Калибровка оценок энергии гигантских атмосферных ливней для наземных детекторов с помощью черенковского и флуоресцентного света Шозиеев Гулмурод Парвонашоевич

6 '9 12 ] 15 і 18 | 21

1 а.е. 1 пк 1 кпк 1 Мпк

Log(Размер, км)

Рис. 2. Размер и напряжённость магнитного поля в возможных

ускорительных объектах. Объекты ниже диагональных линий

не могут ускорить соответствующих элементов[7,13].

(ускорение Ферми [1], ускорение частиц в релятивистских струях [6], ударные волны, формирующиеся в аккреционном диске [7], двойные звезды [1,9],

ультрарелятивистские ударные волны в которых возможно формируются гамма-всплески [10,11]).

Второй механизм рассматривает космические лучи с энергиями больше 10¹⁹ эВ как результат распада сверхтяжелых объектов[8]. Рассматривают два сценария генерации массивных частиц (Х-частиц). а) Супермассивные частицы [12]. Их масса может быть больше 10¹² ГэВ, а время жизни сопоставимо с возрастом Вселенной. В этом сценарии ожидается анизотропия по направлению к центральной области Галактики [12,13]. б) Топологические дефекты как результат нарушения симметрии фазового перехода в Теории Великого Объединения [8] классифицируют по их размерностям [135]; магнитные монополи (О-измерение, точечный}; космические струны (1-измерение); подмножество предыдущих, которое несёт ток как сверхпроводящая струна; граница домена (2-измерения); текстурные строения (3-измерения). Топологические дефекты могут разрушаться, аннигилировать, генерировать Х-частицы.

Особую роль играют процессы распространения частиц сверхвысоких энергий. При распространении в Галактике протоны сверхвысоких энергий практически не теряют энергию, но они отклоняются в галактическом магнитном поле. Уход частиц от диска галактики увеличивается с энергией. При энергиях выше 10¹⁸эВ, если первичные частицы в основном являются протонами, возможно проявление анизотропии. Также рассматриваются особенности распространения частиц сверхвысоких энергий в межгалактическом пространстве.

Центральным вопросом для частиц с энергией > 6-10¹⁹ эВ является существование «обрезания» Грейзена-Зацепина-Кузьмина (эффект ГЗК) [14,15]. В этой энергетической области становятся существенными энергетические потери

частиц в межгалактических полях излучения (микроволновом, инфракрасном и радиофоне). Вскоре после открытия в 1965 году фоновой радиации Грейзен (1966), Зацепин и Кузьмин

(1966) теоретически показали [14,15], что в спектре протонов при энергиях 6х10¹⁹ эВ из-за образования пиона, должно существовать обрезание [см. Приложение 2] энергетического спектра.

Ответ на вопрос о существовании ГЗК-обрезания может быть получен на основе экспериментальных данных о различных компонентах гигантских атмосферных ливней

(ГАЛ). При этом определяющим моментом является точность определения энергии. Для оценки энергии ГАЛ в Якутском эксперименте и эксперименте AGASA [16] применяется метод определения энергии по параметру плотности энергии, выделенной в сцинтилляторе толщиной 5 см на расстоянии 600 м от оси ливня - S₆₀o- Энергия определялась по формуле:

E₀=a(S_m)^b (1)

где a«2.00-10'⁷, ft» 1.03 - параметры аппроксимации, Seoo выражается в ВЭМ (вертикальный эквивалентный мюон}.

Для оценки энергии по плотности черенковских фотонов на расстоянии 400 м на Якутской установке применяется следующая формула:

, „ у,03±0,(12

₀=(9,0±2,6).Ю¹⁷ p*fU (2)

Где Qioo - плотность черенковских фотонов на расстоянии 400 метров от оси ливня.

Черенковское излучение (см. Приложение 3.) играет особую роль при исследовании ШАЛ. Достаточно большой световой выход в оптическом диапазоне и слабое поглощение

в чистой, безоблачной атмосфере позволяют эффективно определять полную энергию ШАЛ, а также историю развития ливня в атмосфере.

История исследований ЧС ШАЛ началась в 40-х годах Геттинг (1947 г.) впервые применил ФЭУ для сбора черенковского света. Эксперимент по черенковскому свету провёл Джелли {1951 г.). Первые измерения черенковского света ливней проведены Гольданским и Ждановым [18] и независимо Галбрайтом [19]. Особо ценными явились в своё время пионерские работы Чудакова [20] и его расчетные работы совместно с Зацепиным В.И. [21] по черенковскому свету от ШАЛ, выполненные на основе каскадной теории электронно-фотонных ливней для первичного гамма-кванта и протона для двух уровней наблюдения.

На уровне моря черенковский угол равен 1.3 и убывает с высотой (Рис.3). Пороговые энергии частиц, от которых черенковский свет, например, от электронов, мюонов и протонов на уровне моря составляют 21 МэВ, 4.4 ГэВ и 39 ГэВ соответственно и растут экспоненциально с высотой.

Пионерские работы Чудакова по измерению черенковского света включали в себя также и учёт ионизационного свечения (флуоресцентный свет) как фона для черенковских экспериментов. Позднее он предложил использовать это свечение в экспериментах по изучению ШАЛ.

Измерение флуоресцентного света впервые было предложено в работах Чудакова [22], Greisen [23,24], а позднее Suga [25] в начале 60-х годов XX века. В начале 1970-х университетом штата Юта был изготовлен трёхзеркальный прототип "Fly's Eye", наблюдавший атмосферу над установкой Volcano Ranch в Нью Мехико [26] .

Таким образом, измерения черенковского и флуоресцентного света ШАЛ имеет богатую историю.

»)

ь)

«О

R,M

R,m

Рис. 3. Графики зависимости черенковского угла (а) и радиуса черенковского кольца (Ь) от высоты. На графике (с) показано изменение черенковского конуса в зависимости от высоты. Уровень наблюдения -2 км

Результаты современных экспериментов (Якутск, AGASA,
РАО, HiRes), полученные на основе детектирования

различных компонент ГАЛ не дают согласованных

результатов по спектрам космических лучей в диапазоне энергий 10¹⁸ - 10²⁰ эВ. Энергия ливней в экспериментах AGASA и Якутск определяется на основе моделирования характеристик ГАЛ. Точность определения энергии зависит от корректности используемых для ее определения результатов расчетов, которые в этой области энергий исключительно трудоемки по времени и вычислительным ресурсам. Последнее обстоятельство приводит к трудностям, при создании единого пакета программ по моделированию

»

методом Монте-Карло атмосферных ливней ультравысоких энергий.

Целью диссертационной работы является создание и реализация нового гибридного метода расчета характеристик черенковского и флуоресцентного света ГАЛ, позволяющего получить данные для наземных и спутниковых экспериментов.

Научные результаты и новизна работы.

1.Разработан и реализован новый метод расчета характеристик черенковского и флуоресцентного света ГАЛ, позволяющий сохранить основные физические флуктуации и получить достаточную статистику наигранных событий за минимальное время.

2. С хорошей статистической точностью с использованием кодов CORSIKA и GEANT4 получены базы данных черенковского света (БД ЧС) электронов и фотонов с энергией <10 ГэВ для различных глубин зарождения ливня и для расстояний 0 - 2000 м от оси ливня, для зенитных углов от 0 до 60и БД поглощенной энергии для различных глубин зарождения ливня для расстояний 0 - 2000 м в реальной атмосфере, позволяющие получить данные по флуоресцентному свету.

3.Введено дополнение в код CORSIKA, которое позволяет рассчитать функции источника электронов и фотонов с

энергией <10 ГэВ. А. Для детектора типа Тунка получены функции пространственного распределения черенковского света, который хорошо согласуется с расчетами других авторов.

5.Сопоставление расчётной и экспериментальной зависимости Q(400) для Якутского эксперимента показало хорошее согласие и возможность использования этого параметра для оценки энергии и калибровки других параметров.

6.Совместный анализ параметров Q{400) и s(600) и сопоставление с якутским экспериментом показали возможность завышения энергии в 1.6 раза. Введение поправки позволяет согласовать энергетические спектры частиц, наблюдаемые в Якутске и HiRes.

7. Расчёты энерговыделений ГАЛ показали, что 95% энергии генерируется на расстояниях до 500 м. При регистрации флуоресцентного света с малых расстояний (порядка ~ 5 км) и величине угла сбора света детектором порядка ~ 1.3 собирается примерно 65% света.

Практическая и научная ценность работы.

Научная значимость работы состоит в реализации нового метода расчета характеристик ГАЛ по черенковскому и

| 12

флуоресцентному свету в широком диапазоне энергий от 10 до 10²⁰ эВ. Впервые с использованием гибридной схемы, включающей вычисления функции источника и базы данных (БД) , на основе кодов CORSIKA и GEANT4 были рассчитаны характеристики черенковского и флуоресцентного света ГАЛ. Практическая значимость состоит в том, что полученные результаты моделирования функции пространственного распределения (ФПР) черенковского света (ЧС) в реальной атмосфере могут быть использованы для дальнейших исследований в экспериментах "ЯКУШАЛ" и "Тунка". База данных черенковского света и база данных

энерговыделений в реальной атмосфере, а также ФПР ЧС могут стать основой для расчетов ГАЛ для новых экспериментовг использующих черенковскую и флуоресцентную методику.

На защиту выносятся:

Комплексы программ для расчета черенковского света от ливней, созданные на базе программного пакета CORSIKA, и метод расчёта черенковского света от гигантских атмосферных ливней;

Комплексы программ для расчета флуоресцентного света от ливней, созданные на базе программных пакетов CORSIKA и GEANT4, и метод расчёта флуоресцентного света от гигантских атмосферных ливней;

Результаты расчетов функций пространственного распределения и полного потока черенковского света, необходимых для анализа экспериментов «ТУНКА» и «ЯКУШАЛ» в области энергий 10¹⁵ -10²⁰ эВ;

Результаты расчетов пространственных распределений поглощенной в атмосфере энергии, необходимых для анализа экспериментов HiReS, РАО и ТА в области энергий 10¹⁸ -10²⁰ эВ

Калибровка оценки энергии гигантских атмосферных ливней, полученной в сцинтилляционных детекторах, по черенковскому излучению.

Апробация работы:

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и опубликованы в трудах Международных конференций и совещаний по космическим лучам (Пуне, 2005; Катания, 200 6; Москва, 2005, 2006; Петербург, 2006), Ломоносов-2006, 29-й Всероссийской конференции по космическим лучам {Москва, 2006) и представлены в статьях в журналах (Ядерная Физика; Известия РАН, Сер. Физ.; Nucl. Phys. В).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 7 статей в журналах и трудах конференций.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, 5 глав, приложения, заключения и списка литературы; содержит 78 рисунка и 11 таблицы; список литературы включает 139 наименований. Объем диссертации 111 страниц.

Эксперимент AGASA

Результаты современных экспериментов (Якутск, AGASA, РАО, HiRes), полученные на основе детектирования различных компонент ГАЛ не дают согласованных результатов по спектрам космических лучей в диапазоне энергий 1018 - 1020 эВ. Энергия ливней в экспериментах AGASA и Якутск определяется на основе моделирования характеристик ГАЛ. Точность определения энергии зависит от корректности используемых для ее определения результатов расчетов, которые в этой области энергий исключительно трудоемки по времени и вычислительным ресурсам. Последнее обстоятельство приводит к трудностям, при создании единого пакета программ по моделированию » методом Монте-Карло атмосферных ливней ультравысоких энергий. Целью диссертационной работы является создание и реализация нового гибридного метода расчета характеристик черенковского и флуоресцентного света ГАЛ, позволяющего получить данные для наземных и спутниковых экспериментов. Научные результаты и новизна работы. 1.Разработан и реализован новый метод расчета характеристик черенковского и флуоресцентного света ГАЛ, позволяющий сохранить основные физические флуктуации и получить достаточную статистику наигранных событий за минимальное время. 2. С хорошей статистической точностью с использованием кодов CORSIKA и GEANT4 получены базы данных черенковского света (БД ЧС) электронов и фотонов с энергией 10 ГэВ для различных глубин зарождения ливня и для расстояний 0 - 2000 м от оси ливня, для зенитных углов от 0 до 60и БД поглощенной энергии для различных глубин зарождения ливня для расстояний 0 - 2000 м в реальной атмосфере, позволяющие получить данные по флуоресцентному свету. 3.Введено дополнение в код CORSIKA, которое позволяет рассчитать функции источника электронов и фотонов с энергией 10 ГэВ. А. Для детектора типа Тунка получены функции пространственного распределения черенковского света, который хорошо согласуется с расчетами других авторов. ю 5.Сопоставление расчётной и экспериментальной зависимости Q(400) для Якутского эксперимента показало хорошее согласие и возможность использования этого параметра для оценки энергии и калибровки других параметров. 6.Совместный анализ параметров Q{400) и s(600) и сопоставление с якутским экспериментом показали возможность завышения энергии в 1.6 раза. Введение поправки позволяет согласовать энергетические спектры частиц, наблюдаемые в Якутске и HiRes. 7. Расчёты энерговыделений ГАЛ показали, что 95% энергии генерируется на расстояниях до 500 м. При регистрации флуоресцентного света с малых расстояний (порядка 5 км) и величине угла сбора света детектором порядка 1.3 собирается примерно 65% света. Практическая и научная ценность работы. Научная значимость работы состоит в реализации нового метода расчета характеристик ГАЛ по черенковскому и флуоресцентному свету в широком диапазоне энергий от 10 до 1020 эВ. Впервые с использованием гибридной схемы, включающей вычисления функции источника и базы данных (БД) , на основе кодов CORSIKA и GEANT4 были рассчитаны характеристики черенковского и флуоресцентного света ГАЛ. Практическая значимость состоит в том, что полученные результаты моделирования функции пространственного распределения (ФПР) черенковского света (ЧС) в реальной атмосфере могут быть использованы для дальнейших исследований в экспериментах "ЯКУШАЛ" и "Тунка". База данных черенковского света и база данных и энерговыделений в реальной атмосфере, а также ФПР ЧС могут стать основой для расчетов ГАЛ для новых экспериментовг использующих черенковскую и флуоресцентную методику. На защиту выносятся: - Комплексы программ для расчета черенковского света от ливней, созданные на базе программного пакета CORSIKA, и метод расчёта черенковского света от гигантских атмосферных ливней; - Комплексы программ для расчета флуоресцентного света от ливней, созданные на базе программных пакетов CORSIKA и GEANT4, и метод расчёта флуоресцентного света от гигантских атмосферных ливней; - Результаты расчетов функций пространственного распределения и полного потока черенковского света, необходимых для анализа экспериментов «ТУНКА» и «ЯКУШАЛ» в области энергий 1015 -1020 эВ; - Результаты расчетов пространственных распределений поглощенной в атмосфере энергии, необходимых для анализа экспериментов HiReS, РАО и ТА в области энергий 1018 -1020 эВ - Калибровка оценки энергии гигантских атмосферных ливней, полученной в сцинтилляционных детекторах, по черенковскому излучению.

Эксперименты ТУС и КЛПВЭ

Южная часть установки (см. Рис.12), строящаяся в Аргентине, начала свою работу в 2002 году. Она г Рис. 12. Схема водного черенковского бака СТРОИТСЯ Вблизи города установки Auger: 1 - панель солнечных батарей, 2 Маларга. Эта установка GPS и антенна 3 " блок 4 ФЭУ-5 дистиллированная вода (12 м3), 6 - пленка из уже набирает статистику синтетического материала (tyvek)i 7 событий. Энергия И аккумуляторные батареи. направления прихода для каждого события очень точно измеряются, при этом имеется возможность отличить первичные нейтрино и гамма-кванты от первичных адронов. Установка реализует гибридную схему регистрации ШАЛ и включает в себя 1600 (1100 было установлено на январь 2006г.) детекторов частиц и 4 флуоресцентных детектора. Детекторами частиц служат пластиковые черенковские водяные баки 1.2 м глубиной и площадью 10 м2, размещенные в треугольной сетке с шагом 1.5 км. В каждом баке установлено по 3 ФЭУ, детектирующие черенковскии свет в воде (см. Рис.13). Эти детекторы были выбраны из-за того, что вода является очень эффективным поглотителем для большого количества низкоэнергичных электронов и фотонов, имеющихся на расстоянии более 1 км от оси ливня. Сигнал оцифровывается 10 битным АЦП работающим на частоте 40 МГц. Водяные черенковские детекторы могут быть использованы для получения данных о составе ПКИ. Они также обеспечивают большее покрытие небесной сферы, чем это достигается при применении сцинтилляционных счетчиков. Наблюдение всей небесной сферы будет достигнуто использованием обеих установок. В безоблачные безлунные ночи данные записываются также и флуоресцентными (Рис.14) для примерно 90% рабочего времени будут доступны только данные, полученные на наземных детекторах частиц.

Каждый детектор будет работать в независимом режиме, посылая информацию о событии на базовую станцию по беспроводной локальной радио-сети, работающей на частоте 915 МГц. Электроэнергия для питания детекторов производится солнечными батареями. Время каждого события синхронизируется с информацией от GPS-приемников. Данные GPS используются для точного восстановления направления прихода индивидуального ливня.

Основное преимущество параллельного использования детекторов двух типов в том, что измерение ряда параметров для примерно 10% событий будет проведено независимыми методами. Это важно, так как, например, калибровка наземной системы детекторных станций для определения энергии первичной частицы зависит от деталей модели взаимодействия, используемой для пересчета данных, полученных в наземных измерениях, в энергию первичной частицы на границе атмосферы.

Детальное моделирование характеристик наземной системы детекторов по определению энергии и направления прихода первичной частицы показало, что для энергии 41019эВ точность определения энергии с использованием одной лишь наземной системы детекторов составит -10%, а точность определения зенитного угла направления прихода --1.5%. При этом ожидается, что одновременно сработают 11 детекторов. С ростом энергии точности определения энергии и зенитного угла направления прихода ливня только увеличиваются. Точность флуоресцентного детектора при абсолютной калибровке составляет 25%. По нему проводится калибровка массива водных чаренковских детекторов. Систематическая ошибка в определения энергии на данный момент составляет 50%. Апертура обсерватории РАО при гибридной схеме составляет 900, 3200, 6400 и 7400 км2 при энергиях 1017,5 эВ, 1018 эВ, 1018-5 эВ и выше 1019 эВ соответственно, что в 20 раз превосходит HiRes. При энергии 10 эВ апертура установки РАО превосходит HiRes в 7 раз.

На Рис.15 показаны параметры самого высокоэнергичного события с энергией 1.4 1020 эВ [54] зарегистрированного в эксперименте РАО.

Строительство Северной установки (РАО North), планируется в Millard County, Utah или в Lamar, Colorado. Её характеристики должны быть такими, как и у Южной установки. Таким образом, становится реальным обзор верхней и нижней небесной полусферы.

Проект ТА (Telescope Array) [55] готовится коллаборацией из 22 институтов Японии, США и Австралии. Место постройки ТА расположено примерно в том же районе, где по проекту должно быть построено РАО North.

Планируемая система телескопов состоит из 8 станций, разнесенных друг относительно друга на 30 км. Каждая станция включает в себя 42 зеркала диаметром 3.3 м с 256 ФЭУ, располагаемыми в фокусе каждого из них. Фокальное расстояние 29.6 см и размер пятна на фокальной плоскости 30 мм. Каждый ФЭУ имеет апертуру 1.1ох±.0- Каждая станция покроет небесную сферу 360 по азимуту и 34 по углу обзора. При этом, каждое событие будет наблюдаться стереоскопически.

Схема моделирования, характеристики детектора и атмосферы, квантовая эффективность детектора

Программный комплекс CORSIKA (COsmic Ray Simulation for KAscade) был создан для изучения развития широких атмосферных ливней (ШАЛ) в атмосфере. Программа разработана для моделирования эксперимента KASCADE [78] в Карлсруэ в Германии. Этот эксперимент измеряет химический состав (элементов) первичного космического излучения в диапазоне энергии З ІО14 до 1018 eV. Программа [71] CORSIKA позволяет моделировать взаимодействия и распады ядер, адронов, мюонов, электронов и фотонов в атмосфере до энергий порядка 1020 eV. Программа позволяет получить информацию о типе, энергии, местоположении, направлении и временах прихода всех вторичных частиц, которые рождаются в атмосферном ливне и проходят выбранный уровень наблюдения. CORSIKA - это законченный набор стандартных подпрограмм написанные на языке FORTRAN. Программа CORSIKA состоит из 4 частей: Первая часть - общая структура программы, осуществляющая ввод и вывод, выполнение распада нестабильных (короткоживущих) частиц, и прослеживание частиц, с учётом потерь энергии на ионизацию и отклонении частиц в результате многократного рассеивания и в магнитном поле Земли.

Вторая часть моделирует адронные взаимодействия ядер и адронов с ядрами атомов воздуха для высооэнергичных адронов. Третья часть моделирует адронные взаимодействия при более низких энергиях. Четвертая часть описывает транспорт и взаимодействие электронов, позитронов, и фотонов. corsika содержит несколько моделей взаимодействия которые можно выбрать произвольно. Точность моделирования и процессорное время для каждой модели взаимодействия разное. Адронные взаимодействия при высоких энергиях могут моделироватьсяс использованием: Двойной Партоннои Модели DPMJET [79]; простого генератора Монте Карло НОРМ [80], который реализован на базе Двойной Партоннои Модели и восстанавливает кинематические измеряемые распределения; модели кварк-глюонных струн QGSJET01 и QGSJET-II [81]; модели с мини-джетами SIBYLL [82]; модели VENUS [83] . Как альтернатива в последних версиях также добавлена модель NEXUS [84] . Независимо от выбранной модели, поперечные сечения адронных взаимодействий при более высоких энергиях могут задаваться для различных моделей.

Низко-энергичные адронные взаимодействия могут моделироваться одним из кодов FLUKA [85], которая является усовершенствованной моделью, детально учитывающей ядерные эффекты, или моделью GHEISHA [86], которая хорошо описывает процессы в области энергии до несколько сотен ГэВ, или UrQMD [87], которая, подробно описывает низко-энергичное столкновения адрон-ядро и ядро-ядро.

Развитие электронно-фотоного каскада может быть прослежено или EGS4 кодом [88], или с использованием аналитических формул NKG (Нишимура-Камата-Грейзен) [89], что позволяет получить электронные плотности в выбранных координатах и общее количество электронов на нескольких {до 10} уровнях наблюдения. Также возможно описать генерацию черенковского света в атмосфере, образование электронных и мюонных нейтрино и антинейтрино, и провести моделирование горизонтальных ливней. Недавно в код CORSIKA бьша введена подпрограмма взаимодействия HERWIG [90] для розыгрыша каскадов от первичных нейтрино[91]. Чтобы сократить вычислительные времена для ливней с энергией более чем 1016 eV используется thining-опция, которая основана на выборке части вторичных частиц в развитии ливня. Существует также версия программы, которая не рассчитана для моделирования атмосферного ливня, а только для проверки адронных моделей взаимодействия. Детальное описание структуры программы CORSIKA, используемые поперечные сечения, адронное взаимодействие модели HDPM, электромагнитные модели взаимодействия, и распады частицы представлены в работе [71].

Незначительные модификации в кодах подпрограмм были сделаны, чтобы приспособить их к моделированию широких атмосферных ливней. Сравнение различных моделей взаимодействия адронов при высоких энергиях приведено в работе [92].

На момент написания этого текста в Интеренете доступна версия 6.502 программы, в которой довольно хорошо проработана часть, связанная с автоматической сборкой нужных подпрограмм для широкого круга задач. Интегрирована и налажена работа с моделями взаимодействий QGSJET-II и FLUKA-2005.3.

Схема моделирования, характеристики детектора и атмосферы

Пакет программ класса GEANT3/GEANT4 были разработаны для моделирования задач экспериментов проводимых в CERN. GEANT3 [74] входит в пакет программ CERNLIB и её исходные коды написаны на FORTRAN.

Идеология GEANT4[75] изначально была построена на объектно-ориентированном языке C++. Некоторые части были переписаны из старых фортрановских кодов GEANT3. Наиболее полный продукт появился в 1998 году. Основу инструментария GEANT4 составляют классы. Основные категории классов составляют: - global, покрывает систему единиц, констант и генератор случайных чисел; - material, необходим для описания физических свойств материалов; - particles, задаёт параметры и свойства налетающих частиц; - geometry, служит для построения геометрии детектора. Сложные объекты разбиваются на базовые фигуры (параллелепипед, пирамида, конус, сфера и т.д.); - track, описывают треки и шаги проходимые частицами; - processes, описывает физические процессы в которых участвуют частицы в зависимости от типа{лептоны, фотоны, адроны, ионы и адронные взаимдействия); - tracking, для оценки вклада эволюции состояния треков в так называемых "чувствительных объемах", в которых считаются события; - event, управляет событиями исходя из их треков; - run, управляет событиями в пучке от источника; - readout, используется для накопления событий и их параметров; Кроме этих классов есть классы для визуализации результата и создание графического интерфейса собственной программы. На данный момент GEANT4 достаточно часто обновляется. Пакет широко применяется в различных областях физики высоких энергий, моделировании детекторов, гамма-телескопов и космических аппаратов, томографии, радиационной безопасности. Кроме известных пакетов программ существует альтернативные варианты схем расчетов прохождения ливней через атмосферу с использованием различных моделей. Гибридные схемы являются одними из наиболее эффективных схем расчетов в моделировании ливней. Обычно они строятся для решения определений задачи.

В 1960-68 году были сделаны пионерские работы Деденко [93,94,95] МС-моделирования атмосферных ливней, 3D-моделирование ливней с использованием каскадных уравнений. В работах А.А.Лагутина [96] 1+Ю-моделирование проводится с использованием каскадных уравнений. Н.Н.Калмыковым и коллегами [97] был разработан гибридный метод, который хорошо согласуется с результатами расчетов по коду CORSIKA.

Существуют схемы, предложенные зарубежными авторами H.J. Drescher и G. Farrar предлагают программу SENECA ver.1.2 [99,100]. Предложенный 3D гибридный метод моделирования ливня основан на решения одномерных каскадных уравнений в области высоких энергий для адронов. Для электронно-фотонных каскадов применяется одномерный EGS4. Использование МК-расчета в области низких энергий позволяет проследить отдельные частицы. Недостатком предложенной схемы является необходимость затрат большого количества времени на прослеживание всех вторичных частиц. Также не предусмотрен расчет откликов детекторных станций.

Программа CONEX [97,100] создана и представлена группой ученых из России (Москва), Франции (Nantes) и Германии (Karlsruhe) в 2003 году, на момент написания имела версию 1.2. Программа основывается на быстром одномерном моделировании профиля ливня с учетом основных флуктуации. В её кодах комбинированы МК-моделирование взаимодействий частиц при высоких энергиях и быстрое численное решение каскадных уравнений. Для выбранной первичной энергии частицы, её массы и зенитного угла рассчитывается продольный профиль заряженных частиц и мюонов, считается также энерговыделение. Каждый профиль ливня можно аппроксимировать по формуле Гайсера-Хилласа которая используется в программе C0RSIKA. Все полученные параметры ливня, профили и параметры аппроксимации удобным способом визуализируются библиотеками ROOT [101].

Как варианты выбора моделей взаимодействий для адронов в программе могут быть NEXUS 3.97, QGSJETOlc, QGSJET-II, SIBYLL 2.1. Для электромагнитных взаимодействий выбрана модель EGS4. Имеется возможность выбора атмосферы, учета мюонных взаимодействий, ЛПМ-эффекта и т.д. Невозможно получить по этой программе поперечные распределения частиц и прослеживание частиц низких энергий.

Авторы делают вывод, что программу следует рассматривать как очень быструю схему для счета энерговыделения вдоль развития ливня, однако невозможно применять её к конкретным экспериментам с реальными наземными установками больших площадей.

Похожие диссертации на Калибровка оценок энергии гигантских атмосферных ливней для наземных детекторов с помощью черенковского и флуоресцентного света

Масштабная инвариантность радиального распределения электронов в широких атмосферных ливнях сверхвысоких энергийРайкин, Роман Ильич

Расчеты угловых и временных характеристик оптического излучения атмосферных ливней с энергиями Е о 1012 эВ и их приложение к анализу экспериментальных данных черенковских гамма-телескоповАнохина, Анна Михайловна

Расчеты базы данных для оценивания энергии гигантских атмосферных ливней Федунин Евгений Юрьевич

Установка для регистрации космических лучей сверхвысоких энергий методом широких атмосферных ливнейКолосов Валерий Афанасьевич

Исследование спектра широких атмосферных ливней по числу мюонов высокой энергии в области энергий первичных космических лучей 10^15 - 10^17 эВ Новосельцев Юрий Федорович

Взаимодействие ядро-ядро при высоких и сверхвысоких энергиях и развитие широких атмосферных ливнейОстапченко, Сергей Станиславович

Широкие атмосферные ливни от космических лучей с энергией 10/17 - 10/20 ЭВ Ефимов Никодим Николаевич

Радиоизлучение широких атмосферных ливней как метод регистрации космических лучей сверхвысоких энергийКонстантинов Андрей Алексеевич

Развитие широких атмосферных ливней и массовый состав первичного космического излучения в интервале энергий 1017-1019 эВКнуренко Станислав Петрович

О взаимодействии адронов с ядрами воздуха при энергиях 10-10 эВ по экспериментальным данным о широких атмосферных ливнях на больших высотах Кузьмин Валентин Александрович