Введение к работе
Актуальность теми. Существование излома в энергетическом спектре первичных космических лучей (КЛ), обнаруженное около 40 лет назад на установке МГУ под руководством Г.1>. Христиансена, является одной из важнейших и хорошо установленных характеристик этого спектра. Однако природа этой особенности спектра до сих пор является предметом оживленных дискуссий. 'Гак, на Международной конференции по космическим лучам 1995 г. в Риме, проблема излома в той или иной степени обсуждалась в десятках докладов. Как хорошо известно, нерегулярность при анергии 3 1015 эВ была первоначально обнаружена при исследовании спектра широких атмосферных ливней (ШАЛ) по числу заряженных частиц на уровне моря, а затем ее существование было подтверждено экспериментальным обнаружением соответствующих нерегулярностей в других спектрах (мюонов, черепковского излучения ШАЛ).
Наиболее естественная интерпретация, которой, по-видимому, придерживается большинство физиков-космиков, состоит в том, что наблюдаемые особенности отражают наличие излома в первичном энергетическом спектре.
В то же время надо отметить, что продолжаются попытки связать нерегулярность в поведении различггых спектров с возможным изменением характера элементарного акта в области сверхвысоких энергий.
Если принимается астрофизическая природа излома, то особенность в первичном энергетическом спектре следует трактовать или как результат процесса ускорения КЛ в источниках, или как результат процесса распространения КЛ в галактическом пространстве. Оба эти направления являются сейчас предметом интенсивных исследований.
В рамках простой диффузионной модели распространения КЛ, использовавшейся в 60-х годах (В. Peters (1959), Г.Т. 'Зацепин и др. (1962)), излом в первичном спектре объяснялся изменением зависимости коэффициента диффузии от энергии; эта зависимость начинала проявляться с энергии, при которой ларморов-ский радиус частицы сравнивался с размерами магнитных неоднородностей. Исследования последнего десятилетия привели к существенному увеличению основного масштаба магнитных нерегулярностей галактического магнитного поля и к необходимости пересмотра простейшей версии диффузионной модели и учета холловской диффузии (B.C. Птускин и др. (1993)).
Рассмотрение круга проблем, связанных с изломом, предполагает исследование характеристик ШЛЛ. Очевидно, что анализ экспериментальных данных ШАЛ требует использования достаточно надежной модели, обеспечивающей адекватное описание развития ядерно-электромагнитного каскадного процесса в атмосфере: для этого в первую очередь необходима модель сильного взаимодействия адро-нов (и первичных ядер) с ядрами воздуха. В настоящее время можно считать, что мы располагаем базовой моделью для проведения расчетов в области сверх-
высоких энергий - моделью кварк-глюоиных струн (КГС), обобщенной на ядро-ядерное взаимодействие, и дополненной учетом полужестких процессов, роль которых растет с энергией; кроме того, при переходе в область ультравысоких энергий (> 1019 .чИ), необходимо, вообще говоря, считаться г. возможностью существенного влияния эффекта Ландау-Померапчука Мигдала (ЛПМ) на результаты расчета характеристик ШАЛ.
Цель диссертационной работы - анализ диффузионной модели распространения космических лучей, включающей холловскую диффузию, для различных конфигураций магнитных полей Галактики и разработка эффективного алгоритма решения уравнения диффузии; разработка компьютерного алгоритма учета ЛПМ эффекта в развитии ШАЛ при ультравысоких энергиях; анализ, в рамках современной версии модели КГС, основных экспериментальных данных по ШАЛ в области излома и при более высоких энергиях; исследование природы излома и основных закономерностей поведения ядерного состава первичного излучения в области 1015 Ч- 1019 эВ.
Научные результаты и новизна работы. В диссертации впервые:
-
Рассмотрено решение уравнения диффузии космических лучей в Галактике с учетом холловской диффузии для различных конфигураций магнитных полей.
-
Разработан эффективный алгоритм решения уравнения диффузии, использующий метод гауссова исключения для разреженных систем линейных уравнений, и показано, что учет холловской диффузии позволяет описать излом в первичном энергетическом спектре для широкого класса моделей магнитного поля.
-
При энергиях 1015 4- 10'7 эВ с использованием современной версии модели КГС с генерацией полужестких струй (модель QGSJET) проведен анализ экспериментальных данных ШАЛ по спектрам заряженных частиц на различных уровнях наблюдения и показано, что в рамках диффузионной картины происхождения излома удается достичь хорошего соответствия между результатами экспериментов и теоретическими предсказаниями.
-
Исследованы данные ШАЛ, относящиеся к первичным энергиям 10'74-1019 эВ, и показано, что модель кварк-глюонных струн в сочетании с первичным составом, следующим из галактической модели происхождения КЛ, позволяет описать основные наблюдаемые характеристики КЛ в области далеко за изломом (предполагается, что после окончания процесса диффузии ядерный состав КЛ возвращается к исходному составу до излома).
Это дает основания использовать модель QGSJET, дополненную учетом эффекта ЛПМ, для проведения расчетов в связи с планированием экспериментов на гигантских установках Ш.АЛ.
5. Рассмотрены альтернативные возможности объяснения излома и показано, что совокупность экспериментальных данных по ШЛЛ, полученных в области излома первичного спектра, указывает на то, что интерпретация излома как результата изменения модели адронных взаимодействий недостаточно обоснована.
Практическая ценность работы. Предложенный подход к решению уравнения распространения космических лучей в Галактике с учетом холловской диффузии обеспечивает возможность эффективного расчета концентрации космических лучей для широкого класса предположений о конфигурации галактических магнитных полей и распределении источников. Проведенный анализ экспериментальных данных ШЛЛ в области излома первичного спектра подтверждает возможность использования современной версии диффузионной модели распространения космических лучей для объяснения происхождения излома. Модель QGSJET, дополненная эффектом ЛПМ, может рассматриваться как базовая для проведения разнообразных расчетов в космических лучах.
Исследование применимости галактической модели происхождения КЛ и альтернативных возможностей объяснения излома первичного спектра при энергии ~ 1015 эВ существенны для проблемы изучения первичных КЛ и планирования новых экспериментов на гигантских установках ШАЛ.
На защиту выносятся:
-
Результаты анализа решения уравнения распространения КЛ в Галактике с учетом холловской диффузии, свидетельствующие о возникновении изломав энергетическом спектре первичного космического излучения для различных конфигураций галактического магнитного поля.
-
Результаты теоретического исследования спектров ШЛЛ но числу заряженных частиц, при энергиях, соответствующих области излома, на различных уровнях наблюдения в рамках диффузионной картины происхождения излома с использованием модели QGSJET.
-
Вывод о возможности согласованного описания экспериментальных данных по ПІАЛ в интервале энергий 10'7 -:- 1019 эВ в рамках модели QGSJET и галактической модели происхождения КЛ.
4. Вывод об астрофизической природе излома.
:)
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по космическим лучам (Москва, 1994 г., Рим, 1995 г. и Москва, 199G г.), на Международном симпозиуме по взаимодействиям космических лучей очень высоких энергий (Карлсруэ, 1996 г.), на Ломоносовских чтениях ( 1995 и 1997 гг.) на конференции молодых ученых НИИЯФМГУ (1994 г.). Но материалам диссертации сделаны доклады в НИИЯФ МГУ, ИЯИ РАН и ИЗМИРАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 научных работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, содержит 3G рисунков и 10 таблиц; список литературы включает 138 наименований. Объем диссертации 111 страниц.
