31-ая ВККЛ, Москва1 Об изменении химического состава первичного космического излучения в области сверхвысоких энергий Л.Г. Деденко 1, А.В. Глушков 2, С.П. - презентация

1 31-ая ВККЛ, Москва1 Об изменении химического состава первичного космического излучения в области сверхвысоких энергий Л.Г. Деденко 1, А.В. Глушков 2, С.П. Кнуренко 2, И.Т. Макаров 2, М.И. Правдин 2, И.Е. Слепцов 2, Т.М. Роганова 1, Г.Ф. Федорова 1 1. Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ, Москва, Россия; 2. Институт космофизических исследований и аэрономии СО РАН, Якутск, Россия

2 31-ая ВККЛ, Москва2 Изучение химического состава первичного космического излучения (ПКИ) в области сверхвысоких энергий представляет исключительный интерес.

3 31-ая ВККЛ, Москва3 В случае состава частиц ПКИ из протонов при энергиях выше ~3×10 19 эВ Грейзеном [1] и Зацепиным и Кузьминым [2] было предсказано резкое уменьшение потока частиц ПКИ из-за взаимодействий первичных протонов с фотонами микроволнового реликтового излучения (эффект ГЗК). Энергия протонов из-за этих взаимодействий расходуется на генерацию пионов, и поэтому протоны с большими энергиями не могут достигать Земли от удаленных источников.

4 31-ая ВККЛ, Москва4 В случае модели равномерно распределенных источников протонов со степенным спектром генерации [3,4] поток протонов должен сначала 1) уменьшаться (dip модель), 2) потом увеличиваться (bump), 3) а затем резко падать (эффект ГЗК).

5 31-ая ВККЛ, Москва5 В случае же состава частиц ПКИ из тяжелых ядер, например, железа, уменьшение потока, если оно имеет место, уже нельзя объяснить эффектом ГЗК и необходимо искать другие причины, например, объяснять низкой величиной максимальной энергии Е макс генерации частиц в источниках.

6 31-ая ВККЛ, Москва6 Другой интересный момент – исследование доли фотонов среди частиц ПКИ в этой области сверхвысоких энергий. Присутствие таких фотонов могло бы решить проблему происхождения космических лучей через распады гипотетических сверхмассивных частиц [5]. Поиски фотонов привели пока только к ограничениям на их потоки при разных энергиях [6] – [10].

7 31-ая ВККЛ, Москва7 Исследования химического состава частиц ПКИ в области сверхвысоких энергий возможны в настоящее время на основе изучения зависимостей 1) глубины Х макс максимума широкого атмосферного ливня (ШАЛ), 2) доли мюонов в сигнале относительно других частиц ливня от энергии Е ливня В РАМКАХ МОДЕЛИ!

8 31-ая ВККЛ, Москва8 С увеличением энергии Е ливня роль распадных процессов в развитии каскадов вторичных частиц в атмосфере уменьшается.

9 31-ая ВККЛ, Москва9 Поэтому какой-либо параметр ШАЛ, связанный с мюонами, например, плотность мюонов с энергией выше некоторого порога Е п на расстоянии 600 м от оси ливня зависит от энергии Е первичной частицы следующим образом: (1) где a и b – постоянные, причем b < 1.

10 31-ая ВККЛ, Москва10 Это означает, что в аналогичной зависимости для первичного ядра с атомным номером А в рамках гипотезы суперпозиции [11] появляется дополнительный множитель А 1-b.

11 31-ая ВККЛ, Москва11 В случае точного учета взаимодействий ядро-ядро показатель степени c в зависимости A c может отличаться от показателя (1-b), но все равно будет выполняться неравенство c > 0

12 31-ая ВККЛ, Москва12. Значение плотности мюонов для первичных ядер будет выше аналогичной величины для первичных протонов при той же энергии Е первичной частицы в А 1-b или (А с ) раз.

13 31-ая ВККЛ, Москва13 Метод расчета Расчеты развития каскадов всех вторичных частиц в атмосфере в индивидуальных ШАЛ выполнялись с помощью пакета CORSIKA [12] в рамках моделей QGSJET2 [13] и Gheisha 2002 [14] с параметром веса (thinning) ε=10 -8

14 31-ая ВККЛ, Москва14 Метод расчета Для оценки сигналов от частиц ШАЛ в наземных и подземных сцинтилляционных детекторах использовался пакет GEANT4 [15].

15 31-ая ВККЛ, Москва15 Метод расчета В случае подземных детекторов с помощью этого пакета учитывалось распространение частиц ливня, упавших на грунт из атмосферы, через толщу этого грунта, которая для разных детекторов варьировалась от 2.3 м до 3.2 м. Учитывался также химический состав и удельный вес грунта.

16 31-ая ВККЛ, Москва16 Метод расчета С помощью пакета CORSIKA для первичных протонов с энергиями в интервале – эВ рассчитывались 1) средние значения плотности мюонов с пороговой энергией выше 1 ГэВ и 2) энергетические спектры мюонов в интервале энергий 0.3 – 100 ГэВ на расстоянии 600 м от оси вертикального ливня (в кольце с радиусами 550 и 650 м).

17 31-ая ВККЛ, Москва17 Метод расчета По известным значениям плотности мюонов ρ μ (600) и сигнала s(600) можно определить их отношение α=kΔEρ μ (600)/s(600) где величина ΔE определена выше, а коэффициент k позволяет учесть отличие реального сигнала от принятого из-за изменения пороговой энергии и вклада вторичных частиц в сигнал в подземном детекторе.

18 31-ая ВККЛ, Москва18 Метод расчета На ЯУ регистрируются сигналы в наземных детекторах, детекторах излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) и в подземных детекторах

19 31-ая ВККЛ, Москва19 Метод расчета Нами был предложен метод интерпретации данных [17], когда для каждого наблюденного события рассчитываются сигналы в разных детекторах для десятков индивидуальных ливней с разными энергиями и от различных частиц ПКИ в рамках разных моделей.

20 31-ая ВККЛ, Москва20 Метод расчета С помощью метода минимума функции χ2 можно затем определить, какой из разыгранных ливней лучше соответствует данным, и тем самым найти наилучшие оценки 1) энергии Е, 2) состава (атомного номера А), 3) параметров модели взаимодействия адронов при сверхвысоких энергиях.

21 31-ая ВККЛ, Москва21 Метод расчета В данной работе этот метод используется для оценки состава частиц ПКИ в области сверхвысоких энергий.

22 31-ая ВККЛ, Москва22 Результаты расчета Зависимость сигнала s(600) от энергии E ливня можно аппроксимировать формулой [16]: s(600)=ΔE(E/3*10 17 эВ) Величина сигнала от одного мюона принималась равной ΔE =10.5 МэВ Величина сигнала s(600) также выражена в МэВ.

23 31-ая ВККЛ, Москва23 Результаты расчета Наши расчеты показали, что в зависимости (1) показатель b= В рамках гипотезы суперпозиции [11] это означает, что для первичных ядер железа доля α будет выше вычисленной величины для протонов в А = 1.53 раза. В случае учета реальных взаимодействий ядро-ядро величина этого коэффициента может быть и несколько меньше этого значения.

24 31-ая ВККЛ, Москва24 Результаты расчета Наши расчеты [18] сигнала в подземных детекторах показали, что вклад в сигнал на ~15% превышает сигнал от мюона, упавшего непосредственно на детектор, как за счет каскада в грунте, генерированного мюоном, так и за счет уменьшения фактического порога регистрации мюона, то есть коэффициент k=1.15.

25 31-ая ВККЛ, Москва25 Расчетные сигналы в подземных детекторах На рис.1 для толщи грунта h = 2.5 м приведены расчетные сигналы в подземных детекторах от мюонов, упавших на грунт вертикально (кружки) и под углом 45 о (звездочки). Ожидаемые сигналы показаны сплошной (для угла 0 о ) и пунктирной (для угла 45 о ) линиями. Хорошо видны как изменения фактического порога (0.65 – 0.7 ГэВ вместо ожидаемого 1 ГэВ для угла 0 о и 0.9 ГэВ вместо ожидаемого 1.41 ГэВ для угла 45 о ), так и превышения величины сигнала над ожидаемым значением 10.5 МэВ.

26 31-ая ВККЛ, Москва26 Рис.1 Зависимость средней величины сигнала Е в подземном детекторе от энергии Е мюона для толщи грунта h = 2.5 м: 0 о - кружки, 45 о - звездочки, сплошная линия – 10.5 МэВ, пунктирная линия – МэВ.

27 31-ая ВККЛ, Москва27 Сравнение рассчитанных значений коэффициента α с результатами эксперимента Рассчитанные значения коэффициента α для первичных ядер железа (пунктир) и протонов (сплошная линия) и результаты эксперимента (точки с ошибками) [19] для почти вертикальных ливней (cosθ 0.9) приведены на Рис. 2. Из рисунка видно, что для сигналов в интервале 35 – 700 МэВ, (соответствующая область энергий – 3×10 19 эВ), данные описываются составом из протонов.

28 31-ая ВККЛ, Москва28 Сравнение рассчитанных значений коэффициента α с результатами эксперимента Экспериментальным точкам в левой верхней части рисунка (кроме первых трех) соответствует состав из тяжелых ядер. Можно сделать вывод об изменении состава частиц ПКИ в области значений сигнала ~ 30 МэВ (что соответствует энергии E ~ эВ). Такой вывод хорошо согласуется с данными установки HiRes [20].

29 31-ая ВККЛ, Москва29 Рис.2 Зависимость доли мюонов α на расстоянии 600 м от оси ливня от сигнала в вертикальных ШАЛ. Точки с ошибками – [19], сплошная линия – протоны, пунктирная линия – ядра железа.

30 31-ая ВККЛ, Москва30 Кривая α для первичных ядер железа Кривая α для первичных ядер железа (пунктир) расположена существенно выше (в ~1.5 раза!) экспериментальных данных [19]. Соответствие трех левых экспериментальных точек кривой для протонов (в области энергий ~ эВ) в данной работе мы не комментируем, так как, возможно, в этой области сказывается влияние порога срабатывания установки и необходим дополнительный анализ.

31 31-ая ВККЛ, Москва31 Оценка состава при самых высоких энергиях Наш метод оценки энергии E и состава (атомного номера А), примененный к самому мощному ливню, наблюденному на ЯУ, привел к следующей зависимости величины χ2 1 на одну степень свободы от энергии E, для четырех индивидуальных ливней, генерированных протонами (сплошные кривые), и для четырех ливней от первичных ядер железа (пунктирные кривые).

32 31-ая ВККЛ, Москва32 Рис.3 Зависимость значения функции χ 2 1 на одну степень свободы от энергии E. Сплошные линии – протоны, пунктирные линии – ядра железа.

33 31-ая ВККЛ, Москва33 Минимальная величина функции χ2 1 =0.88 для протонов незначительно отличается от ее значения для железа χ2 1 =1.04 Для этого ливня с энергией Е ~ 2×10 20 эВ нельзя сделать однозначного вывода о природе частицы, генерировавшей его

34 31-ая ВККЛ, Москва34 Заключение В рамках моделей QGSJET2 и GHEISHA 2002 с помощью пакетов CORSIKA и GEANT4 проведены вычисления сигналов в подземных сцинтилляционных детекторах от частиц ШАЛ в области энергий – эВ.

35 31-ая ВККЛ, Москва35 Заключение Показано, что плотность мюонов с энергиями выше пороговой (Е п =1 ГэВ) в вертикальных ШАЛ пропорциональна энергии ливня в степени 0.895: ρ μ (600) ~ E В рамках модели суперпозиции плотность мюонов в ШАЛ, генерированных ядрами железа, будет выше плотности в ливнях от протонов в ~1.53 раза.

36 31-ая ВККЛ, Москва36 Заключение Показано, что учет процессов распространения мюонов в грунте и их энергетического спектра приводит к увеличению сигнала в подземных сцинтилляционных детекторах в 1.15 раза по сравнению с сигналом в наземных детекторах.

37 31-ая ВККЛ, Москва37 Заключение Состав частиц ПКИ из протонов хорошо согласуется с данными, полученными на ЯУ в области энергий – 3×10 19 эВ. В области энергий – эВ состав более тяжелый. Изменение состава от тяжелого к составу из протонов происходит при энергии ~10 18 эВ в согласии с данными установки HiRes. Первичной частицей, генерировавшей самый мощный ШАЛ, наблюденный на ЯУ, может быть как протон, так и ядро железа.

38 31-ая ВККЛ, Москва38 Благодарности Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (ГК , , ) и научной школы (НШ ).

39 31-ая ВККЛ, Москва39 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

40 31-ая ВККЛ, Москва40

41 31-ая ВККЛ, Москва41

42 31-ая ВККЛ, Москва42

43 31-ая ВККЛ, Москва43

44 31-ая ВККЛ, Москва44 Signal Е in underground muon detectors for deph h = 2.5 m: о– 0 о, stars– 45 о,solid – 10.5 МeV,dashed – МeV.

45 31-ая ВККЛ, Москва45 Signal Е distributions in underground muon detectors for deph h = 3.2 m: a – Е μ = 1.05 GeV, b – Е μ = 1.5 GeV, c – Е μ = 10 GeV.

46 31-ая ВККЛ, Москва46 Mean signal Е in underground muon detectors from gammas with various energies for deph h : – h = 2.3 м, – h = 3.2 м.

47 31-ая ВККЛ, Москва47 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.

48 31-ая ВККЛ, Москва48 Рассчитаны сигналы в подземных сцинтилляционных детекторах Якутской установки от частиц широких атмосферных ливней в области энергий – эВ. Вычисления выполнены в рамках моделей QGSJET2 и GHEISHA 2002 с помощью пакетов CORSIKA и GEANT4.

49 31-ая ВККЛ, Москва49 Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными по мюонной компоненте широких атмосферных ливней, полученными на Якутской установке, в области энергий – 3×10 19 эВ.

50 31-ая ВККЛ, Москва50 Показано, что при энергии частиц первичного космического излучения ~ эВ, возможно, наблюдается переход от тяжелого состава к первичным протонам. В области энергий выше эВ из имеющихся экспериментальных данных Якутской установки нельзя сделать однозначного вывода о природе первичных частиц.