Изучение энергетического спектра первичного космического излучения в области энергии 10\15-10\16 ЭВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

I. Введение.

П. Экспериментальная установка и ее характеристики.

§ 2.1. Описание установки.

§ 2.2. Определение плотности потока заряженных частиц и черенковского излучения

§ 2.3. Измерение прозрачности атмосферы.

Ш. Феноменологические характеристики широких атмосферных ливней (ШАЛ).

§ 3.1. Основные величины

§ 3.2. Модельный расчет функции пространственного распределения черенковского излучения ШАЛ

§ 3.3. Методические результаты расчета функции пространственного распределения черенковского излучения и их анализ.

1У. Математическая обработка экспериментальных данных.

§ 4.1. Определение индивидуальных параметров ливней.

§ 4.2. Программа нахояздения основных параметров ШАЛ и отбор событий.

§ 4.3. Определение точности основных параметров ливня.

§ 4.4. Эффективные площади регистрации ШАЛ

§ 4.5. Моделирование измерения спектра ШАЛ.

У. Результаты эксперимента.

§ 5.1. Флуктуации числа частиц в ливнях с фиксированной первичной энергией.

§ 5.2. Коэффициент пересчета от числа электронов к первичной энергии.

§ 5.3. Энергетический спектр первичного космического излучения в интервале энергий 10*® * 3.10^ эВ.

Знание энергетического спектра первичного космического излучения тлеет большое значение как для теории происхождения космических лучей /I/, так и для анализа данных о его прохождении через атмосферу /2/.

Прямые измерения энергетического спектра первичного космичестг; кого излучения доведены до 10 эВ /3/. Информацию при более высоких энергиях в настоящее время может дать только изучение широких атмосферных ливней космических лучей (Щ А Л).

Наибольшее количество результатов было получено при исследовании спектров ливней по числу частиц. Первые исследования спектров по числу частиц на комплексной установке, позволяющей исследовать индивидуальные ливни, были выполнены на установке МГУ Г.Б.Христиан- • сеном и Г.В.Куликовым /4/. В работе /4/ было впервые показано существование излома в первичном энергетическом спектре при энергии 15

ЗЛО эВ. В дальнейшем этот результат был подтвержден во многих других работах, выполненных как на уровне моря, так и на высоте гор /5,6,7,8,9,10,11/. Наличие излома в указанной области энергии было подтверждено не только исследованиями спектров по числу частиц, но и исследованиями спектров по числу мюонов /8,10/, а также результатами исследования спектров плотностей черенковского излучения /II/.

Учитывая важность данного вопроса как с точки зрения астрофизики, так и с точки зрения ядернофизического аспекта физики космических лучей представляет интерес провести в области 10"^- Ю^эВ такие исследования энергетического спектра, которые позволили бы получить абсолютные значения потоков первичных космических лучей и, тем самым, способствовать дальнейшему уточнению наших сведений о спектре космических лучей в области излома. Возможность такого исследования связана с изучением черенковского излучения ШАЛ.

Дело в том, что полный поток черенковского излучения, приходящий на уровень наблюдения со всего пути ливня с незначительным затуханием, вблизи уровня моря практически однозначно связан с энергией первичной частицы и не зависит от модельных представлений о развитии ШАЛ /12,13/. Использование черенковского излучения для определения энергии первичной частицы, генерировавшей ШАЛ, позволило осуществить измерения спектра первичного космического излучения на

Т7 TQ установках ШАЛ /14,15,16/ в области энергий 10 - 10 эВ.

В настоящей работе, выполненной на Самаркандской установке ШАЛ /17,18/, предпринята попытка провести абсолютные измерения спектра первичного космического излучения в районе излома. Установка СамГУ позволяет осуществить измерения функции пространственного распределения ( Ф П Р ) черенковского излучения ШАЛ в индивидуальных ливнях

ТК с энергией 10 - ЗЛО эВ в диапазоне от 10 до 250 м от оси ШАЛ. Для оценки энергии первичной частицы, генерировавшей ШАЛ, оказывается возможным использовать величину Q^qq - плотность черенковского излучения на расстоянии 100 м от оси ливня, которая практически однозначно и модельно независимо связана с первичной энергией и может быть использована вместо значения полного потока черенковского излучения.

Утверждение о модельной независимости величины GlOO основано на результатах расчетов ФПР черенковского излучения в рамках различных предположений о характеристиках адронных взаимодействий. Эти предположения должны охватывать всю область энергий, существенных для расчета (от первичной энергии до энергии несколько ГэВ). Поскольку точные характеристики адронных взаимодействий в области сверхвысоких энергий, строго говоря, неизвестны, то, казалось бы, нельзя исключить возможность реализации такого варианта, который резко отличается от ранее рассмотренных и приводит к иным результатам. Однако такой скепсис был бы оправцан лишь до появления данных

SPS - коллайдера (1981г.), когда ускорительная информация относительно адронных взаимодействий ограничивалась энергиями 2 - ЗТэВ. После запуска SPS - коллайдера границы области, внутри которой имеются теперь прямые данные относительно адронных взаимодействий, достигла 150 ТэВ, т.е. вплотную подошла к интервалу энергий, в котором в настоящей работе исследуется энергетический спектр первичного космического излучения. Это резко сокращает возможный произвол в выборе моделей адронных взаимодействий, описывающих развитие ШАЛ.

В работе /19/ было показано, что совокупность экспериментальных данных по ШАЛ хорошо объясняется в рамках модели, в которой ад-рон-нуклонные взаимодействия описываются при помощи теории надкритического померона ( Т Н П ) /20,21/, а отличие адрон-ядерных (ЯМ) взаимодействий в атмосфере от адрон-нуклонных {У) описывается при помощи аддитивной кварковой модели ( А К М ) /22,23/. Существенно, что модель надкритического померона, развитая в /20,21/ хорошо описывает ускорительные данные по взаимодействиям адрон-нуклон, включая данные $р£ , а аддитивная кварковая модель достигла больших успехов в описании взаимодействия адронов с ядрами (см./23/). Проведенный в настоящей работе расчет ФПР черенковского излучения согласно модели развития ШАЛ, предложенной в /19/, показал, хорошее согласие с экспериментальной ФПР, полученной на Самаркандской установке в диапазоне расстояний 10-250 м, а также согласие с расчетами по другим моделям на расстоянии ^ 100 м от оси ШАЛ. Это является дополнительным аргументом в пользу примененного в настоящей работе подхода, основанного на использовании величины Q±Q0 •

На первом этапе эксплуатации Самаркандской установки ШАЛ (1981г.) отбор ливней производился по плотностям потока заряженных частиц, как это делалось в большинстве других экспериментов, а на последующих этапах (1982-83гг.) отбор ливней велся и по плотностям потока черенковского излучения. Это позволило осуществить измерение энергии ливня, оценить флуктуации числа частиц в ливне при фиксированной первичной энергии (точнее, при фиксированном значении Q ±00 ) и получить экспериментальный коэффициент пересчета от спектра ливней по числу частиц к первичному энергетическому спектру. Таким образом, оказалось возможным получить абсолютную интенсивность потоков первичного космического излучения двумя методами: путем перехода от спектра ливней по числу частиц с использованием экспериментального коэффициента пересчета и путем непосредственного определения энергии индивидуального ливня по величине QlOO

Основные цели данной работы: а) Разработка и реализация в виде вычислительной программы алгоритма моделирования регистрации ливней установкой ШАЛ с целью определения точности измерения основных параметров ливня. б) Разработка и реализация в виде вычислительной программы алгоритма обработки экспериментальных данных установки ШАЛ, учитывающего ошибки измерений. в) Выбор и обоснование классификационного параметра QiOO для условий Самаркандской установки ШАЛ на основе модельных расчетов ФПР черенковского излучения. Предъявляемые к классификационному параметру требования состоят в том, что этот параметр должен слабо флуктуировать и непосредственно быть связанным с первичной энергией. г) Определение энергетического спектра первичного космического излучения по результатам измерения энергии в индивидуальных ШАЛ при отборе по плотности потока черенковского излучения. д) Определение энергетического спектра первичного космического излучения путем перехода от спектра по числу частиц с использованием экспериментального коэффициента пересчета от числа частиц к первичной энергии. е) Исследование флуктуации числа частиц в ливне при фиксированной первичной энергии.

На защиту выносятся:

1. Обоснование точности определения основных параметров ливня (координаты оси, направление прихода ливня, число частиц в ливне, первичная энергия).

2. Результаты расчета ФПР черенковского излучения ШАЛ при энергии 10*®- 3.10*^ эБ для различных моделей развития ливня, в том числе и согласно ТНП с учетом отличия £// и jbfl взаимодействий.

3. Экспериментально определенное значение коэффициента пересчета от числа частиц в ливне /V^ к энергии первичной частицы.

4. Результаты исследований флуктуаций числа частиц в ливнях тк с фиксированной первичной энергией 3.10 эВ.

5. Первичный энергетический спектр космического излучения в интервале энергий 2.10*®* 3.10*^ эВ, полученный в настоящей работе двумя методами.

Практическая значимость работы.

Результаты работы представляют интерес и уже применяются для определения энергии первичной частицы и других параметров ШАЛ на установке СамГУ. Они существенно используются при построении первичного энергетического спектра и получении зависимости глубины максимума ШАЛ от энергии первичной частицы. Полученные в работе данные о спектре космического излучения необходимы для решения проблемы происхождения космических лучей и для анализа результатов исследования прохождения космического излучения через атмосферу.

Диссертация состоит из шести глав и двух приложений.

Первая глава, которая является введением, посвящена состоянию исследуемой проблемы и постановке задачи диссертации. Подчеркивается важность измерения черенковского излучения для получения информации о первичном энергетическом спектре ШАЛ.

Вторая глава посвящена описанию установки ШАЛ Самаркандского университета, измерению плотностей потока заряженных частиц и черенковского излучения, определению прозрачности атмосферы и оценке ошибок измерений Показано, что изменение относительной прозрачности в течение одной ночи не превышает 5%, а от ночи к ночи не превышает 15%, и абсолютная средняя прозрачность над Самаркандской установкой ШАЛ составляете 0,70±0,06.

В третьей главе описывается метод расчета ФПР черенковского излучения ШАЛ и определение энергии первичной частицы. Исследуются флуктуации плотности потока черенковского излучения в зависимости от расстояния от оси ливня. Показано, что величина Q^qq - плотность черенковского излучения на расстоянии 100 метров от оси ливня, практически однозначно связана с энергией первичной частицы. Приводится описание моделей развития ШАЛ, используемых в этой работе.

В четвертой главе описывается методика отбора и обработки экспериментальных данных установки ШАЛ. В этой главе также приводятся и описываются результаты моделирования эксперимента. При моделировании используется модель, учитывающая корреляции между основными феноменологическими характеристиками ШАЛ: числом частиц, глубиной максимума и формой ФПР. Показано, что лучшая точность определения основных параметров ливня достигается при определении положения оси ливня по данным сцинтилляционных детекторов.

В пятой главе приводятся результаты эксперимента по определению флуктуаций числа частиц в ливне при фиксированной первичной энергии. В этой главе также приводятся первичные энергетические спектры космического излучения» найденные по отбору по плотности потока черенковского излучения и плотности потока заряженных частиц. Эти результаты сравниваются с данными других авторов.

В заключении формулируются основные результаты работы и выводы.

Данные, полученные при непосредственном участии автора, докладывались в 1979-1984 гг. на всесоюзных (Ереван-1979 г., Самарканд-1981 г., Якутск-1984 г.) и Международных (Киото-1979 г., Париж-1981 г., Бангалор-1983 г.) конференциях по космическим лучам. По материалам диссертации опубликовано 8 работ /17,18,24-29/.

II. Экспериментальная установка и ее характеристики.

Основные результаты настоящей работы можно сформулировать следующим образом:

1. На основе расчетов ФПР черенковского излучения по различным моделям развития ШАЛ доказано, что плотность черенковского излучения на расстоянии 100 метров от оси ливня Oi0Q слабо флуктуирует и практически однозначно и модельно независимо связана с энергией первичной частицы ШАЛ. Эта связь описывается формулой: f Во \ i.oi ±о,оз 15- iG

Qioo = (9>0±0>z) —Ts) 1° * Co* з-ю

2. На основе сравнения расчетных и экспериментальных ФПР черенковского излучения показано, что лучшее согласие расчета с экспериментом достигается для теории надкритического померона с учетом отличия IN и Lh взаимодействий при смешанном составе первичного космического излучения (40 процентов протонов, по 15 процентов ядер типа А=4, А=15, А=31 и А=56). Эта ФПР аппроксимируется следующей функцией

СФ п ?QQP~f. Mo \ где {-х CoSQ/ ~naPawe'rP зависящий от глубины максимума X ^ и наклона осей ливней Хт = 510 + 75 ( EQ - 15).

3. Путем сопоставлений измерений плотности потока черенковского излучения на расстоянии 100 метров от оси ливня Qiqq с наблюдаемым числом частиц в ливне определен коэффициент пересчета от числа частиц в ливне к энергии первичной частицы. Этот коэффициент задается формулой:

A/e

4; Путем пересчета от измеренного спектра по числу частиц, найденного при отборе ливней по плотностям потока заряженных частиц, получен первичный энергетический спектр космического излучения, который аппроксимируется степенными функциями вида: -Ю Г Ес 1,63 ± 0)09 j с- iS

F(>Z>Hl,9±0,3)-iO (-J суи-^е^стер-1 i,S10%Eo^,5-M

-ЮГ Ее \-2J30±0Ji2. iS 16 p(>Eo) = ($lZ±0>8)10 (—J 5-10 <Еой1в *0 io

5: При отборе ливней по потокам черенковского излучения получен первичный энергетический спектр космических лучей в области т к т а энергии 4.10 -г ЗЛО эв. Этот спектр наилучшим образом аппроксимируется степенной функцией вида:

-f(VF \-г^±0,±0 , 1ST ^ ,п(£

0,*)*0 (^jcM^rfemep-4 Uo*E,< 5-10

В заключение автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям - кандидатам физико-математических наук, старшему научному сотруднику Николаю Николаевичу Калмыкову и доценту Бахрому Махмудовичу Махмудову за руководство работой.

Автор глубоко признателен профессору Георгию Борисовичу Христиансену за предложение теш, плодотворные дискуссии и ценные замечания при выполнении работы.

Автор благодарит кандидата физико-математических наук Василия Владимировича Просина за обсуждение ряда аспектов работы, а также сотрудников лаборатории физики космических лучей Самаркандского госуниверситета Хакимова Найма, Алиева Нуриддина и Каххарова Муха-мади, принимавших непосредственное участие в создании установки ШАЛ и проведении эксперимента.

заключение