Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных проблем современной астрофизики остается проблема происхождения космических лучей
сверхвысоких энергий (более 10 эВ) и распространения их в межзвездном пространстве.
До настоящего времени наиболее светосильным методом получения сведений о первичных космических лучах (ПКЛ) сверхвысоких энергий остается метод широких атмосферных ливней
15 (ШАЛ). Именно этим методом в широком диапазоне энергий от 10 эВ
до - 10 эВ получено большинство данных о таких основных
характеристиках ПКЛ как энергетический спектр и анизотропия.
Широкий атмосферный ливень представляет из себя поток коррелированных во времени частиц и электромагнитного излучения, возникающих в лавинных ядерно-каскадных и электромагнитных процессах, инициируемых первичной частицей в атмосфере Земли. При этом толщина атмосферы достаточно велика для того, чтобы лавина частиц эффективно развивалась. В то же время, благодаря разреженности атмосферы, частицы вторичного происхождения отклоняются от направления первичной частицы на большие расстояния, что и обеспечивает светосилу метода. Разреженность атмосферы играет также принципиальную роль в генерации потоков мхзонов и нейтрино, сопровождающих электронно-фотонную и адронную компоненты ливня.
, Для детекторов с заданным порогом регистрации поперечный размер ШАЛ возрастает с ростом энергии первичных частиц, что приводит к росту эффективной площади их регистрации в глубине атмосферы. Это позволяет с помощью установок с ограниченным числом детекторов исследовать ПКЛ до энергии 10го эВ, несмотря на резко убывающий с увеличением энергии поток первичных частиц. Данные по ШАЛ дают возможность получить сведения и о характере адронных взаимодействий в области энергий, еще недоступных ускорителям. Одако интерпретация этих данных в значительной мере зависит от знания энергетического спектра и в особенности ядерного состава ПКЛ.
Изучению характеристик ПКЛ в области сверхвысоких энергией
посвящено большое число работ, однако наблюдаемый раз^брос
15 экспериментальных данных велик. При энергиях >10 эВ до сих пор
существуют только оценки верхней границы анизотропии. Необходимы
детальные исследования формы энергетического спектра и уточнение абсолютного потока космических лучей. Весьма неопределенны сведения о ядерном составе. Различные авторы делают прямо противоположные выводы об относительной доли протонов и ядер с большими А в составе ПКЛ рассматриваемых энергий.
Для решения вопроса о происхождении космических лучей с
15
энергией более 10 эВ необходимы более точные данные ' об'их
энергетическом спектре и ядерном составе.
Цель работы. Основной целью работ, вошедших в диссертацию,
являлась разработка новых методов анализа экспериментальных
данных,получаемых с помощью установки ШАЛ МГУ, в
частности, исследование характеристик электронной и мюонной
кокпонент ШАЛ и на их основе получение новых данных об
энергетическом спектре, ядерном составе, а также анизотропии ПКЛ
в области энергий Е =101 -5. 1017 эВ.
Научная новизна и практическая ценность диссертации.
Проведено систематическое исследование электронной и мюонной
15 17 компонент ШАЛ в широком диапазоне первичных энергий 10 -10 эВ
на комплексной установке ШАЛ МГУ, позволяющей с высокой точностью
определять характеристики каждого зарегистрированного липни.
Анализировались данные, полученные на модернизированной установке ШАЛ ИГУ, в которой было значительно увеличено число детекторов заряженных частиц и плоиадь, на которой сни размещаются, по сравнению с вариантами установок 50-70 гг. Благодаря этому статистика регистрируемых ливней возросла более чем на порядок.
В процессе анализа экспериментальных данных были
разработаны: 1) метод построения спектров по числу электронов N и по числу мюонов'N , 2) метод анализа распределений ШАЛ по N
при фиксированном N , 3) метод наблюдения точечных источников и исследования анизотропии.
На основе анализа полученных данных впервые обнаружено вместе с Г. Б. Христиансеном наличие излома в спектрах ШАЛ по числу электронов N и мюонов N , отражающее существование излома в энергетическом спектре первичных космических лучей в узком интервале энергий вблизи 3.101S эВ.
Исследованы флуктуации числа мюонов при фиксированном числе
электронов для области излома энергетического спектра и сделано
15 17 заключение о ядерном составе в области энергий 10 -10 эВ.
Основная научная и практическая ценность работы определяются тем, что открытие нерегулярности (излома) в энергетическом сректре первичных космических лучей поставило вопрос об объяснении этого явления перед теоретической астрофизикой и, с другой стороны, явилось стимулом для развития новых методов исследований и для постановки новых экспериментов по изучению первичных космических лучей как в нашей стране, так и за рубежом.
В последние годы со значительно большей статистикой был
измерен энергетический спектр ПКЛ вплоть до энергий -5-Ю эВ на установке ШАЛ МГУ. а также на установке Акено в Японии в том же диапазоне энергий. При этом преимущество установки МГУ заключалось в том, что при измерении использовались счетчики Гейгера, в которых отсутствует переходный эффект, в то время как на установке Акено - сцинтилляторы, в которых переходный эффект надо учитывать.
Изучение ядерного состава космических лучей в области
энергий 10 -3-Ю эВ осуществлялось, как известно, в
экспериментах на баллонах в стратосфере и на ИСЗ. При больших
энергиях (10 -10 эВ) в данной работе развит косвенный метод
исследований ядерного состава на основе анализа распределений по
числу мюонов. Полученные в диссертации данные о ядерном составе
позволяют отдать предпочтение диффузионным моделям с
коэффициентом диффузии D-D(E/Z), зависящим от энергии частицы Е и
ее заряда Z.
Результаты исследования энергетического спектра и ядерного
состава первичных космических лучей широко используются как в астрофизике, так и в физике высоких энергий при анализе взаимодействий космических лучей при сверхвысоких энергиях.
В последнее время эти результаты стимулировали создание целого ряда установок, в ток числе установок с большой плотностью детекторов для прецизионных исследований энергетического спектра и ядерного состава в области излома также путен регистрации электронной и мюонной компонент ШАЛ (CASKADE в Германии и CASA в США).
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
-
Обнаружение сложной формы спектров ШАЛ по числу электронов и кюонов и вывод о существовании излома в энергетическом спектре ПКЛ при энергии -З. 1015 ЗВ.
-
Экспериментальные характеристики мюонной компоненты ШАЛ:
1) зависимость среднего числа мюонов от числа электронов в ливне,
2) распределения ИАЛ по числу мюонов при фиксированном числе
электронов и анализ ядерного состава ПКЛ на их основе.
3.определенно верхней границы общей анизотропии ПКЛ .
4. Данные о пространственных распределениях электронов и
мюонов в ШАЛ и их слабой зависимости от числа электронов,
полученные в широком диапазоне по Ne=10 -5 10 .
5.Разработка метода математической обработки
экспериментальных данных , позволяющего определять параметры
индивидуального регистрируемого ливня путен отыскания абсолютного
максимума функции по четырем переменным (X , Y ,S,Ne), и метода их
анализа с учетом возможной выборки ШАЛ различной структуры из-за
дискриминирующего действия системы управления при отборе по N и
по нц.
Апробация диссертации. Апробацией работ, вошедших в
диссертацию, является широкое применение полученного
энергетического спектра ПКЛ, нашедшего подтверждение во многих лабораториях мира (в Японии, Франции, США и др. ), при анализе
многочисленных экспериментов в космических пучах, в разработке
новых методов (метод рентгеноэмульсионных камер (РЭЮ), при
постановке и планировании новых экспериментов для исследования
космических лучей сверхвысоких энергий, при расчете фона в
экспериментах по регистрации г-излучения при энергиях болев ю эВ. Работы, вошедшие в диссертацию, неоднократно докладывались и обсуждались на всесоюзных и международных конференциях и симпозиумах, начиная с 1957 года. Результаты работ опубликованы в различных научных журналах в нашей стране и за ее рубежами.
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, содержатся в публикациях [1-42].
Структура диссертации.
Диссертация в форме научного доклада содержит общую характеристику работы , три главы и заключение.
В I главе дается описание методов регистрации и анализа ШАЛ
Приводятся данные о функциях пространственного распределения
электронов и мюонов, о спектрах ШАЛ по числу электронов и мюонов.
Описывается пересчет к первичной энергии и построение
энергетического спектра космических лучей.
Во II главе анализируются данные о средней зависимости числа мюонов от числа электронов и о флуктуациях числа мюонов при фиксированном числе электронов. В рамках моделей адронных взаимодействий. основанных на ускорительных данных и их экстраполяции в область больших энергий, делается^ заключение о ядерном составе первичных космических лучей.
В III главе излагаются данные об общей анизотропии космических лучей и о результатах поиска космических лучей от различных астрофизическких объектов ( Лебедь Х-1 .Лебедь Х-3 , Геркулес Х-1).
В заключении приводятся основные результаты диссертации и делается вывод о пригодности моделей диффузионного типа (с
растущим с энергией коэффициентом диффузии D=D(E/Z) ) для
описания распространения космических лучей с энергиями 10 -10
эВ в Галактике.
