доля тяжёлых ^ = 10-^30) ядер увеличивается от 19±5 до 65+7%, в то время как доля лёгких ядер (р +а)

уменьшается от 64±5 до 24±5%.

Практическая и научная ценность работы:

В ряду экспериментальных установок, позволяющих проводить

исследования массового состава и энергетического спектра в области

энергий, охватывающих излом, установка ШАЛ МГУ занимает особое место благодаря ряду преимуществ.

Во-первых, это использование для измерения плотности как электронов, так и мюонов счётчиков Гейгера-Мюллера, практически не имеющих переходного эффекта по сравнению со сцинтилляционными детекторами. Такая система, вследствие простоты и ясности обработки, позволяет более чётко получать оценки как основных параметров индивидуальных ШАЛ, так и статистические оценки средних и дисперсий различных распределений, в том числе параметров средней ФПР заряженных частиц в ШАЛ с помощью метода максимума правдоподобия.

Далее, использование данных подземного мюонного детектора,

л

содержащего 1104 счётчика Гейгера-Мюллера общей площадью 36.4 м с высоким энергетическим порогом (Е^ > ЮГэВ) в совокупности с

с л

данными наземной установки достаточно большой площади (-5-10 м ).

Большой экспериментальный материал (более 1 млн ливней, зарегистрированных за период 1982-1990 гг.), который позволяет с наибольшей среди существующих установок статистикой охватить энергетический диапазон 1015ч-5-1017 эВ.

Данные по массовому составу, относящиеся к области энергий порядка и выше 1017 эВ, в сочетании с данными, полученными при меньших энергиях, являются на сегодняшний день уникальными.

Использование для анализа эксперимента расчётов, основанных на современной модели кварк-глюонных струн (КГС) с учетом полужёстких процессов, даёт возможность наиболее адекватно описать адронные взаимодействия при сверхвысоких энергиях, что повышает достоверность выводов.

Полученные в данной работе экспериментальные результаты касаются актуальных и недостаточно исследованных вопросов физики космических

лучей сверхвысоких энергий и представляют несомненную ценность для широкого круга специалистов, работающих в этой области физики космических лучей.

Вклад автора;

Автор принимал активное участие в расширении, модернизации и последующей многолетней эксплуатации установки ШАЛ МГУ. Им был создан комплекс программ для обработки экспериментальной информации, в том числе программы нахождения экстремума функции многих переменных, и обработана вся статистика зарегистрированных событий. Автором реализовано использование метода максимума правдоподобия и разработан соответствующий пакет программ для построения средних пространственных распределений электронов и мюонов в ШАЛ. Автору принадлежит пакет программ для анализа обработанной информации; с использованием этих программ при непосредственном участии автора получены экспериментальные результаты, вошедшие в диссертацию, в том числе распределения по числу мюонов в ШАЛ с фиксированным числом частиц.

Апробация работы:

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на

Международных конференциях по космическим лучам (Москва 1987, Аделаида 1990, Дублин 1991, Калгари 1993, Москва 1994, Рим 1995, Москва 1996, Дурбан 1997, Москва 1998), на международных симпозиумах по космическим лучам (Перпиньян 1996 и Мадрид 1998), на Ломоносовских чтениях (1994-1998 гг.).

На защиту выносятся:

Результаты исследования экспериментальных средних ФПР

л о

заряженных частиц в ШАЛ с полным числом частиц от 5-10 до 2-10 с

шагом Л^Ме = 0.2, полученных с применением метода максимума

функции правдоподобия.

Дифференциальные спектры ШАЛ по числу частиц для разных

5 8

зенитных углов прихода в ливнях с числом частиц 10 -^10 , полученные с использованием результатов подробного расчёта эффективной площади установки.

Экспериментальные распределения по числу мюонов в ливнях с фиксированным числом частиц в широком диапазоне энергий до и после излома энергетического спектра при 3-1015 эВ, полученные с использованием единой методики и с большой статистикой.

Проведенные на основании совместного анализа флуктуаций числа мюонов и градиента ФПР электронов в ШАЛ с фиксированным числом

5 7

частиц, выполненного в широком диапазоне изменения Л^ от 10 до 4-10 , что соответствует интервалу первичных энергий ~1015-ь1017 эВ, количественные оценки массового состава в рамках модели (^ОБШТ

методом х2 •

Вывод об утяжелении массового состава ПКЛ в области за изломом энергетического спектра.

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 22 научных работы.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения и

списка литературы. Содержит 44 рисунка и 12 таблиц; список литературы включает 121 наименование. Объем диссертации 131 страница.

Глава 1. Обзор экспериментальных установок и основных результатов по массовому составу первичных космических лучей в области энергий 1014-51017 эВ.

В настоящее время для решения проблемы массового состава космических лучей сверхвысоких энергий, помимо методов прямого измерения (ПРОТОН [4-6], СОКОЛ [7,8], JACEE [9-12], RANJOB [13,14] и др.) и методов оценки ядерного состава с помощью исследования мюонов и электронов в ШАЛ, используются и другие методы. Это, в первую очередь, измерение зависимости флуктуаций глубины максимума ШАЛ от энергии по данным черенковских детекторов (DICE [37], Тянь Шань [38], Тунка [39]) и детекторов ионизационного излучения ШАЛ (HiRes+Fly's Eye [40]), измерение зависимости углового распределения мюонов в ШАЛ от энергии (CRT+HEGRA [41,42]), измерение мюонной компоненты ШАЛ глубоко под землёй (Баксан [43-45], EAS-TOP+MACRO [46,47]), одновременное измерение нескольких компонент широкого атмосферного ливня и сопоставление с результатами расчетов для разных комбинаций ядерного состава ПКЛ (SOUDAN [48], AIRROBIC+HEGRA [49,50], Баксан+Андырчи [51], KASCADE [52], CASA-MIA [53]), подробное измерение электронной компоненты (TIBET [54]).

Ниже представлены краткие технические характеристики некоторых наиболее известных установок, на которых проводятся эксперименты по измерению энергетического спектра и массового состава ПКЛ в области энергий до и после излома, применяемые при этом методики и основные результаты, полученные на этих установках.

1.1 Измерения массового состава с помощью установок ШАЛ

EAS-TOP

Установка EAS-TOP [32,55] расположена на высоте 2005 м над уровнем моря

(810 г/см ) в лаборатории Gran Sasso, Италия. Область энергии: 51014-2-1015 эВ. Мюонный детектор представляет из себя 9 слоев, проложенных железом толщиной 13 см и расположенных с интервалом 30 см друг от друга. Каждый слой представляет из себя 2 взаимно перпендикулярные плоскости из неоновых трубок. Общая площадь детектора 140 м2 и высота 2.8 м. Пороговая энергия регистрируемых мюонов 1 Гэв. Детектор электронно-фотонной компоненты состоит из 35 модулей пластиковых сцинтилляторов площадью 10 м2 каждый

5 2

расположенных на площади 10 м . Пороговая энергия 3 Мэв. Погрешности в определении полного числа частиц, положения оси и направления прихода ANe, Ах, Лу, АО оцениваются как

ANe/Ne~10%, Ах~Ау=5м для N е> Ю5 эВ, Ав * 0.5°.

_л пс е

pM(R) = С • R ' -(I + R/Rq) ' Среднее пространственное

распределение мюонов хорошо описывается функцией Грейзена:

Pju(R) = С R-0J5 -(l + R/R0)~2-5 (1.1)

где pM(R) - плотность мюонов на расстоянии R от оси ШАЛ, С-нормировочная константа и R0 = 400 м.- определяет крутизну функции. Эта функция используется для вычисления полного числа мюонов N.. в

ШАЛ. Экспериментальные ФПР мюонов для двух диапазонов по полному числу частиц ANe (105'8-106'°) и (106"°-107 0) сравнивались с расчётными. При этом использовались две модели зависимости точки и�