Частицы первичного космического излучения, генерирующие в атмосфере широкие атмосферные ливни с энергией выше эВ. Л.Г. Деденко 1, А.В. Глушков 2, С.П. Кнуренко 2, И.Т. Макаров 2, М.И. Правдин 2, Д.А. Подгрудков 1, И.Е. Слепцов 2, Т.М. Роганова 1, Г.Ф. Федорова 1, Е.Ю. Федунин 1 1 Институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова 2 Институт космофизических исследований и аэрономии имени Ю.Г. Шафера СО РАН

Содержание 1. Введение. 2. Новый метод определения энергии ШАЛ. 2. Представление энергетических спектров частиц ПКИ. 3. Результаты расчета спектра для ЯУ. 4. Выводы.

Введение 1. Энергия E ШАЛ на ЯУ определяется s(600) на основе сигнала : E=a·s(600) a=4.8·10 17 эВ. 2. Моделирование сигнала a=3·10 17 эВ 3. Новый альтернативный метод оценки энергии.

1) Природа (атомный номер А) и 2) энергия Е частицы ПКИ, генерирующей в атмосфере ШАЛ, а также 3) параметры, характеризующие взаимодействие этой частицы с ядрами атомов в атмосфере в области сверхвысоких энергий (модель взаимодействия), неизвестны.

Кроме того, из-за флуктуаций в продольном и поперечном развитии ШАЛ, генерированные даже частицами одного и того же типа и с одной и той же энергией, характеризуется разными пространственными распределениями вторичных частиц ливня, достигших уровня наблюдения. Это приводит к разным распределениям сигналов в детекторах на уровне наблюдения в этих ШАЛ.

Для интерпретации сигналов от каждого наблюденного ливня необходимо иметь набор рассчитанных в рамках разных моделей сигналов от нескольких десятков индивидуальных ливней, генерированных разными частицами с различными энергиями.

Сравнивая сигналы для такой совокупности разыгранных ливней с данными для одного наблюденного ШАЛ, на основе критерия минимума функции χ 2 можно определить наилучшие оценки энергии Е и типа частицы ПКИ, а также наиболее адекватно учесть развитие наблюденного ливня в атмосфере и модель взаимодействия.

Развитие индивидуальных ливней в атмосфере с учетом магнитного поля Земли рассчитывалось с помощью пакета CORSIKA в рамках моделей QGSJET2, GHEISHA 2002d и SIBYLL 2.1 c параметром веса ε=10 -8.

Для вычислений сигналов в наземных сцинтилляционных детекторах от различных частиц ливня, достигших уровня наблюдения, использовался пакет GEANT4. Сначала с помощью этого пакета был рассчитан банк (база данных) сигналов в сцинтилляционных детекторах.

Сигналы рассчитывались от электронов, позитронов и гамма квантов с энергиями в интервале ГэВ и от мюонов с энергиями в интервале ГэВ. Зенитный угол, под которым все эти частицы попадали в детектор, варьировался в интервале 0 60 о. Этот банк использовался для расчета сигналов в детекторе, когда в него попадала частица ливня с известной энергией и углом падения.

Результаты расчета сигнала для электронов (а), позитронов (б), гамма-квантов (в) и мюонов (г).

Площадка в плоскости детекторов размером 5х5 км 2 подразделялась на 201х201 квадратов со стороной 25 м. Пакет CORSIKA позволял рассчитать файл с параметрами частиц в плоскости детекторов для каждого индивидуального ливня, а банк откликов сигналы в каждом из квадратов, которые рассматривались как детекторы.

Энергия E 0 каждой первичной частицы принималась равной экспериментальной величине. Однако при интерпретации данных это значение E 0 и все сигналы s 0i умножались на коэффициент C: E=C·E 0, s i =C·s 0i, где s 0i рассчитанные сигналы для ШАЛ с энергией E 0. Величина коэффициента C варьировалась от 0.1 до 4.5 с шагом 0.1.

Таким образом, предполагалось, что отклики в детекторах пропорциональны энергии ливня в некотором небольшом интервале.

Минимум функции χ 2 искался в квадрате со стороной 400 м с центром в точке положения оси ливня, определенной экспериментально, и шагом 1 м.

В результате получались новые оценки энергии ливня (величина коэффициента C), новые координаты x и y оси ливня и значения самой функции χ 2 1 на одну степень свободы для ШАЛ, генерированных разными первичными частицами (с разными A).

Ядро s(600,Θ) C x, m y, m χ 2 1 P He O Fe Якутск

Зависимость значений функции χ 2 1 на 1 степень свободы от величины коэффициента C для 4 индивидуальных ливней от различных частиц ПКИ: a -- протоны, b -- ядра гелия, c -- ядра кислорода, d -- ядра железа

ОЦЕНКИ ЭНЕРГИИ Энергия, эВ Год Установка J.L. L.S. 1.1 · Якутск 2.4 · AGASA 3.2 · Flys Eye 1.1 · Hi Res 2.· PAO

Аппроксимация спектра J(E)=A·E A=7.16·10 28 м -2 с -1 стер -1 эВ 2.25, (основана на данных установки HiRes). Эта аппроксимация получена для интервала энергий 2· ·10 18 эВ, но мы будем ее использовать в более широком интервале энергий ·10 20 эВ.

Определим переменную y=lg (E/1 эВ) и четыре выбранных интервала энергии 17.

В этих интервалах энергии спектр J r (E) определим следующими степенными функциями: 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 -3.25

Кроме последнего интервала этот спектр J r (E) cовпадает с данными HiRes.

Энергетический спектр для ЯУ 1. Спектр на основе моделирования основной формулы для оценки энергии по сигналу s(600). 2. Спектр на основе нового метода оценки энергии по сигналам во всех детекторах.

Энергетический спектр частиц ПКИ в представлении lg (J(E)/A· E : ЯУ темные кружки; расчетный спектр светлые кружки; PAO звездочки

Результаты расчета lgz=lg(J(E)/J 1 (E)), полученные на разных установках: (а) HiRes2 (полые кружки), HiRes1 (сплошные кружки), (б)PAO (сплошные кружки), (в) AGASA (треугольники), (г) ЯУ (пятиугольники). Все данные представлены на фоне реперного спектра J_r(E) (сплошная линия).

Данные экспериментов [40] (кружки), [41] (квадраты) и [42] (треугольники, если при построении спектра использовались числа заряженных частиц и мюонов, и перевернутые треугольники, если использовался параметр s(500)), реперный спектр J_r(E) (сплошная линия).

Выводы 1. В рамках модельных расчетов наблюдаются ШАЛ с энергиями порядка 2·10 20 эВ. 2. Интенсивности ливней с такими энергиями, наблюденные на установках AGASA и ЯУ, совпадают. 3. ШАЛ с такими энергиями наблюдались на установках PAO и FLYs EYE. 4. Возможно существуют переменные источники, генерирующие частицы ПКИ с такими энергиями.

БЛАГОДАРНОСТИ Работа выполнена при поддержке Российского фонда поддержки фундаментальных исследований (грант ), Федерального агентства по науке и инновациям (госконтракт номер ), и ВНШ Г.Т. Зацепина ( грант ).

The Highest Energy Event by AGASA 2.5 x eV on 10 May 2001 M. Teshima

Events in the energy spectrum passed quality and fiducial cuts … Did any interesting events get away ? Oh, yes …

Event Apr 2004 SD stations: ID VEM Coihueco FD 5 SD hits Event Core at or beyond edge of SD So: NOT included in spectrum

Ливень PAO

Summary All energies are based on fluorescence data and are therefore model-independent. The highest energy events look normal and have been reconstructed well. Event(s) above eV exist.