ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 1 ФЛУКТУАЦИИ в развитии ливней и оценки энергии и состава частиц первичного космического излучения Л.Г. Деденко

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 2 Г.Т. Зацепин, Роль флуктуаций в развитии атмосферных ливней. Труды 6-ой Международной конференции по космическим лучам. М. Изд-во АН СССР. Т. 2. Стр Разработана теория флуктуаций ливней. Предсказано, что при отборе ливней по полному числу частиц первичная частица «проскакивает» первую половину атмосферы с числом столкновений меньше среднего, а вторую – с числом больше среднего.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 3

4

5

6 Якутская установка 1) сцинтилляционные детекторы на поверхности грунта (SD) 2) детекторы излучения Вавилова- Черенкова (VCR) 3) подземные сцинтилляционные детекторы (UD) (пороговая энергия E μ ~1 GeV).

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 7 Отклики детекторов Различные частицы ШАЛ на уровне наблюдения попадают в детекторы и вызывают отклики этих детекторов (SD), (VCR)

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 8 Отклики в подземных детекторах Мюоны и гамма проникают сквозь толщу грунта h, генерируют каскады в грунте и приводят к откликам в подземных детекторах (UD) (E μ ~1 GeV).

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 9 Для оценки энергии E используется сигнал s(600) энергия, выделенная в детекторе на расстоянии 600 м от оси в вертикальных ливнях

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 10 Стандартный метод 1. Для оценки s(600) в вертикальных ШАЛ по данным в наклонных ШАЛ используется the CIC method 2. Сигнал s(600) в вертикальных ШАЛ калибруется по излучению Вавилова-Черенкова 3. Результат калибровки E=4.6·10 17 · s(600), эВ

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 11 Метод установки AGASA 1. Используется the CIC method для оценки сигнала s(600) в вертикальных ливнях по данным для наклонных. 2. Расчеты сигнала s(600) для вертикальных ШАЛ с энергией E: 3. Результат расчета E=3·10 17 ·s(600), эВ L.G. Dedenko et al., Phys. of Atom. Nucl., 2007, vol. 70, No 1, pp

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 12 Спектры Энергетические спектры для этих оценок энергии различны

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 13 точки Якутск, звезды AUGER кружки Якутск методом AGASA

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 14 The CIC method The constant intensity cut (CIC) method: Данные Якутска: λ~ 458 g/cm 2 Расчеты: λ~ 340 g/cm 2

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 15 Старый подход 1. Один параметр (число частиц, затем плотность частиц на некотором расстоянии от оси ливня по предложению Хилласа) – для быстрых оценок по средним значениям. (Якутск, AGASA, AUGER, TA)

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 16 Новый подход-учет флуктуаций В каждом индивидуальном ливне НЕИЗВЕСТНЫ 1) энергия E ШАЛ, 2) атомный номер А частицы первичного космического излучения, генерировавшей этот ливень, 3) параметры модели, 4) параметры конкретного развития ШАЛ в атмосфере и направление прихода и координаты оси ливня.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 17 Новый подход 2. Показания (амплитуды и временные сигналы) ВСЕХ детекторов в каждом индивидуальном ливне следует использовать для количественных оценок энергии E и атомного номера А частицы первичного космического излучения, генерировавшей ШАЛ, а также углов направления прихода и координат оси ливня.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 18 Новый подход ЗАДАЧА: для каждого индивидуального ливня найти наилучшие оценки 1) энергии E, 2) атомного номера А, 3) параметров модели, 4) углов направления прихода и координат оси ШАЛ 5) «угадать», как развивался ливень в атмосфере

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 19 Новый подход МЕТОД: для каждого индивидуального наблюденного ливня сигналы всех сработавших детекторов сравниваются с рассчитанными откликами этих детекторов. Вычисления откликов проводятся с большой статистикой в рамках разных моделей и для разных частиц первичного космического излучения с различными энергиями.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 20 Новый подход Из сравнения данных и расчетных сигналов методом поиска минимума функции χ 2 определяются наилучшие оценки 1) энергии E, 2) атомного номера А, 3) параметров модели, 4) углов направления прихода и координат оси ШАЛ 5) параметров развития ливня в атмосфере

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 21 Вычисления Вычисления развития индивидуальных ливней в атмосфере были проведены с использованием кода CORSIKA в рамках моделей QGSJET2 и Gheisha 2002 (и других) с параметром веса ε=10 -8 (thinning). ЦЕЛЬ: вычислять без весовых коэффициентов (использовать суперкомпьютеры).

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 22 Вычисления Пакет GEANT4 использовался для расчета сигналов в сцинтилляционных детекторах от электронов, позитронов, мюонов и гамма-квантов в каждом индивидуальном ливне.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 23 Модель детектора

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 24 Сигналы в детекторах Сигналы E в МэВ в детекторах как функции 1) энергии E, и 2) зенитного угла θ (cos( θ )) различных падающих частиц приведены на рисунках:

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 25 Электроны

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 26 Позитроны

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 27 Гамма-кванты

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 28 Мюоны

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 29 Минимум функции χ2 Показания всех сцинтилляционных детекторов сравнивались с расчетной матрицей сигналов (201*201, 5*5 км 2, ячейка 25*25 м 2 ), искался минимум функции χ2 в квадрате со стороной 400 м с центром, определенным экспериментально, с шагом 1 м.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 30 Минимум функции χ2 Матрица сигналов рассчитывалась для энергии E 0 =10 20 эВ (проверка для E 0 =2*10 20 эВ) и умножалась на коэффициент C, который изменялся от 0.1 до 4.5 с шагом 0.1 (45 значений). Предположение: энергия E и сигнал s(r) при небольших изменениях энергии пропорциональны: E~s(r) L.G. Dedenko et al., JETP Letters, 2009, vol.90, No 11, pp

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 31 Минимум функции χ2 Новая оценка энергии E =C·E 0, эВ C из минимума функции χ2

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 32 Число матриц Всего получено (без учета проверок): 16*45=720 оценок энергии для ливней от p и ядер He, O и Fe. для набора из 31 сигнала от одного наблюденного гигантского ливня.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 33 Наилучшие оценки 10**20 eV ядра s(600,Θ) C=E/10**20 eV x, m y, m min χ 2 1 P He O Fe Якутск

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 34 Результаты Новые оценки энергии E гигантского ливня наблюденного в Якутске в рамках моделей QGSJET2 и Gheisha 2002: E2.·10 20 эВ для первичных протонов и E1.7·10 20 eV для ядер железа

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 35 Результаты Получены НОВЫЕ значения координат оси ливня

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 36 Результаты Оценки энергии минимальны для ядер железа и лежат в интервале ( )· эВ для значений χ 1 2 ~ 1.1

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 37 Результаты Для протонов и ядер гелия оценки энергии максимальны и лежат в интервале (1.82.4)·10 20 эВ для значений χ 1 2 ~ 0.9

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 38 Результаты Для ядер кислорода оценки энергии лежат в интервале (1.82)·10 20 эВ, промежуточном между интервалами для протонов и ядер железа, для значений χ 1 2 ~ 0.95

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 39 Результаты Зависимость χ 1 2 от коэффициента C=E/(10 20 eV)

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 40 протоны

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 41 Ядра He

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 42 Ядра O

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 43 Ядра Fe

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 44 Надежность измерений Время сбора частиц в детекторе τ=2000 нс (возможно, 3000 нс)

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 45 Доля сигнала, измеренного за время τ: m, m, m, m

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 46 Энергетический спектр Данные HiRes используются для построения энергетических спектров 1) Базового спектра как продолжение HiRes в область y>17. J b (E)= A·(E) -3.25, 2) Спектра по данным HiRes до y=20.01 и далее как продолжение J b (E) J r (E)

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 47 Энергетический спектр Новая переменная y=lgE 4 интервала по y i (i=1, 2, 3 and 4) 1) 17.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 48 Спектр J r (E) по данным HiRes J 1 (E)=A·(E) -3.25, J 2 (E)=C·(E) -2.81, J 3 (E)=D·(E) -5.1, J 4 (E)=J 1 (E)=A·(E) Постоянные C и D выражаются через A (используются равенства спектров J r (E) в граничных точках).

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 49 Спектр J b (E) J b (E) = J 1 (E)=A·(E) L.G. Dedenko et al., Phys. of Atom. Nucl., 2010, vol. 73, No12, pp

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 50 Спектр Относительный спектр z i lgz i =lg(J i (E)/J 1 (E)), i=1, 2, 3, 4.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 51 Спектр Данные по наблюденным спектрам J(E) относительно J b (E) lg z=lg (J(E)/J b (E)) В сравнении со спектром J r (E).

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 52 HiRes

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 53 AUGER

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 54 AGASA

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 55 Якутск

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 56 TA

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 57 Tibet, Тунка-25, Cascade-Grande

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 58 Сигнал Е в подземном детекторе на глубине h = 2.5 м: о– 0 о,звездочки – 45 о, сплошная – 10.5 МэВ, пунктир – МэВ.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 59 Флуктуации сигнала Е на глубине h = 3.2 м a – Е μ = 1.05 ГэВ, b – Е μ = 1.5 ГэВ, c – Е μ = 10 ГэВ.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 60

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 61

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 62

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 63

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 64

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 65

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 66

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 67

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 68

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 69 Выводы Для получения корректных оценок энергии и атомного номера частицы первичного космического излучения, генерировавшей ливень, необходимо учитывать ФЛУКТУАЦИИ в РАЗВИТИИ ШАЛ. Необходимы большие детекторы для измерений и суперкомпьютеры для интерпретации сигналов.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 70 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ Thank you for attention

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 71

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 72

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 73

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 74

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 75

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 76

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 77

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 78

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 79

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 80

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 81 Study of the chemical composition Muon density for the primary protons with the energy E: ρ μ (600)=a·E b b

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 82 Study of the chemical composition Muon density for the primary nuclei with atomic number A ρ μ (600)=a·A c ·E b c>0 (c=1-b) QGSJET2: b=0.895, c=0.105 For Fe: A =1.53

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 83 Study of the chemical composition QGSJET2: Signal in SD s(600)=E·(E/3·10 17 eV) Signal in UD k·E·ρ μ (600) Coefficient k=1.3 Average signal E=10.5 MeV

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 84 Study of the chemical composition Muon fraction at 600 m: α=k·E·ρ μ (600)/s(600) Coefficient k=1.3 takes into account the difference in the threshold energies and signals in UD

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 85 Signal Е in underground muon detectors for deph h = 2.5 m: о– 0о, stars– 45о,solid – 10.5 МeV,dashed – МeV.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 86 Mean signal Е in underground muon detectors from gammas with various energies for deph h : – h = 2.3 м, – h = 3.2 м.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 87 Signal Е distributions in underground muon detectors from gammas for deph h =2.3 m: a – Е γ = 5 GeV, b – Е γ = 10 GeV.

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 88 Composition: solid-p, dashed-Fe, points-data

ЗАЦЕПИНСКИЕ ЧТЕНИЯ МОСКВА 89