Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы наблюдается рост интереса к черепковскому излучению (ЧИ) атмосферных ливней как источнику информации о характеристиках атмосферного каскада в широком диапазоне первичных энергий 10й — 1017эВ.
Многочисленные экспериментальные установки, изучающие атмосферные каскады по характерному ЧИ, регистрируют как интегральные (функцию пространственного излучения (ФПР) и полный поток черепковского света), так и дифференциальные характеристики черепковского света атмосферного ливня — временные и угловые: световой фронт, импульс (временная развертка черенковского сигнала), распеределение излучения по угловому полю зрения черенковского телескопа.
Постановка эксперимента и обработка данных требуют детального моделирования процессов развития каскадов и его регистрации.
В настоящей работе описываются два различных способа моделирования черепковских откликов от атмосферных ливней с энергиями Е„ > 1012эВ применительно к двум типам гамма-астрономических установок: временной — TACT [6] и угловой — ГТ-48 КрАО [7], приводятся результаты обработки экспериментальных данных.
Установка TACT представляет собой шесть однотипных оптических детекторов, состоящих из параболического зеркала площадью 1.8 м2 с ФЭУ в фокусе, расположенных вершинах шестиугольника с диаметром описанной окружности 230. м на высоте 3200 м над уровнем моря (Тянь-Шань). Каждый детектор обозревает конус диаметром 6", оси конусов параллельны. Сигнал от каждого ФЭУ поступает на два канала: быстрый и интегральный. Первый определяет момент превышения импульсом черенковского света уровня 50 % от амплитуды, тем самым фиксируя время прихода светового фронта в данный детектор. Второй, для данного детектора, интегрирует по времени импульс черенковского света.
Соответственно, для моделирования работы и обработки данных установки TACT необходимо было получить индивидуальные импульсы ЧИ от ливней различной природы и широкого диапазона первичных энергий 1012 эВ < Е„ < 10IG эВ. Моделирование индивидуальных временных откликов было проведено на основе гибридной схемы, сохраняющей основные флуктуации [8, 9, 10], которая состоит из трех самостоятельных частей:
а) моделирование каскада от гамма-кванта или ядра, дающее функ
цию источника вторичных высокоэнергичных гамма-квантов и элек
тронов, т.е. их распределение по энергии, глубине зарождения, ко
ординатам и направлению",
б) вычисление многомерной матрицы средних импульсов черенков-
ского света от электронно-фотонных подкаскадов для набора началь
ных параметров (энергии гамма-кванта или электрона, родившего под-
каскад, глубины его зарождения, направления, расстояния от оси под-
каскада до детектора);
в) сопоставление каждой частице из функции источника соответ
ствующего импульса черепковского света с помощью процедуры мно
гомерной интерполяции по упомянутой выше матрице и суммирование
по всем частицам функции источника данного ливня.
Установка ГТ-48 Крымской астрофизической обсерватории состоит из двух идентичных секций, расположенных на расстоянии 20м друг от друга, на высоте 570м над уровнем моря. Площадь зеркал, установленных на каждой из секций — 13.5 м2. В фокусе зеркал установлены связки из 37 ФЭУ, с помощью которых регистрируются изображения черепковских вспышек в атмосфере. Полный угол обзора каждого све-топриемника 3". Основные расчеты индивидуальных угловых черен-ковских откликов, регистрируемых гамма-телескопом ГТ-48, были выполнены полным методом Монте-Карло с помощью программы COR-SIKA [12].
Цель диссертационной работы — рассмотрение дифференциальных характеристик черенковского излучения атмосферных ливней (временных и угловых) с учетом возможностей и целей экспериментальных установок; проверка согласованности трех методик расчета черенков-ских откликов: аналитической, гибридной и полного Монте-Карлов-ского моделирования в широком диапазоне первичных энергий; продемонстрировать возможности предложенных методик анализа экспериментальных данных на примере двух гамма-астрономических установок: временной — TACT и угловой — ГТ-48 КрАО.
Научные результаты и новизна работы. В диссертации впервые:
1. Разработана гибридная схема моделирования индивидуальных импульсов ЧИ от электронно-фотонных и ядерных ливней в диапазоне энергий 1012 — 1016эВ, сохраняющая основные флуктуации изучаемых
характеристик.
-
Для экспериментальной установки TACT рассчитаны: а) средние ФПР ЧИ атмосферных ливней и б) флуктуации ФІІР ЧИ для различных первичных частиц, в) зависимости времени прихода фронта ЧИ атмосферных ливней в детектор T(R) от расстояния R от оси ливня до детектора и г) флуктуации зависимостей T(R) для различных первичных частиц.
-
На основе полученных аппроксимаций ФПР и T(R) ЧИ гамма- и ядерных ливней создана пространственно-временная модель черенков-ского излучения атмосферных ливней, которая была использована для анализа экспериментальных данных установки TACT.
-
С использованием полного Монте-Карловского моделирования, путем сравнения экспериментальных фоновых данных с искусственными событиями, были определены параметры гамма-астрономической установки ГТ-48 КрАО, регистрирующей угловое распределение черепковского излучения ливней: границы чувствительности установки по первичной энергии, направлению и прицельному параметру для гамма- и ядерных ливней.
-
Разработана методика обработки черенковских образов. Создан многомерный критерий отбора гамма-ливней с одновременным анализом параметров черенковских пятен в двух телескопах, позволивший повысить достоверность регистрации гамма-излучения в 2-3 раза. Предложена методика определения интегрального спектра гамма- излучения, использующая возможности многомерного анализа.
-
Обработаны данные наблюдений стабильного источника гамма-излучения в Крабовидной туманности, оценен поток и спектр гамма-излучения в диапазоне энергий 370 - 880 ГэВ. Тем самым доказано, что созданная методика обработки экспериментальных данных и отбора гамма-событий может успешно применяться в гамма-астрономии.
Практическая ценность работы. Разработана гибридная схема расчета индивидуальных импульсов ЧИ для гамма- и ядерных ливней с энергиями 1012 < Е0 < 1016эВ, правильно передающая флуктуации. Диапазон первичных энергий может быть существенно расширен в сторону больших энергий. Пространственно-временная модель ЧИ, созданная на основе расчетов по гибридной схеме, была использована для
обработки данных эксперимента TACT.
Создана процедура обработки экспериментальных данных стереоскопического гамма-телескопа ГТ-48 КрАО, включающая отбор гамма-событий, в 2-3 раза повышающая его чувствительность.
На защиту выносятся:
1. Гибридная схема моделирования индивидуальных импульсов ЧИ
электронно-фотонных и ядерных ливней в диапазоне энергий 1012 -
101СэВ, сохраняющая основные флуктуации изучаемых характеристик.
2. Результаты расчетов средних ФПР Чй ливней и флуктуации
ФПР ЧИ для различных первичных частиц применительно к экспери
ментальной установке TACT.
-
Результаты расчетов зависимостей времен прихода фронта ЧИ в детектор от расстояния от оси ливня до детектора T(R) и флуктуации этих зависимостей.
-
Пространственно-временная модель ЧИ атмосферных ливней, созданная на основе полученных аппроксимаций ФПР и T(R), использованная для анализа экспериментальных данных гамма-астрономической установки TACT.
-
Расчеты и способ обработки черепковских образов, регистрируемых гамма-астрономической установкой ГТ-48 КрАО. Многомерный критерий отбора гамма-ливней с одновременным анализом параметров черенковских пятен в двух телескопах, позволивший повысить достоверность регистрации гамма-излучения в 2-3 раза.
-
Методика определения интегрального спектра гамма-излучения, использующая возможности многомерного анализа.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по космическим лучам (Аделаида, 1990 г., Калгари, 1993 г., Рим, 1995 г., Дурбан, 1997 г., Москва, 1994 г., Дагомыс, 1990 г.), международных симпозиумах по гамма-астрономии (Крым, 1989 г.) и электромагнитным и ядерным каскадам (Рикен, Япония, 1995 г.). По материалам диссертации сделаны доклады в НИ-ИЯФ МГУ, ФИАН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 научных работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы, содержит 47 рисунков и 11 таблиц, список литературы включает 107 наименований. Объем диссертации 139 страниц.
