Содержание к диссертации
Введение 5
I Пространственно-временная структура черенковского све
та от атмосферного ливня и возможности изучения его
продольного развития 13
Средняя форма импульса черенковского излучения .... 14
Поверхности равной задержки 18
Информативность формы импульса черенковского света от атмосферного ливня 19
II Гибридные схемы для расчета индивидуальных характе
ристик ЧИ ШАЛ 29
II. 1 Гибридная схема для телескопа TACT 32
П. 1.1 Общая схема гибридного метода для расчета формы импульса черенковского света от индивидуального
ШАЛ 33
II. 1.2 Пространственно-временная модель черенковского излучения атмосферных ливней для гамма-телескопа
TACT 44
И.1.3 Применение модели к анализу экспериментальных
данных 57
Схема для гигантских атмосферных ливней G2
Гибридный подход для оценки скорости счета черенковского телескопа 66
Радиоизлучение ШАЛ 77
П.4.1 Два подхода к расчету радиоизлучения ШАЛ ... 79
И.4.2 Схема моделирования 79
Н.4.3 Особенности реализации микроскопического подхода 80 П.4.4 Особенности реализации макроскопического подхода 85
III Многомерные критерии отбора событий по их черенков-
ским образам 88
Общая схема байесовского подхода к класификации событий 88
Многомерные критерии выделения 7-событий для черепковского телескопа ГТ-48 89
III.2.1 Методы анализа событий в черенковской 7-астрономии 89 Ш.2.2 Многомерный критерий отбора гамма-ливней .... 93
Результаты обработки экспериментальных данных ГТ-48 94
О некоторых возможностях стереовидения системы из нескольких телескопов, регистрирующих угловое распределение черепковского излучения атмосферных ливней 109
111.3 Метод восстановления первичных параметров событий в
водном черепковском телескопе типа SuperKamiokande . . ИЗ
111.3.1 Метод обработки черепковских образов коллабора-
ции SK ИЗ
Постановка задачи определения предельных разрешений 114
Статистическое моделирование 116
Процедуры восстановления первичных параметров событий 117
IV Статистическое моделирование эмульсионных камер 132
IV. 1 Общая схема моделирования эмульсионной камеры .... 136
IV.2 Расширение возможностей пакета GEANT3.21 137
IV.2.1 Моделирование ядерного взаимодействия 139
IV.2.2 Учет эффекта Ландау-Померанчука-Мигдала при
моделировании электромагнитных процессов .... 142
IV.2.3 Тестирование программного комплекса 144
IV.3 Программный комплекс ECSim для моделирования эмуль
сионных камер RUNJOB 147
Основные результаты 151
Приложения 153
А Моделирование работы гамма-телескопа ГТ-48 154
АЛ Конструкция телескопа ГТ-48 154
А.2 Моделирование искусственных событий и получение их че-
ренковских образов в гамма-телескопе ГТ-48 КрАО .... 155
А.З Зависимость эффективности регистрации гамма-событий
от угла наклона оси ливня относительно оптической оси
телескопа 158
А.4 Обработка искусственных черепковских образов и сравне
ние с экспериментальными данными 162
Б Российско-японский баллонный эксперимент RUN JOB 167
Благодарности 169
Литература 170
Введение к работе
Физика космических лучей в наши дни постепенно вступает в пору зрелости. Однако, многообразие и сложность взаимосвязей явлений в космофизике и физике космических лучей обусловливают большие неопределенности экспериментальных результатов. Во многих вопросах наши знания до сих пор остаются качественными, а иногда эксперимент не позволяет даже качественно установить причину явления.
Уточнение знаний требует создания все более сложных моделей объектов и явлений. Важно также хорошо знать свойства используемых инструментов. В качестве таковых в физике космических лучей часто выступают природные объекты (Земля, магнитосфера, атмосфера и т.д.), более или менее изученные другими науками, или явления, известные из других областей физики (например, черепковское излучение). Необходимость уточнения знаний о явлении обычно означает переход к изучению более дифференциальных его характеристик. Это ведет к усложнению детекторов, а часто и к созданию целых сетей детекторов, одновременно ведущих наблюдения. Это, в свою очередь, требует создания более дифференциальных (многомерных) моделей явления для обработки эксперимента и уточнения их по результатам этой обработки. Возникает также необходимость использовать многомерные подходы к обработке экспериментальных данных, позволяющие учитывать корреляции между измерениями разных частей детектора и строить адекватные критерии отбора событий.
Применяемые в космических лучах математические методы отличаются большим разнообразием, они включают аналитические и численные методы, методы статистического моделирования и гибридные методы, являющиеся комбинацией всех прочих. По мере усложнения задач аналитические методы отходят на второй план и используются преиму-щестенно как часть гибридных методов. Детерминированные численные
методы как самостоятельно, так и в составе гибридных методов, численные методы статистического моделирования, или методы Монте-Карло, находят все более широкое применение, поскольку позволяют наиболее естественно учитывать большое количество разнообразных факторов и случайных процессов и получать ответ в форме, близкой к эксперименту. Гибридные методы обречены на долгую жизнь, так как они применяются в тех случаях, когда вычислительные возможности не позволяют применить для моделирования сложного случайного процесса методы Монте-Карло в чистом виде. Это, например, происходит при моделировании широких атмосферных ливней (ШАЛ) с энергиями выше 1017 эВ в четырех измерениях.
Тенденция к увеличению размерности моделей в значительной мере стимулирует переход от аналитических методов к статистическому моделированию, а там, где это невозможно, — к гибридным методам. Настоящая работа демонстрирует некоторые подходы к развитию экспериментальных методов исследования в космических лучах на основе развития многомерных моделей явлений и процесса их регистрации.
Диссертация посвящена разработке методов расчета многомерных характеристик каскадов от космических лучей, развивающихся в различных средах, и их использованию для совершенствования экспериментальных методов. В работе рассмотрены различные расчетные схемы для пространственных, пространственно-временных, угловых и пространственно-угловых распределений ливневых частиц, черенковского света, радиоизлучения от каскадов в атмосфере, воде и плотных средах. С помощью этих схем развиты методы обработки данных для ряда экспериментов (ТАКТ на ТШВНС ФИАН, ГТ-48 в КрАО, RUNJOB), позволившие получить физические результаты.
Актуальность темы
Необходимость уточнения знаний о явлениях в космических лучах приводят к изучению все более дифференциальных характеристик этих явлений. Это ведет к существенному усложнению детекторов, а часто и к созданию целых сетей детекторов, на которых одновременно ведутся наблюдения, и требует создания более дифференциальных (многомерных) моделей явлений, которые используются для интерпретации эксперимента. Возникает также необходимость разработки многомерных подходов,
позволяющих учитывать корреляции между результатами разных измерений и строить адекватные критерии отбора событий.
Значительная часть измерений в физике космических лучей опосредована случайными процессами каскадного размножения частиц. Для интерпретации результатов таких измерений необходимо рассчитывать характеристики каскадных процессов, в том числе, характеристики индивидуальных событий. Последние естественно получать путем статистического моделирования случайных процессов. Однако, для событий, вызванных космическим излучением сверхвысоких и предельно высоких энергий это невозможно из-за ограниченных возможностей вычислительной техники. В этом случае на первый план выходят гибридные методы, сочетающие экономичность аналитических и детерминированных численных методов с детальностью статистического моделирования. Соотношение тех или иных методов в рамках создаваемой гибридной схемы существенно зависит от конкретной экспериментальной задачи. Вместе с тем, гибридные схемы, разработанные для одного эксперимента, обычно удается применить для других.
Таким образом, создание многомерных моделей каскадных процессов и разработка методов их построения является актуальной задачей физики космических лучей. В частности, только детальное исследование свойств углового распределения черепковского света от электронно-фотонных и ядерно-электромагнитных воздушных каскадов привело к созданию и быстрому развитию черенковской гамма-астрономии очень высоких энергий; детальный учет пространственно-углового распределения света в водных телескопах позоляет надежно отличать электронные события от мюонных; только раздельное изучение характеристик каскадных электронов и позитронов дает возможность получить макроскопическую модель радиоизлучения ШАЛ, пригодную для интерпретации эксперимента; трехмерное статистическое моделирование прохождения космического излучения через эмульсионную камеру позволяет развивать методы определения энергии событий и оценивать их точность.
Цель работы
Целью работы является дальнейшее развитие методов каскадной теории ливней для современных экспериментальных задач физики космических лучей, разработка многомерных моделей для каскадов в различных средах (атмосфере, воде и плотных слоистых средах) и создание паке-
тов программ для моделирования откликов детекторов и восстановления первичных характеристик событий.
Новизна основных результатов
В диссертации
Впервые в рамках предложенного автором общего подхода к расчетам средних пространственных, пространственно-временных, угловых и пространственно-угловых характеристик черепковского излучения электронно-фотонных и электронно-ядерных атмосферных ливней, основанного на модели среднего пространственно-углового распределения каскадных электронов и применимого для расстояний 0 < R < 1000 м от оси ливня до детектора и первичных энергий выше 1 ГэВ получены многомерные характеристики черепковского света от ЭФК и ЯЭК в широких диапазонах расстояний и энергий.
Анализ информативности формы импульса черенковского излучения ШАЛ для расстояний 0 < R < 1000 м от оси ливня впервые позволил установить характерные диапазоны R, в которых возможно изучение продольного развития ШАЛ.
Разработана эффективная гибридная схема для расчета пространственно-временных характеристик черенковского света индивидуальных ШАЛ в области сверхвысоких и предельно высоких энергий, воспроизводящая основные флуктуации. С использованием этой схемы получены банки искусственных событий и разработаны методы анализа данных эксперимента ТАКТ.
Впервые построена модель функции пространственно-углового распределения черенковского света ШАЛ, в которой может быть учтено влияние геомагнитного поля. Оценена верхняя граница влияния геомагнитного ноля на пространственное распределение черенковского света.
Разработана новая оригинальная методика обработки угловых черепковских образов атмосферных ливней для гамма-астрономии очень высоких энергий (Е1 ~ 1 ТэВ), использующая многомерный критерий отбора гамма-ливней и анализ параметров черепковских пятен в двух телескопах и позволяющая повысить достоверность регистрации гамма-излучения в 2-3 раза.
На основании статистического моделирования электронных и мюон-ных событий в водном объеме черенковского телескопа, аналогичного по параметрам телескопу SuperKamiokande, были построены реалистичные модели событий и основанные на этих моделях оригинальные алгоритмы определения типа и геометрии событий. Оценены верхние границы разрешений но энергии, типу, направлению и координатам точки зарождения заряженной частицы.
Расширены функциональные возможности пакета GEANT3.21: введена возможность использования сечений Ландау-Померанчука-Мигдала в электронно-фотонных взаимодействиях, для моделирования взаимодействия адронов при энергиях выше 80 ГэВ/нуклон добавлена модель QGSJET, что позволяет решать с его помощью широкий спектр задач экспериментальной физики космических лучей высоких и сверхвысоких энергий. Создан комплекс программ ECSim для статистического моделирования каскадов от частиц высоких и сверхвысоких энергий в слоистых детекторах типа рентгеноэмульсионных камер. Проведен анализ эффективности и энергетической точности эксперимента RUNJOB.
Научная и практическая ценность работы
В диссертации
представлена новая информация о характеристиках черенковского света от атмосферных ливней высоких, сверхвысоких и ультравысоких энергий, данные о средних характеристиках и флуктуациях пространственных, пространственно-временных и угловых распределений, а также модель средней функции пространственно-углового распределения света, которая с учитывает влияние геомагнитного поля;
приводятся новые данные о функции углового распределения радиоизлучения ШАЛ высоких энергий;
даны новые сведения об угловых характеристиках черенковского света от электронных и мюонных событий с энергией ~1 ГэВ в водном че-ренковском телескопе;
изложен новый общий подход к построению критериев определения типа первичной частицы, примененный к задачам черепковской гамма-астрономии и анализу событий в водном черепковском телескопе;
представлено описание и результаты работы нового варианта пакета GEANT3.21 с расширенными возможностями для моделирования процессов в детекторах космических лучей при сверхвысоких энергиях, а
также созданного на его основе пакета ECSim для моделирования работы плотных многослойных детекторов типа эмульсионных камер.
Модели и методы, изложенные в диссертации, были использованы:
для анализа данных черенковского телескопа ТШВНС ФИАН;
для анализа данных черенковского гамма-телескопа ГТ-48 КрАО;
для получения и обработки экспериментальных данных в эксперименте ТАКТ (НИИЯФ МГУ и ФИАН);
для анализа данных и модернизации экспериментальной методики российско-японского баллонного эксперимента RUNJOB (НИИЯФ МГУ, ФИАН, Aoyama Gakuin, Hirosaki University);
для планирования орбитального эксперимента ПАС (ФИАН, НИИЯФ МГУ);
для анализа результатов измерений ионизационного калориметра ТШВНС ФИАН.
Достоверность результатов
Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием адекватных численных методов и надежных входных данных и подтверждается
а) хорошим согласием расчетных данных с результатами расчетов, име
ющихся в работах других авторов;
б) согласием результатов анализа экспериментальных данных, получен
ных с использованием предложенных автором моделей, с результатами
других экспериментов.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
Новый общий подход к расчетам средних характеристик черенковского излучения электронно-фотонных и ядерных атмосферных ливней, основанный на модели среднего пространственно-углового распределения каскадных электронов и применимый для расстояний 0 < R < 1000 м от оси ливня в области энергий выше 1 ГэВ.
Новый анализ информативности формы импульса черенковского излучения ШАЛ, который показывает, что в диапазонах малых (R<100 м) и больших (R>200 м) расстояниях форма импульса черенковского излучения позволяет изучать продольное развитие ШАЛ. Неопределенности связи глубины излучения и временной задержки черепковских фо-
тонов минимальны для малых расстояний.
Новый общий подход к построению гибридных схем для расчета формы импульса черепковского излучения от индивидуальных ШАЛ сверхвысоких и предельно высоких энергий. Реализация в рамках этого подхода гибридной схемы для моделирования телескопа ТАКТ. Адекватная пространственно-временная модель черепковского света ШАЛ для гамма-телескопа ТАКТ, позволившая провести обработку экспериментальных данных.
Модель пространственно-углового распределения черенковского света ШАЛ и гибридный метод оценки скорости счета черенковского телескопа с учетом влияния геомагнитного поля. Оценки максимального эффекта геомагнитного поля на скорость счета телескопа в зависимости от его ориентации по отношению к магнитному полю Земли.
Новая методика обработки черепковских образов атмосферных ливней, использующая многомерный критерий отбора гамма-ливней и анализ параметров черепковских пятен в двух телескопах, что позволяет повысить достоверность регистрации гамма-излучения в 2-3 раза, и ее применение к экспериментальным данным телескопа ГТ-48 КрАО по Крабовидной туманности и блазару Мк 501.
Модели событий в водном черепковском телескопе, аналогичном по параметрам телескопу SuperKamiokande, и основанные на этих моделях оригинальные алгоритмы определения типа и геометрии событий, позволившие дать независимые верхние оценки точности восстановления энергии, типа, направления и положения точки генерации заряженных частиц.
Модернизация пакета GEANT3.21, дающая возможности учета эффекта Ландау-Померанчука-Мигдала и расчета ядерных взаимодействий при энергиях выше 80 ГэВ/нуклон по модели QGSJET. Это позволяет решать широкий спектр задач экспериментальной физики космических лучей высоких и сверхвысоких энергий. Комплекс программ ECSim для статистического моделирования каскадов от частиц высокой и сверхвысокой энергии в слоистых детекторах рентгеноэмульсионных камер, полученные с его помощью данные об эффективности и точности определения энергии в эксперименте RUNJOB.
Личный вклад автора
Диссертация является результатом многолетних исследований, проводимых в лаборатории теории электронно-фотонных ливней НИИЯФ МГУ при определяющем участии автора. Общий подход к расчетам средних характеристик черепковского света ШАЛ был развит автором, гибридные схемы были созданы при определяющем участии или под руководством автора. Пакеты программ были разработаны автором или под его руководством. Большая часть публикаций по теме диссертации подготовлена и написана автором.
Апробации и публикации
Основные результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по космическим лучам с 1979 г. по 2003 г., в том числе автором в 1987, 1995 и 2001 годах; на Всесоюзных (Всероссийских) конференциях по космическим лучам с 1984 г. по 2004 г.; на Международном симпозиуме по взаимодействиям космических лучей высокой энергии в 1988 г., на Рабочем совещании по гамма-астрономии очень высоких энергий в 1989 г., на Рабочем совещании по каскадной теории в Японии в 1993 г., на семинарах НИИЯФ МГУ, ФИАН, ИЯИ РАН, ряда японских университетов (Кинки, Саитама, Васеда, Хиросаки).
Теме диссертации посвящено около 80 работ, включая 22 работы в реферируемых журналах.
