Моделирование и анализ измерений энергетических спектров частиц космического излучения в области высоких энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

/V ^ » /

{/) / 1 / / Г } '

Московский Государственный Университет -имени М.В.Ломоносова Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В.Скобельцына

На правах рукописи УДК 537.581

Турундаевский Андрей Николаевич [?/{__

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ИЗМЕРЕНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБЛАСТИ

ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

(01.04.23 - физика высоких энергий)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н. В.Я.Шестоперов

Москва 1998

Оглавление

Введение.....................................-............ 3

Глава 1. Энерговыделение в адронном каскаде, генерируемом протонами и ядрами Не с энергиями >1 ТэВ, и спектральные деформации детектирумого потока частиц...................13

1.1. Математическое моделирование........................ 13

1.2. Сравнение результатов моделирования с использованием различных программ-генераторов адронных взаимодействий...23

1.3. Аппроксимация флюктуации энерговыделения............29

1.4. Особенности спектральных искажений..................35

1.5. Методика восстановления первичного спектра____......40

Глава 2. Генерация альбедного потока в адронных каскадах

и локализация первого акта неупругого взаимодействия частиц с энергией свыше 1 ТэВ......................................49

2.1. Влияние альбедного потока на форму каскадной кривой.50

2.2. Методы и критерии локализации акта взаимодействия...51

2.3. Анализ некоторых экспериментальных каскадов.........68

Глава 3. Непосредственное изучение частиц космических лучей высокой энергии при помощи черенковского излучения, рожденного заряженной частицей в верхних слоях атмосферы.73

3.1. Черепковское излучение заряженных частиц первичного космического излучения в верхних слоях атмосферы как инструмент изучения космических лучей высокой энергии....74

3.2. Требования к аппаратуре и ожидаемая статистика......97

Выводы..................................................102

Список литературы.......................................105

Введение.

Особо ценную информацию в изучении характеристик потока космических лучей (КЛ) дают прямые измерения, при которых измеряются характеристики первичной частицы. Однако, исследовать прямыми методами характеристики КЛ можно лишь за пределами атмосферы, существенно экранирующей и трансформирующей их поток.

По принятой терминологии поток ядер КЛ делят на первичные ядра (р, Не, С, 0, ...), т.е. те, у которых основной поток был рожден в источниках КЛ, и вторичные (1л, Ве, В, М, ...), поток которых в значительной степени формируется за счет взаимодействий первичных ядер с межзвездной средой.

В целом дифференциальный энергетический спектр первичных ядер КЛ в диапазоне энергий 101'1 -1015 зВ/частица, с разделением по основным группам ядер, может быть описан степенным законом с показателем спектра Спектр

прогонов в области энергий более 1012 эВ несколько круче (Г--2.8). Поток вторичных ядер, в силу его значительно меньшей интенсивности, на сегодня достаточно однозначно измерен лишь до энергий < 1011 эВ/частица, и в целом может также быть описан степенным законом, но с г=3,£ [1].

Таким образом, на настоящий момент, существует энергетический разрыв в несколько порядков в информации о доле вторичных ядер в составе КЛ.

Существуют различные представления о характере изменения доли вторичных ядер в составе КЛ при продвижении энергетического спектра в область более высоких энергий. Это обус-

ловлено недостатком точных данных об источниках КЛ, а также о формировании потока КЛ в процессах дополнительного ускорения в Галактике и трансформации во взаимодействиях с межзвездным газом и фотонными полями. Поэтому детально промеренный в широком диапазоне энергий, желательно единой методикой, поэлементный химический состав КЛ несет б себе много полезной информации о генерации и распространении частиц космического излучения.

Значительный интерес представляет спектр электронов и позитронов в области высоких энергий. Это связано с тем, что из-за сильного синхротронного излучения на галактических магнитных полях пробег электронно-позитронной компоненты сравним с расстоянием до ближайших источников 121. В настоящее время суммарный спектр электронно-позитронной компоненты промерен до энергий -~400 ГэВ, а доля позитронов определена до -40 ГэВ [33. Продвижение в область более высоких, от 40 ГэВ до -1 ТэВ, энергий с раздельной регистрацией электронов и позитронов может дать важную информацию об источниках этой компоненты и магнитных полях в Галактике .

Вопрос об антивеществе в КЛ представляет собой особую, тесно связанную с проблемами космологии, одну из наиболее важных проблем астрофизики высоких энергий.

Антипротоны были обнаружены в 1979 г. [43,. и в настоящее время их поток измерен в энергетическом диапазоне О.5-20 ГэВ (I(р~)/1(р)-10~4) [53. Определенное количество антипротонов рождается при взаимодействии космических лучей высокой энергии с межзвездным газом, однако существуют разног-

ласия относительно того, может ли данный механизм объяснить наблюдаемую интенсивность. Наиболее прямым свидетельством существования заметных количеств антивещества было бы обнаружение в космических лучах потока антиядер, которые практически не могут образовываться при распространении протон-но-ядерной компоненты. Современные поиски антиядер ведутся в области энергий <20 ГэВ при пределе чувствительности по I(Не~)/1(Не)-1СГб [5]. Форма гипотетического спектра антиядер неизвестна, и не исключено, что работа в области высоких энергий 01 ТэВ/нуклон) при пределе чувствительности 1(р~)/1(р)--~1СГ5, и I (Не")/1 (Не)-10~4 может быть весьма перспективна.

Проведенные в последние десятилетия работы позволили значительно продвинуться в исследованиях КЛ, особенно в спектральной области от 1012 до 1014 эВ, до этого не исследованной прямыми методами, а также в изучении антипротонов и электронно-позитронной компоненты. При этом для определения энергии частиц применялись различные методы. Основные методики используемые в современной физике КЛ высокой энергии (>1 ТэВ/частицу) - это методика переходного излучения [6-9], методика рентгено-эмульсионных камер [10-133, методика магнитного спектрометра С5, 14-163, методика ионизационного калориметра [17-223 и методика газовых черенковских счетчиков [23-293. При этом методика переходного излучения применяется только к ядрам с 1>2 из-за квадратичной зависимости сигнала от заряда частицы и, соответственно, малого квантового выхода от протонов и альфа-частиц. Рентгено- эмульсионные камеры имеют высокий энергетический порог,

не позволяющий достаточно надежно привязать полученные результаты к данным других экспериментов при более низких энергиях. Методика магнитного спектрометра требует создания мощных магнитных полей в большом объеме для обеспечения необходимого геометрического фактора, что связано с большими техническими трудностями и резко увеличивает финансовые затраты при продвижении в область высоких энергий.

Получивший широкое применение в исследованиях космических лучей ионизационный калориметр как спектрометр полного поглощения, является одним из общепризнанных по точности и универсальности методов измерений. Однако, с увеличением энергии первичной частицы и соответствующим увеличением глубины максимума ядерного каскада, развивающегося в поглотителе, толщина последнего должна быть значительной, чтобы отвечать условиям достаточно полного поглощения в широком диапазоне предполагаемых энергетических измерений. При необходимости создать прибор с достаточной апертурой (геометрическим фактором) для эффективной регистрации малых потоков частиц ультравысокой энергии и при неизбежных ограничениях массы полетной аппаратуры приходится поступиться условиями полного поглощения и ограничиваться калориметром неполного поглощения или установкой "толчкового" типа, в которых регистрируется только часть каскада [30].

Это создает определенные трудности в интерпретации результатов экспериментов. Во-первых, из-за значительного выноса энергии из поглотителя необходимо определить долю энергии, выделенной в поглотителе. Во-вторых, достаточно тонкий поглотитель означает: часть частиц не провзаимодейс-

твует б нем или провзаимодействует на такой глубине, что по наблюдаемой части адронного каскада нельзя будет определить первичную энергию для отдельного события. В этом случае возможны два решения. Во-первых, можно отказаться от определения энергии для индивидуального события и восстанавливать характеристики спектра падающих частиц по форме наблюдаемого спектра энерговыделений. Большую роль при этом играет правильный учет флюктуации энерговыделения, зависящих от определяемого сечением распределения по глубине первого взаимодействия, распределения по коэффициенту неупругости в этом взаимодействии, а также от выноса энергии через основание поглотителя. В калориметре неполного поглощения вынос энергии через основание поглотителя заметно увеличивается с ростом первичной энергии из-за увеличения глубины максимума каскада. Также растут и флюктуации. Поэтому для перехода от спектра энерговыделений к первичному энергетическому спектру необходимо учесть изменения как в интенсивности, так и в показателе. Во-вторых, можно отбирать только те зарегистрированные события, для которых глубина первого неупругого взаимодействия не превышает заданного максималього значения, и учитывать соответствующую вероятность таких событий Р=1-ехр(-Х/Х), где X - максимальная глубина первого неупругого взаимодействия, А - средний пробег до взаимодействия. При таком подходе желательно как можно точнее локализовать точку первого неупругого взаимодействия. Это достаточно легко сделать в эмульсионных камерах, где просматриваются непосредственно треки отдельных частиц, но при электронной регистрации (например, с использованием сцинтилляционных

счетчиков) регистрируется лишь энерговыделение на определенной глубине поглотителя. Из-за наличия "обратного тока" (альбедо), то есть частиц, летящих в обратном, относительно первичной, направлении, рост энерговыделения начинается еще до точки первого неупругого взаимодействия. Поэтому важно выработать критерии определения точки первого неупругого, взаимодействия с учетом типа и энергии первичной частицы.

В альбедо могут присутствовать различные элементы каскада: ядерноактивные частицы, электроны, гамма-кванты. Низко-энергетичная часть обратного тока создается в результате многократного рассеяния частиц невысокой энергии О! МэВ) [313. Альбедный поток более высоких энергий (до 10^ МэВ) может формироваться за счет гамма-квантов при распаде 1Г°-мезонов, испускаемых в обратном направлении. Основным источником таких пионов при адрон-ядерных взаимодействиях является внутриядерный каскад, реализуемый в ядрах вещества-поглотителя [321. Существует значимая зависимость обратного тока от природы и энергии первичной частицы [33].

В целом, частицы альбедо образуют над поглощающим веществом энергозависимый и подверженный флюктуациям фон широкого спектрального диапазона, коррелирующий с детектируемой здесь первичной частицой и осложняющий ее идентификацию и выборку [33].

Не менее существенное значение может иметь наличие обратного тока внутри самого поглощающего вещества в связи с влиянием на форму каскадной кривой. Поток альбедных частиц, их ионизационный эффект в особой степени размывает начальную часть каскада, приводя, в зависимости от порога детек-

тирования, к неопределенности начала, маскируя инициирующий первичный акт неупругого ядерного взашодействия.

Рассмотрение этой малоисследованной особенности обратного тока при взаимодействии частиц высокой энергии представляется задачей, имеющей принципиальное и методическое значение, в частности, для экспериментального обращения к ад-ронным каскадам в качестве источника информации о некоторых существенных характеристиках взаимодействия, таких как средний пробег (сечение) взаимодействия, множественность генерируемых вторичных частиц, коэффициент неупругости и других в области высоких и сверхвысоких энергий. Может иметь значение и корректная, с учетом обратного тока, выборка частиц, реагирующих в определенном, рассматриваемом в качестве мишени, слое поглотителя.

При изучении адронных каскадов высоких энергий и разработке использующей их свойства аппаратуры (ионизационных калориметров, толчковых установок, рентген-эмульсионнных камер) широко используется математическое моделирование этих каскадов. В значительной степени это связано с тем, что непосредственное тестирование аппаратуры на ускорителях ограничено энергиями до нескольких сотен ГэВ [343, а аналитические методы расчета не позволяют учитывать флюктуации даже чисто электромагнитных процессов. Использование метода Монте-Карло для моделирования каскадных процессов стало возможным с развитием вычислительной техники. Первоначально при таком моделировании использовались сравнительно упрощенные представления об элементарном акте взаимодействия [35-37'], в частности, не рассматривался вылет частиц в зад-

нюю полусферу в лабораторной системе отсчета, что не позволяло исследовать обратный ток. Дальнейшее совершенствование вычислительной техники позволило создавать программы эксклюзивного моделирования, позволяющие отслеживать большое число каскадных частиц [38]. Накопление ускорительных данных и развитие физики высоких энергий привело к созданию более совершенных моделей адронных взаимодействий и соответствующих программ-генераторов [39-451. Более подробное описание и сравнение некоторых современных программ представлено в Главе 1, п.1.1.

Моделирование адронных каскадов позволяет вести работу по совершенствованию методики ионизационных калориметров неполного поглощения. Однако при этом, как сказано выше, выявляются существенные трудности. Существуют различные пути их преодоления, связанные кар; с дальнейшим изучением каскадного процесса в веществе, так и с разработкой альтернативных методик, не зависящих от описания адронных взаимодействий.

Одним из таких методов являются газовые черенковские счетчики [23-29], позволяющие проводить достаточно качественные энергетические исследования КЛ при энергиях -1011 эВ. При выполнении условия возникновения черенковского свечения вп>1 (з=у/с, у-скорость частицы, с - скорость света в вакууме, п - показатель преломления среды)обычно динамический диапазон подобных детекторов (отношение энергии насыщения Енас к пороговой энергии ЕПор) Енас/Епор<Ю [48]. Однако переход к более высоким энергиям определяет требование по снижению п. С учетом снижения световыхода при умень-

шении п растет требование к увеличению линейных размеров подобного детектора, что в значительной мере затрудняет применение их в экспериментах по идентификации частиц КЛ с энергией МО11 эВ. Поэтому недавно был предложен метод непосредственного изучения частиц космических лучей высокой энергии при помощи черенковского излучения, рожденного заряженной частицей в верхних слоях атмосферы [47]. Обоснование этой методики, позволяющей решать задачи поиска антивещества и измерения спектра электронов и позитронов, представлено в Главе 3.

В содержании настоящей работы можно выделить две части, объединенные общей задачей - изучением состава и энергетических спектров космических лучей. Первая часть (Главы 1 и 2) включает изучение возможности совершенствования метода ионизационного калориметра неполного поглощения, определение физических пределов его применимости, разработка способа борьбы со спектральными искажениями и метода локализации точки первого неупругого взаимодействия. Вторая часть (Глава 3) содержит обоснование нового метода непосредственного изучения частиц космических лучей высокой энергии при помощи черенковского излучения, рожденного заряженного частицей в верхних слоях атмосферы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Во введении показана актуальность изучения энергетических спектров космических лучей, описаны экспериментальные методы и возможности математического моделирования. Указаны проблемы, связанные с разработкой калориметров неполного поглощения, и намечены пути их

решения. Кроме того, показана возможность разработки нового экспериментального метода, позволяющего решить важные задачи физики космических лучей.

Первая и вторая главы диссертации посвящены совершенствованию методики ионизационного калориметра неполного поглощения .

В первой главе описан комплекс программ, использовавшийся при моделировании адронных каскадов, приводятся результаты изучения зависимости среднего энерговыделения и его дисперсии от глубины развития каскада и толщины поглотителя в сравнении с данными �