Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Установки для изучения ШАЛ и мюонных групп под землей 18
1.1. Установка МГУ 23
1.2. Лкепо 25
1.3. Тибет 20
1,1. EAS - ТОР 2G
1.5. CASA - MIA 28
1.0. DICE 30
1.7. HEGRA 31
1.8. Тупка-13 34
1.9. KASCADE 35
1.10. CASA - BLAXCA 30
ГЛАВА 2. Экспериментальная установка 39
2.1. Баксапский Подземный Сциитилляциоппый Телескоп 39
2.2. Логарифмический преобразователь и голоскоп амплитудных каналов 42
2.3. Изучение групп мюонов и каскадных ливней, инициированных мюонами, на БПСТ 45
2.4. Комплекс БПСТ - " Андырчи" 47
ГЛАВА 3. Регистрация групп мюопов с множественностью nfl > 1800 : 50
3.1. Метод 51
3.2. Моделирование эксперимента 57
3.3. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными 62
3.4. Точность измерения энерговыделеиия sL
3.5. Эксперимент
3.0. Обсуждение результатов 75
3.7. Умет флуктуации энергетических потерь мюопов 79
3.8. Основные результаты 82
ГЛАВА 4. Пересчет от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ но полному числу мюонов . 89
4.1. Определение параметра А(т) и акссптапса устаповки 91
4.2. Спектр ШАЛ но полному числу мюонов в диапазоне < ntl{E > 220 ГэВ) < 4000 90
4.3. Зависимость результатов пересчета к спектру ШАЛ по nsi от массового состава ПК Л 99
ГЛАВА 5. О характере и причинах излома в спектре ШАЛ по Х 104
5.1. Обсуждение экспериментальных данных 104
5.2. Альтернативные объяснения излома в спектре ШАЛ по Хе 114
Заключение 116
Литература 120
- Логарифмический преобразователь и голоскоп амплитудных каналов
- Изучение групп мюонов и каскадных ливней, инициированных мюонами, на БПСТ
- Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными
- Спектр ШАЛ но полному числу мюонов в диапазоне < ntl{E > 220 ГэВ) < 4000
Введение к работе
Спустя более чем 90 лет после открытия космических лучей (V.Hess, 1912 г.) все еще отсутствует полное понимание процессов их происхождения и ускорения.
Наиболее распространенной является точка зрения, что ипжекция частиц происходит во время вспышек сверхновых, а ускорение первичных космических лучей (ПКЛ) происходит на ударных волнах сверхновых [1]. Большинство моделей ускорения на ударных волнах предсказывает, что этот механизм эффективно работает до энергий - 10п эВ.
Энергетический спектр и массовый состав ПКЛ являются удобными инструментами для изучения вопросов происхождения п ускорения космических лучей (КЛ), а гакже условий их распространения в Галактике. Особый интерес вызывают энергетический спектр и массовый состав в области излома энергетического спектра. Энергетический спектр КЛ, измеренный во многих наземных экспериментах, имеет <{юрму dj/dE -х Е~~, где у = 2.7 ниже ~ 3 10ь эВ и увеличивается до -) ~ 3.1 выше этой -энергии. Изменение в наклоне спектра в области Ес ~ 10!'*"' эВ (часто называемое "коленом"), происходит вблизи максимальной энергии, достижимой для механизма ускорения па ударных волнах, и, таким образом, приводит к предположению, что, возможно, излом в спектре связан с этой границей. Существует также гипотеза, что излом формируется, когда частицы КЛ достигают энергии достаточной, чтобы покинуть Галактику. Последняя энергия оказывается опять ~ 10ь эВ. Обе возможности приводят к ожиданию, что энергия излома пропорциональна заряду ядра (плавный излом).
С другой стороны, если ускорение КЛ происходит в областях пространства, где плотность вещества является повышенной (по сравнению со средним значением в межзвездном пространстве - например, — 8 — пульсары), то из-за разницы в сечениях взаимодействия легких и тяжелых ядер (а также фрагментации более тяжелых ядер), излом в спектре всех частиц будет более острым. Таким образом, изучение степени остроты излома поможет дискриминировать некоторые модели происхождения и ускорения ПКЛ.
К настоящему времени энергетический спектр и массовый состав ПКЛ измерены прямыми методами (на спутниках Земли и стратосферных баллонах) до энергий Еу ~ 1014 эВ (Ех - энергия первичного ядра). В прямых методах измеряется энергия \ и заряд Z каждой частицы, так что измеряются энергетические спектры каждого сорта ядер. Тем не менее даже в прямых измерениях наблюдается несогласованность данных, полученных и разных экспериментах (JACEE [2], RUN JOB [3]).
При Ех > 1011 эВ прямые измерения становятся неэффективными. Из-за круто падающих с энергией потоков К Л требуется неприемлемо большой (для космических аппаратов и стратосферных баллонов) аксеитанс детекторов или/и длительное время экспозиции. В этой области энергий информацию о ПКЛ получают с помощью косвенных (непрямых) методов, которые заключаются в измерении различных вторичных характеристик взаимодействия первичной частицы (ядра) с атмосферой Земли.
При взаимодействии первичного ядра с Еу > 1014 эВ с ядрами атомов атмосферы образуется широкий атмосферный ливень (ШАЛ) [4], который состоит из ядерноактивной (в основном пионы), электромагнитной и мюошю- нейтринной компонент. В 80-ые годы была развита техника регистрации черепковского света от ливневых частиц ШАЛ и света флуоресценции от атомов азота атмосферы. Все эти компоненты (за исключением нейтринной) являются предметом измерения и изучения в экспериментах с ШАЛ.
Основной проблемой непрямых методов исследования ПКЛ являет- — 9 — ся то, что и энергетический спектр и массовый состав должны быть 4 извлечены из одного и того же набора данных. Интерпретация непря- мых измерений также является непростой задачей. Характеристики ШАЛ, рожденного первичной частицей в атмосфере, зависят от массы частицы и ее энергии, а также от свойств взаимодействий при высоких энергиях. Интерпретация экспериментальных данных требует доволь- ; по подробных численных (монте-карловских) расчетов, учитывающих 4 конечные размеры установки, отклик детектора и т.д. Эти расчеты, в свою очередь, требуют экстраполяции данных об адропных взаимодействиях в область значительно более высоких энергий чем тс, которые достигнуты на ускорителях.
Энергетический спектр ПКЛ обычно получают двумя методами. « В первом измеряется полное число электронов AV в ШАЛ (па уров- не наблюдения), и затем вычисляется энергия первичной частицы па основе некоторой модели развития ШАЛ. Ясно, что результат зависит от предполагаемой массы первичного ядра. Другой метод использует оптические измерения черепковского света или света флуоресценции, \ обеспечивая более калориметрический способ определения энергии.
Считается, что второй метод менее чувствителен к предположениям * о массовом составе ПКЛ. Однако в обоих случаях результат пересчета от Ne или от интенсивности излучения черепковского света Q к \ зависит от модели развития ШАЛ в атмосфере (а также от массового состава ПКЛ).
Для изучения массового состава ПКЛ измеряют параметры ШАЛ, которые должны быть различнымидля ливней, инициированных раз- J ными сортами ядер. Такими параметрами являются число мюонов в ШАЛ Лг/П глубина максимума ливня в атмосфере Хт, флуктуации глубины максимума а(Хт), крутизна поперечного распределения ливневых частиц вблизи ствола ШАЛ р(г), и т.п.
Информацию о массовом составе ПКЛ несут также эксперименты с — 10 — мюониыми группами под землей. Группой называют события, в которых через установку одновременно проходит два и более мюонов, траектории которых параллельны. Являясь проникающей компонентой ШАЛ, группы мюонов позволяют получать некоторую информацию о характеристиках взаимодействия ПКЛ с ядрами атомов воздуха и о массовом составе ПКЛ.
В экспериментах с мюониыми группами изучаются главным образом две характеристики:
1)декогерептная кривая G(r), определяемая как скорость счета пар мюонов с расстоянием г между мюонами па единице площади и в единице телесного угла (в группе из m мюонов имеется т(т — 1)/2 независимых пар),
2)спектр кратностей мюонов I(m) (т.е. скорость регистрации событий, когда установку пересекают m мюонов).
Измерение декогерептпой кривой дает информацию о распределении вторичных частиц (главным образом тг- и К-мезонов) по поперечному импульсу и позволяет наложить некоторые ограничения на модели адроппых взаимодействий. Моделирование процессов генерации и распространения мюонов в веществе (см., например [5, G]) показывает, что G(r) слабо зависит от массового состава ПКЛ и в основном определяется характеристиками адроппых взаимодействий. Спектр кратностей, напротив, в первую очередь определяется энергетическим спектром и массовым составом и относительно слабо зависит от модели взаимодействия.
Обычно в экспериментах с мюониыми группами энергия и сорт первичного ядра в данном событии неизвестны. Неизвестным является и положение оси ШАЛ. Кроме того, спектр кратностей зависит от геометрии установки и условий отбора событий. Это приводит к тому, что спектры кратностей, полученные в разных экспериментах (даже на одной установке, но при разных условиях отбора), нельзя —11 — сравнивать между собой.
В настоящей работе представлен (глава 3) метод определения множественности мюонов в событии в том случае, когда эта множественность очень велика nfl > 1800 [7, 8, 9]. Этот метод (использующий калориметрические свойства Баксанского подземного сциптилляциоп-ного телескопа (БПСТ)) позволяет определить положение оси ШАЛ с точностью 0.5 м - 1 м, и оценить энергию первичного ядра с точностью до множителя ~ 2. Отметим также, что развитая методика позволяет изучать мюонную компоненту в стволе ШАЛ, что невозможно при использовании других методов регистрации мюонов.
События с nfl(E > 220 ГэВ) > 1800 (Е - энергия мюона, 220 ГэВ - пороговая энергия мюонов, достигающих БПСТ) несут информацию о потоке ядер ПКЛ с энергией Es > 3 101G эВ. Чтобы получить информацию до излома в энергетическом спектре ПКЛ, необходимо было сравнить (объединить) наши данные при nfl > 1800 с результатами экспериментов при меньших значениях 71Ц, и в первую очередь с результатами других работ на БПСТ. Однако препятствием для такого сравнения являлось то обстоятельство, что во всех других экспериментах с мюонными группами информация приводится в виде спектра кратностей /(m), где т - число мюонов, попавших в установку при неизвестном положении оси ШАЛ, в то время как в нашем эксперименте определяется полное число мюонов в ШАЛ - nfl.
Чтобы выполнить прямое сравнение с данными других работ, нами был развит метод (глава 4) пересчета от спектра кратностей к спектру ШАЛ по полному числу мюонов - F(nlt) [10, И, 12, 13]. С помощью этого метода были объединены данные при nfl > 1800, полученные методом, представленным в данной работе [8, 9], и данные из работы [14] (выполненной также па БПСТ), в которой был получен спектр кратностей в области 20 < т < 300. В результате впервые был получен спектр ШАЛ по числу мюонов высокой энергии в диапазо- — 12 — не 75 < Пц(Е > 220ГэВ) < 4000, который соответствует диапазону энергий ПКЛ Es = 1015 — 1017 эВ. Впервые был наблюден излом в спектре ШАЛ по числу мюонов (с энергией Е > 220 ГэВ) в области первичных энергий ~ 3 101 эВ.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. В работе представлены метод регистрации групп мюопов с множественностью nfl > 1800 и метод пересчета от спектра кратностей мюопов к спектру ШАЛ по полному числу мюопов. С помощью этих методов была получена новая информация об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области энергий 1013- 1017эВ.
Метод регистрации групп мюопов с ntl > 1800, предложенный и развитый па БПСТ, позволяет при определении nfl избежать ограничений, связанных с пространственным разрешением установки. Этот метод использует калориметрические свойства БПСТ и позволяет определять 77/4 при любом значении выше порогового (nfL > 1800). При этом энергия первичного ядра определяется с точностью до множителя ~ 2. Регистрация на БПСТ событий с nfl(E > 220 ГэВ) > 1800 позволила получить информацию о потоке ПКЛ с энергией в диапазоне 4 1016 - 4 1017 эВ.
Метод пересчета от спектра кратностей мюопов к спектру ШАЛ по полному числу мюопов позволяет объединить результаты, полученные в разных экспериментах с мюонными группами. В настоящей работе выполнено прямое сравнение (объединение) данных при п{1 > 1800, полученных в нашем эксперименте, и при nfl = 75 - 660, полученных с помощью пересчета от спектра кратностей мюопов, измеренного также на БПСТ и представленного в работе [14].
В результате был получен спектр ШАЛ по полному числу мюонов — 13 — высокой энергии [12, 13, 15, 1G] в диапазоне 75 < пм(Е > 220 ГэВ) < 4000, который соответствует диапазону энергий первичных космических лучей 1015 — 101' эВ. Эти данные позволили получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области излома энергетического спектра при Ех ~ 1015 эВ. Цель. Целью работ, вошедших в диссертацию, является:
1) Обоснование и развитие метода регистрации групп мюонов высокой множественности, которые несут информацию о потоках ядер ПКЛ в области энергий \ > 4 101G эВ.
Представленный метод позволяет при определении nIL избежать ограничений, связанных с пространственным разрешением установки.
2) Обработка экспериментальной информации о группах мюонов с мно жественностью п{1 > 1800. В таких событиях на установке срабатывает более 2000 детекторов (из 3200). Получение количественных характе ристик таких событий стало возможным только после после развития метода, представленного в данной работе.
Обоснование и развитие метода пересчета от спектра кратностей мюонов (обычно получаемого в подземных экспериментах) к спектру ШЛЛ по полному числу мюонов. Этот метод позволяет объединение результатов разных экспериментов с мюонными группами.
Получение спектра ШАЛ по полному числу мюонов в большом диапазоне по nfl: 75 < nfl(E > 220 ГэВ) < 4000, что позволяет получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области энергий 101 — 10і' эВ.
Основные положения, выносимые на зашиту. На БПСТ предложены, разработаны и реализованы два новых метода изучения мюопиой компоненты ШАЛ, которые позволяют получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области энергий 1015 - 1017 эВ: 1) Развит и реализован в эксперименте метод регистрации групп мюо- — 14 — нов с множественностью nfl > 1800. С помощью этого метода получены данные о потоках ядер ПКЛ в области энергий Es = 4-101G — 4-1017 эВ.
2) Впервые выполнена обработка экспериментальной информации о со бытиях нового класса - группах мюонов с очень высокой множествен ностью - nfi > 1800. В таких событиях на установке срабатывает более 2000 детекторов (из 3200) и наблюдаются компактные пятна сработав ших амплитудных каналов (с порогом срабатывания 500 МэВ), кото рые указывают положение оси ШАЛ.
Обработана экспериментальная информация, полученная за 11 лет работы установки по данной задаче - чистое время регистрации 69220 часов.
Впервые в экспериментах с мюоппыми группами, определяется положение оси ШАЛ. Точность локации оси ШАЛ ~ 0.7 м.
Развита и реализована методика пересчета от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ по полному числу мюонов, который в отличие от спектра кратностей является объективной (не зависящей от установки) характеристикой потока ПКЛ. Эта методика позволяет выполнить прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюоппыми группами.
Впервые выполнено прямое сравнение данных при nfl > 2000, полученных в пашем эксперименте [8, 9, 12, 13, 15, 1G], и при и/4 = 75 -660, полученных с помощью пересчета от спектра кратностей мюонов, измеренного в работе [14].
Впервые получен спектр ШАЛ по полному числу мюонов высокой энергии {Е > 220 ГэВ) в диапазоне 75 < nfl < 4000, который соответствует диапазону энергий ПКЛ 101 — 101' эВ.
Новизна работы. 1)Предложен и реализован в эксперименте метод регистрации групп мюонов с множественностью Пц > 1800. Метод использует калориметрические свойства БПСТ и позволяет обойти ограничения, связанные с пространственным разрешением установки (для — 15 —
БПСТ - 70 см). Развитая методика позволяет изучать мюонпую компоненту в стволе ШАЛ, что невозможно при использовании других методов регистрации мюонов. Точность определения nfl составляет ~ 10% и повышается с ростом nfl.
2) Впервые выполнена обработка экспериментальной информации о событиях нового класса - группах мюонов с очень высокой множественностью - Пц > 1800.
Обработана экспериментальная информация, полученная за 11 лет работы установки по данной задаче - чистое время регистрации С9220 часов.
3) Предложенный МеТОД ПОЗВОЛЯеТ, Впервые В Экспериментах С МЮОІІ- пыми группами, лоцировать ось ШАЛ - точность локации оси ШАЛ ~ 0.7 м.
Предложена и реализована па БПСТ методика пересчета от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ но полному числу мюонов. Впервые выполнено прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюопными группами.
Впервые получен спектр ШАЛ по полному числу мюонов высокой энергии в диапазоне 75 < nfl(E > 220 ГэВ) < 4000.
Научная и практическая ценность. В работе предложен метод определения числа мюонов в ШАЛ, основанный на использовании условия равновесности энерговыделеиия от мюонов в стволе ШАЛ высокой энергии. Для БПСТ условие равновесности энерговыделения выполняется при энергиях \ > 4 101G эВ. Метод позволяет измерять число мюонов в стволе ШАЛ с точностью ~ 10%. При этом энергия первичного ядра оценивается с точностью до множителя ~ 2. Метод может быть использован на всех подземных установках, обладающих калориметрическими свойствами и имеющих достаточную светосилу для регистрации событий высокой энергии.
Предложенная методика пересчета от спектра кратностей мюонов — 1G — к спектру ШАЛ по полному числу мюонов может быть использована во всех экспериментах с мюонпыми группами под землей, например в экспериментах, выполненных на установках XUSEX [17], FREJUS [18], MACRO [19, 20]. Эта методика позволяет выполнить прямое сравнение результатов, полученных в разных экспериментах с мюонпыми группами.
Полученный в работе спектр ШАЛ по nfl в диапазоне 75 < п(1{Е > 220 ГэВ) < 4000 является уникальной информацией, существующей только на БПСТ, и является важным вкладом в мировой банк данных об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в диапазоне энергий 1015 - 1017 эВ.
Вклад автора. Автор является одним из создателей БПСТ, принимал участие в сборке и наладке как отдельных узлов, так и всей установки. В работах по теме диссертации вклад автора диссертации является оиределяоишм.
С самого начала эксплуатации телескопа были введены в строй амплитудные каналы (1979 г.), позволяющие измерять энерговыделепие в каждом детекторе телескопа в диапазоне 0.5 - G00 ГэВ. Была развита методика изучения каскадных ливней от мюонов КЛ, измерен спектр ливней от мюонов, на основании которого был получен энергетический спектр мюонов КЛ в области энергий 1-30 ТэВ.
Был развит и реализован в эксперименте метод разделения электромагнитных и адрониых каскадов методом регистрации ~ — fi — с распадов. Отделение электромагнитных каскадов от ядерных было выполнено с эффективностью ~ 99%, при этом эффективность отделения ядерных каскадов от электромагнитных составила ~ 9G — 97%. Это позволило измерить полное сечение фотон-пуклонного взаимодействия до энергий фотонов ~ 10 ТэВ (\/s ~ 130 ГэВ) и коэффициент энергетических потерь мюонов на неупругое взаимодействие с ядрами вещества в диапазоне энергий мюонов 2-20 ТэВ. — 17 —
Знание характеристик каскадных ливней и опыт работы с амплитудными каналами оказались очень важными и необходимыми при решении задачи о регистрации групп мюопов с множественностью nfl > 1800.
В 1994 - 1997 гг. был развит и реализован метод регистрации групп мюопов с множественностью Jifl > 1800 [7, 8, 9]. Метод основан на использовании равновесности энерговыделения от мюопов в стволе ШАЛ высокой энергии (\- > 4 101G эВ) и позволяет, впервые в экспериментах с мюонными группами, определять положение оси ШАЛ и оценить энергию первичного ядра.
В 1997 - 1998 гг. был развит и реализован метод пересчета от спектра кратностей мюопов к спектру ШАЛ по полному числу мюопов. Впервые было выполнено прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюонными группами [10, 11, 12, 13, 15, 1G].
Впервые был получен спектр ШАЛ по числу мюопов высокой энергии в диапазоне 75 < nfl(E > 220ГэВ) < 4000, который позволил получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в диапазоне энергий 101 — 101' эВ.
Апробация работы. Работы, представленные в диссертации, были доложены на Российских конференциях по К Л в 1994 - 2000 гг., па XXIV ICRC в Риме (1995 г.), па XI Международном симпозиуме по взаимодействиям космических лучей высокой энергии (ISVHECRI) в Гран Сассо (1998 г.), па Международных Школах "Частицы и космология" в 1995 - 1999 гг, па конференциях XANP - 1999, 2001 (Дубна), на семинарах ИЯП РАН, ФИАН. Работы опубликованы в журналах Известия РАН, Ядерная физика, Astroparticle Physics, Nuclear Physics, в трудах XXIV ICRC (Rome) и XXVII ICRC (Hamburg). — 18 —
Логарифмический преобразователь и голоскоп амплитудных каналов
В работе представлены метод регистрации групп мюопов с множественностью nfl 1800 и метод пересчета от спектра кратностей мюопов к спектру ШАЛ по полному числу мюопов. С помощью этих методов была получена новая информация об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области энергий 1013- 1017эВ.
Метод регистрации групп мюопов с ntl 1800, предложенный и развитый па БПСТ, позволяет при определении nfl избежать ограничений, связанных с пространственным разрешением установки. Этот метод использует калориметрические свойства БПСТ и позволяет определять 77/4 при любом значении выше порогового (nfL 1800). При этом энергия первичного ядра определяется с точностью до множителя 2. Регистрация на БПСТ событий с nfl(E 220 ГэВ) 1800 позволила получить информацию о потоке ПКЛ с энергией в диапазоне 4 1016 - 4 1017 эВ.
Метод пересчета от спектра кратностей мюопов к спектру ШАЛ по полному числу мюопов позволяет объединить результаты, полученные в разных экспериментах с мюонными группами. В настоящей работе выполнено прямое сравнение (объединение) данных при п{1 1800, полученных в нашем эксперименте, и при nfl = 75 - 660, полученных с помощью пересчета от спектра кратностей мюопов, измеренного также на БПСТ и представленного в работе [14].
В результате был получен спектр ШАЛ по полному числу мюонов высокой энергии [12, 13, 15, 1G] в диапазоне 75 пм(Е 220 ГэВ) 4000, который соответствует диапазону энергий первичных космических лучей 1015 — 101 эВ. Эти данные позволили получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области излома энергетического спектра при Ех 1015 эВ. Цель. Целью работ, вошедших в диссертацию, является: 1) Обоснование и развитие метода регистрации групп мюонов высокой множественности, которые несут информацию о потоках ядер ПКЛ в области энергий \ 4 101G эВ. Представленный метод позволяет при определении nIL избежать ограничений, связанных с пространственным разрешением установки. 2) Обработка экспериментальной информации о группах мюонов с мно жественностью п{1 1800. В таких событиях на установке срабатывает более 2000 детекторов (из 3200). Получение количественных характе ристик таких событий стало возможным только после после развития метода, представленного в данной работе. 3) Обоснование и развитие метода пересчета от спектра кратностей мюонов (обычно получаемого в подземных экспериментах) к спектру ШЛЛ по полному числу мюонов. Этот метод позволяет объединение результатов разных экспериментов с мюонными группами. 4) Получение спектра ШАЛ по полному числу мюонов в большом диапазоне по nfl: 75 nfl(E 220 ГэВ) 4000, что позволяет получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области энергий 101 — 10і эВ. Основные положения, выносимые на зашиту. На БПСТ предложены, разработаны и реализованы два новых метода изучения мюопиой компоненты ШАЛ, которые позволяют получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области энергий 1015 - 1017 эВ: 1) Развит и реализован в эксперименте метод регистрации групп мюонов с множественностью nfl 1800. С помощью этого метода получены данные о потоках ядер ПКЛ в области энергий Es = 4-101G — 4-1017 эВ. 2) Впервые выполнена обработка экспериментальной информации о со бытиях нового класса - группах мюонов с очень высокой множествен ностью - nfi 1800. В таких событиях на установке срабатывает более 2000 детекторов (из 3200) и наблюдаются компактные пятна сработав ших амплитудных каналов (с порогом срабатывания 500 МэВ), кото рые указывают положение оси ШАЛ. Обработана экспериментальная информация, полученная за 11 лет работы установки по данной задаче - чистое время регистрации 69220 часов. 3) Впервые в экспериментах с мюоппыми группами, определяется положение оси ШАЛ. Точность локации оси ШАЛ 0.7 м. 4) Развита и реализована методика пересчета от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ по полному числу мюонов, который в отличие от спектра кратностей является объективной (не зависящей от установки) характеристикой потока ПКЛ. Эта методика позволяет выполнить прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюоппыми группами. 5) Впервые выполнено прямое сравнение данных при nfl 2000, полученных в пашем эксперименте [8, 9, 12, 13, 15, 1G], и при и/4 = 75 -660, полученных с помощью пересчета от спектра кратностей мюонов, измеренного в работе [14]. 6) Впервые получен спектр ШАЛ по полному числу мюонов высокой энергии {Е 220 ГэВ) в диапазоне 75 nfl 4000, который соответствует диапазону энергий ПКЛ 101 — 101 эВ. Новизна работы. 1)Предложен и реализован в эксперименте метод регистрации групп мюонов с множественностью Пц 1800. Метод использует калориметрические свойства БПСТ и позволяет обойти ограничения, связанные с пространственным разрешением установки (для БПСТ - 70 см). Развитая методика позволяет изучать мюонпую компоненту в стволе ШАЛ, что невозможно при использовании других методов регистрации мюонов. Точность определения nfl составляет 10% и повышается с ростом nfl. 2) Впервые выполнена обработка экспериментальной информации о событиях нового класса - группах мюонов с очень высокой множественностью - Пц 1800. Обработана экспериментальная информация, полученная за 11 лет работы установки по данной задаче - чистое время регистрации С9220 часов. 3) Предложенный МеТОД ПОЗВОЛЯеТ, Впервые В Экспериментах С МЮОІІ пыми группами, лоцировать ось ШАЛ - точность локации оси ШАЛ 0.7 м. 4) Предложена и реализована па БПСТ методика пересчета от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ но полному числу мюонов. Впервые выполнено прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюопными группами.
Изучение групп мюонов и каскадных ливней, инициированных мюонами, на БПСТ
Установка МГУ для регистрации ШАЛ [36] расположена вблизи Московского Государственного университета (глубина в атмосфере 1000г/см2) и состоит из 77 пунктов регистрации, в которых находятся детекторы для определения плотности потоков заряженных частиц. Максимальное удаление пунктов от центра установки 550 м. Общая площадь, перекрываемая наземными пунктами, 5 10 м2. В качестве детекторов используются счетчики Гейгера-Мюллера различной площади, расположенные группами по 24 счетчика. Всего в наземной части установки включено 81G0 счетчиков. Кроме счетчиков Гейгера-Мюллера в каждом из наземных пунктов, расположенных на расстоянии 60 м от центра, а также в центральном пункте, установлены пластические сцинтилляционные детекторы размером 0.5x1x0.05 м3 каждый, предназначенные для измерения направления прихода ливня и управления установкой. Сцинтиллятор через два световода просматривается с двух меньших торцов двумя ФЭУ - 110. Сигналы с обоих ФЭУ суммируются. Временной сигнал снимается с анода, амплитудный с предпоследнего динода. Точность измерения зенитного угла 9 не хуже 3. Установка управляется 4-кратными совпадениями сцинтил-ляционных счетчиков, расположенных в вершинах ячейки размером 160x200 м2. Порог срабатывания сцинтилляционного детектора равен 1 релятивистской частице. В диапазоне Лге = 105 — 107 погрешность в измерении Ле - 10 %, в измерении координат оси 1.5-5 м (в диапазоне расстояний от центра установки 4 - 120 м), погрешность в измерении возраста ливня 0.1 при среднем возрасте 1.18.
Установка имеет 4 подземных пункта на глубине 40 м в.э. для регистрации мюонов (пороговая энергия 10 ГэВ). Один из пунктов расположен в центре установки, три остальных на расстояниях 180, 250 и 280 м от центра. В качестве детекторов используются счетчики Гейгера-Мюллера площадью 330 см". Площадь ковра счетчиков в центральном пункте составляет 35 м2, в каждом из переферийных -по 18 м2. В центральном пункте регистрации мюонов (па глубине 40 м в.э.) расположен магнитный спектрометр мюонов. Апертура спектрометра - 0.14 м -ср. Предельно измеримый импульс (значение импульса, при котором ошибка измерения отклонения равна магнитному отклонению) равен ТОО ГэВ/с. Магнитный спектрометр позволяет исследовать энергетический спектр мюонов в области Е 10 ГэВ па расстояниях от оси ШАЛ до 200 м. Размещение под землей позволяет полностью подавить фон от электронно-фотонной и ядерноактивной компонент ШАЛ.
На установке МГУ впервые был обнаружен излом в спектре ШАЛ по числу ливневых частиц Л Р [47]. Были получены экспериментальные данные о ФПР мюонов (с пороговыми энергиями от 10 до 500 ГэВ) в широком диапазоне по числу электронов: Хе = 105 — 108 [48, 37]. Для изучения массового состава ПКЛ были использованы данные о флуктуациях числа мюонов в ШАЛ [49, 50]. На основании анализа этих данных авторы сделали выводы, что массовый состав до энергий Е0 101 эВ близок к стандартному (наблюдаемому при низких энергиях), а в области энергий Е0 101 — 101 эВ происходит постепенное утяжеление массового состава в соответствии с диффузионной моделью Питерса - Зацепина [51, 52].
Установка Акено [53] расположена в 100 км западнее Токио на высоте 900 м над уровнем моря. Полная площадь установки на І этапе работы составляла 7.3-105 м" и позволяла изучение ШАЛ с энергиями в интервале 1014 — 1018 эВ. Установка имеет довольно сложную структуру и состоит из детекторов для регистрации электронно-фотонной и мюонной компонент ШАЛ и детекторов для регистрации черепковского света.
Для регистрации электронно-фотонной компоненты используются пластические сциитилляционпые детекторы 4-х различных размеров: площадью 2 м2, 1 м2, 0.25 м2 и толщиной 5 см, и 0.02 м2хЗ мм. Эти детекторы размещены па трех различных решетках. В трех областях установки (SI, S2, S3) расстояние между детекторами составляет 30 м. В большей области, которая включает в себя SI, S2 и S3, расстояние между детекторами равно СО м, и па периферии установки - 120 м. Полная площадь всех счетчиков 200 м-.
Для регистрации мюонной компоненты служат 11 мюонных станций из пропорциональных счетчиков, расположенные по всей площади установки. 8 станций накрыты 2 м слоем бетона (пороговая энергия мюоиов = 1 ГэВ) и имеют площадь 25 м" каждая. 3 станции по 100 м" накрыты 1 м слоем бетона и имеют пороговую энергию 0.5 ГэВ.
В центральной части установки расположен калориметр площадью 90 м2, который служит для изучения частиц в стволе ШАЛ. Калориметр состоит из 4-х слоев бетона (по 0.5 м и 1.2 м) и 4-х слоев пропорциональных счетчиков. Полная толщина калориметра составляет 8 ядерных пробегов.
В эксперименте Акено были получены спектры ШАЛ по Лге и Лгм {Ец 1 ГэВ). Первичный энергетический спектр, полученный на основе спектров по Лге и Л7 [54, 55], имеет довольно резкий излом при Е0 4 ПэВ и показатели наклона 7i = 2.62 ± 0.12,72 = 3.02 ± 0.05.
В дальнейшем на основе установки Акено были созданы установки А20 (площадью 20 км2), а затем А100 (100 км2) для изучения ШАЛ с энергией 1018 эВ.
Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными
Установка HEGRA (Германия) [66] расположена на Канарских островах (28.8 ст., 17.9 з.д.) на высоте 2240 м над уровнем моря. HEGRA (High Energy Gamma Ray Astronomy) является многокомпонентным комплексом детекторов, предназначенным для измерения различных компонент ШАЛ. Эксперимент HEGRA можно грубо разделить на две части: систему из 6-ти черепковских телескопов, работающих с порогом 0.5 ТэВ и три установки из детекторов других типов (сциптилляторы, AIROBICC, гейгеровские станции) с порогом 10 ТэВ.
Массив из 243 сцинтилляционных детекторов, расположенных на 15-метровой решетке, покрывает площадь 180x180 м2. Размеры детекторов 1 х 1 х 0.05 м3. Детекторы покрыты свинцовыми пластинами, поэтому измеряемое число частиц Лг5 отличается от Ne.
Установка AIROBICC состоит из 77 станций (представляющих собой открытые фотоумножители (диаметром 20 см)), измеряющих время прибытия и количество черепковского света от ШАЛ. Станции расположены па 30 м решетке. В центральной части на 30-метровой решетке размещены 17 станций гейгеровских счетчиков (площадь каждой станции 18 м2). Станции состоят из 6-ти слоев гейгеровских трубок и 2.5 см слоя свинца ниже первых двух слоев трубок. Они обеспечивают измерение электромагнитной энергии ШАЛ на уровне детектора и регистрацию мюонов с пороговой энергией 300 МэВ.
Некоторое время (до 1996 г.) совместно с другими частями установки работали 10 трековых детекторов. Каждый трековый детектор представляет собой две расположенные друг над другом 2.5 м- круговые дрейфовые камеры (of ТРС (time projection chamber) type). Между камерами, в качестве мюонного фильтра, установлена 10 см железная пластина. 8 детекторов размещались на малой площади внутри установки (это требовалось для калибровки и мониторинга детекторов), два другие находились на расстояниях 250 м и 280 м от центра установки и служили для регистрации мюонов на больших расстояниях от оси ШАЛ. Угловое разрешение трековых детекторов составляло 0.2 град. Несколько новых методов были развиты и применены для изучения энергетического спектра и массового состава ПКЛ в диапазоне энергий 1014 - 1016 эВ.
Один подход использует информацию массива сиинтилляторов - N3 (число частиц на уровне наблюдения), и установки AIROBICC, так что рассматривается только электромагнитная компонента ШАЛ. В [67] было показано, что форма распределения плотности черепковского света в интервале расстояний от оси ШАЛ 20 г 100 м не зависит от массы первичного ядра и может быть представлена в виде где b - параметр, называемый наклоном (slope). Параметр b связан с расстоянием dmnx от детектора до положения максимума ШАЛ. Т. о., определяя Ь, можно определить глубину максимума ШАЛ Хтах в каждом событии. Измеряя i\s и dmaJ, можно определить число частиц в максимуме ливня ХР mas. Знание ХРМ1(и. и Хтпх позволяет восстановить первичную энергию Еп. Этот метод определения Е„ будем обозначать Е{\„).
Преимуществом этого метода является то, что не требуется никаких предположений о массе первичного ядра, по точность определения энергии на 10 % хуже, чем в традиционных методах, однако последнее копенсируется существенным уменьшением систематических ошибок.
В другом подходе использовался обычный способ определения Е„ на основе измерения числа частиц на уровне наблюдения Xs в предположении, что все первичные частицы являются: а)протонами, б)ядрами железа. Эти методы авторы обозначают E(Xs)p и Е(Хя)р-е соответственно. В работе [G8] было представлено сравнение результатов определения энергетического спектра ПКЛ в области 1011 — 1016 эВ, полученных тремя указанными выше методами. Метод E(XS) дает для положения "колена" значение \- = 3.4 07 ПэВ и для показателей наклона спектра до и после излома значения 71 = 2.67 ± 0.03, 72 — 3.33 0 л\ (ошибки статистические). Методы E(XS)P и E(Xs)pe дают близкие результаты, но с ошибками в 1.5-2.0 раза большими.
Для изучения массового состава в [69] использовалось распределение радиальных углов между осью ШАЛ и сопровождающими ШАЛ мюонами, в [70] - распределение глубин Хтах. В обеих работах делается вывод, что доля легких ядер (р 4- Не) постепенно уменьшается от 0.65 - 0.60 при 0.3 - 1 ПэВ до 0.50 при 10 ПэВ.
Установка Тунка-13 [71] расположена в 50 км западнее юго-западной части озера Байкал (ущелье Тунка, 51.49" с.ш., 103.04 в.д.) на высоте 680 м над уровнем моря. Установка состоит из 13 ФЭУ QUASAR - 370 (диаметр фотокатода 37 см), расположенных в квадрате со стороной 240 м. Вся аппаратура, обслуживающая детектор, помощена в контейнер 65x75x90 см3. Диапазон измерения сигнала 100 - 5 10 1 фотоэлектронов. В предыдущих работах авторов было показано, что плотность распределения черепковского света может быть аппроксимирована выражением
Спектр ШАЛ но полному числу мюонов в диапазоне < ntl{E > 220 ГэВ) < 4000
Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ) [78, 79, 80] расположен в подземной выработке размером 24 х 24 х 16 м3 под склоном горы Апдырчи в долине реки Баксаи на Северном Кавказе па высоте 1700 м над ур. моря.
Эффективная толщина грунта над телескопом Н = 850 гг/см2 (1 гг/см" = 100 г/см"). Установка представляет собой четырехэтажное здание размером 16.7 х 16.7 х 11 м3. На каждом из трех нижних этажей расположена сщштилляшюппая плоскость площадью 200 м2, составленная из 400 (квадрат 20 х 20) стандартных детекторов. На четвертом этаже находится 576 (21 х 21) детекторов площадью 288 м (рис. 2.1). Расстояние по вертикали между горизонтальными сцип-тилляционными плоскостями 3.6 м. Вертикальные стены телескопа сплошь покрыты детекторами и образуют 4 вертикальные сциптилля-циоппые плоскости. Общее число детекторов на телескопе 3150. Горизонтальные слои расположены на перекрытиях, которые состоят из железного поддона и стальных балок (общая толщина железа 2.5 см или 20 г/см2) и засыпки из низкофоновой породы - дуиита - толщиной 78 см (сверху бетонная стяжка). Средний заряд ядер атомов вещества БПСТ - 13, среднее число нуклонов в ядре - 26.5. Толщина одного слоя телескопа (слой сцинтиллятора плюс перекрытие) равна 165 г/см-, что составляет 7.2 радиационных единицы.
Детектор телескопа [81, 82, 83] представляет собой алюминиевый контейнер размером 70 х 70 х 30 см3, наполненный жидким сцинтилля-тором на основе уайт-спирита с добавкой 1 г/л РРО и 0.03 г/л РОРОР. РРО, служащий сщштиллятором, имеет максимум спектра люминесценции на длине волны 394 нм. РОРОР сдвигает максимум спектра в область наибольшей чувствительности ФЭУ, которая находится в интервале длин волн 400-450 им. Радиационная единица длины для сцинтиллятора равна 47 г/см".
Сцинтиллятор просматривается одним ФЭУ-49 через иллюминатор из оргстекла толщиной 10 см (толстый иллюминатор служит для уменьшения неоднородности светосбора). На каждом детекторе имеется блок электроники, состоящий из: делителя высоковольтного напряжения, который крепится на цоколе ФЭУ внутри светозащитного кожуха;усилителя-дискриминатора (УД) с порогом срабатывания 12.5 МэВ или 1/4 р.ч. (здесь р.ч. - наиболее вероятное энерговыделение от одной релятивистской частицы, пересекающей горизонтальную сцпн-гилляшюппую плоскость телескопа, 1 р.ч. = 50 МэВ): логарифмического преобразователя (ЛИ) амплитуды импульса в длительность с порогом срабатывания 500 МэВ или 10 р.ч. Параметры анодного импульса на нагрузке 37.5 ом: длительность импульса па полувысоте 50 не, амплитуда, соответствующая 1 р.ч., равна 37.5 мв. Насыщение анодного сигнала происходит при амплитуде импульса 1.5 В ( 40 р.ч.).
ЛП подключен к 5-му диноду ФЭУ и служит для измерения больших энерговыделений в детекторе. УД подключен к последнему (12-му) диноду ФЭУ и дает информацию типа "да - нет". Координаты сработавших УД запоминаются в промежуточной памяти - годоекопе импульсного канала (ГПК), а показания и координаты сработавших ЛП запоминаются в годоекопе амплитудного капала (ГАК). Анодные выходы всех детекторов, лежащих в одной плоскости телескопа суммируются в несколько этапов и служат для формирования упраЕзляющих импульсов (мастер-импульсов) различных физических программ.
Система измерения времени пролета (СИВП) и система измерения амплитуды плоскости (СПАП) служат для измерения и записи в память ЭВМ, соответственно, относительных времен срабатывания всех плоскостей телескопа в диапазоне от 10 до 127 не и энерговыделений каждой плоскости в диапазоне от 25 МэВ до 2 ГэВ.
Информация из ПІК, ГАК, СИВП, СИАП последовательно переписывается в оперативную память ON-LINE ЭВМ в режиме прямого доступа. На время записи информации и вывода ее в память ЭВМ система блокируется. Мертвое время системы составляет 6 %. Для контроля за правильностью записи и считывания информации предусмотрен параллельный медленный вывод информации (в редких событиях) на цифровое табло с фотографированием на фотопленку.
Для измерения чперговыделепий в отдельном детекторе в большом диапазоне на БПСТ используется логарифмический преобразователь (ЛП) амплитуды импульса в длительность [84].
Преобразование амплитуды в длительность осуществляется с помощью входного LC - контура, настроенного на частоту 200 кгц. Входной сигнал снимается с 5-го динода ФЭУ. Добротность контура регулируется сердечником из стальной проволоки. При появлении сигнала с ФЭУ в контуре возникают колебания, начальный размах которых определяется амплитудой сигнала, а затухание добротностью контура. Эти колебания через несколько усилительных каскадов поступают на дискриминатор, выполненный на туннельном диоде ЗП306Ж. На выходе дискриминатора получается пачка импульсов, число которых равно [84] здесь Q - добротность контура, q - заряд, поступивший на 5-й динод ФЭУ, и0 - приведенный ко входу порог дискриминатора, с - емкость контура. Длительность импульсов 0.5 мкс, а период следования 5 мкс. Пачка импульсов интегрируется RC - цепочкой и на выходе ЛП получается видеоимпульс с амплитудой 2 В и длительностью п -э мкс. Эти сигналы со всех детекторов по индивидуальным кабелям поступают в ГАК.
