Введение к работе
Актуальность темы. Основными проблемами физики кос-іческих лучей являются исследование энергетического спектра и імического состава первичного космического излучения в области ерхвысоких (> 101Г эВ) энергий, установление источников этих істиц. В настоящее время единственным эффективным методом : решения является метод широких атмосферных ливней (ШАЛ). а действующих сегодня установках ШАЛ в Якутске и Акено фи-ческие выводы получают путем сопоставления показаний разне-иных на уровне наблюдения на большой площади детекторов с зультатами теоретических расчетов пространственного распределил плотности частиц, выполненных при некоторых предположе-іях относительно источников частиц и сечений взаимодействия ча-иц с воздухом. Решение задачи об извлечении информации о спек->е и химическом составе космических лучей из данных наблюдений ІАЛ осложняется тем обстоятельством, что свойства атмосферы, в >торой происходит развитие каскадного процесса, не остаются по-оянными, вследствие чего экспериментальные данные для различ-JX ливней соответствуют различным реализациям среды. Среди гтеорологических эффектов (барометрического и температурного), і главную для крупномасштабных установок ШАЛ характеристи-! ливня — форму пространственного распределения заряженных істиц — влияет лишь температурный эффект. Вариации темпера-'рного профиля атмосферы меняют пространственное распределе-іе плотности частиц, что приводит к систематическим ошибкам в ;енке энергии индивидуальных ливней.
Для получения несмещенных оценок энергии ливней по плотно-и частиц на расстояниях 300-600 м от оси необходимо вводить по-эавки на температурный эффект в радиальное распределение ча-иц. Используемый метод введения поправок на температурный
эффект в радиальное распределение заряженных частиц состоит в изменении мольеровского радиуса, входящего в используемые на установках ШАЛ аппроксимации радиального распределения, при изменении температуры на уровне наблюдения или на высоте 2 рад. ед. над ним. Однако, в работе Грейзена, где обсуждается этот приближенный метод учета влияния неоднородности атмосферы на пространственное распределение электронов электронно-фотонных каскадов (ЭФК), отмечается, что введенная таким образом поправка неточна, и ею можно пользоваться только там, где она невелика, т. е. для ливней, зародившихся в нижней части атмосферы. Прямые расчеты пространственного распределения электронов ЭФК в неоднородной атмосфере также показывают, что этот метод не воспроизводит действительного изменения функции пространственного распределения, так как указанный пересчет мольеровского радиуса отражает изменения температуры лишь в приземном слое и не учитывает вариаций температурного профиля атмосферы на больших высотах, также влияющих на радиальные распределения.
Учитывая важность функции пространственного распределения (ФПР) электронов ЭФК при восстановлении параметров индивидуальных ливней и недостаточную точность существующих методов внесения поправок на температурный эффект в радиальное распределение, актуальными являются исследование чувствительности пространственных характеристик ливня к вариациям температурного профиля атмосферы и выработка, на основе полученных результатов, метода учета температурного эффекта при обработке данных наблюдений.
Целью настоящей работы является:
разработка метода анализа чувствительности среднеквадратичных радиусов и ФПР электронов ЭФК к вариациям температурного профиля атмосферы;
расчет температурных коэффициентов ФПР электронов и среднеквадратичных радиусов ЭФК, характеризующих изменения пространственных характеристик ливня при единичном изменении
температуры атмосферы в единичном интервале глубин около ис
следуемого уровня;
- исследование влияния вариаций температурного профиля атмо
сферы на пространственные характеристики частиц ЭФК и раз- <
работка метода введения поправок на температурный эффект в і
распределения.
Научная новизна и значимость настоящей работы состоит в дальнейшем развитии методов анализа чувствительности потоков космических лучей к вариациям свойств среды и в следующих полученных в работе результатах:
-
Впервые сформулированы уравнения для расчета температурных коэффициентов вторых радиальных моментов и ФПР электронов ЭФК, характеризующих изменения пространственных характеристик ливня при единичном изменении температуры атмосферы в единичном интервале глубин около исследуемого уровня.
-
Установлено новое скейлинговое свойство функции пространственного распределения электронов ЭФК, состоящее в том, что произведение квадрата среднеквадратичного радиуса rCK.(t,E) на нормированную ФПР электронов является лишь функцией x~r/rCK\t,E) при 0.05 < х < 25.
-
Предложена новая аппроксимация функции пространственного распределения электронов в неоднородной атмосфере в диапазоне энергий Е — (10 -г- Ю9) ГэВ для каскадных параметров s = 0, б-г 1,6 и расстояний 0,05 < г/гс.к. < 25, в которой зависимость от энергии, уровня наблюдения и модели атмосферы задается среднеквадратичным радиусом.
-
Получены новые данные по коэффициентам, связывающим плотность электронов на расстоянии г от оси каскада с плотностью числа частиц, определяемой с использованием отклика сцинтил-ляционного детектора, для диапазона расстояний г < (800-=-1500) м и детекторов различной толщины.
-
Впервые получены численные данные по температурным коэффициентам среднеквадратичных радиусов и пространствен-
ных распределений электронов ЭФК в энергетическом диапазоне 10ч-109 ГэВ и сделаны оценки областей высот атмосферы, температурные вариации на которых оказывают влияние на пространственные распределения.
6. Предложен новый метод учета влияния вариаций температурного профиля атмосферы на пространственное распределение элек- тронов. Результаты, выносимые на защиту.
-
Подход к анализу чувствительности среднеквадратичных радиусов и функции пространственного распределения электронов ЭФК к вариациям температурного профиля атмосферы, основанный на каскадных уравнениях для сопряженных функций и уравнениях для их вариационных производных.
-
Уравнения для расчета температурных коэффициентов вторых радиальных моментов и функции пространственного распределения электронов ЭФК.
-
Скейлинговое свойство функции пространственного распределения электронов ЭФК в однородной и неоднородной атмосферах, состоящее в том, что произведение квадрата среднеквадратичного радиуса rCK.(t,E) на нормированную ФПР электронов является с хорошей точностью лишь функцией х = г/гск при 0,05 < х < 25.
-
Новая аппроксимация функции пространственного распределения электронов ЭФК в неоднородной атмосфере в диапазоне энергий Е — (10 Ч- 109) ГэВ для каскадных параметров s — 0, б -г 1, б и расстояний 0,05 < г/гск. < 25.
-
Новые численные данные по температурным коэффициентам среднеквадратичных радиусов и функций пространственного распределения и основанные на них оценки областей высот атмосферы, температурные вариации на которых оказывают влияние на пространственное распределение ливней с возрастами sk (0.8-1.2).
6. Метод учета влияния вариаций температурного профиля атмосферы на пространственное распределение электронов. Практическая значимость. Полученные в работе результаты использовались при решении задач, связанных с обработкой, анализом и физической интерпретацией экспериментальных данных по ФПР заряженных частиц ШАЛ, а также могут найти применение при анализе данных действующих установок по регистрации ШАЛ сврхвысоких энергий (Якутск, Акено), планировании новых (ШАЛ-1000, Auger Project). Большая часть полученных в работе численных данных представлена в удобном для практического использования виде.
Вклад автора. Исходные теоретические положения разработаны совместно с проф. А. А. Лагутиным. Численные расчеты, анализ результатов и выводы из них сделаны автором самостоятельно. Компьютерный код "Алтай" моделирования ЭФК методом Монте-Карло и программы расчета характеристик ЭФК путем численного решения сопряженных уравнений предоставлены автору доц. А. В. Пляшешниковым и доц. А.' И. Гончаровым.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XXV Международной конференции по космическим лучам (Дурбан, ЮАР, 1997), XXV Российской конференции по космическим лучам (Москва, ФИАН, 1998), X Международном симпозиуме по сильным взаимодействиям в космических лучах (Гран-Сассо, Италия, 1998), на семинарах физико-технического факультета Алтайского госуниверситета.
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 9 печатных работах в трудах международных конференций, российских и зарубежном научных журналах и препринтах Алтайского и Сайтамского (Урава, Япония) университетов.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 133 страницах, включает 14 рисунков, 38 таблиц; состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 112 наименований.
