Введение к работе
Актуальность работы
С тех пор, как в первичных космических лучах (ПКЛ) были обнаружены атомные ядра (Freier Ph. et al. Phys. Rev, 1948) вопрос об их составе и энергетическом спектре является ОДНИМ из центральных в астрофизике еысоких энергий, т.к. он связан напрямую с такими глобальными проблемами, как нуклеосинтез во Вселенной, ускорение ядер до сверхвысоких энергий и их распространение в межзвездном пространстве. В настоящее время химический состав ПКЛ изучен достаточно хорошо при низких энергиях (т.н. стандартный или нормальный состав). В результате прямых исследований на спутниках, аэростатах и баллонах получено, что при Ео >s 2 ГэВ/н энергетические спектры различных компонент ядер описываются единой степенной функцией с интегральным показателем примерно 1,7, что справедливо с точностью до модуляционных эффектов, вызываемых процессами, происходящими на Солнце.
Максимальные энергии первичных ядер, зарегистрированных прямыми методами составляют примерно I ПэВ. Начиная с Ео = 10 ТэВ данные прямых наблюдений существенно дополняются т.к. косвенными данными, которые получаются путем сложного анализа различных компонент широких атмосферных ливней (ШАЛ), создаваемых высокоэнергичными ядрами в атмосфере Земли.
Говоря об энергетическом ' спектре ПКЛ следует упомянуть об изломе спектра ШАЛ по числу частиц, который в большинстве публикаций интерпретируется как излом спектра ПКЛ. Он был обнаружен на установке ШАЛ МГУ (Куликов Г.В., Христиансен Г.Б., ЖЭТФ, 1958) и суть ее состоит в том, что при Ео = 3 ПэВ показатель степени интегрального энергетического спектра меняется от -1,7 до -2,1. Разумеется, такая нерегулярность в энергетическом спектре ставит вопрос о химическом составе в области энергии излома и выше нее. В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал по исследованию состава при Ео > 10 ТэВ. Нередко эти данные противоречат друг-другу, но общая ситуация в целом вырисовывается. И как результат исследования данной проблемы, большинство специалистов, занимающихся косвенными методами изучения химического состава, придерживается мнения, что состав, согласно диффузионной модели Петерса-Зацешша, не меняется и близок к стандартному вплоть до энергии излома, а в области излома состав меняется и, вероятнее всего, происходит его относительное утяжеление. Однако, в последние годы активно обсуждаются результаты прямых экспериментов (в частности jacee и рентгено-эмульсионный эксперимент МГУ), указывающих на отклоне-
ниє химического состава от нормального при энергиях, существенно меньших энергии излома (несколько ТэВ/н и выше). В связи с этим, представляется важным ответ на вопрос об отклонении химического состава от нормального при энергиях Ео « 3 ПэВ. Такая постановка вопроса ставит новые задачи перед исследователями, занимающимися косвенными методами исследования химического состава в указанном интервале энергий. В первую очередь возникает вопрос о чувствительности используемых методов и повышении уровня достоверности получаемых результатов. Это, в свою очередь, цриводит к необходимости поиска новых методов получения данных о ЖЕ, а также критического пересмотра существующих методов исследования и их дальнейшего развития в тех случаях, когда это возможно. Разумеется прогресс в этом направлении сочетается с,развитием представлений об исследуемых характеристиках ШАЛ, а в случае настоящей работы, - мюонов высоких энергий.
Цели представляемой диссертации
Цели представляемой диссертации можно разделить на два основных пункта:
-
Полное моделирование мюонных групп, создаваемых ядрами первичных космических лучей в атмосфере Земли, на основе модели кварк-глюонных струн адрон-ядерных взаимодействий. Анализ результатов моделирования, выполненных для уровня расположения Подземного сцинтилляционного телескопа Баксанскои нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН (см. Алексеев Е.Н. и др. Известия АН СССР, серия физ., 1980). Проведение параметризаций наиболее важных феноменологических характеристик мюонных групп. Выявление физической сущности ряда оригинальных результатов моделирования.
-
Сравнение результатов моделирования с данными для различных классов мюонных групп, полученными на ПСТ БНО ИЯИ РАН (в тексте ПСТ). Анализ, на основе полученных результатов моделирования, различных классов событий. Исследование химического состава ПКЛ высоких и сверхвысоких энергий с использованием этих событий.
Новизна работы
С целью повышения надежности интерпретации результатов эксперимента по изучению мюонных групп выполнено полное моделирование методом Монте-Карло их характеристик для уровня расположения ПСТ БНО ИЯИ РАН. Проделан подробный анализ результатов
моделирования, из которых, в свою очередь, получены оригинальные результаты,- главные из которых относятся к исследованию флуктуации множественности и пространственно-энергетического распределения мюонов высоких энергий, гєнерироваїшнх ядрами космических лучей с энергиями Ео = (I - 10') ТэВ/н. Б частности, в этой работе впервые показано, что флуктуации множественности мюонов описываются отрицательным биномиальным распределением. Выявлены также физические механизмы, приводящие к возможности фитирования полученных результатов этим распределением. Как логическое завершение рассматриваемой задачи в диссертации проделан подробный анализ влияния конечных размеров установки на флуктуации числа наблюдаемых мюонов. Здесь также получены оригинальные результаты, главным из которых является выявление т.н. "к-инвариантности".
В результате анализа экспериментальных данных выявлен уникальный класс событий с колоссальной множественностью частиц, -т.н. гигантские мюонные семейства (ГМС), позволивший получить, в дополнение к данным по ШАЛ, информацию о ПКЛ с Eq> 100 ПэВ. Для измерения множественности мюонов высоких энергий предложен метод парметра, обобщенный на случай большого числа частиц. Выполнено моделирование отклика ПСТ на гигантские семейства. Показано, что поток ГМС согласуется с потоком, ожидаемым по диффузионной модели распространения космических лучей в Галактике.
С целью реализации нового метода исследования химического состава ПКЛ, основанного на одновременной регистрации каскадов и мюонов, сопровождающих эти каскады (мюонные семейства), выполнены оригинальные расчеты. Выявлены его основные методические ограничения. На основе разностороннего анализа данных ПСТ получены результаты по химическому составу ПКЛ с энергиями Ео - (40-100) ТэВ/н. Полученные данные не противоречат совокупности результатов японо-американского эмульсионного эксперимента jacee, проведенного в стратосфере.
На основе событий, вызывающих большие энерговыделения в установке (мюонные семейства и ГМС), впервые предложен метод локации оси ШАЛ на больших глубинах под землей. По этому методу также впервые получены прямые данные о пространственном распределении мюонов высоких энергий без привлечения данных о ШАЛ.
Вклад автора:
Разработка программы розыгрыша мюонных групп, генерированных ядрами ПКЛ;
анализ данных, полученных по этой программе. Исследование множественных и пространственно-энергетических характеристик мюонных групп. Подбор аппроксимационных распределений для численных результатов моделирования и их анализ;
выполнение оригинальных расчетов для реализации нового метода исследования химического состава ПКЛ на основе данных ПСТ по одновременной регистрации каскадов и сопровождающих их мюонов (идея метода принадлежит А.Е.Чудакову);
разносторонний анализ нового метода и исследуемого класса событий с целью получения данных по химическому составу ПКЛ с энергиями Ео= (40 - 100) ТэВ/н;
выявление, по данным ПСТ, и подробное исследование нового класса событий (т.н. гигантских мюонных семейств);
предложение методов локации оси ШАЛ на больших глубинах под землей с последующей реализацией метода исследования функции пространственного распределения мюонов по данным ПСТ.
В работе использованы экспериментальные данные по событиям, вызывающим большие" энерговыделения в ПСТ, полученные автором диссертации от В.Н.Бакатанова, Ю.Ф. Новосельцева и Р.В.Новосельцевой.
Апробация работы
Результаты работы опубликованы в период с 1985 по 1995 гг. в журналах "Письма в ЖЭТФ" и "Ядерная физика", в материалах четы-рех_Всесоюзных (Межрегиональных) и пяти Международных конференций, в виде препринтов ИЯИ РАН. Полученные методом Монте-Карло апцроксимационные зависимости для флуктуации множественности и пространственно-энергетического распределения мюонов использованы для исследования различных классов мюонных групп на ПСТ и могут быть, также, использованы для интерпретации результатов других подземных экспериментов. Программа моделирования генерации мюонов в атмосферных ядерных каскадах, разработанная в данной работе, используется в настоящее время для интерпретации результатов подводного эксперимента на озере Байкал. Предложенные и разработанные в данной работе методы исследования мюонных
і»
семейств могут быть использованы в, уже-функционирующее и готовящихся -к запуску подземных установках, являющихся трековыми детекторами и обладающих калориметрическими свойствами. Наиболее перспективными, в этом смысле, представляются совместная итальяно-российская установка ьто, американская установка Soudan-2 и итальянская установка macro.
Объем и структура диссертации
