Введение к работе
Актуальность проблемы. Космическое излучение высокой энергии, регистрируемое в районе Солнечной системы, позволяет решить фундаментальные задачи астрофизики высоких энергий и физики космических лучей, связанные с изучением свойств различных физических объектов -источников частиц и излучения, исследованием процессов ускорения космических лучей, а также процессов прохождения космического излучения через вещество, магнитное поле и электромагнитное излучение Галактики и Метагалактики.
Для определения энергетического спектра и массового состава первичного космического излучения (ПКИ) были построены и -эксплуатируются (или эксплуатировались) комплексные установки МГУ. ФІІ РАН. ІІКФ1ІА СО РАН, Haverah Park, AGASA и др. Для изучения свойств ПКИ предельно высокой энергии (Е > 1017 эВ) разрабатываются крупномасштабные проекты ШАЛ-1000, Auger Project, HighRes Fly's Eye. Разминаются и совершенствуются методы детектирования космических нейтрино высокой энергии (проекты НТ-200, AMANDA).
Бурное развитие переживает в настоящее время атмосферная черепковская 7-астрономия сверхвысокой энергии (7 = Ю11 -г Ш14 эВ). В последние годы коллаборациями, использующими атмосферные черепковские 7-телескопы, регистрирующие двумерный черепковский образ ливня1, (ША-ЛОН, Whipple Observatory, HEGRA, CAT, CANGOROO, КрАО УАН и некоторые другие), зарегистрирован ряд источников 7-излучения как галактического, так и внегалактического происхождения. Коллаборацией HEGRA введена в эксплуатацию первая в мире система АЧТ. Опыт эксплуатации этой системы показал ее высокую эффективность. Это стимулировало разработку следующего поколения систем АЧТ (проекты VERITAS, HESS, CANGOROO-III).
Все отмеченные выше эксперименты по изучению потоков космических частиц высоких энергий базируются на регистрации каскадов вторичных частиц, инициированных первичной частицей в атмосфере (воде, грунте) и (или) детекторах установки. Для анализа результатов наблюдений этих экспериментов необходима теоретическая информация о многомерных характеристиках электронно-фотонных и ядерных каскадов. Подтверждением этому служат многочисленные работы, посвященные анализу данных (либо проектированию) перечисленных выше экспериментов.
'Далее по тексту: АЧТ - атмосферные черепковские телескопы
Характеристики каскадных процессов, полученные путем решения каскадных уравнений аналитическими и численными методами в приближенной модели каскада, не соответствуют потребностям современного эксперимента. Подходом, позволяющим в полной мере учесть процессы рождения и переноса каскадных частиц, а также их взаимодействия с элементами установки, является метод Монте-Карло. Однако в имитационном методе Монте-Карло трудоемкость вычислений быстро (почти линейно) увеличивается с ростом энергии каскада, что сильно оірапичинает его применение для целей современных астрофизических экспсрпмощсж, где число вторичных частиц в регистрируемых каскадах может превышать десятки миллионов.
Вследствие этого представляются актуальными ра «работка специальных схем метода Монте-Карло, позволяющих снизить трудоемкость вычислений при моделировании каскадных процессов с большим числом вторичных частиц, теоретические исследования многомерных характеристик электронно-фотонных и ядерных каскадов, а также разработка подходов, позволяющих повысить эффективность наблюдений и точность извлечения из наблюдательных данных астрофизической информации.
Целью работы являются: разработка специальных подходов, позволяющих снизить трудоемкость вычислений при моделировании каскадных процессов с большим числом вторичных частиц; детальный анализ многомерных характеристик электронно-фотонных каскадов (ЭФК) сверхвысокой энергии; теоретическое исследование свойств атмосферных черепковских телескопов с целью повышения эффективности их фунциониро-вания; анализ возможностей применения систем АЧТ для регистрации космического 7-излучения в мульти-ТэВной области первичных энергий (> 10 ТэВ); исследование возможностей применения систем АЧТ для изучения массового состава ПКИ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработанный в работе полуаналитический метод Монте-Карло является новым подходом к расчету многомерных характеристик каскадных процессов с большим числом вторичных частиц. По сравнению с другими специальными схемами метода Монте-Карло, предназначенными для моделирования каскадов с большим числом частиц, этот метод обеспечивает низкую трудоемкость вычислений, слабо (логарифмически) зависящую от первичной энергии.
-
Практическая реализация по.іуаназитичесного метода Монте-Карло для расчета характеристик электронно-фотонных каскадов (ЭФК) содержит такие новые элементы, как вывод системы сопряженных каскадных уравнений для дифференциальных плотностей "воображаемого" источника низкоэнергетических частиц, решение этих уравнений аналитическими и численными методами.
-
Для компьютерного кода "Алтай" новыми элементами являются ускорение вычислений за счет исполь зонания специального набора распределений многократного рассеяния электронов, выведенных и табулированных в наших работах, корректный и, в то же время, экономичный способ учета флуктуации в числе регистрируемых черепковских фотонов, а также моделирование процессов регистрации черепковского света атмосферным *)-те.'іескопом с учетом его конструктивных особенностей.
-
Впервые теоретические данные о многомерных характеристиках ЭФК с первичной энергией (102-г 10' ГэГЗ) в неоднородных средах получены без использования приближения малых углов, с учетом рассеяния каскадных частиц во всех элементарных процессах и взаимодействий частиц с детектором.
-
Впервые доказана возможность эффективной режекции фона космических лучей на атмосферных черепковских 7-телескопах по величине флуктуации характеристик черепковского излучения.
-
Вычисления, произведенные с использованием банков случайных реализаций черепковских образов ШАЛ, впервые позволили произвести количественный анализ точности определения энергии 7-ливней на АЧТ.
-
Предложен новый подход к оптимизации рабочих параметров многоканальной камеры АЧТ, основанный на принципе минимальности искажения черепковских образов ШАЛ, инициированных 7-квантами, за счет конечного углового разрешения и ограниченности угла зрения многоканальной камеры.
-
Предложен новый тип систем АЧТ, предназначенный для регистрации космического 7-излучения с энергией Е > 10 ТэВ и обеспечивающий, по сравнению с традиционными системами АЧТ (HEGRA, HESS. VER-
ITAS), существенно более высокую (в десятки и более раз) скорость счета 7-ливней.
9. Предложен новый метод исследования массового состава ПКИ в области энергий Е > 1 ТэВ/ядро, основанный на анализе черепковских образов атмосферных ливней, регистрируемых системой АЧТ, позволяющий использовать обширные банки фоновых событий, накопленные в-7-астрономических наблюдениях (десятки миллионов событий), и обеспечивающий, но сравнению со спутниковыми и бапоннымн экспериментами, существенно лучшую (в 103 и более раз) статистику измерений.
Вклад автора. Постановка проблем, разработка теоретических подходов и их реализация для решения конкретных задач произведены автором диссертации. Ему же принадлежит ведущая роль в написании совместных работ. Существенная помощь в анализе проблем, связанных с черепковской 'у-ястрономиеМ, была оказана автору лидером группы АЧТ колла-борации HEGRA проф. Ф.А.Агароняном. Разработка схемы полуаналитического метода Монте-Карло произведена совместно с К.В.Воробьевым. Анализ расчетных данных по альбедным характеристикам ЭФК выполнен совместно с Л.А.Хейном. Разработка черенковских модулей компьютерных программ, а также обработка экспериментальных данных по протонной компоненте ПКИ были выполнены совместно с А.К.Конопелько; им же написаны некоторые из программных модулей, использованные при обработке экспериментальных данных.
Научная и практическая значимость работы. Разработанные в диссертации расчетные методы дают возможность существенно повысить * эффективность моделирования каскадов с большим числом вторичных частиц. Компьютерные программы, методики извлечения астрофизической информации, а также численные данные о многомерных каскадных характеристиках, представленные в диссертации, получили следующее применение.
1. Подход к оптимизации многоканальной камеры, а также сделанные на его основе выводы об оптимальных значениях параметров многоканальной камеры были использованы при проектировании системы АЧТ коллаборации HEGRA. Методика определения интегрального потока, представленная в диссертации, была применена коллабора-цией HEGRA при анализе ^-излучения Крабовидной туманности, а
методика исследования свойств ПК И - этой же коллаборацией для анализа энергетического спектра протонов.
2. Специализированный компьютерный код "Алтай" с 1991 г. по настоя
щее время используется черепковской группой коллаборации HEGR.A.
Посредством этого кода сформированы обширные банки случайных
реализаций черенковских образов (сотни тысяч событий), на базе
которых рассчитываются физические характеристики системы АЧТ
(эффективные площади регистрации, скорости счета событий, энерге-
. тическое и угловое разрешения, эффективности отбора ливней и т.д.), необходимые для обработки наблюдательных данных.
-
Разработанные компьютерные программы использовались (пли используются) в процессе реализации следующих проектов: спутниковые 7-телескопы высокой энергии Гамм а-1 и Га.мма-400; атмосферный черенковский 7-телескоп ЕрФИ; система АЧТ коллаборации HESS; комплексная установка CASA (США) для регистрации космического 7-излучения ультравысокой энергии.
-
Результаты численных расчетов, представленные в диссертации, использовались в НИИ ЯФ МГУ, ФИ РАН, ИКФИА РАН, НИИ ПФ ИГУ, ЕрФИ, а также в зарубежных научно-исследовательских центрах Великобритании, Франции, Германии, Италии и ряда других стран.
Основные результаты, представленные к защите:
-
Метод расчета многомерных характеристик каскадных процессов с большим числом вторичных частиц - полуаналитический метод Монте-Карло, основанный на использовании аппарата сопряженных каскадных уравнений, сохраняющий такие преимущества имитационного метода Монте-Карло, как последовательный учет многомерной структуры каскадного процесса, возможность точного учета геометрии среды и свойств детекторов, и обеспечивающий низкую трудоемкость вычислений, слабо (логарифмически) зависящую от первичной энергии. Практическая реализация метода для расчетов средних значений многомерных характеристик ЭФК.
-
Результаты расчетов полуаналитическим методом Монте-Карло многомерных характеристик ЭФК (функций пространственного распределения потока электронов, энергопотерь в ецнптнлляторе п потока
энергии, характеристик альбедных фотонов) с энергией до 107 ГэВ в атмосфере и плотных средах, полученные без использования приближения малых углов, с учетом рассеяния частиц во всех элементарных процессах и их взаимодействий с детектором..
-
Вывод о возможности эффективного подавления фона космического излучения на атмосферных черенковских 7-телескопах по различиям в величине флуктуации характеристик черепковского излучения атмосферных ливней, инициированных 7-квантами и частицами ПКИ. Численные данные об эффективности режекции фона космических лучей по величине флуктуации интенсивности света в черепковском образе ШАЛ, флуктуации формы фронта черепковского излучения, а также флуктуации во временном распределении черепковского света.
-
Численные данные об эффективных площадях регистрации и скоростях счета событий АЧТ, результаты анализа зависимости этих величин от энергии и типа первичной частицы (7-квант, протон, ядро), направления прихода ШАЛ, конфигурации многоканальной камеры, а также критериев отбора событий. Метод определения величины интегрального потока источников 7-излучения, основанный на расчетных значениях скоростей счета АЧТ.
-
Результаты теоретических исследований свойств систем АЧТ, состоящих из 7-телескопов с относительно небольшим размером зеркала (до 10 м2), разнесенных на большие расстояния (до 500 м) и оснащенных широкоугольными (до 8 — 9) многоканальными камерами с умеренным размером пиксела (0.3 — 0.5). Вывод о том, что в области энергий Е-у > 10 ТэВ система таких телескопов может обеспечить существенно более высокую, по сравнению с традиционными системами АЧТ (HEGRA, HESS, VERITAS), скорость счета полезных событий (в десятки и более раз), эффективную режекцию фона космических лучей по параметрам формы черенковских образов, хорошие угловое (до нескольких угловых минут) и энергетическое (~ 20%) разрешения.
-
Метод исследования массового состава первичного космического излучения в области энергий Е > 1 Тэв/ядро, основанный на анализе черенковских образов атмосферных ливней, регистрируемых системой АЧТ, позволяющий использовать обширные банки фоновых событий, накопленные в 7-астрономических наблюдениях (десятки миллионов
событий), и обеспечивающий, по сравнению с баллонными и спутниковыми экспериментами, существенно лучшую (в 103 и более раз) статистику результатов измерений. Численные данные об эффективности разделения различных групп ядер с помощью системы АЧТ, вывод о высокой эффективности такого разделения. Оценки интегрального потока протонной" компоненты ПКИ с энергией Е > 1,5 ТэВ и показателя дифференциального энергетического спектра протонов в области энергий около ~2 ТэВ, основанные на применении метода к результатам наблюдений коллаборации HEGRA.
Апробация работы. Результаты проведенных в диссертации исследований представлены на 11 Международных (1977-1997), 3 Европейских и 6 Всесоюзных (Всероссийских) конференциях но космическим лучам, 2 Международных семинарах по 7-астрономии сверхвысокой энергии (1989, 1993), 2 Международных симпозиумах по взаимодействиям космических лучей сверхвысокой энергии (1987, 199G), 4 Всесоюзных совещаниях по методу Монте-Карло и 4 Всесоюзных конференциях по защите от ионизирующих излучений ядорнотехнических установок. Эти результаты докладывались на научных семинарах в НИИ ЯФ МГУ, ФИ РАН, ИКИ РАН, НИИ ПФ ИГУ. НИИ космической физики (Милан), Центре ядерных исследований (Карлсруэ, Германия), Астрофизической обсерватории им.Уиппла (Туссон. США), а также многократно на рабочих совещаниях атмосферной черепковской группы коллаборации HEGRA (Киль, Гейдельберг, 1991-2000).
Публикации. По результатам исследований опубликовано около 100 научных работ, вышедших в отечественных и зарубежных журналах, трудах международных и российских конференций, а также препринтах ведущих научных центров. Основные из них представлены в конце автореферата.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Она содержит 198 страниц текста. 49 рисунков, 43 таблицы. Библиография содержит 192 наименования.
