Методы исследования проникающей компоненты ШАЛ на установке "Ковер-2" Баксанской нейтринной Обсерватории ИЯИ РАН тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Куджаев Александр Уружбекович

Методы исследования проникающей компоненты ШАЛ на установке "Ковер-2" Баксанской нейтринной Обсерватории ИЯИ РАН

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

О 4 СЕН 2014

МОСКВА-2014

005552083

005552083

Куджаев Александр Уружбекович

Методы исследования проникающей компоненты ШАЛ на установке "Ковер-2" Баксанской нейтринной Обсерватории ИЯИ РАН

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА-2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН), Москва.

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук

Петков Валерий Борисович

Официальные оппоненты:

Яшин Игорь Иванович, доктор физ.- мат.наук , Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", НОЦ "Невод", ведущий научный сотрудник

Сулаков Владимир Петрович .кандидат физико-математических наук. Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ), Отдел частиц свехвысоких энергий, старший научный сотрудник).

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н.Лебедева Российской академии наук (ФИАН)

0 9 1 0 201А

Защита диссертации состоится «_» J_!_2014г.

в « °у> часов на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 ИЯИ РАН по адресу: 117312, г. Москва, проспект 60-летия Октября, д.7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН и на сайте www.inr.ru

Автореферат разослан «_» 0 О 9. 20Н 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета ИЯИ РАН

С.В. Троицкий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Мюоны в составе широких атмосферных ливней (ШАЛ) относятся к одной из проникающих компонент, которая дает возможность получать информацию как о химическом составе первичного космического излучения, так и о ядерных взаимодействиях, ответственных за возникновение и развитие ливней в атмосфере. Это в свою очередь дает возможность подойти к пониманию природы излома первичных космических лучей (ПКЛ). Важной задачей изучения ад-ронной проникающей компоненты космических лучей в атмосфере является получение спектра первичных частиц и изучения широкого класса явлений, которые возникают при взаимодействии адронов с веществом. Предлагаемый в диссертации новый метод позволяет изучать обе эти компоненты с помощью одного детектора.

Цель работы

Целью диссертационной работы является:

• Создание методики для экспериментального изучения мюо-нов и адронов в составе ШАЛ с помощью мюонного детектора установки "Ковер-2".

• Разработка алгоритма разделения мюонной компоненты ШАЛ от адронной.

• Апробация методики посредством измерения характеристик мюонной и адронной компонент ШАЛ, и сравнение этих результатов с мировыми данными.

Научная новизна создан мюонный детектор большой площади (175 м2) на основе пластических сцинтилляционных детекторов. Разработанная методика позволяет регистрировать как мюон-ную, так и адронную компоненту ШАЛ. Т.о., мюонный детектор можно использовать не только для регистрации мюонов, а также в качестве адронного детектора.

Практическая значимость работы состоит в том, что исследование электронной, мюонной и адронной компонент ШАЛ с помощью новой методики, позволит продвинуться в понимании природы излома первичного спектра в области (3-5) 1015эВ, определить

химический состав ГЖЛ, надежно разделить ШАЛ, генерированные первичными ядрами или гамма-квантами.

Основные результаты, представленные к защите

1. Разработан, и создан мюонный детектор большой площади (175 м2) в составе установки "Ковер-2".

2. Разработана методика разделения мюонной и адронной компонент ШАЛ в мюонном детекторе.

3. Результаты измерения характеристик мюонной компоненты ШАЛ с £,,>1 ГэВ:

3.1. Функция пространственного распределения мюонов с энергией Ер> 1 ГэВ;

3.2. Зависимость среднего числа мюонов на ливень <Nf¡> от полного числа частиц в ливне;

3.3. Дифференциальное распределение по числу мюонов в ливне.

4. Измеренные характеристики адронной компоненты ШАЛ с Ек >25 ГэВ:

4.1. Зависимость среднего числа адронов на ливень < > от полного числа частиц в ливне;

4.2. Пространственное распределение адронов с энергией Е„ >25 ГэВ;

4.3. Экспериментальный дифференциальный спектр энерговыделений адронов в МД;

4.4. Дифференциальное распределение по числу адронов ШАЛ с энергией Еь > 25 ГэВ.

Апробация работы и публикации

Результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на следующих конференциях и семинарах:

• 29 Международная конференция по космическим лучам, 3-10 августа, 2005 года, Пуна, Индия;

• 30 Международная конференция по космическим лучам, 3-11 июля, 2007 года, Мерида, Мексика;

• 30 Всероссийская конференция по космическим лучам, 02-07 июля, 2008 года, г. Санкт-Петербург;

• 21 международный симпозиум по космическим лучам, 09-12 сентября, 2008 года, г. Кошице;

• 31 Всероссийская конференция по космическим лучам, 05-09 июля, 2010 года, г. Москва.

• 1 Workshop по космическим лучам, 14-18 сентября, 2007года, г. Ереван;

• 2 Workshop по космическим лучам, 12-16 сентября, 2011 года, г. Ереван.

• Семинары Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.

По теме диссертации опубликовано 11 работ, 4 из них опубликованы в реферируемых журналах.

Структура н объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 97 страниц текста, 52 рис., 2 табл., списка цитируемой литературы из 118 названий.

Личный вклад диссертанта

Автор принимал участие в создании мюонного детектора большой площади. Представленные результаты получены либо самим автором, либо при непосредственном его участии.

Содержание работы

Во введении дается интерпретация широких атмосферных ливней и генерации их от ПКЛ. Основными компонентами ШАЛ являются электронная, мюонная и адронная. Многие свойства ливня зависят от сечений взаимодействия адронов, от множественности и спектра вторичных частиц. Исследование пространственного распределения ливневых частиц необходимо в первую очередь потому, что без знания его невозможно определить полное число ливневых частиц той или иной природы и восстановить энергию первичной частицы. Особый интерес представляет - анализ мюонной компо-

ненты ШАЛ при разных значениях параметра возраста, в частности, исследование средней ФПР мюонов и спектра по числу мюонов. Параметр возраста в позволяет оценить соотношение между уровнем наблюдения и максимумом развития ливня в атмосфере (уровень развития электронно-фотонного каскада), начиная с которого преобладающими в ливне становятся процессы диссипации энергии, т.к. средняя энергия ливневых частиц становится меньше критической энергии для воздуха, равной ~108эВ. Изучение состава первичного космического излучения в области до и после излома может дать ответ на его природу. Один из путей получения такой информации состоит в использовании данных электронной, мюонной и адронным компонент. Поток адронов КЛ в атмосфере состоит в основном из нуклонов и мезонов, образующихся в неупругих взаимодействиях первичных адронов с ядрами атомов воздуха, а также протонов и нейтронов, проскочивших толщу атмосферы без взаимодействия. В первом случае адроны обычно сопровождаются генетически связанными частицами. Наблюдаемая при этом плотность сопровождения, обусловлена характеристиками взаимодействия, например, распределением по поперечному импульсу, энергии переданной частицам сопровождения и, очевидно, зависит от глубины взаимодействия. Распределение этих величин задается сечением и инклюзивными спектрами рождения адронов в области фрагментации. Для проскочивших частиц такое сопровождение отсутствует. Интенсивность этой компоненты на данной глубине в атмосфере обусловлена только величиной полного сечения взаимодействия.

В первой главе приводятся экспериментальные результаты по мюонной и адронной компонентам ШАЛ, полученных на разных ливневых установках как ранее, так и в последнее десятилетие. Рассматриваются результаты таких установок, как ливневые установки НИИЯФ МГУ, Тянь-Шань, БАБ-ТОР, КАБСАБЕ, которые сравниваются между собой. Известно, что необходимо изучать состав первичного космического излучения в области до и после излома, чтобы понять его природу. Наиболее естественный путь получения такой информации состоит в том, чтобы использовать экспериментальные данные по электромагнитной, мюонной и адронной компонент ШАЛ. На ливневой установке МГУ за период 1984-1990 годы была получена большая статистика ливней, которая содержит дан-

ные о мюонной и электронной компонентах в интервале первичных энергий от 1015 до 51017 эВ. Это дало возможность, используя современную модель адронных взаимодействий С^ШТ, сделать ряд заключений о массовом составе ПКЛ. Увеличение потока мюонов в мощных ливнях, возможно, отражает увеличение доли тяжелых ядер после излома ПКЛ. На основе полученных экспериментальных функций пространственного распределения (ФПР) мюонов была уточнена зависимость среднего числа мюонов ШАЛ от полного числа электронов в области больших значений числа частиц, и зависимость средней плотности мюонов от числа электронов на фиксированном расстоянии от оси ливней. Полученные данные по мюонной компоненте ШАЛ подтверждают сделанное ранее заключение об утяжелении состава ПКЛ в области за изломом.

Поток адронов космических лучей был измерен с помощью адронного калориметра установки ЕА8-ТОР. Адронный спектр хорошо аппроксимируется степенным законом в диапазоне энергий от ЗОГэВ до ЗОТэВ:

/ _ \(-279±0.05)

иооо^ Н '

Величина энергии адронов Еи дается в ГэВ.

Чтобы решить проблему излома необходимо измерять спектр по числу частиц всех ливневых компонент. Ливневая установка КАБСАБЕ измеряет спектры по числу частиц электормагнитной, мюонной и адронной компонент ШАЛ. На адронном калориметре было измерено число адронов и их суммарная энергия в ШАЛ для спектра первичных частиц в диапазоне энергий (0.2-50) ПэВ. По этим двум измеренным величинам был получен спектр по числу адронов (рис.1). Излом дифференциального спектра по числу адронов проявляется вокруг числа 65. Данные могут быть описаны степенным законом: dNldNн ос Л^ с Д =-2.81 + 0.04 ниже и /?2 =-3.12 ±0.11 выше излома. Согласно данным розыгрыша по программе ССЖ81КА для первичного спектра положение излома соответствует области ПКЛ от 2 ПэВ до 5 ПэВ.

zx

тз

Z .5 •

10 I ■ ■ ■ I . . ■ I ■ ■ I I ■ ■ I I I ■ I I ч I » I I I I I H I HI I Ч I

0.8 I 1.2 1.4 1.6 1-8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 число адронов Ig N H

Рис.1 Адронный спектр по числу частиц (KASCADE)

Во второй главе дается описание установки "Ковер-2". Изложены следующие сведения: описание жидкостного детектора и каналов информации, получаемых от детекторов (п.2.1), описание пластического детектора (п.2.2), описание мюонного детектора (п.2.3), блок-схема эксперимента (п.2.4) с описанием того, как собирается и формируется информация, поступающая по различным каналам от детекторов и других контрольно-измерительных устройств, усиление детектора, питающие напряжения. Центральная часть установки "Ковер-2" состоит из 400 детекторов на жидком сцинтилляторе. Размер детектора 70x70x30 см3. В детекторе используется фотоумножитель ФЭУ-49. Каждый индивидуальный жидкостный детектор измеряет энерговыделение в диапазоне 10-5000 релятивистских частиц (р.ч.), где 1р.ч. - наиболее вероятное энерговыделение в детекторе от одиночных мюонов (еДля данного типа детектора ^=50 МэВ. Детекторы размещены в горизонтальной

плоскости, поставлены вплотную друг к другу, и покрывают площадь квадрата S=196 м2. Информация от каждого детектора снимается по четырем каналам: анодный сигнал, сигнал с 7-го динода ФЭУ, сигнал с 12-го динода ФЭУ; анодный ток ФЭУ. Ранее суммирование анодных сигналов "Ковра" осуществлялось пассивными сумматорами (суммирующие трансформаторы). Амплитуда импульса, соответствующая наиболее вероятному значению энерговыделе-

ния в детекторе после прохождения цепи суммирования, составляла всего ~ 5мв. Для того чтобы уменьшить влияние аппаратных помех и помех от силовой электросети, необходимо было повысить уровень сигнала в 4.5 раза, и, соответственно, во столько же раз повысить отношение сигнал/шум. Анодные сигналы с ФЭУ детекторов "Ковра" объедены в модули по 16 штук (4x4) активными сумматорами. Число таких модулей равно 25. Суммирование 25 модулей осуществляется на пассивном сумматоре. Для определения направления прихода ливней на этой установке используются сигналы шести выносных пунктов (ВП), каждый из которых состоит из 18 детекторов аналогичных детекторам на "Ковре". Для опроса и записи информации на установке "Ковер-2" используются триггеры Ml и М2. Триггер Ml создается при совпадении импульсов от 4-х ВП, расположенных на расстояниях 30м от центра "Ковра", с сигналом от "Ковра". Этот триггер отбирает ШАЛ от первичных частиц с энергиями Е>\О14 эВ. Частота таких событий ~1.2 Гц. Триггер М2 создается сигналом от энерговыделения в "Ковре", с порогом 2.5 ГэВ.

Логарифмический LC-преобразователь используется для измерения плотности ливневых частиц в детекторе. Сигнал с седьмого динода ФЭУ жидкостного детектора подается на вход логарифмического преобразователя, формируя импульс с отрицательной полярностью и постоянной амплитуды ~2В с длительностью от 5 до 490 мкс, пропорционального логарифму амплитуды входного сигнала. Наклон характеристики преобразователя составляет 11.2% Динамический диапазон преобразователя ~5 103, а диапазон регулировки уровня дискриминации ~2. Сигналы с логарифмических преобразователей подаются на входы каналов Годоскопа Амплитудных Каналов (ГАК). Частота тактовых импульсов ГАК 10 Мгц и каждый канал позволяет измерять длительность входных импульсов в диапазоне от 5 до 490 мкс. Годоскоп амплитудных каналов является промежуточным устройством памяти, осуществляющим параллельное запоминание значений амплитуд детекторов и последовательный опрос каналов записи и вывода информации на on-line компьютер. При наличии триггеров Ml и М2 происходит опрос и запись информации 400 каналов годоскопа. Кроме амплитуд 400 детекторов сюда же в стандартизованном виде записывается информация

об амплитуде сигналов с ВП, о задержках импульсов с этих пунктов относительно старта "Ковра". Измерение анодного тока ФЭУ используется для настройки детекторов по усилению, а также для контроля над стабильностью усиления детектора. Регулировка коэффициента усиления ФЭУ осуществляется изменением потенциала на третьем диноде ФЭУ. Измерение анодного тока производится с помощью измерителя тока с точностью менее 1%.

Мюонный детектор установки "Ковер-2" расположен на расстоянии 48м от геометрического центра "Ковра" и представляет собой вытянутую плоскость размером 5x35 м, состоящую из 175 стандартных сцинтилляционных пластических детекторов с площадью 1 м2 каждый. Каждый детектор состоит из четырех пластических сцинтилляторов размером 0.5x0.5x0.05 м3, помещенных в светозащитный кожух. Анодные сигналы суммируются по группам, образуя 5 модулей по 35 детекторов. Каждый индивидуальный пластический детектор измеряет энерговыделение в диапазоне 0.5-100 р.ч., где 1 р.ч. есть наиболее вероятное энерговыделение в пластическом детекторе от одиночных мюонов Для данного типа детектора

£^=10 МэВ.

В третьей главе диссертации описывается методика разделения мюонной и адронной компонент ШАЛ.

На мюонном детекторе при исследовании мюонной компоненты ШАЛ, были зарегистрированы события с энерговыделениями более 100 МэВ в пластическом детекторе, что соответствует 10 р.ч. Для объяснения этих событий было предложено, что они имеют адронное происхождение. Действительно, толщина поглотителя МД (-20 радиационных единиц) достаточно велика для того, чтобы поглотить электромагнитную компоненту, но данной толщины поглотителя (всего лишь ~ 5пробегов для взаимодействия) недостаточно для поглощения адронных каскадов. Поэтому каскады, рожденные идущими в составе ШАЛ адронами, развиваются в поглотителе над МД и дают дополнительное энерговыделение е в сцинтилляторе (рис.2).

I8

Г

500 г/см2 поглотитель

5см сцинтнллятор

Рис.2. Схема прохождения мгоонов и адронов через МД

Характеристики событий в МД от одиночных адронов (протонов и л--мезонов) получены с помощью моделирования Монте-Карло. Расчеты проведены для адронов с фиксированными энергиями в диапазоне 5 ГэВ-500 ГэВ для четырех значений зенитного

Они показывают, что события с большими энерговыделениями соответствуют адронам с энергией Ек >50 ГэВ и с энерговыделением в пластическом детекторе £>100 МэВ. Т.е. адроны ШАЛ генерируют каскады в поглотителе МД, которые регистрируют пластические детекторы МД. Причем, расчеты показывают, что радиус каскадного пятна не превосходит 1.3 м.

Рассмотрим величину:

которая представляет собой отношение среднего дополнительного

энерговыделения от одиночного адрона е к наиболее вероятному значению энерговыделения от одиночного мюона. В формуле (2) для мюонов учитывается увеличение пробега в слое сцинтиллятора с ростом зенитного угла в . На рис.3 приведена зависимость величины к от энергии Ек адрона для четырех значений зенитного угла в .

угла: 0°,15°,30° и 45°.

Как видно из рисунка, для событий близких к вертикали {9 < 30°), и при энергиях адронов Ен > 25 ГэВ, среднее энерговыделение от адронов превышает в пять раз энерговыделение от мюонов. В то же время, для событий с большими зенитными углами отделить адроны от мюонов можно лишь при энергиях адронов Ек > ЮОГэВ.

Рис.3. Зависимость отношения среднего дополнительного энерговыделения к наиболее вероятному энерговыделению одиночного мюона в слое сцинтиллятора МД от энергии адрона для разных зенитных углов

Доказательство надежности разделения мюонов и адронов в мюонном детекторе можно получить, если измерить пробег для поглощения компонент космических лучей, порождающих в МД события с различными порогами по энерговыделению в МД. Это было сделано посредством измерения барометрического коэффициента для событий с различными порогами по энерговыделению в МД. Для этого была получена зависимость барометрического коэффициента р от энерговыделения в интервале е = 1-12 р.ч. Барометрический коэффициент измерялся для событий с различными порогами по энерговыделению в МД (рис.4). С сумматора 5 модуля МД установки "Ковер-2", на который приходит сигнал от суммы анодов 35 пластических детекторов отрицательной полярности с амплитудой

~ 15 мв, подается на делитель, с коэффициентом деления сигнала в 1,1.5,2,3,4 и т.д. раз. Пороговое значение энерговыделения е для каждого случая определялось в числе релятивистских частиц, используя интегральный спектр энерговыделений компонент космических лучей с пятого динода. Всего было получено 15 пороговых значений (рис.5).

Цзбдет.

Аттеиюэт. |

ИД

Счетчик

Коипьют,

50ом

50ом |

Рис.4. Блок-схема эксперимента для измерения барометрического

коэффициента

Сигнал с делителя подается на интегральный дискриминатор (ИД), а затем поступает на счетчик стандарта САМАС. Т.е. записываются темп счета (I) и атмосферное давление (Р), усредненные за четыре минуты, соответствующие данному уровню наблюдения. Измерение атмосферного давления производилось электрическим барометром типа Мок)го11а -МОХ4ЮОА, с точностью измерения, равной 0.2 мм рт. ст. По записанной информации определялся барометрический коэффициент р для соответствующего энергетического порога по формуле (3), а относительная ошибка р определялась по формуле (6).

где

2 = ^ (х, - х)

X (*<-*) (у,-у)

г~

пахау

- -IV

п 77

п

А/3//3 = ±{1/г\1(1-г2)/(п~3)

(3)

(4)

(5)

(6)

В таблице 1 приводятся результаты измерений барометрических коэффициентов /? для разных пороговых энерговыделений в пластических детекторах МД от компонент космических лучей.

Таблица 1

€[р-Ч.] мм рг- ет-1 й(5/р Цг/с«2] ¿I 1 |1[' :,'тЬ;1г1

0.3 -0,16 0.03 831.25 148.96 -0.12030 0.02256

1.0 -0,18 0.02 739.48 82.С0 -0,13534 0.04511

1.3 -0,22 0.04 605,15 110.39 -0.16541 0.03008

1.6 •0.34 0.09 391.02 103.74 -0,25564 0.06767

2.1 -0.60 0.06 222.11 22.61 -0.451 13 0.04511

2.9 -0.60 О.ОЭ 222.11 23.94 -0.45113 0.06767

3.1 -0.56 0.06 236.74 22,61 -0.42105 0.04511

4.0 -0.77 0.30 171.57 66.60 -0.578Э5 0.22556

5.0 -0.84 0.20 158.30 37.70 -0.63158 0.15038

6.0 -0.94 0.14 141.50 21,10 -0,70677 0.10526

6.8 -0.84 0.25 158.27 <«8.55 -0.63158 0.18797

8.0 -1.05 0.07 126,60 8,50 -0,78947 0,05263

9.0 -0.74 0,19 179,55 46.55 -0.55639 0.14286

10.5 -0,95 0.19 139.65 27.93 -0.71429 0.14286

12,0 -1.13 0.07 117.04 7.10 -0.84962 0.05263

Если барометрический коэффициент /? выражен в %/ мб, то пробег для поглощения (г/см2) может быть получен как

Ь = -100%/Д (7)

В таблице 1 приводятся также значения пробега для поглощения при разных значениях (3, определенные по формуле (7).

Как видно из рис.5, для событий с а > 5р.ч.(50 МэВ) среднее значение пробега для поглощения становится постоянным и равным < Ь >=(144.2±49.8) г/см2. Такое значение <Ь> практически совпадает с пробегом для поглощения адронов. Из рис.5 следует, что в области энерговыделений е < 5 р.ч. значение Ь быстро растет с

уменьшением е и при е=1.3 р.ч. оно равно Ь -590 г/ем2, что соответствует барометрическому коэффициенту ¡5 =-0.22%1 мм рт. ст. Из этой же зависимости также следует, что барометрическому коэффициенту /? = -0.34%/мм рт. ст. с энеговыделением с =1.6 р.ч. соответствует длина поглощения /,= 391 г/см2. Ранее на установке "Ковер" был получен барометрический коэффициент р для мюонов с пороговой энергией 0.5 ГэВ равным /3= -0.36 ± 0.01 %/мм рт.ст., которому соответствует длина поглощения Ь = 357 [г/см2].

1000 800

600

В 400

200

К ; I? Г:::}:::::::::

. 1 .................1...... ............1 .....7.....- —1—1 111111

О

10

12

6 8 £ (р.ч.)

Рис.5. Зависимость длины пробега для поглощения Ь от энергетического порога, выраженного в числе релятивистских частиц

Сравнение наших данных с этой величиной показывает, что они становятся равными при а =1.6 р.ч. Отсюда следует, что при е < 1.3 р.ч. основной вклад в спектр энерговыдеделений вносит мюонная компонента. Расчет по программе СО!ШКА ((^ШТО 1+С[ 1Е1511А) для первичных протонов показывает, что при попадании оси ливня на центральную часть установки "Ковер-2" для Л^=105-10б, энерговыделение £ в индивидуальных детекторах МД от мюонов с энергией £,>1 ГэВ не превосходит 3 р.ч. Т.е. экспериментальный результат не противоречит расчетному. Расчеты также показывают, что из 1000 разыгранных ливней в диапазоне: Ne = 105-106 при условии что

ось ливня лоцируется в "Ковер", отношение числа нов(.Е >1 ГэВ) с энерговыделением £->5 р.ч. к числу адронов с таким же энерговыделением для адронов с Ек >25 ГэВ составляет ~ 3.2-10"3. Т.е., вклад мюонов незначителен при регистрации ливневых адронов.

В четвертой главе приводятся характеристики мюонной компоненты ШАЛ с Е>\ ГэВ и характеристики адронной компоненты ШАЛ с Ек> 25 ГэВ, полученные с помощью разработанной методики.

Экспериментальные данные сравниваются с данными таких установок как ЕА8-ТОР, КА8САОЕ, СЫу, АКЕЖ). С использованием прямого метода исследования пространственного распределения, было получено пространственное распределение мюонов в узком диапазоне расстояний 39-56 м от оси ливня и с полным числом частиц в ливне: =105-106, когда ось лоцируется на "Ковер". Пространственное распределение мюонов измерено довольно точно, т. к. центральная часть установки "Ковер" определяет ось ливня с точностью Дхо=Ауо=0.35 м. Результаты расчета для ФПР мюонов,

полученные по программе С(Ж81КА(д08ЖП)1+0НЕ18НА) для первичных протонов и ядер железа не противоречат экспериментальным данным установки "Ковер-2". На рис.6, приводится сравнение ФПР для мюонов, полученных на ливневых установках ЕА8-ТОР, Оо1у и АКЕЫО с данными установки "Ковер-2". Причем, установка "Ковер-2" расположена на высоте 1700 м над уровнем моря, а установки ЕА8-ТОР, Оо1у и АКЕ1ЧО на высоте 2005 м, 2200 м и 900 м над уровнем моря соответственно. Данные установки АКЕТЧО приведены к уровню установки Оо1у.

Из рис.6 следует, что результаты по ФПР мюонов, полученные на установке ЕА8-ТОР, СМу и АКЕ1МО, качественно не противоречат экспериментальным данным установки "Ковер-2". Получена нами зависимость среднего числа мюонов (рис.7) на ливень < N > от полного числа частиц в ливне Ыс для =105-10б, которая аппроксимируется степенным законом < Ы/1> ~ N° с показателем а = 0.73 ± 0.09 .

■ . ЕА5-ТОР

* - Оо1у

А - АКЕ1ЯО

▼ - Коеер-2

20 13,М 100 200

Рис.6. Сравнение пространственных распределений мюонов ШАЛ по данным ливневых установок: "Ковер-2", ЕА8-ТОР, Оо1у и АКЕ1ЧО

На ливневой установке ЕАБ-ТОР была получена зависимость среднего числа мюонов от полного числа частиц в ливне. Аппроксимация этой зависимости степенным законом дает значение а ~ 0.75, что согласуется хорошо с нашим значением а = 0.73±0.09. Расчеты по программе С(Ж81КА(дС8.1ЕТ0 КОНЕЧНА) для первичных протонов дают значение а = 0.78 ± 0.02. Полученное значение показателя степенного спектра по результатам розыгрыша для первичных протонов не противоречит нашему значению « = 0.73±0.09.

N

I

1 «

1

Л

5,0

—г— 5,2

I 1

I

J

X $

■ -протоны • - ядра железа л- - эксперимент

—I-•-1—

5,4 5,6

104

—I—

5,8

6,0

Рис.7. Сравнение экспериментальных данных и результатов расчета для

зависимости N„ — N.

По экспериментальным данным МД было получено дифференциальное распределение по числу мюонов на ливень. Это распределение можно аппроксимировать степенным законом dN/dNfl~Nf1 , /3 =-2.88±0.08. Этот результат сравнивается с результатом расчета для первичных протонов. При этом значение показателя расчетного дифференциального спектра /3 =-3.00±0.09. На ливневых установках БАБ-ТОР и КАБСАОЕ ранее были получены дифференциальные распределения по числу мюонов, которые аппроксимировались также степенным законом. Значения показателя степенного закона для установок ЕАБ-ТОР и КАБСАЭЕ равны /? 3.12 и р «-2.80 соответственно. Т.е. экспериментальные результаты ливневых установок БАБ-ТОР и КАБСАОЕ не противоречат данным установки "Ковер-2". По результатам эксперимента был получен дифференциальный спектр энерговыделений (рис.8) для адронов с энерговыделением £ >50МэВ в пластическом детекторе, когда ось ливня попадает в "Ковер" и полное число частиц в ливне: А^ =10 -10 .

С1Ы/С| 8 1 О*-;

10%

1 о"

10'

10"

1 СГ

8, МэВ

1 о

Рис.8. Дифференциальный спектр энерговыделений от адронов, измеренный на мюонном детекторе

Этот спектр описывается степенным законом с1и/с]5~£~г. Значение показателя степенного спектра у = 2.58±0.08. Согласно выполненным расчетам по программе С(Ж8(КЛ(дС8ЖГ01+ОНЕ18НА), был получен дифференциальный энергетический спектр адронов для первичных протонов, когда ось ливня попадает в "Ковер" и полное число частиц в ливне: Л^е=105-106. Этот дифференциальный энергетический спектр описывается степенным законом dNIdEh~E~hy , причем значение / =2.68±0.04. Т.е. результаты расчета не противоречат результатам эксперимента

Была получена зависимость среднего числа адронов < Ын> на ливень с энергией Еь>25 ГэВ от полного числа частиц Л^ = 105-10б в ливне, которая описывается степенным законом < Ин ,

где а =0.89 ±0.08. Результаты розыгрыша по программе С(Ж81КА(С?О81ЕТ01+ОНЕ18НА) для первичных протонов дают значение а - 0.91 ± 0.07, а для первичных ядер железа дают значение а = 1.11 ± 0.09 . Результаты расчета не противоречат экспериментальным результатам. Не наблюдается противоречия этих ре-

зультатов с данными работ по изучению адронов в составе ШАЛ на высотах гор. В этих работах была получена зависимость полного числа адронов в ливне от полного числа частиц в ливне с N = 105-106 со значением «=0.8-0.9.

е

ФПР для адронов с энергией Еь >25 ГэВ, в диапазоне расстояний (39-56)м от центра МД до оси ливня (ось ливня лоцируется на "Ковер") с полным числом частиц в ливне = 105-106 и 0" < в < 30", была получена аналогично ФПР для мюонов. ФПР для адронов была получена в расчете по программе (ХЖ81КА(дО8ЛЕТ01+ОНЕ18НА) для первичных протонов и ядер железа. Результаты расчета не противоречат экспериментальным результатам, полученным на ливневой установке "Ковер-2". На рис.9 приводится качественное сравнение ФПР для адронов ШАЛ, измеренных на установках "Ковер-2" и КА8САОЕ.

рь(м-г) :

■ -КОВЕР-2 ♦ -КАБСАЭЕ

—I—

40

Р,М

—I—

60

Рис.9. Сравнение ФПР адронов, полученных на установке "Ковер-2" и адронном калориметре установки КАБСАОЕ

Функция пространственного распределения для адронов была получена на адронном калориметре ливневой установки КА8САОЕ с пороговой энергией для адронов Ел =50 ГэВ, с усеченным числом

мюонов в ливне 4.3 < ^И* < 4.6 и с зенитными углами: 0" < в < 18".

С учетом того, что установка КА8САБЕ расположена на высоте 110 м над уровнем моря, из рис.10 следует, что экспериментальные результаты по ФПР для адронов, полученные на установке КА8САОЕ, качественно не противоречат результатам по ФПР для адронов, полученных на установке "КОВЕР-2".

Был также исследован класс событий, который отбирался при условии собственного триггера МЗ мюонного детектора. Он вырабатывается схемой совпадения любых 3-х модулей из пяти. Результаты расчета по программе СОК81КА(модель НОРМ), показывают, что этот триггер создается ливнями с £„>10 ТэВ для первичных протонов и с £„>100 ТэВ для ядер железа с осями в круге радиусом г = 10 м вблизи МД. Для этих ливней было получено дифференциальное распределение по числу адронов в интервале 1-40 адронов, которое описывается степенным законом /(¿N,,-N{1, где /?=-2.80±0.06 (рис.10).

5

Щ

10 -

10

10":

юЧ

•в

V

10

N.

Рис. Ю. Дифференциальное распределение по числу адронов в МД

Этот спектр можно интерпретировать, как спектр ШАЛ по числу адронов идущих вблизи стволов ливней. На установке КАБСАОЕ было измерено дифференциальное распределение по числу адронов ( Ен >50 ГэВ) вблизи осей ливней, которое описывается степенным законом с показателем спектра /? =-2.81±0.05. Откуда следует, что измеренное дифференциальное распределение по числу адронов в МД повторяет дифференциальное распределение по числу адронов в широких атмосферных ливнях, измеренное на установке КАБСАБЕ. Это в свою очередь доказывает возможность регистрации их в составе ШАЛ, когда оси ливней локализованы вблизи мюонного детектора.

В заключении подведены итоги работы, и сформулированы основные результаты и вывод.

Основные результаты работы

1. Создан мюонный детектор с большой площадью (175 м2) на основе пластических сцинтилляционных детекторов.

2. Разработана методика разделения адронной и мюонной компонент ШАЛ.

3. Получена функция пространственного распределения по экспериментальным данным установки Ковер-2 для мюо-нов с энергией Ец>\ ГэВ.

4. Получена зависимость среднего числа мюонов на ливень <Лгы > от полного числа частиц Ие в ливне.

5. Получено дифференциальное распределение по числу мюонов.

6. Получена зависимость среднего числа адронов <NЛ> от полного числа частиц Nе в ливне.

7. Получено пространственное распределение адронов ШАЛ с Ен >25 ГэВ и с полным числом частиц в ливне: Ne =105-10б.

8. Измерен дифференциальный спектр энерговыделений адронов в мюонном детекторе.

9. Получено дифференциальное распределение по числу адронов ШАЛ с Ен >25ГэВ.

Основные публикации но теме диссертации

1. Е.Н. Алексеев, В.В. Алексеенко, Н.А. Алексеенко, А.В. Воеводский, Д.Д. Джаппуев, Ю.Н. Коновалов, М.М. Конопля, А.У. Куджаев, Д.Л. Марчук, Ю.В. Маловичко, В.В. Скляров, Ю.В. Стенькин, В.А.Тизенгаузен, А.Е. Чудаков. Мюонный детектор установки "Ковер-2". Известия Академии наук, Серия Физическая, т.51, №4, стр. 167-170, 1993.

2. Alexeenko N.A, Alexeenko V.V., Alexeyev E.N, Chudakov A.E., Dzhappuev D.D., Konovalov Yu.N., Kudzhaev A.U., Marchuk D.L., Ozrokov S.Kh., Sklyarov V.V., Sten'kin Yu. V., Tizengauzen V.A., Voevodsky A.V. Baksan Carpet-2 Large area muon detector, 23rd ICRC, v. 2, 1993, p. 477.

3. E.H. Алексеев, B.H. Алексеенко, Г.Х. Архестов, А.В.Воеводский Д.Д. Джаппуев, Ю.Н. Коновалов, А.У. Куджаев, Д.Л. Марчук, С.Х. Озроков, Ю.В. Стенькин, В.А. Ти-зенгаузен, А.Е. Чудаков. О мюонном детекторе на установке Ковер. Труды 5 Школы "Частицы и космология" Баксанской нейтринной обсерватории ИЛИ АН СССР. 1991 .стр.88-94.

4. D.D. Dzhappuev, A.U. Kudzhaev, A.S. Lidvansky et al. Proc.29th ICRC, Pune, 2005, v.6, p.233-236.

5. D.D. Dzhappuev, V.V. Alekseenko, A.S. Lidvansky et al. Ргос.30л ICRC, 303, Merida (Mexico), 2007.

6. Д.Д. Джаппуев и др. Модернизация установки "Ковер-2" БНОИЯИ РАН. Изв. РАН. Серия Физическая, 2007, т.71, №4, стр. 542- 544.

7. D.D. Dzhappuev, А.В. Chernyev, A.U. Kudzhaev, A.S. Lidvansky, O.I. Mikhailova, V.B. Petkov, Yu.V. Sten'kin. Study for hadronic component with hadron energy >50GeV at "Carpet-2" EAS array, Proceedings of the ICRC Workshop "Aragats 2007", Armenia, 2007, p. 8-13.

8. D.D. Dzhappuev, A.U. Kudzhaev, N.F. Klimenko, O.I. Mikhailova, V.I. Stepanov, A.L. Tsyabuk, A study of hadrons and muons in EAS at the "Carpet-2" shower array, Proceedings of 21st Europen Cosmic Ray. Simposium, Kosice, Slovakia, 2008, p.546.

9. Джаппуев Д.Д., Куджаев А.У., Алексеенко B.B, Клименко Н.Ф., Лидванский А.С., Михайлова О.И., Петков В.Б., Стень-кин Ю.В., Цябук А.Л. и Черняев А.Б., Исследование мюон-ной и адронной компонент широких атмосферных ливней на установке "Ковер-2" Изв. РАН, Серия Физическая, 2009, т.73, №5, стр. 642-644.

10. A.U. Kudzhaev, D.D. Dzhappuev, O.I. Mikhilova and V.B. Petkov, Investigation of the muonic and hadronic components of Extencive Air Showers at the lGeV muon detector of the "Carpet-2" shower array. Proceeding of the 2nd International Cosmic Ray Workshop "Aragats 2011", 2011, Armenia, p. 126-130.

11. Д.Д.Джаппуев, А.У. Куджаев, A.C.Лидванский, В.Б. Петков, Ю.В Стенькин. Изучение адронной компоненты ШАЛ на установке "Ковер". Письма в ЖЭТФ,2013, т.97,№10, стр.651653.

Ф-т 60x84/16 Уч.-изд.л. 1,0 Зак. №22324 Тираж 100 экз. Бесплатно Отпечатано на компьютерной издательской системе Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Издательский отдел Российской академии наук 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а