Методы экспериментальных исследований интегральной интенсивности частиц с энергией более 1015 эВ по потоку электромагнитных вспышек тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Сокуров Валерий Федорович

«Методы экспериментальных исследований интегральной интенсивности частиц с энергией более 1015 эВ по потоку электромагнитных вспышек»

АВТОРЕФЕРАТ ии344С13

диссертации на соискаеие ученой степени доктора физико-математических наук

Специальность 01 04 01 - приборы и методы экспериментальной физики

1 8 СЕН 2008

Москва 2008

003446135

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Таганрогский государственный педагогический институт»

Официальные оппоненты, академик РАН, д-р физ -мат наук, проф

Крымский Гермоген Филиппович (Институт космофизических исследований Аэрономии им Ю Г. Шафера ЯФ СО РАН, г. Якутск), зав лаб солнца и космических лучей, д-р физ -мат наук, профессор Стожков Юрий Иванович (Физический институт РАН, г Москва), зав. кафедрой физики д-р физ -мат наук, профессор Куповых Геннадий Владштроваич (г Ростов-на-Дону).

Ведущая организация институт ядерных исследований РАН, г. Москва

Защита состоится 24 ноября 2008 г. в 12 00 часов на заседании диссертационного совета Д 002 023 02 в Физическом институте РАН по адресу 119991, г Москва ГСП-1, Ленинский проспект, 53

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Физического института РАН.

Автореферат разослан_октября 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Я Н Истомин

Общая характеристика работы.

Актуальность темы

В конце 50-х годов прошлого столетия были начаты исследования потока космических лучей сверхвысоких энергий (КЛСВЭ) Однако до настоящего времени не решены еще некоторые проблемы Это касается природы частиц -протоны, ядра, другие частицы, происхождения частиц - галактическое, внегалактическое, источников излучения и механизмов ускорения частиц Остается нерешенной также проблема обрыва интенсивности спектра - обрезание Грей-зена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК).

В настоящее время зарегистрировано несколько событий с энергией частиц чуть выше Ю20 эВ Например, 11 событий эксперимента AGASA (Ео>1020 эВ), существование которых можно объяснить другой компонентой КЛСВЭ, вероятно, связанной с новой физикой Возможно, это сверхтяжелая темная материя, новые частицы, подобные сильнодействующим нейтрино, нарушение Лоренц-инвариантности Кроме этого, установкой Fly's Eye зарегистрировано одно событие с энергией Е0 ~ 3 10го эВ, одно событие в эксперименте HiRes с Е0 = 1,8 Ю20 эВ Три события зарегистрированы Якутской установкой с Ео ~ М02ОэВ

Казалось бы, можно говорить об отсутствии обрезания спектра Однако, из-за небольшой статистики и ошибок в определении энергии достоверность такого вывода невысока Кроме того, на установке HiRes спектр обрезается выше (3-5) 1019 эВ В новом эксперименте Auger ливней с энергией выше Ю20 эВ не зарегистрировано, хотя интенсивность достигнута уже выше, чем в AGASA

Для исследования первичного энергетического спектра существует несколько подходов, одним их которых является метод измерения первичного энергетического спектра по спектру плотностей излучения Вавалова-Черенкова, генерируемого в атмосфере релятивистскими частицами широких атмосферных ливней (ШАЛ) Оказывается, что спектр плотностей черенковско-го излучения ШАЛ достаточно хорошо отражает первичный энергетический спектр Это связаео с двумя обстоятельствами Во-первых, поток черенковского излучения на уровне моря пропорционален первичной энергии ШАЛ Во-вторых, функция пространственного распределения черенковских фотонов сравнительно слабо падает с расстояние от оси ливня

Поиск наиболее эффективных методов регистрации космических лучей предельно высоких энергий привел к исследованию ионизационного свечения

з

ШАЛ, как методу, который позволил бы получить информацию о развитии сверхмощного каскада в атмосфере и обеспечить доступным методом достаточно большую площадь контроля установки

Естественно, что при исследовании ШАЛ оптическими методами, весьма актуальной является информация о состоянии атмосферы в момент регистрации В частности, корректные выводы о величине потока черенковского излучения ШАЛ возможны только при наличии контроля прозрачности атмосферы в течение всего периода регистрации Этот контроль дает возможность корректировать полный поток черенковского излучения ШАЛ а, следовательно, и первичный энергетический спектр в интервале энергий 1015 - Ю20 эВ

В настоящее время все большее внимание исследователей привлекает очень низкочастотный диапазон радиоизлучения (ОНЧ электромагнитные колебания в диапазоне единиц килогерц) Это связано с тем, что комплекс Земля-ионосфера представляет из себя прекрасный сферический волновод, в котором с очень малым затуханием распространяются КНЧ-ОНЧ радиоволны Следовательно, их можно принять на очень больших расстояниях от источника излучения В настоящей работе на базе экспериментальных данных по исследованию потока радиоимпульсов в ОНЧ диапазоне идентифицирован энергетический спектр в диапазоне 1018 — 1019 эВ

Показана возможность измерения энергетического спектра космических лучей предельно высоких энергий достаточно простым и надежным способом Зри этом площадью регистрации детектора ШАЛ становится вся поверхность Земли

Таким образом, весьма актуальными направлениями исследований являются

1) исследования энергетического спектра в диапазоне энергий выше 1015 эВ по интеграпьноду потоку черенковского излучения ШАЛ,

2) исследование области излома спектра в диапазоне 1015 - 1016 эВ,

3) разработка новых перспективных методов исследования по потоку электромагнитных вспышек в видимом диапазоне и в ОНЧ радио-дг! лазоне, позволяющих получить достоверные данные в области обрыва спектра

Цель работы

В настоящей работе имеют место следующие направления 1) С помощью разработанного автором весьма чувствительного детектора черенковского излучения по интегральному потоку черенковских вспышек исследовать энергетический спектр в диапазоне энергий 1015 - 1017 эВ При этом по изменению интегральной интенсивности потока черенковских вспышек измерить величину ослабления излучений от ШАЛ в атмосфере

2) Исследование области излома спектра в диапазоне 1015 - 1016 эВ

3) По потоку очень низко-частотного излучения от ШАЛ идентифицировать первичный спектр в диапазоне 1018 -1019 эВ

Новизна работы

1) Впервые измерена плотность потока черенковского излучения в интервале 2 - 1480 фотон/см2эВ с изломом в области 60 - 100 фотон/см2эВ

Спектр плотностей черенковского излучения ШАЛ впервые измерен в широком диапазоне плотностей, надежно охватывающем область излома спектра, с экспозицией, позволяющей с точностью 2 % измерить величину показателя спектра

2) Впервые по вариации интегральной интенсивности пятнадцатиминутных спектров плотностей получена величина относительного ослабления потока че-ренковских фотонов в атмосфере по отношению к ослаблению при наилучших условиях видимости, а также среднее ослабление в период регистрации Дается связь уровня интегральной интенсивности спектра плотностей черенковского излучения ШАЛ с дальностьц видимости (по измерению другими методами), что позволило измерить прозрачность атмосферы над Якутской и Самаркандской установками ШАЛ в наиболее ясные ночи с точностью < 10%

3) В настоящей работе новым независимым методом по плотности

потока черенковского излучения измерен первичный спектр космических лучей в интервале энергий 1015- 10" эВ с изломом в области (3 -5) 1015эВ

4) Впервые в 1973 г на Денверской конференции по космическим лучам был доложен метод исследования сверхмощных ШАЛ по ионизационному излучению на базе линзы Френеля диаметром 5 м и мозаики из 127 фотоумножителей в фокальной плоскости линзы В настоящей работе проведены расчеты возможных измерений различных участков каскадных кривых в диапазоне энергий 1018—1020 эВ Разработана конструкция детектора

5) Измерен спектр плотностей напряженностей электрического поля ОНЧ волны в восьми частотных каналах

6) Впервые по интегральному потоку ОНЧ сигналов идентифицирован энергетический спектр космических лучей в интервале энергий 1018-1019 эВ

Научная и практическая ценность

1) С помощью разработанного и созданного автором большого оптического детектора (БОД) измерен поток черенковского излучения в атмосфере в интервале плотностей 17 - 1480 фотон см"2 эВ'1

2) Получен излом в спектре плотностей черенковского излучения в области 60- 100 фотон см"2 эВ'1

3) Для корректного измерения светового потока был разработан и внедрен способ оперативного контроля прозрачности атмосферы адекватным методом,

почти на два порядка превышающим диапазон измерения дальности видимости стандартными методами

4) По потоку черенковских вспышек измерен энергетический спектр частиц с энергиями эВ с изломом в области (3 - 5) 1015 эВ

5) Измерен спектр плотностей импульсов радиоизлучения в очень низкочастотном (ОНЧ) диапазоне в восьми частотных каналах

6) Исследована связь потока первичных частиц с потоком ОНЧ радиоимпульсов

По потоку ОНЧ сигналов идентифицирован первичный спектр космических лучей в диапазоне 31018 эВ — 31019 эВ

С помощью разработанного и изготовленного макета детектора проведены пробные измерения потока ионизационного излучения ШАЛ в атмосфере

Разработан и доложен на конференции по космическим лучам в Дзнвере (США) проект детектора ионизационного излучения на базе линзы Френеля диаметром 5 м

Разработан проект комплексной установки ШАЛ 500 с применением детекторов ОНЧ излучения с раздвижением 1 км и 10 км, позволяющий решать вопросы, связанные с исследованием как природных, так и искусственных источников излучения

Проведено математическое моделирование распределения источников излучения частиц сверхвысоких энергий в масштабе Вселенной

Рассчитана интенсивность потока первичных частиц в диапазоне 1015 эВ -102ОэВ

Личный вклад автора состоит

1 В создании чувствительного светосильного детектора черенковского излучения ШАЛ с площадью светосбора 0 26 м2, электроники и регистратора

2 Измерена плотность потока черенковского излучения в интервале 2 - 1480 фотон/см2эВ с изломом в области 60-100 фотон/см2эВ

3 Измерена прозрачность атмосферы по вариациям интенсивности спектров плотностей черенковского излучения ШАЛ над Якутской и Самаркандской установками ШАЛ

4 Новым независимым методом по плотности потока черенковского излучения измерен первичный спектр космических лучей в интервале энергий 10,5-1017 эВ с изломом в области (3 - 5) 1015эВ

5 Разработан метод исследования сверхмощных ШАЛ по ионизационному излучению на базе линзы Френеля диаметром 5 м и мозаики из 127 фотоумножителей в фокальной плоскости линзы В настоящей работе проведены расчеты возможных измерений различных участкоз каскадных кривых в диапазоне энергий 1018-102оэВ Разработана конструкция детектора

6 Проведены измерения интегрального потока ОНЧ радиоизлучения

7 По интегральному потоку ОНЧ сигналов идентифицирован энергетический спектр космических лучей в интервале энергий 10|8-1019 эВ

8 Разработаны перспективные проекты исследования космических лучей в области энергий более Ю20 эВ

Апробации

Результаты настоящей работы неоднократно докладывались на семинарах в ИКФИА АН СССР, НИИЯФ МГУ, ФИАН СССР, ИЯИ РАН, СВКНИИ АН СССР, ТРТУ, ТГПИ, на Всесоюзных конференциях в Ереване, Мурманске, Якутске, Таганроге, Грозном, Саранске, Донецке, Ульяновске, Омске, на международных симпозиумах в Киле, Риме, на международных конференциях по космическим лучам в Денвере, Мюнхене, Пловдиве, Киото, Париже, Бонголо-ре, опубликованы в отдельных научных сборниках и статьях, в монографиях автора Сокуров В Ф Энергетический спектр частиц с энергией более 1015 эВ и поток электромагнитных вспышек в приземном слое Монография Ростов н/Д Изд-во РГУ 2006, 265 с , Сокуров В Ф Экспериментальные исследования радиационных процессов в атмосфере Земли Монография (Проект поддержан РФФИ, № 08-05-07001-д) Ростов н/Д Изд-во ЮФУ 2008, 239с, Сокуров В Ф "Проблемы физики сверхвысоких энергий" объемом 385 с M ВИНИТИ, 1993, Сокуров В Ф Поток электромагнитных вспышек в приземном слое M ВИНИТИ, 2002, 262 с, Сокуров В Ф Физика космических лучей космическая радиация Ростов н/Д • Феникс 2005,185 с Всего опубликовано 92 научных труда

Результаты исследований внедрены в Институте космофизических исследований и аэрономии ЯФ СО АН СССР, г Якутск, в Самаркандском государственном университете, г Самарканд, Узбекистан Структура и основное содержание работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложения Структурирование основного содержания монографии обусловлено структурой анализируемой модели измерения энергетического спектра космических лучей по потоку черенковских и ионизационных вспышек в атмосфере Земли и потоку ОНЧ радиоимпульсов в приземном волноводе каждому ее структурному элементу и системообразующему фактору посвящена отдельная глава

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формируется ее цель, объект и предмет, обуславливающие три группы задач исследования, описывается гипотеза, методологические основы и методы исследования,— его новизна, теоретическая и практическая значимость, указываются результаты исследования, выносимые на защиту, характеризуется содержание основных этапов работы, формы апробации и масштабы внедрения результатов исследования

1. Энергетический спектр космических лучей сверхвысоких энергий и плотность потока черенковских вспышек в приземном слое.

В настоящем разделе рассмотрены следующие вопросы

1 Дан обзор истории и состояния вопроса по исследованию первичного энергетического спектра космических лучей сверхвысоких энергий и контроля прозрачности атмосферы

2 Дано описание установки для регистрации спектра плотностей черен-ковского излучения ШАЛ Проанализированы погрешности измерений, рассмотрены вопросы контроля и калибровки детектора

3 Обсуждается методика обработки экспериментальных данных и методика перехода от спектра плотностей черенковского излучения ШАЛ к первичному энергетическому спектру Проводится математическое моделирование эксперимента, при помощи которого показывается достоверность полученных результатов и определяются необходимые для перехода к первичному энергетическому спектру параметры и зависимости

4 Приводятся результаты эксперимента, проводившегося на Якутской установке ШАЛ в течение четырех зимних сезонов с 1976 г по 1980 г, по измерению спектра плотностей черенковского излучения ШАЛ и прозрачности атмосферы Приводится полученный первичный энергетический спектр космических лучей в интервале энергий Ео = 2 1015-1017 эВ, спектр плотностей черенковского излучения ШАЛ в интервале 17-1480 фотон/см2 эВ, дана оценка ослабления черенковского света над Якутской установкой ШАЛ Проводится сравнение полученных результатов с результатами других авторов.

Метод и экспериментальная установка.

Установка представляет собой высокочувствительный светосильный детектор, который получил название "Большой оптический детектор Детектор установлен на Якутской установке ШАЛ в 500 м от центра установки и направлен в зенит

Рис 1. План расположения детекторов Якутской установки ШАЛ

Квадрат - место расположения большого оптического детектора (БОД) Детектор сконструирован на базе 63-х фотоумножителей типа ФЭУ-110, включенных на суммирование& Площадь светосбора детектора 2634 см2, полная апертура 112°, чувствительность 2,5 фотон/см2 эВ В корпусе детектора вмонтирован еще один приемник черенковского света, работающий автономно Он идентичен черенковским детекторам, применяемым на Якутской установке ШАЛ [1], [2] и выполнен на фотоумножителе типа ФЭУ-49 (малый детектор) Этот детектор служит для калибровки большого детектора

-Г [

У»тм«ф | ЯшпрттжА ^

Рис 2. Блок-схема Большого Оптического Детектора (БОД)

Рассматривая два детектора с одинаковой квантовой эффективностью фотоумножителей и одинаковым телесным углом обзора, можно сравнить их чувствительности

Отсюда видно, что повысить чувствительность можно двумя путями

1 Увеличить площади светосбора детекторов

2 Улучшить разрешающую способность аппаратуры

Увеличение площади светосбора в данном эксперименте проведено за счет увеличения количества фотоумножителей Улучшение же разрешающей способности аппаратуры с логарифмической системой преобразования сигнала -за счет использования линейного пропускателя. разработанного автором

Линейный пропускатель осуществляет отбор ливней по амплитуде и открывается на время длительности импульса измеряемого сигнала Широкая полоса, большое внутреннее сопротивление линейного пропускателя в закрытом состоянии позволяет приблизить параметры электроники с логарифмическим преобразованием сигнала к линейным широкополосным системам, использование которых для задач подобного типа связано со значительными трудностями в эксплуатации и обработке экспериментального материала

Динамический диапазон линейного пропускателя 1 мВ - 5 В, полоса пропускания Af = 30 МГц

Порог отбора плавно регулируется от 5 мВ до 50 мВ Это позволяет "обрезать" шумы ночного неба и установить оптимальную загрузку LC-преоб-разователя при максимальной чувствительности детектора Для примера проведем сравнение оценок чувствительности большого оптического детевтора с черепковским детектором с логарифмической системой преобразования, применяемым на Якутской установке ШАЛ

Рассмотрим вышеупомянутую формулу Пусть с^ - чувствительность че-ренковского детектора, применяемого на Якутской установке ШАЛ, qi - чувствительность большого оптического детектора Si = 2634 см2, т, = 2,3 10'8 с, S2 = 150 см2, т2 = 2 10"6 с После подстановки этих значений видно, что только за счет улучшения разрешения аппаратуры при применении линейного пропускателя чувствительность детектора увеличилась в ~ 10 раз Максимально возможное же увеличение площади светосбора улучшило чувствительность в - 4 раза

В результате таких преобразований с помощью большого оптического детектора получена интегральная скорость счета полезных сигналов, достаточная для измерения спектров плотностей черенковского излучения ШАЛ с пят-

надцатиминутной экспозицией со статистической погрешностью 10%. Это дало возможность контролировать прозрачность атмосферы в достаточно короткие временные интервалы и в связи с этим отобрать качественные данные для построения спектра плотностей черенковского излучения ШАЛ с большой экспозицией.

Блок фотоумножителей, ЭОБ, сконструирован в отдельном корпусе размером 2x2x1 м3. Шестьдесят три фотоумножителя, установленные в этом корпусе, разбиты на девять групп. В каждой группе установлено по семь фотоумножителей вплотную друг к другу в форме правильного шестиугольника. Группы ограждены экраном, создающим полную апертуру 112°. Корпус детектора герметичен и снабжен крышкой, которая открывается и закрывается автоматически с помощью подъемно-поворотного механизма при подаче управляющего сигнала.

Рис. 3. Большой оптический детектор

На пороге чувствительности большого оптического детектора 2,5 фо-тон-см"2-эВ~') флуктуационная погрешность измерения составляет: офл.пор ~ 0,40. Однако, обработка данных по спектру плотностей черенковского излучения ШАЛ начиналась для плотности

<3 > 17фотон/см2эВ. Для этого значения флуктуационная погрешность измерения ОфЛ <0,10.

Абсолютная калибровка большого оптического детектора производилась с помощью малого детектора, установленного в том же корпусе.

Калибровка малого детектора, сконструированного на базе одного фотоумножителя типа ФЭУ-49, производилась по методике, которая заключается в измерении черенковского света, излучаемого релятивистскими частицами

в среде с известным показателем преломления. Для этого использовался цилиндрический радиатор, заполненный дистиллированной_водой, установленный на фотокатоде

Для регулярного контроля и периодической калибровки детектора применялся блок сцинтиллятора, диаметром 150 мм и толщиной 60 мм Для улучшения светосбора блок со всех сторон, кроме торцовой, покрашен диффузно отражающей белой краской АК-512 Для упрощения процесса калибровки блок сцинтиллятора накладывается на фотокатод без оптического контакта В этих условиях доля света, попадающая на фотокатод при прохождении через блок сцинтиллятора одиночных релятивистских частиц в несколько раз превышает порог регистрации

При сравнении распределения амплитуд фона космических лучей от радиатора из дистиллированной воды и распределения от блока сцинтиллятора был определен световыход сцинтиллятора Он соответствует плотности Аэ = 120 ±30 фотон/см2 эВ

Спектр плотностей черенковского излучения ШАЛ.

В работе использован экспериментальный материал, накопленный за период наблюдений с 1976 по 1980 гг

За это время было проведено 800 часов регистрации и в результате отбора пятнадцатиминутных спектров был получен спектр плотностей черенковского излучения ШАЛ с общей экспозицией 301 час

Дифференциальный спектр плотностей черенковского излучения ШАЛ аппроксимируется степенной функцией I ~ Q"\ причем в точке QH = 63 ± 20 фотон/см2 показатель к увеличивается, то есть спектр укручается В результате обработки методом наименьших квадратов наилучшее согласие с экспериментальными данными получается для параметров [3] к,' = 2,40 ± 0,03, 17 < Q < 60 фотон/см2 эВ, к2' = 3,06 ± 0,04, 100 < Q < 1500 фотон/см2 эВ

Полученный интегральный спектр имеет следующие параметры диапазон измерения Q = 17 - 1480 фотон/см2 эВ, аппроксимируется степенными функциями с показателями К] = -1,50 ± 0,03, к2 = -2,12 ± 0,04, точка излома определена в области Qh = 60 ± 30 фотон/см2 эВ Спектр аппроксимируется функциями I (>Q) = 1,9 10"6(Q/10) '•50±0 03, с1 ср"1, 17 < Q < 60 (фотон/см2 эВ), I (>Q) = 7,1 106(Q/10y2-12±0 04,с' ср1,100 <Q < 1480(фотон/см2эВ)

12

Прозрачность атмосферы

Измерение пропускания атмосферы по флуктуациям интегральной интенсивности спектров плотностей черепковского излучения ШАЛ. Одним из важных факторов при исследовании излучений широких атмосферных ливней в оптическом диапазоне является знание спектрального пропускания атмосферы в момент регистрации ливня Поэтому для введения поправки при расчете светового потока от ливня необходимо провести оперативный анализ оптических характеристик атмосферы

Для правильного измерения ослабления черенковского излучения ШАЛ лучше всег > .юльзоваться адекватным методом Таким методом является измерение прозрачности по частоте черенковских вспышек для плотности больше заданной в фиксированные промежутки времени [3] Одной из разновидностей этого метода является измерение прозрачности атмосферы по флуктуациям интегральной интенсивности спектров плотностей, измеренных в фиксированные временные интервалы

При переходе к интегральному спектру плотностей черенковского излучения ШАЛ флуктуации плотности потока черенковского света можно представить через флуктуации интегральной интенсивности спектра

где к - показатель интегрального спектра, N,/N1 - флуктуации интегральной интенсивности спектра

То есть регистрируемую в данный временной интервал прозрачность атмосферы можно представить через измеряемый в это же время поток черенковского излучения ШАЛ т, =т,(к,/Ч)''к

За период 1976 - 1977 г г измерено и обработано 822 пятнадцатиминутных спектров плотностей черенковского излучения ШАЛ

Пропускание атмосферы с учетом только релеевского рассеяния для спектра черенковского излучения С (X) и спектральной характеристики фотоумножителей q (X) в интервале длин волн А.! - Х2 можно получить из выражения

}Тр(А.)С(Л)Ч(Х)(Н.

В результате проведенного расчета получена величина ТР = 0,90, следовательно, ослабление черенковского света в атмосфере за счет релеевского рассеяния составляет

Кр=1-Тр = 0,10 ±0,01 Калибровочная прозрачность атмосферы Т1, то есть прозрачность в условиях наилучшей видимости, характеризующаяся максимальной интегральной интенсивностью спектров плотностей N1, нами определялась из корреляции флуктуаций интегральной интенсивности пятнадцатиминутных спектров N,/N1 с дальностью видимости 5га„ измеряемой в те же периоды регистрации Дальность видимости измерялась метеостанцией п Покровск, расположенной в 25 км от установки ШАЛ Предполагая, что дальность видимости на протяжении 25 км не меняется или меняется слабо, мы провели сравнение данных по флуктуациям интегральной интенсивности спектров плотностей черенковского излучения ШАЛ с данными метеостанции по дальности видимости [4], [5] Из анализа по методу наименьших квадратов зависимость аппроксимируется функцией

= (0,175 ± 0,02) Б"40 02 , 4 < Б», < 50 КМ

N.

1,0 0,5

0

Рис 4 Корреляции флуктуации интегральной интенсивности пятнадцатиминутных спектров N/N1 с дальностью видимости 8га„

Экстраполируя эту зависимость до значений N,/N1 = 1, то есть до N. = 14, -максимальной интегральной интенсивности, характеризующей калибровочную прозрачность, получим значение дальности видимости 8т) = 200 ± 60 км

Средняя прозрачность якутской атмосферы в период регистрации черепковского излучения ШАЛ.

Для определения средней прозрачности атмосферы над Якутской установкой ШАЛ при регистрации черенковского излучения было проанализировано 822 пятнадцатиминутных спектров плотностей черенковского излучения ШАЛ (что соответствует 329 часам непрерывной регистрации), измеренных за период 1976-1977 гг За указанный период по этим данным было построено распределение величин N,/N1, математическое ожидание этого распределения <К/М,> = 0,58, д/щкТН) = 0,178

Подставлчя эту величину, а также полученное значение калибровочной прозрачное ' Г] в формулу (4 5), определим среднюю прозрачность атмосферы над Якутской установкой ШАЛ

<Т^ = Т, <Ы/Ы|>и = 0,61 ±0,05

Среднее ослабление черенковского света ливней при этом

К. = 1- Т = 0,39

Полученную в настоящей работе оценку ослабления черенковского света можно экстраполировать в энергетический диапазон 3 1017 - Ю20 эВ

Зависимость ослабления в атмосфере черенковского излучения ШАЛ от первичной энергии ливня аппроксимируется степенной функцией

/ „ \-0 04 ±0 01

К = (0,34 ± 0,04) I , 10|! < Ео < 10" эВ

Для оперативного контроля прозрачности атмосферы над Якутской установкой в 1980 г была создана автоматизированная система контроля прозрачности

Первичный энергетический спектр.

Переход от данной плотности к первичной энергии осуществляется следующим образом Для этого в каждой точке спектра плотностей определялся вклад первичных частиц различных энергий для данного детектора Распределения вклада частиц различных энергий в данную плотность черенковского излучения ШАЛ 1(Е0) для большого оптического детектора были получены при розыгрыше варианта спектра плотностей, согласующегося с измеренным То есть в этом варианте был заложен первичный спектр с параметрами у] = 1,60, у2 = 2,30, Еои = 5 10" эВ, также была заложена функция пространственного распределения черенковского излучения ШАЛ, экспериментально измеренная нами на Якутской установке ШАЛ При этом для данной плотности разыгрывался спектр ливней, вносящих вклад в эту плотность с порогом Ео > 1014 эВ

В результате получены дифференциальные моноспектры , из которых найдена первичная энергия, вносящая основной вклад в данную плотность черенковского света ливней

Рис. 5 Дифференциальные моноспектры

Для того, чтобы рассмотреть, как влияет на спектр плотностей форма ФПР черенковского излучения ШАЛ, в математическую модель эксперимента закладывались расчетные функции пространственного распределения черенковского излучения ШАЛ для моделей с множественностью гц - п5 ~ [6]

Для полученного вида ФПР трудно отдать предпочтение между СКР и МВМ моделями

Таким образом, из интегрального спектра плотностей черенковского излучения ШАЛ был получен первичный спектр, охватывающий диапазон энергий от 2 10'5 эВ до 10|7эВ

Спектр аппроксимируется функциями

, р у 1610 0«

Р(>ад=1 8 Ю10 [-^тг] .см'с'ср'.г 10"<Ео<5 1015 эВ,

✓ „ \-2 30±0 05

И (>Ео) = 7 1 10'° ,см"с'ср',7 10,5<Б><10,7эВ

Рис 6 Первичный спектр по данным БОД

16

2. Интенсивность потока частиц сверхвысоких энергии и ионизационное излучение в атмосфере Земли.

Задачей настоящей главы является разработка методики эксперимента для исследования космических лучей с энергией выше Ю20 эВ

Возможность регистрации сверхмощных ШАЛ по ионизационному свечению в атмосфере обсуждалась еще в 1962 г К Суга и А Е Чудаковым на V Межамериканском семинаре по космическим лучам Этот метод [8] имеет ряд значительных преимуществ

1 Он использует атмосферу, как калориметр, и может указывать непосредствен»1 ьа общую энергию ливня, независимо от влияния флуктуаций и неопределенности теории

2 Показывает историю каждого ливня, тогда как детектирование частиц в основном отражает одну стадию развития ливня

3 Ионизационный свет испускается изотропно и, следовательно, с расстоянием от оси ливня убывает более медленно, чем другие детектируемые параметры ШАЛ

Ливень, который проходит на больших расстояниях от установки, может рассматриваться в первом приближении, как движущаяся со скоростью света светящаяся точка переменной яркости Создав мозаику из ФЭУ, расположенных в фокальной поверхности большой линзы Френеля, можно проследить путь ливня в атмосфере, поскольку каждая стадия ливня регистрируется отдельными ФЭУ

Рис. 7. Расположение ФЭУ в фокальной поверхности детектора и пример прохождения трека ливня через мозаику ФЭУ (СК)

Зная время Дт (длительности) и амплитуды импульсов различных ФЭУ, можно найти направление оси ливня в пространстве и форму каскадной кривой

Прежде всего, необходимо отметить, что ионизационно свечение изотропно и поэтому регистрация его, в принципе, возможна на любых расстояниях от оси ШАЛ С другой стороны черепковское излучение ШАЛ узкоколлимирова-но и, следовательно, дает существенно иное, чем в случае ионизационного свечения, пространственное распределение света на уровне наблюдения Интенсивность черенковского излучения ШАЛ на расстоянии от оси Я = 1 км примерно в 25 раз больше интенсивности ионизационного свечения и сравнимо с ним при И = 3 км, на расстояниях же Я > 5 км ионизационное свечение доминирует Таким образом, черенковское излучение ШАЛ может быть зарегистрировано только на расстояниях К < 3 км, в то время как регистрация ионизационного свечения возможна при Я > 3 км, причем верхний предел расстояний, пригодных для эксперимента, определяется параметрами детектора ионизационного свечения

Учитывая спектральные и временные свойства ФЭУ, выбираем ФЭУ-52, максимум спектральной чувствительности которого 8;.тах = 420 ± 50 нм, то есть совпадает с максимальным пиком в спектрах ионизационного излучения, приводимых в работе [7]

На основе упомянутых выше данных относительно световых потоков черенковского и ионизационного излучений, выбираем начальную границу регистрации Я = 4 км В этом случае допускаем размер светового пятна изображения ливня, сфокусированного линзой, в фокальной плоскости, равным диаметру фотокатода ФЭУ-52 - с! = 0,07 м

Отсюда фокусное расстояние линзы {= 2,8 м, апертура ФЭУ др = 0,025 рад, телесный угол ФЭУ АО = 0,00049 срад, диаметр линзы Френеля О = 5 м

Апертура устаеовки при этом по горизонтали р = 0,371 рад, по вертикали р = 0,322 рад

Графически находим части апертур каждого ФЭУ, участвующие в ливне

Варьируя расстоянием от точки пересечения ливня с горизонталью, проведенной от установки - Я, зенитным углом 0, первичной энергией ливня, получим различные комбинации Дт„ ДУ„ высоты Х„ с которых возможна регистрация ливней Значения Дт„ У„ рассчитанные для соответствующих ливней, будем считать реально измеренными На основе этих значений можно рассчитать расстояние до оси ливня Я, положение оси ливня в пространстве (углы 0', ©), каскадную кривую ливня, первичную энергию

Рассмотрим ряд задержек Дт„ ограничиваясь У, > 3

Скорость изменения угла ДВ, V, = -— = 1ип,, „0 —

Л Д1

Считаем среднее приращение скорости постоянным для данного ливня

Тогда получим систему уравнений

Др2 =(У + ДУ) Дг2 • АР, = (У + 2ДУ) Дт, (1)

ДР„ = [V + (п -1) ДУ] Дт„

х

'1С. 9 Схема прохождения ливия через апертуру установки

или

Г(т) = £др,=У £Дт,+ДУ [Дт2 + 2Дт, + +(п-1) Дт„]

1=]

1-1

Обозначим Г(т) = у, тогда

У4 [Д12 + 2Дт, + +(п-1) Дт.]

То есть получили дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами без правой части.---

?ДТ' _Í_,

dt2 di Дт2 +2Дх, + +(п-1) Дх„ Дх2 +2Лт, + +(п-1) Дт„

Обозначим

п

z*.

Дх2 + 2Дт, + +(п~1) Дх„

= Р,

Тогда

dtJ dt Начальные условия Выбираем любое Атк Пусть

i-i тогда

£др, d'y [Дх2 + 2ДХ,+ + (П-1) ДХп] + £ДХ,

j^i__ d¿__.-i

ДР, dy Дтк

dt

Отсюда

dy л

у„ = ДРк=---------¿Í-

У

[Лх2 + 2Дх,+ +(п-1) + 5 5>, dt dt [=1

dy

. др, _ _dt_

dJ[Ax2+2Ax1 + +(п-1)Дхп]+5 t' dt dt

1» = 0

Общее решение

y = C, e"'+C2 e", y = C, r, e"' +C2 r2 e", y =C, r,2 e"l+C2 i22 e",

где

'..--Híb

Тогда

Дтк (г, С, +гг С,) g _с +с Уо (С, 2+r2 C2) + (r, C,+r2 С2) Pq ' 2'

(г. С, + г2 С2) q

(С, г, +r2 C2) + (r, C,+r2 С2) Pq Откуда

с1=с,

- = г, С.+г, С,

С, =к

(П ~г2) (г, + г2 -Дткг,г2 + AxkPq2)

с =К ____q ('-¿Ч rz)_

' (.г, -г2) (г, + г2 -ДтьГ|Г2 +AxlPq1) (Аткг, -1)'

Отсюда получим общее решение у = к _______g (1-Лтк г2) е'1'

(г, - г,) (г, + гг - ДткГ|Г2 + AxkPq ) (Дхкг, -1)

q е"_

(г, - г2) (г, + г2 — Дадг, + ATtPq ) где К - нормировочный множитель

Найдем апертуру каждого ФЭУ, участвующего в ливне др„ а также ^Др,

■-i

Из отрезков др, получаем прямую - трек лавня на мозаике ФЭУ В результате находим апертуру установки, участвующую в ливне - р„

Теперь не трудно найти угол наклона ливня к горизонтальной плоскости

71

(п-1) Др cos — 0 = arceos-

Р" 2

а также время прохождения ливня через апертуру всей установки

x.=SAX.

Í>P,

i-i

Зная значения Др„ рп, тп, не трудно найти угол наклона ливня плоскости ОСК его прохождения

Параметр прямой

' _ СЛтк С05(Э + ) СО5(0 + Ч\2) япр,

Ст„ со5(0+Ч'п) С05(в+У„г)

Отсюда

tg20 ^тЧ",, 51пТп1т„ втЛр^тЧ^ 5тЧ'12Дт1 втР,,)--1ё0[т„ яп^м-Ч^) зтДрк - Дхк яп^.+Ч^) Бтрп] + + Т„ СОЭЧ',, СОЯ 4'п2 51ПДРк~ДТк соя соэ Ч'к2 БШ Рп = О,

Обозначим тп бш дрк = а, Дтк БШ р„ = Ь,

а ятЧ'и ят Ч^, - Ь ят 'Ри эт= Л а 81П(Ч'П+Ч'.1)-Ь 5>п(Ч'к1 + Ч'кг)=В а собЧ",, сояЧ'пг -Ь оиЧ^, со5Уи=С

Решение

sinp,

Отсюда

Расстояние от оси ливня

„ Ст, cos(0 + 4',,) cos(0 + Ч'„,)

К =---

Sinp„ COS0

R =

Обозначим = У,

Тогда

я С05 (е + I ААт' '}к(Е >о.од

4я I 2 J р, (1)

Таким образом, с помощью полученных задержек Дт, можно определить пространственное положение оси ливня - 0', 0, Я Точность определения этих величин зависит от точности расчета (точность определения ДР„ р„, т„), в основном же - от точности временных измерений Дт, Кроме того, большую роль играет число сработавших ФЭУ - п

По у. "оженной методике были просчитаны ливни с параметрами 1 Е0 = 1018 эВ, 0 = 0,6°, Я = 3 км,

2 Е0 = 10" эВ, 0 = 46°, Я = 10 км,

3 Е0 = Ю20 эВ, 0 = 46°, Я = 30 км

Рис 10 Зависимость отношения сигнал/шум от расстояния от оси ливня

Погрешность временных измерений рассчитывалась с учетом конечного размера светового пятна на фотокатоде ФЭУ от светящегося диска ШАЛ Для ливня с Ео = 1019 эВ на расстоянии 10 км от детектора размер светового пятна на фотокатжде (1 = 2,8 см Диаметр фотокатода Б = 7 см Среднеквадратичная погрешность временных измерений будет <5, = 0,1

Ошибка измерения дрг при этом составила 0,001 радиана Ошибка в определении зенитного угла составила Д0 = ± 3°, в определении расстояния от оси ливня ДЯ = ± 950 м

Погрешность амплитудных измерений - 20 %

Среднеквадратичная ошибка в оценке светового потока в точке каскадной кривой 5=1 для Ео = 1019 эВ ~ 35 %

В первом и во втором случае в регистрации ливней с ¥/а > 3 участвовали по 13 ФЭУ, в третьем случае % три ФЭУ

23

Таким образом, анализируя результаты проведенных расчетов, можно сказать, что отбор ливней, пригодных к обработке, можно осуществлять по трем сработавшим ФЭУ с соотношением сигнал/шум не менее трех, верхний частотный предел тракта электроники - 20-30 МГц, амплитудная полоса для диапазона первичных энергий ливней от 1018 эВ до 1021 эВ - ]03 - 104

Конструкция такой установки, состоящей из одного пункта наблюдения, предусматривает следующие параметры тип фотоумножителя - ФЭУ-52, диаметр линзы Френеля -5м Линзу можно изготовить из оргстекла СТ-1, фокусное расстояние f = 2 8 м В фокальной плоскости линзы находится мозаика из фотоумножителей Число фотоумножителей - 127 Полная апертура выбранной конструкции детектора р = 21°

На основании проведенных расчетов видно, что регистрация широких атмосферных ливней с первичной энергией Ео > 1018 эВ, возможна до значения параметра R = 7 км Эффективная площадь регистрации будет

s = n (д s„+s(lcl,j,

где Í2 - телесный удвоенный зенитный угол наклона ливней, Sn - площадь поверхности пирамиды обзора установки, Soc„ - площадь поверхности основания пирамиды

Расчет проводился для ливней с зенитным углом © = 51° В этом случае ÍÍ = 2,32 стер

Таблица 2

V = 100 км V = 50 км

Ео Эффек Годовая Эффектов Годовая

.i! площ Статист площадь статистика

км'сте Р ливней/г км'стер ливней/год

I018 97,0 310 71,0 230

10" 714,0 45 335,0 21

ю20 2023 0 3 955,0 1 5

ю-' 5980,0 03 2000,0 0 1

Рассчитанные эффективные площади и годовая статистика регистрации при видимости 50 км и 100 км приведены в таблице 2

Первым шагом в исследовании ионизационного свечения ШАЛ в атмосфере в СССР явилось изготовление макета установки ионизационного свечения-

24

(УИС-М) Цель построения макета - попытка регистрации ионизационного свечения и отработки методики исследования на черенковских импульсах. Макет установки УИС-М имеет следующие параметры

J Диаметр линзы Френеля - 610 мм Материал линзы - стекло МКР-1. Средняя толщина линзы -10 мм Фокусное расстояние - 400 мм

2 Тип фотоумножителя - ФЭУ-52

3 Количество ФЭУ в фокальной плоскости-7 шт

4 Полная апертура системы 2а = 0,6 рад Апертура одного ФЭУ - 2а' = 0,2 рад

5 Отб^р событий - 3-х кратные пороговые совпадения импульсов от ФЭу

6 Разрешающее время схемы совпадений регулируется в пределах от 1 до 3 мксек Пороговые совпадения при соотношении сигнал/шум F/a > 4

7 Суммарная полоса пропускания канала ФЭУ: при задержке 1 мксек - 4 МГц,

при задержке 3 мксек - 2 МГц

В результате испытаний макета динамика ливневого трека на мозаике из ФЭУ получена по черенковскому свечению ШАЛ в атмосфере

3. ПОТОК ОЧЕНЬ НИЗКО ЧАСТОТНОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ В ПРИЗЕМНОМ ВОЛНОВОДЕ

При прохождении лавины ШАЛ через атмосферу Земли на 1 см пути каждой релятивистской частицы рождается около 100 электрон-позитронных пар Возникает столб ионизации Электронный компонент этого столба довольно быстро рекомбинирует, так как время жизни рожденного электрона порядка 10'7 с Ионный же компонент значительно более долгоживущ и рассасывается в течение единиц секунд

Существующее в атмосфере Земли вертикальное электрическое поле создает электрический ток в столбе ионизации [9] за счет ускорения ионов Величина плотности этого тока зависит от длины пробега ионов и их скорости, которая в свою очередь зависит от приложенного потенциала Длина пробега определяется плотностью плазмы и нейтралов в шнуре, а поделенная на скорость иона, а следовательно, и шнура

Плазменный шнур с током представляет из себя вертикальный диполь, излучающий электромагнитную энергию, можно считать элементарным вибратором и оценку напряженности поля можно получить из классических уравнений

25

В частном случае вертикальная составляющая напряженности электрического поля определяется из выражения [10]

„ ikI.LV/ 1 1 ^

Е0 = —;-51110-— 1 + —-ТТ^Т К

"4л Я V 1кЯ к2Кг7

Ь - действующая высоты вибратора, IV = 120л- -характеристическое сопротивление, Я - расстояние от оси ливня

Получена зависимость напряженности вертикального электрического поля от расстояния для ливней с Ео = Ю20 эВ

в. км

Рис П. Вертикальная составляющая электрического поля волны, излученной ионизационным столбом ШАЛ. 1 - настоящая работа, 2 - работа [9]

Интерпретировались данные, полученные при регистрации потока атмо-сфериков в КНЧ - ОНЧ диапазоне в авроральной зоне

При проведении эксперимента РШФ измерялся на восьми частотных каналах в диапазоне 0,5 - 10,0 Кгц с полосой каналов 0,05 - 0,5 Кгц на каждом канале, соответственно Дискретные же сигналы измерялись в этом же частотном диапазоне с полосой 9,5 Кгц Чтобы из этих данных получить дифференциальную интенсивность дискретных сигналов (спектр плотности потока), необходимо перейти от интегральных результатов к дифференциальным Трудность заключается в том, что по каналам РШФ измеряется средне - квадратичное значение сигнала для отдельного канала Чтобы получить зависимость интенсивности потока от напряженности поля, необходимо этим значениям поставить в соответствие измеренное число импульсов в данном канале за данный

26

интервал времени То есть измеренному числу импульсов за фиксированное

Тогда средне - квадратичная амплитуда импульса в данном временном интервале (К) будет

При проведении же эксперимента число импульсов измерялось во всем частотном диапазоне интегрально

Были ^оанализированы месячные данные [11] по регистрации числа импульсов Были выбраны по пять магнитоспокойных суток и усреднены часовые значения измерений. Интегральный часовые значения числа импульсов были перенормированы на каждый канал измерения В соответствие с полученными часовыми значениями (пк) были получены средне - квадратичные значения амплитуды (Ек) для каждого часового интервала (к)

Таким образом, для числа импульсов, зарегистрированных в течение каждого часа, получена средняя амплитуда импульса на каждом канале измерения В результате, для каждого месяца измерений были получены облака точек Далее, был проведен статистический анализ полученных данных При этом весь диапазон амплитуд разбивался на конечное число логарифмических интервалов, в каждом из которых проводилось усреднение числа точек с учетом их веса

Проведенный методом наименьших квадратов анализ показал, что полученная зависимость наилучшим образом аппроксимируется степенной функцией вида

время должен соответствовать интеграл огибающей (•>/Ек2)

где /„,/ - пороговое и искомое значения интенсивностей потока, А,,, А - пороговое и заданное значения амплитуд

■а!

а

ЩВЕ)

Рис. 12. Плотность потока ОНЧ-импульсов

Показатель 7 для соответствующих сезонов имеет следующие значения: Июль / = 1,84±0,05.Сентябрь / = 1,94 + 0,08

Декабрь / = 2,00 + 0,07

Было проведено моделирование потока атмосфериков, инициированных ШАЛ. При этом в математическую модель был заложен первичный энергетический спектр ШАЛ с показателем у = 2,0:

где £„ - энергия первичной частицы, генерирующей ШАЛ. Получены следующие результаты. 1. Выведен аналитический вид функции распространения электромагнитного излучения КНЧ - ОНЧ диапазона с приходом в авроральную зону. Функции представлены уравнениями:

О) = К(£)В(Г V), £(/) = 8.5 е 1 40 6 50 6 >. 1 в К = 3.2 + 0.9 • (сск{3,2б[^/ - 0.25]+ 6.28} + соз{б.53[1ё/- 0.25]+ 6.28}).

Рис. 13. Нормированные зависимости вертикальной составляющей электрического ноля волны, излученной ионизационным столбом ШАЛ от расстояния от оси ливня.

По интегральным измерениям числа импульсов в широкой полосе и огибающей на каждом частотном канале получен спектр плотности потока дискретных сигналов для одного сезона измерения.

Достоверность результатов характеризуется амплитудным спектром, полученным с помощью розыгрыша.

Рис 14. Амплитудный спектр, лето

Можно отметить согласие данных розыгрыша и эксперимента В результате амплитудного отбора разыгранных таким образом атмосфе-риков получен спектр плотности Показатель спектра К = 0,75 Одновременно при отборе амплитуд атмосфериков фиксировалась энергия первичной частицы, породившей данный сигнал

В итоге получен энергетический спектр первичных частиц, инициировавших поток отобранных сигналов

Показатель полученного энергетического спектрау = 2,15 Из интегрального спектра плотности потока атмосфериков и первичного энергетического спектра ШАЛ, полученных в результате розыгрыша, можно найти коэффициент связи между напряженностью электрического поля атмосфериков, зарегистрированных в данной точке приема, и энергией космических лучей, породивших их

Этот коэффициент связи получен в виде зависимости, построенной с учетом порога амплитудного отбора напряженности, заложенного в модель, и верхней границы интенсивности спектра

Е„ =2,36 10" £°" эВ

Прием в рассматриваемом динамическом диапазоне можно осуществлять на расстоянии более 1000 км Следовательно, космические лучи с Еа > 10" эй могут быть зарегистрированы при попадании в любую точку поверхности Земли

Таким образом, энергетический диапазон установки

3 10'8 < Е0 <3 10"эВ,

а интегральный показатель

у =2,16 ±0,05

Нормируя измеренную статистику на интенсивность в точке 3 10й зВ, получим эффективную площадь регистрации 6 Ю" м2ОНЧ радиоимпульсов, гене-

рируемых космическими лучами со средней энергией < £0 >= 7 10'8 эВ

Таким образом, из вышеизложенного следует, что огромная площадь регистрации позволит измерить интенсивность космических лучей Е > 1020эВ

При этом ожидаемая статистика является достаточной для исследования таких фундаментальных вопросов, как предполагаемое взаимодействие космических лучей с реликтовым излучением Вселенной, наличие в этой связи "обрезания" энергетического спектра в области Е > 10:'эВ, вопросы анизотропии, поиск источников излучения частиц предельно высоких энергий

4. Интегральная интенсивность частиц с энергией более 1015 эВ.

В настоящей работе выдвинута следующая гипотеза источниками космических лучей являются, в основном, взрывы сверхновых звезд, частицы набирают энергию в результате действия механизма ускорения с помощью электромагнитных волн, генерируемых взрывами сверхновых, ускоряются, таким образом, в основном протоны

В настоящее время осталось много нерешенных вопросов, например, о природе первичных частиц - протоны, ядра, другие частицы, происхождение частиц - галактическое, внегалактическое, источники излучения, механизмы ускорения частиц Наиболее интересной остается проблема обрыва интенсивности спектра - обрезание Грейзена-Зацепина-Кузьмина

Можно было бы говорить об отсутствии обрезания спектра Однако, из-за небольшой статистики и ошибок в определении энергии достоверность такого вывода невысока

В последнее время изменения в спектре и составе первичного космическо-

го излучения объясняются из анализа изменений в характеристиках ШАЛ Например, излом энергетического спектра ШАЛ связывают с изменением спектра и состава первичного космического излучения

В настоящее время изменения в характеристиках ШАЛ - поведения функции И Х|пач (Ю в районе излома - объясняются как результат изменения соста-

ва первичных космических лучей, однако, их можно интерпретировать и как

изменение характера взаимодействия

Приведены новые теоретические идеи о генерации и ускорении частиц

в пинчах космической плазмы, в которых протекает электрический ток Спектр

не имеет ограничений на максимальную ускоряемую энергию Суммарный энергетический спектр от таких источников будет иметь такой же вид При

этом ускоряться будут частицы, которые присутствуют в космической плазме, то есть протоны

В настоящей работе автором сделаны следующие предположения Из статистических оценок число различных галактик достигает 10" В каждой из галактик возникают космические лучи, источниками которых могут быть взрывы сверхновых, пульсары Рожденные частицы диффундируют к границе галактики и выходят за ее пределы в межгалактическое пространство Согласно современным представлениям, источниками космических лучей внутри галактики являются сверхновые звезды и ядра галактик, во Вселенной - квазары, радиогалактики Вклад космических лучей, генерируемых квазарами и радиогалактиками в 105 раз меньше полного числа галактик Таким образом, можно считать, что основными поставщиками частиц во Вселенной являются взрывы сверхновых звезд Причем распределение источников относительно Земли можно считать изотропным Однако, энергия выброшенных частиц во время взрыва сверхновой не может превышать 1012 - 1013 эВ Поэтому существуют различные механизмы ускорения частиц Из предположения, что в основном состав первичных частиц - протоны, в настоящей работе за основу принят механизм ускорения с помощью электромагнитных волн, рожденных в результате взрыва сверхновой звезды

В расчет заложен механизм ускорения частиц электромагнитными волнами Е = у(По/п)°5,

где у = 1012 эВ - энергия выброшенных частиц после взрыва сверхновой, п0 - концентрация частиц в окрестности взрыва, п - концентрация частиц на уровне наблюдения

п0 = Ыо/(4/Зт1Я03), п = N(/(4/371^) N0 - полное число генерируемых частиц на расстоянии Я от источника, Ио- радиус сферы области захвата частиц электромагнитными волнами

Далее, расчет проводился по всей Вселенной из условия, что для данной энергии частицы генерация производится с соответствующего расстояния из сферического слоя, генерирующего частицы с данной энергией

Рассчитывалось число инжектированных частиц в сферическом слое со средним радиусом, характерным расстоянию, пройденному частицей для набора данной энергии

На примере массы средней звезды на основе экспериментальных данных о частоте взрывов сверхновых получено число инжектированных частиц в объеме Вселенной в единицу времени в результате гравитационного коллапса и эволюционирования звезды в нейтронную звезду

nB = (M/mp)-vrNr,

где vr = 10"2 лет"1 - частота взрывов сверхновых в Галактике, Nr = 1011 — число галактик во Вселенной, М - масса, выброшенная при взрыве сверхновой, тр_ масса протона. Рассчитывалось количество частиц в сферическом слое.

n„|,=(M/mp)'

Ко Rо

,.v Nr. f4w**2dr, |4лг **2dr (с,}

где Яо - радиус Вселенной, Я; - расстояние до сферического слоя.

С учетом увеличения сферического слоя во Вселенной, генерирующего частицы с энергиями, меньшими Ю20 эВ и квадратичной зависимостью интенсивности потока от расстояния, при подстановке (3) в (5), получено аналитическое выражение для интенсивности потока частиц на уровне наблюдения:

](>Е„) = (1,0± 0,5)-10-|5-(10и«)-\ (м^с'ср"1), Л = (1,0 ± О^М'^Ео/Ю'У, (см).

Было проведено математическое моделирование

Наблюдается хорошее согласие с уже имеющимися данными.

Ц>Ео)(ЕоЛО 18 ) ' Б ,

"2 С ПГ» -1

10

10

10

• .ЯКУТСК. Большой олтнч.детектор с -ЯКУТСК, установке ШАЛ _ . CLUA. ионизац. установка

Q - магвнпгн

нодвлиров)

ГАПАКТИКА-

10

10

10

10

10

10

Е0'(>В)

10г 103 Ю4 106 10'« ПК

Рис. 15. Интенсивности потока частиц на уровне наблюдения

При этом внутригалактические источники генерируют частицы с энергиями вплоть до 1018 эВ. Отсюда вывод:

1. Основной вклад в поток частиц сверхвысоких энергий вносят внутригалактические источники (~ 90 % ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Автором создан широкоугольный чувствительный большой оптический детектор черенковского излучения ШАЛ на 63-х фотоумножителях, работающий в составе Якутской установки ШАЛ

2 Проведены измерения в течение 800 часов Проведена обработка и разработана методика анализа экспериментальных данных.

3 Измерена прозрачность атмосферы над Якутской и Самаркандской установками ШАЛ В частности.

а) По изменению интегральной интенсивности N,/N1 спектре плотностей черенковского излучения ШАЛ осуществлен оперативный контроль прозрачности атмосферы через пятнадцатиминутные временные интервалы

б) Измерена калибровочная прозрачность, то есть прозрачность атмосферы в наилучших условиях видимости над Якутской установкой ШАЛ

Т, =0,85 + 0,04

в) Измерена средняя прозрачность атмосферы над Якутской установкой

в период регистрации черенковского излучения ШАЛ Т = 0,61 ±0,05

4 Экспериментально исследован спектр плотностей черенковского излучения ШАЛ в диапазоне 17 - 1480 фотон/см2 эВ, получены параметры дифференциального спектра

к, =2,40 + 0,03, к2 = 3,06±0,04, 0И = 60±20фотон/см2эВ Аппроксимация интегрального спектра плотностей черенковского излучения ШАЛ описывается функциями

с параметрами у, = 1,60 + 0,04, у2 = 2,30±0,05, Еои = (5,0±2,0) 10"эВ Аппроксимация первичного энергетического спектра описывается форму-

ШАЛ

5 Получен первичный энергетический спектр в интервале энергий Е0=2 1015-1017эВ

,15

лами

6 Рассмотрена возможность исследования картины развития ядерно-электромагнитного каскада в атмосфере, образованного первичной частицей с энергией Е0 = 1018 - 1019 эВ, а также возможность исследования спектра первичного излучения с энергией Е0 = Ю20 - 1021 эВ методом регистрации ионизационного свечения в атмосфере Анализированы физические и технические проблемы, связанные с реализацией этих задач в условиях Якутской установки

7 Выполнены расчеты параметров установки для исследования ионизационного свечения сверхмощных ШАЛ

Показано, что возможно определение светового потока от отдельных участков каскада с точностью не хуже 30%

8 Предложен проект детектора ионизационного свечения, состоящего из линзы Френеля диаметром 5 м и мозаики из 127 ФЭУ-52 в фокальной поверхности линзы

9 Создан и испытан макет детектора ионизационного свечения ШАЛ с диаметром линзы Френеля 60 см и с мозаикой из 7 ФЭУ-52 Испытание макета выполнено в комплексе с действующей установкой ШАЛ Динамика ливневого трека по мозаике из ФЭУ получена по черенковскому свечению в атмосфере

10 При интерпретации данных эксперимента по регистрации электромагнитного излучения КНЧ - ОНЧ диапазона на мысе Шмидта были получены следующие результаты

1) Выведен аналитический вид функции распространения электромагнитного излучения КНЧ - ОНЧ диапазона с приходом в аврорапьную зону Функции представлены уравнениями

B"(f, D) = K(f)B(f,D), K(f) = 8 5 e 1 506 S06 ' Ig К = 3 2 + 0 9 (cos {3 26[lg / - 0 25] + 6 28} + cos{6 53[lg / - 0 25] + 6 28})

2) Рассчитаны эффективные расстояния от источника излучения и мощности источников в зависимости от частоты излучения

3) По интегральным измерениям числа импульсов в широкой полосе и огибающей на каждом частотном канале получен спектр плотности потока дискретных сигналов для одного сезона измерения

4) Из данных измерения потока атмосфериков на Мысе Шмидта получен энергетический спектр космических лучей в интервале 3 1018-3 10"эВ По измеренному потоку и известной интенсивности в данном диапазоне получена эффективная площадь регистрации 6 10" м2 для средней энергии 7 ю'8 эВ

5) Из сравнения результатов обработки данных с результатами установки Акено получено согласие в абсолютной величине напряженности вертикального электрического поля ОНЧ радиоимпульсов, нормированной на первичную энергию ливня, в точке входа электромагнитной волны в волновод Земля - ионосфера 11 Получено аналитическое выражение для расчета интегральной интенсивности потока частиц с энергией более 1015 эВ

При этом внутригалактические источники генерируют частицы с энергиями вплоть до 1018эВ Отсюда вывод

основной вклад в поток частиц сверхвысоких энергий вносят внутригалактические источники (~90%)

СПИСОК НАУЧНЫХ ТРУДОВ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Верпов СИ ,.Сокуров В.Ф. и др. Расчеты эффективности детектора ионизационного излучения ШАЛ и параметры установки для регистрации мюонов малых энергий M Изв АН СССР сер физ 1974 Т 28 № 5 (28) (0,5 п л )

2 Глушков А В , , Сокуров В Ф и др Характеристики сверхмощных ШАЛ на уровне моря

// M Изв АН СССР, сер физ ,1978 Т 42 (7) 6 с (0,38 п л )

3 Махмудов Б M, , Сокуров В Ф. и др Исследование функции пространственного распределения черенковского излучения ШАЛ на установке СамГУ M Изв АН СССР, сер физ 1982 Т 9(0,2пл)

4 А V Glushkov, V M Gngorev, N N Efimov, M 1 Pravdin, О S Dimmstein, and V. F. Soku-

rov Longitudinal development of cosmic-ray showers // Phys Rev D 26, 23-26(1982)

5 Глушков А В , , Сокуров В Ф и др Флуктуации продольного развития ШАЛ и состав

первичного излучения с Ео > 1017 эВ // M Изв АН СССР, сер физ, 1985 Т 49 (7) (0,2 п л )

6 NN Efimov, V.F Sokurov Cerenkov radiation in discontinuous media a quantum vievv-pomt

// Appl Phys Lett 59(1991)2378

7 Сокуров В Ф. Интенсивность потока частиц сверхвысоких энергий // Ростов н/Д Извес-

тия ВУЗов Северокавказский регион Естественные науки Приложение Изд СевероКавказского научного центра высшей школы 2006 № 6'06 С 31-36 (0,4 п л)

8 Сокуров В Ф. Энергетический спектр космических лучей с Е0> 1015 эВ и электромагнит-

ные вспышки в приземном слое // Ростов н/Д Научная мысль Кавказа Северокавказский научный центр Спец выпуск Г2006 Изд Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2006 С 75-78 (0,3 п л )

9 Сокуров В Ф Поток частиц сверхвысоких энергий и поток очень низко-частотных сигна-

лов в приземном слое // "Известия вузов Северо-Кавказский регион" Естественные науки Изд Северо-Кавказского научного центра высшей школы Ростов н/Д 2008 № 5'08 (0,5 п л )

10 Сокуров В.Ф., Гусев А И , Черныш Г H Исследование регулярной составляющей естественных низко частотных излучений в авроральной зоне Сб науч тр Магадан СВК НИИ АН СССР, 1986 (0,35 п л )

11 Сокуров В Ф Энергетический спектр частиц с энергией более 1015 эВ и поток электромагнитных вспышек в приземном слое Ростов н/Д Изд-во РГУ, 2006 265 с

12 Сокуров В Ф Экспериментальные исследования радиационных процессов в атмосфере Земли (Проект поддержан РФФИ, № 08-05-07001-д) Ростов н/Д Изд-во ЮФУ, 2008 239 с

13 Сокуров В Ф Физика космических лучей космическая радиация Ростов н/Д Феникс, 2005 188 с ил (Высшее образование)

14 Сокуров В Ф Проблемы физики сверхвысоких энергий М, 1993 385 с -Деп в ВИНИТИ, 26 05 93, № 1439-В93

15 Сокуров ВФ Поток электромагнитных вспышек в приземном слое М, 2002 264 с -Деп в ВИНИТИ, 01 02 02 № 209-В2002

16 Сокуров В Ф Прозрачность атмосферы и поток электромагнитных вспышек в приземном слое Учеб пос по атомной и ядерной физике для студентов ВУЗов Таганрог Изд-во ТГПИ, 2001 98 с

17 С H Верное, , В Ф Сокуров и др Основные результаты первого этапа наблюдений на Якутской комплексной установке ШАЛ Экспериментальные методы исследования космических лучей сверхвысоких энергий Якутск Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1974 С 77-91 (0,8 п л )

18 Сокуров В Ф , Семейкин А А Большой оптический детектор // Характеристики широких атмосферных ливней космических лучей сверхвысоких энергий Якутск ЯФ СО АН СССР, 1976 (0,5 пл)

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

Сокуров В Ф , Глушков А В , Диминиггейн О С, Правдил М И Использование большого оптического детектора для контроля прозрачности атмосферы Бюл НТИ Проблемы космофизики и аэрономии Якутск ЯФ СО АН СССР, 1976 (0,3 п л ) Сокуров В Ф. Измерение спектра плотностей черепковского излучения ШАЛ и спектральное пропускание атмосферы // Космические лучи сверхвысоких энергий Якутск ЯФ СО АН СССР, 1979 (2,0 п л)

Сокуров В Ф, Сокурова Г В Пропускание атмосферы над Якутской установкой ШАЛ по данным большого оптического детектора Бюл НТИ Проблемы космофизики и аэрономии Якутск ЯФ СО АН СССР, 1981 (0,3 п л)

Сокуров В Ф, Ефимов Н Н Псрвнчный энергетический спектр в диапазоне 2 10й- 10'7 эВ по измерениям спектра плотностей черепковского излучения ШАЛ Бюл НТИ Проблемы космофизики и аэрономии Якутск ЯФ СО АН СССР, 1981 (0,2 п л ) Сокуров В Ф Зависимость ослабления в атмосфере потока черепковского света ШАЛ от первичной энергии Бюл НТИ Проблемы аэрономии и космофизики Якутск ЯФ СО АН СССР, 1983 (0,2 п л)

Сокуров В.Ф Результаты исследования спектра плотностей черенковского излучения ШАЛ // Космические лучи с энергией выше 10" эВ Якутск ЯФ СО АН СССР, 1983 (1,0 п л)

Сокуров В Ф , Гусев А И , Черныш Г Н Амплитудный спектр источника дискретных сигналов в овале полярных сияний В кн Семинар по ОНЧ излучениям Якутск ЯФ СО АН СССР, 1985

Сокуров В Ф , Гусев А И , Черныш Г Н Аналитическое представление функции распространения дискретных сигналов ОНЧ диапазона // Семинар по ОНЧ излучениям // Якутск ЯФ СО АН СССР, 1985 (0,13 п л)

Сокуров В.Ф , Гусев А И, Черныш Г Н Плотность потока дискретных сигналов в овале полярных сияний Семинар по ОНЧ изтучениям Якутск ЯФ СО АН СССР, 1985 (0,13 п л)

Сокуров В Ф Радиоизлучение ШАЛ экстремально высоких энергий в ОНЧ диапазоне // Широкие атмосферные ливни с энергией выше 1017 эВ // Якутск ЯФ СО АН СССР, 1987 (0,31 пл)

Сокуров В Ф , Давыдовский В Я , Филиппов Ю С Возможный механизм ускорения космических лучей предельно высоких энергий М 1991 - Деп в ВИНИТИ 25 12 91, № 4769-В91(0,25 п л )

Сокуров ВФ Механизм радиоизлучения ШАЛ в ОНЧ диапазоне М 1991 - Деп в ВИНИТИ 25 12 91, № 4770-В91 (0,44 п л)

Сокуров В Ф. Связь космических лучей сверхвысоких энергий с ОНЧ радиоизлучением М 1991 -Деп в ВИНИТИ 25 12 91, № 4767-В91 (3,63 п л )

Гадалов Л И, Глушков А В , , Сокуров В.Ф и др Амплитудные измерения на Якутской установке ШАЛ // Экспериментальные методы исследования космических лучей сверхвысоких энергий Якутск ЯФ СО АН СССР, 1974 (0,4 п л )

Сокуров В Ф Радиолокационное зондирование релятивистского диска широких атмосферных ливней В кн Широкие атмосферные ливни с энергией выше 10 эВ //- Якутск ЯФ СО АН СССР, 1987

Sokurov V F The stream of the particles ofther genertion of Cerenkov flash in the atmosphere Математические модели физических процессов и их свойства Сб науч тр Таганрог Изд-во ТГПИ, 2001 (0,19 п л)

Sokurov V F The Electromagnetic Flash's spectrum in the Atmosphere Математические модели физических процессов и их свойства Сб науч тр Таганрог Изд-во ТГПИ, 2002 (0,31 пл)

Сокуров В Ф Пространственное распространение ОНЧ-излучения в приземном слое // Сб науч тр «Математические модели физических процессов» Таганрог Изд-во ТГПИ, 2003 С 82-86(0,31 пл)

37 Sokurov V F. The stream of the Very Low Frequensy {VLF} Radio Flashs from the Cosmic Rays of the Ultra High Energy В сб научных трудов «Математические модели физических процессов» Таганрог Изд-во ТГПИ, 2004 С 82-86 (0,31 п л)

38 Соку ров В Ф Энергетические взрывы от частиц сверхвысоких энергий // Сб науч тр «Математические_модели~физических~процессов»~Таганрог~Изд-во^ТТТ1И~Т1 2005 С 171-175(0,3) пл)

39 Sokurov V F Integrated stream of particles ultrahigh energy in the universe «Математические модели и алгоритмы для имитации физических процессов» Таганрог Изд-во ТГПИ, Т 1 2006 (0,25 п л )

40 Сокуров В.Ф Энергетический спектр космических лучей с Ео>1015 эВ по потоку электромагнитных вспышек в приземном слое // Вестник ТГПИ 2006 № 1 Естественные науки С 148-153 (0,375п л)

41 Сокуров ВФ Интегральная интенсивность частиц сверхвысоких энергий // Вестник ТГПИ №1 Естественные науки 2007 №1 С 60-65 (0,31 п л )

42 Dimmshtein OS, , Sokurov V F et al The Further Developmend of the Iakutsk EAS Array and the Methodical Problems Proc 13-th ICCR//Denver 1973 V 4(0,5 п л)

43 Dimmshtein О S , Egorov ТА, , Sokurov V F et al Electrons and Muons m EAS with Given Primary Energy Proc 14-th ICRC//Munchen 1975 Vol 12 P 4318-tt23 (0,3 п л)

44 A V Glushkov, , V.F. Sokurov et al Cerenkov Radiation of the EAS Superhigh Energy Proc 15-th ICRC//Plovdiv, 1977 Vol 8 4p (0,2пл)

45 Глушков А В , Ефимов H Н , Сокуров В.Ф, и др Феноменология широких атмосферных ливней и первичное излучение Препринт Доклад на международном симпозиуме (Киль, 1978) // Якутск ЯФ СО АН СССР, 1978 (2,68 п л )

46 Glushkov А V, , Sokurov V.F. et al The Cerenkov Radiation Densities Proc 16-th ICRC // Kyoto 1979 Vol 8 (0,5 п л)

47 N N Efimov, V F Sokurov Measurement of Spcctrum of the EAS Cerenkov Radiation Densities Proc 16-th ICRC//Kyoto 1979 Vol 8 P 152-155 (0,5 п л )

48 Glushkov A V , Grigonev V M, , Sokurov V F et al Lateral Distribution and Total Flux of EAS Cerenkov Radiation with E Proc 17-th ICRC//Paris 1981, V 12(0,3пл)

49 Efimov N N , Sokurov V F Density Spektrum of the EAS Cerenkov Radiation and Primary Energy Spektrum Proc 18-th ICCR//Bongolor India, 1983 V 2 (0,25 п л)

50 Сокуров В.Ф Численный эксперимент по исследованию потока космических лучей сверхвысоких энергий // Пути и формы профессионально-педагогической подготовки учителя физики в системе естественных дисциплин Грозный ЧАГПИ, 1991

51 Сокуров В Ф. Математическое моделирование интенсивности частиц сверхвысоких энергий//Новые информационные технологии в учебном процессе Омск ОГПИ, 1992

52 Сокуров В.Ф Математическое моделирование потока космических лучей сверхвысоких энергий//Компьютерные программы учебного назначения Донецк ДОНГУ, 1993

53 Сокуров В Ф Спектры электромагнитных излучений широких атмосферных ливней Препринт Доклад на международной конференции по космическим лучам (Москва, 1994) Таганрог Изд-во ТГПИ, 1994 32 с (2 0пл)

54 Сокуров В Ф Распределение источников космических лучей сверхвысоких энергий в масштабе Вселенной Сборник докладов XXXIX научно-методической конференции ТГПИ Таганрог Изд-во ТГПИ 1996 (0,31 пл)

55 Сокуров В.Ф Источники космических лучей сверхвысоких энергий Проблемы и прикладные вопросы физики Сб науч тр Международ научно-техн конф Саранск Мордовский пединститут, 1997 (0,1 п л )

56 Сокуров В.Ф Середа И Е Пространственное распределение источников космических лучей сверхвысоких энергий // Математические модели физических процессов и их свойства Сб науч тр Таганрог Изд-во ТГПИ, 1997(0,1 п л)

57 Сокуров В.Ф Середа И Е Моделирование пространственного распределения электромагнитных излучений широких атмосферных ливней сверхвысоких энергий // Математические модели физических процессов и их свойства Сб науч тр Таганрог Изд-во ТГПИ 1997(0 1 пл)

58 Сокуров В Ф Ударные волны в атмосфере и космические лучи сверхвысоких энергий // Математические модели физических процессов и их свойства Сб науч тр Таганрог Изд-во ТГПИ, 1999 (0,25 п л)

59 Сокуров В Ф Математическое моделирование распределения источников космических лучей сверхвысоких энергий // Математические модели физических процессов и их свойства» Сб науч тр Таганрог Изд-во ТГПИ, 2000 (0,25 п л)

60 Сокуров В Ф Модель механизма формирования ударных волн в атмосфере Земли // Математические модели физических процессов и их свойства Сб науч тр Таганрог Изд-во ТГПИ, 2000(0,25 пл)

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 А V Glushkov, V М Gngorev, N N Efimov, М I Pravdin, О S Diminstem, and V F Sokurov

Longitudinal development of cosmic-ray showers // Phys Rev D 26,23- 26 (1982)

2 A V Glushkov, L G Dedenko, N N Efimov, IT Makarov, M I Pravdin, V F Sokurov. Fluc-

tuations In Longitudinal Development Of Extensive Air Showers And Composition Of Primary Radiation With E(0) > 10**17-Ev// Published m Bull Russ Acad Sci Phys 49N7 84-86, 1985

3 N N Efimov, V F Sokurov Cerenkov radiation in discontinuous media a quantum view-point //

Appl Phys Lett 59(1991)2378

4 NN Efimov, V F Sokurov Measurement of Spectrum of the EAS Cerenkov Radiation Densi-

ties Proc 16-th ICRC, Kyoto 1979 Vol 8 P 152-155

5 AV Glushkov etal The Cerenkov Radiation Densities Proc 16-th ICRC, Kyoto 1979 Vol 8

P 152-153

6 T Нага, К Kamata and G Tanahashi Optical Cerenkov Radiation from Extensive Ah Showers

Proc 15-th ICRC, Plovdiv 1977 Vol 8 P 308-313

7 P Hartman, Luminescens Efficiensy of Air on Electron Bombardment, Los Alamos report (1963)

8 С H Верное, , В Ф Сокуров и др Расчеты эффективности детектора ионизационного из-

лучения ШАЛ и параметры установки для регистрации мюонов малых энергий М Изв АН СССР сер физ, 1974 Т 28 № 5 (28)

9 Suga К, Kakimoto F, Nishi К Radio Signals from very Large Showers Proc 19л ICCR, 1985

V 7 P 268-271

10 АльпертЯ Л, Гусева А Г, Флигель Д С Распространение низкочастотных электромагнитных волн в волноводе Земля - ионосфера М Наука, 1967 С 123

11 Гусев А И , Черныш Г Н , Сокуров В Ф Исследование регулярной составляющей естественных низко частотных излучений в авроральной зоне Сб науч тр Магадан СВК НИИ АН СССР, 1986 (0,35 пл)

Сдано в набор 01010В. Подписано в печать с оригинал-макета 25.0?.03. Формат 60x90/16 Бумага офсетная Печатьтрафаретная Уел п л 2,3 Тираж 100 экз Заказ № 40

Отпечатано в издательско-полиграфическом центре Таганрогского государственного педагогического института Адрес 347936, Таганрог, ул Инициативная, 46