Исследование космических лучей в области энергий – эВ по группам мюонов ШАЛ А.А.Петрухин от российско-итальянской коллаборации ДЕКОР Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Институт физики межпланетного пространства, Турин, Италия Отделение общей физики Туринского университета, Италия Содержание Сессия-Конференция СЯФ ОФН РАН, ноября Введение (области энергий). 2. Современная ситуация в исследованиях КЛ. 3.Новый метод исследования ШАЛ. 4.Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР. 5.Результаты исследования. 6.Заключение.

Области энергий КЛ (терминология) ТерминЭнергия, эВ В Ц-системе, ТэВ Примечания Высокие (HE) до ~10 15 до ~1,4 (1,8) Ускорители Сверх- высокие (VHE) ~ ~1,8 – 14 LHC, «Колено» Ультра- высокие (UHE) – 140 «Лодыжка» Предельно- высокие (EHE) >10 19 >140 ГЭК предел Данное разделение относительно и имеет технический характер (~ 40 лет назад – сверхвысокие > эВ, сейчас – ультравысокие > эВ) Энергетический спектр: Убывание с энергией:

ШАЛ - единственный источник информации о ПКЛ при энергиях E > эВ. ШАЛ состоит из адронов, мюонов, нейтрино и электромагнитной компоненты (электроны, позитроны и фотоны). ШАЛ сопровождаются различных излучениями (флуоресцентное, черенковское, радио, акустическое). Метод исследования КЛ сверхвысоких энергий

Основные характеристики ШАЛ N ei – число частиц в i -ом детекторе; N – полное число мюонов; E h – энергия ствола в калориметре; X max – высота максимума развития ШАЛ (в г/см 2 ) Определяют природу первичной частицы (протон или ядро)

Определение природы первичной частицы

Основные результаты исследования ШАЛ Основные результаты исследования ШАЛ В области энергий между эВ наблюдаются три особенности в результатах измерений: Энергетический спектр ШАЛ изменяет свой наклон (колено): с до – 3.1 Отношение N / N e начинает увеличиваться. Скорость изменения X max начинает уменьшаться. Два последних результата могут свидетельствовать об утяжелении состава КЛ.

1 частица/м 2 секунда Колено «Лодыжка» ШАЛ 1 частица/ м 2 год 1 частица/ км 2 год 1частица/ км 2 столетие Прямые измерения Энергетический спектр

Особенности энергетического спектра КЛ

Энергетические спектры различных частиц КЛ

Массовый состав заряженной компоненты космических лучей Массовый состав заряженной компоненты космических лучей ЧастицыZ энергия на нуклон энергия на частицу Протоны1192 %40 % – частицы 247 %27 % Легкие ядра3 – 5100,15 %3 % Средние ядра6 – 9140,5 %14 % Тяжелые ядра ,15 %15 % Электроны– 1~ 10 –3 ~ 1 % Энергия на частицу Энергия на нуклон Соотношение между различными ядрами зависит от определения их энергии. Возможны два варианта: Результаты, полученные в области энергий до «колена». 1,5; может меняться от 0 (А=1) до 4 (А=56)

Результаты исследования N Результаты исследования N

Результаты исследования X max

New method of EAS investigations New method of EAS investigations Number of electrons N e (in fact, mixture of charged particles) Number of muons, N Energy deposit of EAS core, E h Cherenkov radiation flux, F ch Fluorescence radiation flux, F f Local muon density, D Muon bundle energy, E New! Old

Inclined EAS detection

μ-EAS transverse section VS zenith angle Number of detected EAS depends on: shower array dimensionsshower dimensions only

Traditional EAS detection technique (E ~ eV) EAS counters (~ 1 m 2 ) ~ 500 m

E ~ eV, θ=80º ~ 10 km Muon detector Local muon density spectra detection technique

Contribution of primary energies at different zenith angles Wide angular interval – very wide range of primary energies !

Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР

General view of NEVOD-DECOR complex Side SM:8.4 m 2 each σ x 1 cm; σ ψ 1° Coordinate-tracking detector DECOR (~115 m 2 ) Cherenkov water detector NEVOD (2000 m 3 )

Направления исследований

A typical muon bundle event in Side DECOR ( 9 muons, 78 degrees) X-projection Y-projection

Muon bundle event (geometry reconstruction)

A record muon bundle event X-projection Y-projection

Muon bundle event (geometry reconstruction)

Results of muon bundle investigations

DECOR data. Muon bundle statistics Muon multiplicity Zenith angle range (*) Live time, (hour) Number of events 330 – – – (*) For zenith angles < 75°, only events in two sectors of azimuth angle (with DECOR shielded by the water tank) are selected.

DECOR data. Distribution in multiplicity

DECOR data. Distribution in zenith angle

Effective primary energy range Lower limit ~ eV (limited by DECOR area). Upper limit ~ eV (limited by statistics).

Comparison with calculations Primary all-particle spectrum: Power type all-particle spectrum with the knee at 4 PeV Below the knee: dN/dE = 5.0 (E, GeV) 2.7 cm -2 s -1 sr -1 GeV -1 ; Above the knee: steepening to ( 1) = 3.1. CORSIKA simulation of 2D muon LDF: CORSIKA – QGSJET 01c + GHEISHA 2002; SIBYLL FLUKA b Primary protons and iron nuclei EMF was taken into account.

Low angles: around the knee θ = 50 º : – eV θ = 65 º : – eV Large angles: around eV

Comparison with other data

Conclusion-1 A new method of EAS investigations, based on local muon density spectrum measurements, allows investigate cosmic ray energy spectrum in very wide interval from to eV and even higher. The following results were obtained: detection of the knee (this can be considered as energy scale calibration), observation of the second knee, some excess of muon bundles in comparison with predictions, which increases with energy.

Мюоны сверхвысоких энергий (> 100 ТэВ)

Baksan underground scintillation telescope

Энергетический спектр мюонов

Hermann Kolanoski, 32nd ICRC, 2011, BeijingIceCube

IceCube Collaboration, 32nd ICRC, 2011, Beijing Candidate shower with a high pT muon. The cosmic ray bundle is on the left and the high p T muon is on the right. Muons in IceCube

Patrick Berghaus, 31st ICRC, 2009, Lodz Muon energy spectrum

Patrick Berghaus, Chen Xu, 32nd ICRC, 2011, Beijing Muon energy spectrum

Заключение 1. Космические лучи и ускорители (вчера, сегодня, завтра). 2. Новая физика в космических лучах: обнаружен избыток мюонов, растущий с энергией, который фактически подтвержден на LHC; по-видимому обнаружен избыток мюонов сверхвысоких энергий, которые могут образовываться только в распадах тяжелых частиц (m ~ 1 ТэВ); Это новая задача для LHC

Благодарю за внимание!