Исследование состава космических лучей в области энергий 0.1 - 10 ПэВ комбинированным методом регистрации ШАЛ и гамма-семейств

Содержание
Введение. 4
1 Краткий обзор данных о составе первичного космического излучения, спектрах его компонент и нарушении скейлинга. 10
1.1 Прямые измерения энергетических спектров ядер и состава космических лучей.............................................................................. 11
1.2 Спектр ШАЛ и ''колено”..................................................... 12
1.2.1 Форма излома спектра ШАЛ............................................. 13
1.2.2 Зависимость интенсивности ІПАЛ в области излома от глубины в атмосфере.................................................................. 16
1.2.3 Зависимость числа электронов ШАЛ в области излома IV* от глубины в атмосфере............................................................. 18
1.2.4 Состав К Л в области излома спектра ШАЛ..............................20
1.2.5 Теоретические модели излома в спектре ШАЛ........................... 22
1.3 Нарушение скейлинга.......................................................... 27
1.4 Краткие выводы............................................................... 28
2 Описание установки “Адрон”. 30
2.1 Требования к структуре установки и режиму ее эксплуатации.................... 30
2.2 Схема установки, система регистрации и программные средства.................. 33
2.3 Толчковая установка (ТУ)................................................... 35
2.4 Ливневая подсистема сцинтилляционных детекторов (СЦ)........................36
2.5 Хронотрон.................................................................. 39
2.6 Годоскоп счетчиков Гейгера-Мюллера......................................... 40
2.6.1 Мюонныи годоскоп.................................................... 43
2.6.2 Система наземных годоскопов..........................................46
2.6.3 Ложные срабатывания годоскопов...................................... 47
2.7 Регистрация Черенковского излучения ИІАЛ..................................... 48
2.8 Отбор событий............................................................... 49
2.9 Запись данных............................................................... 51
2.9.1 Первичный банк данных................................................52
2.9.2 Вычисление параметров ливня......................................... 53
2.10 Рентген-эмульсионная камера и система обработки.............................56
2.10.1 Конструкция РЭК и режим эксплуатации................................. 57
2.10.2 Проявка пленки....................................................... 59
2.10.3 Определение углов в РЭК.............................................. 60
2.10.4 Фотометрирование каскадов............................................61
2.10.5 Общая схема измерений в РЭК.......................................... 64
2.11 Статистический метод сопоставления событий в РЭК с ШАЛ и объединенный банк данных.................................................................. 66
2.11.1 Формулировка задачи.................................................. 66
1
2.11.2 Критерий Неймана-Пирсона......................................... 67
2.11.3 Критерий сопоставления событий в РЭК с ШАЛ.................... 68
2.11.4 Сопоставление событий и оценка фона.............................. 70
2.11.5 Учет фона и нормировка спектров.................................. 74
2.11.6 Сводка процедур при отборе и сопоставлении событий............... 75
3 Поглощение электронно-фотонной компоненты и 7—семейств в атмосфере. 78
3.1 Формулы для определения длины поглощения.............................. 79
3.2 Оценка длины поглощения по угловым распределениям....................... 81
3.2.1 Электронно-фотонная компонента и 7—семейства .................... 81
3.2.2 Адроны............................................................ 86
3.3 Энергетические спектры................................... 89
3.3.1 Спектры Еу для 7-семейств и электронно-фотонной компоненты. . . 90
3.3.2 Спектры 'ЕЕу для 7-семсйств....................................... 94
3.3.3 Спектры адронов................................................... 94
3.4 Оценка длины поглощения но разновысотным измерениям интенсивности на уровнях Памира и Тянь-Шаня................................................... 96
3.4.1 Одиночные 7—кванты............................................... 96
3.4.2 Электронно-фотонная компонента с Еу > 5 ТэВ.................... 96
3.4.3 Семейства 7—квантов с У2Е-, > 100 ТэВ......................... 98
3.4.4 Адронная компонента с Е% > 5 ТэВ.............................. 99
3.5 Кривая поглощения в атмосфере ...........................................100
3.6 Краткие выводы...........................................................107
4 Ливневые характеристики ШАЛ и комбинированных событии. 108
4.1 Методы оценки параметра возраста ШАЛ в и полного числа электронов Лгс. 109
4.2 Излом в спектре и изменение характеристик ШАЛ при > 3 • 10е. ... 111
4.3 Пики в дифференциальных спектрах АГС для ШАЛ с 7—семействами.............116
4.3.1 Статистические флуктуации..........................................120
4.3.2 Разрешающая способность метода при определении ЛГв и Е0............123
4.3.3 Величина искажений в Nt:...........................................124
4.3.4 Возможность локальной дискриминации числа событий в процессе сопоставления............................................................130
4.4 Парциальные спектры и распределения 8 для комбинированных событий. 132
4.5 Спектр ЛГС для событий с гало............................................137
4.6 Эффективность генерации 7— и адронных семейств...........................137
4.7 Спектры Лг,, для ШАЛ и комбинированных событий...........................140
4.8 Зависимость среднего числа мюонов < Nц > от Агс для комбинированных событий и ШАЛ.................................................................142
4.8.1 Функции пространственного распределения мюонов.....................143
4.8.2 Насыщение в пунктах мюонного годоскопа.............................146
4.9 Краткие выводы..........................................................150
5 Характеристики гамма-семейств в комбинированных событиях. 152
5.1 Энергетические спектры Еу для комбинированных событий....................153
5.2 Эффект лидирования в спектрах х = Еу/Ео для 7-квантов и его связь с образованием гало........................................................ < 158
5.3 Зависимость энергии гамма-семейств < Т.Еу > от ..........................164
5.4 Зависимость < Я > и < ЕЛ > от £2?7и1Уе...................................165
0.5 Характеристики адронных событий комбинированного типа....................166
2
5.5.1 Спектры E'l для адронов.........................................166
5.5.2 Зависимость ЪЕ% от Nc...........................................170
5.6 Краткие выводы........................................................170
6 Состав KJI в области энергий 0.1-10 ПэВ и астрофизическая модель “колена” в спектре KJL 173
6.1 Экспериментальные основания модели состава КЛ..........................175
6.2 Астрофизическая интерпретация данных...................................177
6.3 Модель взаимодействия..................................................179
6.4 Феноменологическая модель “колена'' в спектре ШАЛ......................181
6.4.1 Формулировка модели.............................................183
6.4.2 Выбор параметров модели.........................................186
6.4.3 Спектры ШАЛ с 7~семействами.....................................191
6.4.4 Формулы для спектра KJI.........................................195
6.5 Краткие выводы.........................................................195
7 Выводы, представленные к защите. 197
Заключение. 201
1 Методические искажения при измерении углов в РЭК. 216
2 Определение основных характеристик ШАЛ. 229
3 Список публикаций по теме диссертации. 241
3
Введение
Данная работа относится к экспериментальному изучению спектра, состава и характеристик взаимодействия KJI при энергиях 0.1-10 ПэВ. Основным объектом исследования являются широкие атмосферные ливни (ШАЛ) на уровне гор. Работу можно рассматривать как часть цикла исследований начатого ФИАН на Памире в 40-х годах под руководством
H.A. Добротина [1].
Для развития метода ШАЛ принципиальное значение имело создание теории ядерно-электромагнитных каскадов в атмосфере, которая позволила понять природу широких атмосферных ливней и интерпретировать данные наземных исследований. Инициатором этих работ был Д.В. Скобельцин [2]. Первые экспериментальные исследования, с использованием оригинальной методики, были выполнены на Памире Г/Г. Зацепиным. Результатом этих работ явился вывод о ядерной природе ШАЛ, которые ранее считались электроннофотонными лавинами, что в конечном итоге привело к пониманию природы KJI и их образования [3, 4, 5].
В последующие годы экспериментальные исследования развивались в двух направлениях.
Международным сотрудничеством “Памир”, под руководством С.А. Славатинского , был создан оригинальный метод исследований с помощью рентген-эмульсионных камер (РЭК) и осуществлена многолетняя экспозиция РЭК на Памире (600 г/см2) и частично на г.Чакалтайа (540 г/см2) [6]. Это специализированные установки, предназначенные для регистрации только наиболее энергичных адронов и 7—квантов в стволах ШАЛ. Р1х широкое использование в опытах с КЛ, в частности для регистрации мюонов [7], стало возможным в результате работ Ю.А. Смородина и сотрудников, разработавших экспериментальную методику определения энергии каскадов в РЭК (8, 9], и И.П. Иваненко и сотрудников, выполнивших детальных расчеты развития ЭФК в разных средах [10].
На Тянь-Шане, под руководством С.И. Никольского, развивался комплексный метод исследования ШАЛ, в основном, с помощью электронной аппаратуры. Экспериментальная установка включала ливневую систему для регистрации электронов и мюонов ШАЛ с пороговыми энергиями в несколько ГэВ, большой ионизационный калориметр площадью 44 м2 для исследования стволов ШАЛ и систему детекторов для регистрации Черенков-ского излучения ШАЛ [11, 12, 13, 14]. Калориметр включал также РЭК с движущимися пленками и небольшая часть материала содержала информацию РЭК о высокоэнергичных каскадах в стволах ШАЛ.
В данной работе, выполненной на Тянь-Шане, реализовано широкомасштабное объединение двух методов высокогорных исследований: установка ШАЛ объеденена с большой рентген-эмульсионной камерой [15, 16, 17].
Создание установки комбинированного типа (РЭК+ШАЛ) явилось естественным развитием экспериментального метода при переходе исследований в область высоких энергий. При первичных энергиях Ео > 1 ПэВ ионизационный калориметр [18] уже не может обеспечить требуемого пространственного разрешения и достаточной статистики событий *. С другой стороны, данные РЭК без информации о ШАЛ и. в частности, о первичной энергии, трудно поддаются анализу.
В данной работе приводятся в основном результаты экспериментальных исследований, выполненных автором в составе большого коллектива сотрудников на Тянь-Шаньской станции (комбинированный эксперимент “Адрон”).
Остановка “Адрон" работала на Тянь-Шане с 1985 по 1991 год . За шесть лет было проведено две серии измерений. Первые четыре года в центральной части экспонировалась РЭК .аналогичная адронной камере эксперимента "Памир" [6]. Во второй серии измерений,
1 Последнее ограничение не является принципиальным, а связано с конкретным количеством детекторов (ионизационных кам« р) и свинца на Тянь-Шане.
4
пока полностью не обработанной, использовалась "тонкая" свинцовая камера, с расположенными внутри нее рядами ионизационных камер [19]. В данной работе используются результаты, полученные в первой серии измерений.
Изучение характеристик ядерных взаимодействий по параметрам ШАЛ существенно ограничено многократными взаимодействиями в атмосфере. Отбор ливней, образующих гамма-адронные семейства частиц в РЭК, позволяет выбирать события с эффективной высотой генерации семейств 3-4 км над установкой. При этом регистрация стволов ШАЛ в РЭК дает возможность прямым образом изучать энергетические и пространственные характеристики наиболее энергичных частиц ливпя.
Увеличение информации об индивидуальном событии представляется наиболее перспективным направлением в экспериментальном плане. Это связано, в частности, с тем. что многие инклюзивные характеристики ШАЛ достаточно хорошо изучены в области энергий 1-10 ПэВ и известна их модельная зависимость, поэтому обнаружение тех или иных корреляционных эффектов может относительно легко интерпретироваться. С другой стороны, совместный анализ информации, полученной различными методами, дает более полную картину процессов, происходящих в ЯЭК, и в принципе упрощает проблему интерпретации результатов.
Основное внимание в диссертации уделено изучению характеристик ШАЛ в области вокруг излома или “колена” в спектре Ne при Ne ~ 106, где Ne - полное число электронов в ШАЛ. Излом, обнаруженный в [20], до настоящего времени не имеет однозначной интерпретации.
Неопределенность данных, получаемых в наземных опытах с космическими лучами, связана с наличием в первичном излучении широкого набора различных ядер от протонов до железа, отсутствием прямых измерении состава KJI и спектров различных компонент при энергиях выше 1 ПэВ и отсутствием прямых данных о характеристиках ядерных взаимодействий в этой области энергий. При таких условиях метод исследований предполагает формулировку и проверку различных гипотез.
Основой теории распространения КЛ является диффузионная модель. В настоящее время достаточно надежно установлено, что основная часть КЛ имеет галактическое происхождение и, что КЛ проходят путь примерно в 1000 раз больший, чем средние расстояния до источников (диффузия КЛ). Эти представления основаны на совокупности данных о процессах термоядерного синтеза элементов в звездах, магнитных полях Галактики, плотности вещества в межзвездной среде, составе КЛ, высокой степени изотропии КЛ и др. [21].
У кручение спектра К Л в области энергий ~ 3 ПэВ часто связывают с их диффузией из Галактики. Такая модель наиболее простым способом объясняет излом спектра и утяжеление состава КЛ в этой области энергий, т.к. диффузия различных ядерных компонент из Галактики определяется не энергией на ядро, а величиной их магнитной жесткости R = pc/Ze.
Аналогичное поведение состава КЛ в районе излома возникает в моделях их ускорения с ограничением но максимальной энергии Егпах, зависящей от Z (Етпах ~ Z • 1014 эВ), в процессах генерации К Л источниками типа сверхновых [22].
Модели такого типа имеют серьезную экспериментальную основу. В частности, они подтверждаются данными многолетних исследований электронной и мюонной компонент ШАЛ на установке ШАЛ МГУ [23]. Вывод авторов о составе КЛ получен в рамках современной модели их взаимодействия QGSJET [24], основанной на модели кварк-глкюнных струн [25, 26].
Вместе с тем, первоначально для объяснения излома или "колена" в спектре ШАЛ выдвигались также гипотезы об изменении характеристик ядерного взаимодействия в этой области энергий и наличии дополнительной компоненты в КЛ. Эти варианты продолжают развиваться и в настоящее время.
5
Следует отметить, что изменение элементарного акта взаимодействия является предположением, требующим наиболее радикального изменения современных представлении. Сечение рождения новых частиц массы М и следовательно открытие новых каналов в развитии ядерно-электромагнитного каскада (ЯЭК) обычно ограничивается величиной обратно пропорциональной квадрату массы: (Тргол ~ Уже рождение W —бозонов процесс настолько редкий, что в опытах с KJ1 практически не наблюдается при реально достижимой в настоящее время статистике.
Это означает, что заметный вклад в развитие ЯЭК можно связывать лишь с процессами, в которых рождаются и,<1 и возможно s и с кварки (в атмосфере или регистрирующей установке). Варианты особой роли чарма при развитии адронных каскадов в свинце рассматривались в литературе [27. 28], однако, их влияние на развитие ШАЛ, скорее всего, может стать существенным лишь при достаточно больших энергиях > 100 ПэВ.
Космические лучи, наблюдаемые в области энергий менее 1 ПэВ , скорее всего являются Галактическими и ускоряются на фронте ударных волн в остатках сверхновых, в молодой оболочке сверхновой и в электромагнитных полях остающегося пульсара [29].
Таких источников довольно много. Считается, что в нашей Галактике сверхновые вспыхивают каждые 30-50 лет и одновременно существует несколько сотен активных источников. При этом средний возраст КЛ вблизи Земли составляет 108 лег.
Среди активных источников некоторые могут находиться достаточно близко к Солнечной системе, так чтобы их вклад в поток КЛ оказался заметным. Поэтому предлагаются также модели, объясняющие излом в спектре КЛ вкладом от близкого одиночного источника [30, 31, 32]. В качестве таких кандидатов рассматриваются Vela, Geminga, Loop III и др. [34, 35]. По порядку величины возможные расстояния оцениваются величиной / ~ 100 пс, а возраст т ^ 104 лет. Возможный вклад такого источника в основном лежит в локальной области 0.1-10 ПэВ и составляет малую часть от полного потока КЛ 10-4).
Выбор между разными вариантами модели излома связан с определением состава КЛ в области выше 0.1 ПэВ. Хотя для этого затрачены большие усилия, спектр вариантов довольно широк.
Для определения состава КЛ в этой области важную роль играет исследование характера и степени нарушения скейлинга в энергетических спектрах вторичных адронов. Анализ различных вариантов нарушения скейлинга в моделях ЯЭК показывает, что в зависимости от степени его нарушения можно получить заметно отличающиеся выводы о составе КЛ в исследуемой области энергий.
Экспериментальное решение проблемы может быть связано с изучением характеристик наиболее энергичных частиц стволов ШАЛ и определением их зависимости от первичной энергии Eq.
Постановка такой задачи требует сочетания высокого пространственного разрешения, большой светосилы установки и возможности измерения первичной энергии ядра. В высокогорных исследованиях практически единственное решение заключается в создании установки комбинированного типа, объединяющей рентгсн-эмульсионную камеру с установкой ШАЛ. При этом РЭК позволяет измерять координаты и энергии индивидуальных адронов в стволах ШАЛ с пространственным разрешением ~ 100 мкм и энергетическим порогом Еу > 2 ТэВ, а измерение полного числа электронов ШАЛ (Nc) дает возможность оценивать первичную энергию Ео.
Актуальность темы.
Диссертация посвящена изучению состава КЛ в области излома их спектра с помощью экспериментального исследования пространственно-энергетических характеристик наиболее энергичных частиц в стволах ШАЛ в зависимости от первичной энергии.
С
Актуальность темы диссертации связана с отсутствием полной ясности в вопросе о составе КЛ в области энергий Е0 = 0.1 - 10 ПэВ и неоднозначной интерпретации излома в спектре КЛ.
Цель работы.
Основными целями работы являлось:
1) Объединение рентген-эмульсионной камеры к установки, регистрирующей ШАЛ, в рамках единого комплекса, позволяющего получать совместную информацию о зарегистрированных событиях.
2) Создание банка комбинированных событий, объединяющих гамма и адронные семейства в РЭК с ШАЛ. Рентген-эмульсионная камера не имеет временной селекции для регистрируемых событий, поэтому необходима была разработка специальных методов для объединения событий, регистрируемых электронными и эмульсионными методами в течении примерно года экспозиции установки.
3) Получение и исследование характеристик гамма-адронных семейств и ШАЛ в области вокруг излома спектра ШАЛ при Ые = 101 — 108 на высоте Тянь-Шаня (690 г/см2 ) с целью изучения спектра и состава первичного космического излучения.
4) Прямое экспериментальное исследование нарушения сксйлинга в энергетических спектрах вторичных адронов ЯЭК при энергиях Е{) > 1 ПэВ. Такая возможность появляется в данном эксперименте благодаря наличию информации как о первичной энергии взаимодействия Е0, определяемой по полному числу электронов в ШАЛ (Агс), так и о энер-гстиях 7—квантов и адронов в стволах ІІІАЛ.
5) Интерпретация данных и выяснение причин появления излока в спектре ШАЛ при
л; - 106.
Основные результаты, представленные к защите.
1. Разработка и реализация комбинированного метода исследования ШАЛ. Формулировка нового метода определения состава КЛ в области энергий Е = 0.1 — 10 ПэВ.
2. Развитие методики определения характеристик ШАЛ и гамма-адронных семейств.
3. Экспериментальные результаты, полученные из анализа характеристик для ШАЛ и ШАЛ с 7—семействами:
1) Наличие узких пиков в дифференциальном спектре N.. для ШАЛ с 7—семействами.
2) Изменение характеристик ШАЛ и ШАЛ с 7-семействами в области АГС = 3-106-107.
3) Спектры и зависимость среднего числа мюонов < Nli > от N.. для комбинированных событий с 7—семействами и адронами.
4. Феноменологическая модель излома в спектре ШАЛ и изменения состава КЛ в области энергий 0.1-10 ПэВ.
Новизна основных результатов диссертации.
В работах автора получил развитие и обоснование метод исследования, объединяющий крупномасштабную РЭК с комплексной установкой ШАЛ.
Комбинированная установка "Адрон” является уникальной. Полученная на ней статистика комбинированных событий превышает мировую более чем на порядок. Это позволило получить недоступную в других экспериментах информацию.
Нижеперечисленные результаты получены впервые:
1) Статистический метод сопоставления событий в РЭК с ШАЛ.
2) Дифференциальные спектры А7е для ШАЛ, содержащих 7—семейства, и обнаружение в них пиков интенсивности событий.
7
3) Спектры наиболее энергичных гамма-квантов и адронов в стволах ШАЛ по данным РЭК для различных интервалов УУС и зависимость их наклона от А7в.
4) Экспериментальные зависимости средних характеристик гамма- и адронных семейств от Nc.
5) Изменение характеристик ШАЛ и 7—семейств при №с ~ 105 и Nc > 3 • 106.
Научная и практическая ценность работы.
- В работе получен большой экспериментальный материал о спектрах и средних характеристиках частиц в стволах ШАЛ, получены их зависимости от полного числа электронов в ШАЛ Агс. Эта информация может использоваться в других работах, упрощая в частности анализ данных в рентген-эмульсионных экспериментах без регистрации ШАЛ.
- Показана информативность и целесообразность создания комбинированных установок по совместной регистрации событий в РЭК и ШАЛ для измерения состава КЛ. Анализ экспериментальных данных по ШАЛ и ШАЛ с 7—семействами позволил сформулировать новый метод определения состава КЛ в области энергий 0.1-10 ПэВ.
- Данные о составе КЛ позволяют уточнять модели их возникновения и распространения. В диссертации приведена оригинальная модель изменения состава КЛ в области энергий Е = 0.1 — 10 ПэВ, объясняющая наличие излома в их спектре при энергии Е ^ 3 ПэВ. Введение В модель дополнительной легкой компоненты КЛ С максимумом при Е 5 — б ПэВ позволяет согласовать разные точки зрения на причины возникновения излома и изменение состава КЛ в этой области.
- Полученные данные дают информацию и основания для планирования и постановки новых экспериментов.
Вклад автора.
1) Разработка физического проекта эксперимента “Адрон" [15], участке з разработке, создании, запуске и эксплуатации установки ’’Адрон” .
2) Разработка статистического метода объединения событий в РЭК с ШАЛ [36], разработка процедуры статистического сопоставления событий в РЭК с ШАЛ и создание вторичного банка комбинированных событий2.
3) Руководство и участие в создании на Тянь-Шаньской станции автоматизированного центра для проведения измерений при анализе данных РЭК. Участие в проведении измерений.
4) Все программы, использовавшиеся в данной работе для получения информации при анализе банков данных, написаны автором. В частности, создание программ видеографики позволило проводить комплексный анализ индивидуальных событий и существенно упростило выбор алгоритма для определения ливневых характеристик ШАЛ.
5) Разработка оригинального алгоритма С^ЮО для определения основных параметров ШАЛ, проведение переобработки ливневых характеристик ШАЛ в байках данных.
6) Показано нгшичие методических искажений в распределении азимутальных углов гамма-квантов, адронов и их семейств в РЭК, получена величина искажений углов, измеряемых в РЭК с помощью микроскопов серии МБС, проведено исправление значений углов в банке данных.
7) Проведен анализ различных характеристик ШАЛ, событий в РЭК и комбинированных событий.
8) Для объяснения результатов эксперимента “Адрон” автором предложен вариант двухкомпонентного состава КЛ с вкладом от одиночного близкого источника и проведены соответствующие вычисления.
2Сопместно с Арабкиным В.В.
8
Апробация работы.
Основные результаты диссертации представлялись и докладывались на научных семинарах ФИАН, ИЯИ РАН, ОИЯИ (Дубна), ИФВЭ АНРК, ЕрФИ, на рабочих встречах сотрудничества "Памир”, на Всесоюзных (Межрегиональных) конференциях по космическим лучам в Тбилиси (1986), Алма-Ате (1988), Дагомысе (1990), Самарканде (1992), Москве (1996 и 1998), на Международных конференциях по космическим лучам в Москве (1987), Аделаиде (1990), Дублине (1991), Калгари (1993) и Риме (1995) на Международных симпозиумах по физике высоких энергий и космическим лучам в Лодзи (1988), Тарбе (1990), Токио (1991), Анн-Арборе (1991) и Будапеште(1996).
Публикации.
По теме диссертации автором опубликовано совместно с соавторами более 100 работ в отечественных и международных изданиях. Основные результаты диссертации изложены в 55 работах из списка литературы, приведенного в конце диссертации.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и тре> приложений.
В главе 1 приведен краткий обзор данных о спектре и составе космических лучей и нарушении скейлинга в опытах с КЛ и на ускорителях.
В главе 2 дано описание установки “Адрон" и методов получения основных характеристик событий.
В главе 3 анализируются чисто рентген-эмульсионные данные, полученные в РЭК “Адрон” и проводится сравнение с данными других экспериментов. Основное внимание уделено вопросу измерения ДЛИНЫ поглощения ДЛЯ 7—семейств и адронов по форме угловых распределений и сравнению интенсивностей событий на разной высоте наблюдения.
В главах 4 и 5 приведены основные результаты, полученные в эксперименте “Адрон”, по исследованию ливневых характеристик ШАЛ и характеристик гамма-семейств соответственно.
В главе 6 формулируется новый метод определения состава КЛ с использованием дифференциальных спектров Nc для ШАЛ и ШАЛ с семействами 7—квантов. Для интерпретации данных эксперимента “Адрон” формулируется модель двухкомионентного состава КЛ.
В главе 7 приведены основные выводы диссертации, представленные на защиту.
В конце каждой главы приводятся краткие выводы.
Диссертация содержит три приложения, в которых описана методика измерения углов в ГЭК, методика получения основных характеристик ШАЛ: возраста s, полного числа электронов Nc и мюонов Nfi и приведен список работ, содержащих основные результаты диссертации.
9
Глава 1
Краткий обзор данных о составе первичного космического излучения, спектрах его компонент и нарушении скейлинга.
До энергий в сотни ТэВ космические лучи сравнительно хорошо исследованы с помощью экспериментов на спутниках и высотных аэростатах. В области более высоких энергий спектр всех частиц восстанавливается по данным ШАЛ, зарегистрированных наземными установками на разных уровнях гор и на уровне моря, т.е. под слоем атмосферы 520 -1000 г/см2.
primary energy Ef(GeV/particIe)
all particle „
о : prolon д : silicon : sulfur p:
A
» : sub-iron (2=17-25)] Z • : iron (2=26-28)
Рис. 1.1: Спектр всех частиц (ШАЛ - измерения АКЕМО) и спектры некоторых компонент КЛ.
На рис. 1.1 приведены спектр всех частиц, измеренный прямым и косвенным методами, и спектры основных компонент К Л [37]. При восстановлении спектра всех частиц в области
10
выше 1 ПэВ использованы данные Акепо.
Прямые измерения спектров КЛ проводятся двумя методами: с помощью электронных детекторов и эмульсионных стопок. Последний метод довольно условно можно называть прямым, т.к. в этом случае измеряется не первичная энергия ядра Eq, а ее доля, выделенная в гамма-кванты = Щ^Ео. Кроме того, в экспериментах с эмульсионными стопками существуют ограничения на минимальную величину измеряемого заряда ядра Z > Zmin, а при определении наклона спектра той или иной компоненты ядер суммируются данные измерений в разных стопках и необходимо учитывать зависимость пороговой эффективности регистрации ядер от первичной энергии для каждой стопки.
Тем не менее, этими методами в области энергий до нескольких сотен ТэВ получены спектры отдельных компонент KJI и ядерный состав KJI. Точность этих измерений такова, что дифференциальный спектр интенсивности KJ1 может быть восстановлен с точностью до двойки [38, 148].
Задача определения состава КЛ в области энергий выше 1 ПэВ является существенно более сложной. Разделение ШАЛ на группы, образованные различными ядрами KJ1, зависит от методики измерений, моделей развития ЯЭК и определяется допустимой степенью нарушения Фсйнмановскрго сксйлинга.
1.1 Прямые измерения энергетических спектров ядер и состава космических лучей.
В области энергий до 1 ПэВ, К Л состоят из нескольких групп ядер от протонов до железа. Обычно в составе КЛ выделяется шесть групп ядер [40]:
• P(Z=1, А=1)
• He(Z=2, А=4)
• L(Z = 3 Ч- 5, А = 8)
• М(Z = 6-4- 9, А = 15)
• Н(Z = 10 -4 20, А = 27)
• VH(Z> 21, А = 56)
Доля некоторых ядер и отдельных групп в области энергий ниже 10 ТэВ указана в таблице 1. Данные взяты из работы [38], пересчитаны к относительным долям компонент и объединены по Z в соответствии с указанной классификацией.
L- группа, являющаяся, скорее всего, полностью вторичной [21], составляет долю < 1% от полной интенсивности КЛ и поэтому опущена. В таблице использованы также данные из работ [41, 42, 43, 44].
Из таблицы следует, что доля легких ядер уменьшается, а тяжелых возрастает в области энергий 0.1-10 ТэВ. Эта зависимость может определяться трансформацией состава при распространении КЛ. Часть легких ядер вторичного происхождения, т.е. образованных в результате фрагментации более тяжелых ядер на межзвездном газе, может уменьшаться в связи с уменьшением среднего количества вещества хтп, проходимого К Л с ростом энергии. Величина х^п в однородной модели (leaky box) может уменьшаться с 9 до 3 г/см2 в интервале 1-10 ТэВ/п [21]. Однако, нельзя исключить и наличие в этой области энергий компонент КЛ, имеющих разное происхождение.
Первые прямые измерения спектра КЛ в области 1011 — 1015 эВ были выполнены на спутниках Н.Л. Григоровым и сотрудниками [45, 46, 47]. Полученные данные о спектре
11
Табл. 1.1: Доля различных групп ядер в первичном космическом излучении.
Е ТэВ 0.1 0.3 1.0 3.0 10.0
Г Z = 1 Не г = 2 М б < 2 < 8 Н 10 < 20 УН 21 < Z < 30 0.49 ± 0.04 0.30 ± 0.03 0.11 ± 0.01 0.08 ± 0.01 0.02 ± 0.01 0.44 ± 0.03 0.25 ± 0.03 0.14 ± 0.02 0.11 ± 0.02 0.05 ± 0.01 0.42 ± 0.13 0.23 ± 0.02 0.13 ± 0.02 0.14 ± 0.02 0.09 ± 0.02 0.39 ± 0.12 0.21 ± 0.03 0.13 ± 0.03 0.17 ± 0.04 0.10 ± 0.02 0.33 ± 0.07 0.17 ± 0.05 0.19 ± 0.04 0.12 ± 0.05 0.18 ± 0.09
протонов являются единственными действительно прямыми измерениями. Б этом случае, энергия определялась ионизационным калориметром толщиной ~ 1000 г/см2, а заряд надежно определялся электронными детекторами .
По этим данным, спектр протонов меняет наклон с 7 ~ 2.6 на 7 ~ 3.0 — 3.2 в области Е0 1 ТэВ и затем выполаживается в области выше 10 ТэВ. Результат отличается от большинства данных, полученных с помощью эмульсионных стопок, и имеет принципиальное значение, т.к. может означать существенную перестройку спектра: увеличение его наклона или существование дополнительной компоненты КЛ в области энергий 1 — 5 ТэВ.
Эмульсионные данные зависят от конструкции стопок и способа учета методических эффектов, в частности, определения энергетического порога регистрации ядер [48). При этом данные [49] подтверждают наличие “провала” в спектре пр*» энор1 ии в несколько ТэВ/и. а данные, например, ЛАСЕЕ, скорее согласуются с степенным поведением спектра протонов в этой области энергий *50]. В последних работах МСЕЕ намечается тенденция к укручению спектра протонов, но при энергиях выше ~ 40 Топ. В работе [51] проблема анализируется с привлечением данных о мюонах. Мюонные данные, в рамках используемых при анализе моделей, скорее согласуются с постоянным наклоном спектра нуклонов в ТэВ-ной области энергий.
Вывод об утяжелении соства КЛ в области до 10 ТэВ присутствует в большинстве работ. Степень его утяжеления зависит от принимаемой доли протонов в этой области энергий. Проблема должна разрешиться экспериментально. В настоящее время, выполняются два эксперимента, в которых эти данные могут быть уточнены [52. 53].
В области энергий 10-500 ТэВ данные менее определенны, но тенденция остается той же. Наблюдается относительное уменьшение доли протонов в К Л и увеличение доли средних и тяжелых ядер. При больших энергиях возможно дальнейшее уменьшение доли протонов, связанное с укручением их спектров [54].
Наиболее важный вывод сводится к тому, что в области энергий Е0 > 100 ТэВ протоны не доминируют в спектре КЛ. Уже при энергиях Е0 ~ 100 ТэВ их доля сравнима с долей а—частиц и ядер группы Ре [54].
1.2 Спектр ШАЛ и “колено”.
В области энергий ~ 1 НэВ интенсивность КЛ снижается настолько, что прямое измерение спектра значительно осложняется и информация о нем извлекается в основном из данных о спектрах ШАЛ на высотах гор и уровне моря, а также из измерения потока мюонов в подземных экспериментах.
Это существенно непрямые методы. Глубина атмосферы составляет 0-10 ядерных пробегов и 13-25 радиационных единиц, в зависимости от уровня наблюдения. Определение характеристик первичного спектра, в этом случае, является примером некорректной задачи и для ее решения должны использоваться методы статистики, основу которых составляют
12
модели развития ЯЭК в атмосфере.
“Колспо” или излом в области Nc ~ 106 является наиболее ярким эффектом в спектре; ШАЛ. Изменение наклона в спектре было обнаружено более 40 лет назад [55], подтверждено и исследовано во многих дальнейших работах, но до сих пор не получило надежного объяснения. Представляется, что решение этой проблемы во многом зависит от развития экспериментальных методов исследования.
Вид спектра Агс для ШАЛ зависит от метода определения полного числа электронов. В большинстве работ для оценки Ne используют теоретические функции пространственного распределения (ФПР) электронов Нишимуры-Каматы в аппроксимации Грейзена, либо достаточно близкие к ним по виду аппроксимирующие функции. Отличие в спектрах, измеренных разными установками, может быть связано с различной их конфигурацией, отличием методов определения Ne, учета переходных процессов и вклада гамма-квантов, учетом барометрического и геомагнитных эффектов, отличием порогов регистрации электронов детекторами ШАЛ.
Сложная методика определения параметров ШАЛ может приводить к заметному разбросу данных о положении излома спектра ШАЛ и его зависимости от глубины в атмосфере. Причем, в одних работах излом может быть очень резким, так, что практически не возникает вопрос об определении его положения, в других же работах он достаточно плавный и необходимо вводить критерии для определения эффективного значения Агс. Детальный анализ данных о спектре на уровне моря в [56], показывает, что положение излома может меняться в пределах 0.3 — 1 • 10е в зависимости от метода определения Ne. Такая ситуация осложняет сравнение данных разных экспериментов, тем не менее здесь будут приведены некоторые результаты, имеющие принципиальное значение для выбора теоретических моделей излома.
1.2.1 Форма излома спектра ШАЛ.
С момента обнаружения излома в спектре ШАЛ, отмечалась его необычная резкость. В эксперименте “Адрон” форма излома исследовалась в электромагнитной, адронной и мю-онной компонентах ШАЛ [57, 58].
Для определения формы излома вычислялись локальные значения наклона спектра и строилась зависимость наклона от энергии. Спектры компонент ШАЛ и зависимость наклона спектров от Е0 приведены на рис. 1.2 и 1.3.
Для всех компонент наблюдается излом при одинаковой интенсивности и в несколько раз более резкий, чем это следует из модели диффузии КЛ. Изменение наклона происходит в пределах 2-Зх кратного интервала Ео, тогда как с учетом ядерного состава KJI (Z ~ 1 — 26) он должен быть примерно на порядок больше.
Наиболее детальный анализ формы излома по данным разных установок (Chacaltaya, Tibet, Тянь-Шань, ЕAS-TOP, Akeno, KASCADE, ШАЛ МГУ) приведен в работе [30]. Анализ локальных наклонов в дифференциальных спектрах Ne позволяет авторам утверждать, что излом является структурным, т.е. в спектрах ШАЛ наблюдается два бампа.
На рис. 1.4 и 1.5 приведены дифференциальные спектры iVe для разных уровней наблюдения и зависимость усредненной “резкости” (sharpness) излома от Ne.
“Резкостью” авторы обозначают величину х-> связанную со скоростью изменения локального наклона спектра к:
du _ <^lg I * dlëNe (dlgNe)>. [1Л>
Положение “колена” в спектре определяется значением Nc, при котором \ максимально. Локальный наклон /с определяется в интервалах AlgiVTc = 0.2.
Резкий излом наблюдается практически во всех спектрах, кроме измеренного на уровне Тибета. Отличие формы этого спектра возможно связано с тем, что в данной установке
13
Рис. 1.2: Спектры энергий компонент ШАЛ и спектр полных энергий по данным установки Адрон" и модели [57].
В.эб
Рис. 1.3: Зависимость наклона спектров различных компонент ШАЛ от энергии. Пунктир - расчет пс диффузионной модели.
14
Oxygen Iron
V)
гм
I
*
+
(SI
і *
n
М.™. .••••• : ! **
fcAS-TOP I
♦І* И* *
cn
о
і
CASCЛК ^ <*
-2
-I
.од(Ме/Мвк"“>
Рис. 1.4: Дифференциальные спектры ШАЛ по данным разных установок. Измеренные спектры сдвинуты горизонтально, так чтобы совпадали положения изломов, и для удобства вертикально на величину К(СЬасакауа)=4-1.0, К(ТіЬеі)=0, К(Т-Ш)=4-0.75, ЩЕАБ-ТОР,1,11,III )=(+0.25, 0, -0.25), К(Акепо)=-0.25, К(КАБСАОЕ)=-1.0, К(МГУ)=-1.75.
Рис. 1.5: Усредненная по разным спектрам зависимость “резкости’ - х — с1к./<И^^’е = cP\g{I)f(d\gNc)2 от Ис. Здесь -локальный наклон дифференциального спектра.
15
используются сцинтилляторы с свинцовыми фильтрами над ними [59]. Кроме того, авторы не приводят измеренный спектр /Ус и в [30] он восстанавливался из энергетического спектра.
Спектр Тянь-Шаня приведен в относительно больших интервалах А\$і\ = 0.25, что приводит к сглаживанию формы спектра. Более детальные данные можно найти в главе
4.
Анализ формы спектров ШАЛ приводит к следующим выводам [30]:
• Перед изломом в области АГе = 104 — 10е наклон спектра уменьшается.
• За изломом спектр имеет нестепенной вид:
- Спектр ШАЛ имеет бамп в области излома при Ае ~ 10е и возможно второй при ЛГе ~ 3 • 10б.
— В области больших ДГС наклон спектра несколько уменьшается (“колено’').
• Наличие бампов предполагает дополнительные спектры с максимумами, которые можно объяснить вкладом близкого одиночного источника КЛ.
Авторы также отмечают, что поведение резкости х особенно удивительно с точки зрения флуктуаций величины А^. По данным расчетов в [186] при энергии Е0 ~ 3 • 1015 эВ флуктуации в ^ Агс должны составлять и>р ~ 0.541 для протонов и для ядер железа ~ 0.16. Учет дополнительной ошибки измерений Д^АГе = 0.2 дает ~ 0.58 и — 0.26.
Такие флуктуации должны смазывать неоднородности в энергетическом спектре, поэтому обнаружение бампов в спектре Аге означает еще больший их вклад в энергетический спектр.
1.2.2 Зависимость интенсивности ШАЛ в области излома от глубины в атмосфере.
Резкая форма излома в спектре ШАЛ , а тем более наличие бампа в области излома означает, что здесь происходит изменение в спектре какой то определенной группы ядер. Если основная величина излома определяется одной компонентой и значит определенной энергией на ядро, то интенсивность ШАЛ в районе излома на разной глубине в атмосфере должна оставаться постоянной. При этом, величина Агс должна меняться в соответствии с каскадной кривой.
Ранее, при анализе высотного хода ШАЛ по интегральным спектрам, отмечалось наличие серьезной проблемы в такой интерпретации излома. Реально наблюдалась скорее обратная ситуация.
Интегральная интенсивность ШАЛ в области за изломом уменьшалась на порядок с увеличением глубины в атмосфере х = 500 — 1000 г/см2 [61] и в ряде работ отмечалось, что положение излома в спектре ШАЛ АТ* ~ 10е практически не зависит от глубины в атмосфере [62, 63].
Результат имеет принципиальное значение, т.к. противоречит любым моделям, в которых энергетические спектры ядер имеют примерно одинаковую форму в переменной магнитной жесткости Я = Б/2? и излому соответствует определенная энергия на ядро. В частности, это все модели ускорения и распространения КЛ, в которых основную роль играют электромагнитные процессы.
’Ширина распределения на половине высоты.
16
Вывод об аномальном поглощении ШАЛ в атмосфере был сделан из сравнения интегральных спектров. С тех пор был создан ряд новых, более больших установок, а в большинстве “старых” статистика была существенно увеличена. Это позволяет провести болсс корректное сравнение дифференциальных интенсивностей ШАЛ в области излома.
На рис. 1.6 приведена зависимость дифференциальной интенсивности ШАЛ dI(Ng)/dNe от глубины в атмосфере.
ю
-14
О.
О
а?
о
см
<
Г
о
10-”-
-1«
— 10 *4-Ф ф с
-13
ф
~0 10"--
тз
10'
+ СНао»!. ts^Yв х Т I Ье1 □ Тянь—Шамь а ЕЯБ-ТОР
V Оквгю
■ ШПЛ МГУ
о КЯбСРШЕ
— <с!1/с1Мв>»( 3.4+-1.7 )* 1 0Л < — 17>
Ч П I *
* (I* } 1
бЬо ' 7^0 ' 6^0 * 9& ' 1^00 ' А 00 ' 1^00 ' ЙоО
х г/смА2
Рис. 1.6: Зависимость дифференциальной интенсивности ШАЛ (11(И')/с1Ате в области излома спектра от глубины в атмосфере.
Соответствующие значения интенсивности и положения излома в зависимости от глубины в атмосфере приведены в таблице 1.2.
Для сравнения на рис. 1.6 приведена прямая, соответствующая средней по всем данным интенсивности < d[(N*)/dNc >= (3.4± 1.7)10_17см_2сек"1ср"1. Можно полагать, что данные разных измерений не противоречат тому, что зависимость интенсивности от высоты наблюдения отсутствует, либо довольно слабая.
Разброс точек характеризует величину методических ошибок в определении положения излома N1! и интенсивности. В частности, на рисунке приведены два значения интенсивности для уровня Тянь-Шаня, полученные разными способами определения Мс и Л^' [30, 66], что приводит к их отличию в 2.8 раза, и пять значений интенсивности, измеренпых на одной установке ЕА8-Т0Р под разными углами. В последнем случае четыре значения, соответствующие разным интервалам в, вполне хорошо согласуются между собой, но сумма всех измерений дает интенсивность в ~ 2 раза меньшую (точка при х = 810 г/см2).
Нельзя исключить, что отличие полученного результата от вывода работы [61] связано с использованием дифференциальных и интегральных интенсивностей. Поэтому следовало бы в дальнейшем уточнить ситуацию с интегральными интенсивностями, используя современные данные.
Приведенное выше сравнение данных позволяет утверждать, что поглощение ШАЛ в области основного излома при Лг* не противоречит диффузионным и другим моделям, основанным на электромагнитных процессах ускорения и распространения КЛ.
17
Табл. 1.2: Положение излома ЛГ* в снектре ШАЛ и дифференциальной интенсивности ШАЛ в области излома спектра сі/(А^') /А^. от глубины в атмосфере. 71 и 72 - значения наклона спектра ШАЛ до и после излома.
X г/см2 7і 72 10*™ см 2сек-1ср-1 Ю-с . Nk Эксперимент
550 1.9 ±0.6 2.9 ±0.7 Chacaltaya [64, 30
606 3.4 ±0.8 2.5 ±0.9 Tibet [59, ЗО)
690 1.3 ±0.9 1.4 ±0.2 Тянь-Шань [65, ЗО
690 2.41 ±0.05 2.76 ±0.07 3.7 ±0.7 1.6 ± 0.2 Тянь-Шань [66]
810 2.68 ±0.01 3.11 ±0.04 1.13 ±0.2 1.32 ± 0.9 EAS-TOP [67]
820:810-850 2.66 ± 0.01 3.1 ±0.1 2.4 ± 0.4 1.12 ±0.003
860:850-890 2.67 ± 0.02 3.1 ±0.1 2.2 ± 0.6 0.98 ±0.14
900:890-930 2.64 ± 0.02 3.0 ±0.2 2.0 ± 0.8 0.79 ±0.18
1020:1012-1053 2.57 3.0 1.6 ± 1.0 0.8 ±0.2
920 2.48 ± 0.09 2.83 ±0.04 1.7 ±0.2 1.2 ±0.1 Akcno [68]
920 2.3 ±0.2 1.2 ± 0.1 Akeno 69]
1020 2.38 ± 0.02 2.88 ± 0.03 5.6 ± 0.9 0.45 ± 0.03 ШАЛ МГУ [68]
1020 2.42 3.0 4.4 ± 1.3 0.46 ± 0.05 KASCADE [70]
1050 2.45 ± 0.05 2.94 ±0.1 5.2 ± 1.6 0.47 ± 0.02 KASCADK [70]
1100 4.6 ±1.4 0.45 ± 0.02
1150 5.1 ±1.5 0.35 ± 0.02
1200 5.0 ± 1.5 0.30 ±0.02
1250 6.2 ±1.9 0.22 ± 0.02
1.2.3 Зависимость числа электронов ШАЛ в области излома л? от глубины в атмосфере.
Положение излома в энергетическом спектре КЛ может определяться квази-калометрически способом по регистрации Черепковского излучения ШАЛ. Измерения такого типа дают значение энергии излома — 3 ПэВ [71].
Значение А* в зависимости от глубины наблюдения должно меняться в соответствии с кривой поглощения для суммы ядерных компонент, соответствующей составу КЛ при энергии Яд — 3 ПэВ.
В ряде экспериментов измерения интегральных спектров А^с, выполненные под разными зенитными углами на одной и той же установке, показали, что в интервале глубин х ~ 700 — 1000 г/см2 величина А* ~ 10° и слабо меняется с высотой [02, 03]. Измерения на уровне моря дают уменьшение Лг* примерно в 2-3 раза [56], что почти вдвое меньшее ожидаемой разницы при = 185 г/см2 [03].
Здесь будет приведено сравнение экспериментальных данных о высотном изменении ЛГ* с каскадными кривыми для разных ядер. Положение излома определяется по дифференциальным спектрам. При этом следует учитывать, что в интегральных и дифференциальных спектрах положения излома могут несколько отличаться, т.к. в области за изломом дифференциальный спектр Лгс для IIIА Л отличается от чисто степенного вида [30, 00].
На рис. 1.7 приведены значения ЛГ* из таблицы 1.2 и каскадные кривые для протонов и ядер железа с энергией 3 ПэВ из работы [59].
Значения интенсивности в таблице 1.2 отличаются в 2-3 раза. Поэтому значения УУ* были исправлены, предполагая, что реально интенсивность ШАЛ равна средней величине
18
х г/сил2
Рис. 1.7: Зависимость положения излома ТУ* в спектре ШАЛ от глубины в атмосфере. Каскадные кривые для протонов и ядер железа при энергии Е = 3 ПэВ из работы [59].
< <//(ТУ*)/</ТУе >= (3.4 ± 1.7)10"17см"2сек“1ср"1. Поправки вычислялись по экспериментальным значениям наклонов 7! и 72 из таблицы 1.2. Полученные данные и их аппроксимация полиномом также приведены на рис. 1.7. Абсолютные значения поправок лежат в пределах ошибок, но наклон кривой поглощения при этом несколько меняется.
Основное отличие экспериментальной зависимости от теоретических каскадных кривых связано с более медленным поглощением ШАЛ. Во всем измеренном интервале глубин х экспериментальные точки довольно хорошо ложатся на прямую, соответствующую поглощению с \аи ^ 260 г/см2, для исправленных данных Аа« ~ 360 г/см2.
В теоретических кривых наклон меняется, но за максимумом в области х > 800 г/см2 их можно аппроксимировать прямыми. В таблице 1.3 приведены значения АаИ для каскадных кривых и экспериментальных точек.
Табл. 1.3: Значения длины поглощения в г/см2 для ШАЛ в области излома (/У*) и для теоретических каскадных кривых (Р и Ре) при энергии 3 ПэВ. Область линейной аппроксимации х = 820 — 1300 г/см2.
= АЛ^/ДГе О II Ь <г = 0.3
Жи \Ре аМ \*хр лпП и сир 124 ±9 116 ±8 267 ± 30 360 ±55 124 ± 14 116 ±12 267 ± 46 360 ± 83
Величину реальных ошибок довольно сложно оценить, поэтому для всех измерений и теоретических кривых оценка Аа« производилась при двух значениях относительной ошибки а = 8Ьге/Мс = 0.2 и 0.3.
Вывод об относительно слабом поглощении ШАЛ в основном опирается на данные установки КАБСАБЕ. Остальные точки лежат в области максимума каскадных кривых и
19
при существующих ошибках измерения вряд ли можно говорить о существенных расхождениях в этой области. Отличие в области х > 1000 г/см2 более значительное, поэтому уточнение этих данных представляет особый интерес.
1.2.4 Состав KJI в области излома спектра ШАЛ.
При восстановлении состава КЛ по характеристикам ШАЛ анализируются различные компоненты: электронно-фотонная, мюоны разных энергий, черенковские фотоны, флуоресцентный свет, гамма-адронные семейства, либо производится совместный анализ нескольких компонент.
В работах [72, 73, 74], выполненных на основе данных Тянь-Шаньской установки "ШАЛ'’ [76], используя методы решения обратной задачи [77] , исследовались флуктуации мюонов для определения состава КЛ в области 1 ПэВ и выше. Наиболее точно получена доля протонов, составляющая 39 ± 4% при энергии 1 ПэВ. В целом, получен состав близкий к измеренному при 10 ТэВ, т.е., в этом случае, предполагается слабое его изменение в области 10-1000 ТэВ, что довольно плохо согласуется с данными прямых измерений.
В дальнейшем, этим же методом, используя данные установки Акено, был восстановлен состав до энергий 1017 эВ [75]. Отмечается постоянство или слабый рост доли протонов, т.е. их довольно большое преобладание в составе КЛ вплоть до энергии 1017 эВ.
В работах Г.Б. Христиансона и сотрудников, выполненных на уровне моря с помощью установки ШАЛ МГУ, состав определялся с помощью решения прямой задачи по данным о мюонной компоненте ШАЛ. Метод заключался в том, что имеющиеся экспериментальные данные восстанавливались с помощью моделирования ЯЭК в атмосфере, используя различные модели взаимодействия и различный состав КЛ. Доля каждой компоненты менялась с точностью 2% и на основе критерия \2 выбирался оптимальный состав.
В работах данного цикла предполагалось, что в спектре К Л присутствует излом при энергии, зависящей от заряда ядра E„(Z) = Z • 3 • 1015 эВ. Общий вывод серии работ сводится к значительному утяжелению состава в области за изломом спектра. В области излома состав является “нормальным”: доля протонов остается значительной и составляет 32% (р + а : 60%) [79, 80], либо в последних работах несколько меньше: 20% (р+а : 58±5%) [23]. С ростом энергии в диапазоне 1-100 ПэВ отношение доли легких тдер к тяжелым и±уН уменьшается с 3.2 ± 1.1 до 0.43 ± 0.12.
В работах А.Д. Ерлыкина и сотрудников [38, 81] предложен многомерный метод анализа первичного состава по электромагнитной, мюонной и адронной компонентам ШАЛ, с помощью соотношения
4" "l- = 1
где St - доля энергии ШАЛ, несомая i-той компонентой. Используя данные ШАЛ эксперимента “Адрон” и методы решения обратной задачи, в [82] с помощью многомерного анализа получено монотонное утяжеление состава КЛ в области 0.1-5000 Тэв, т.е. вплоть до излома и за ним. При этом доля протонов в области излома может составлять 16 — 30%.
Похожий результат получен в [83] для энергии 1 ПэВ. Наибольшее отличие от предыдущего результата [82] наблюдается в распределении долей средних и тяжелых ядер.
В работах [84] состав КЛ в области энергий 1014 — 101С эВ восстанавливался по кратности мюонов с энергией Е(1 > 0.25 ТэВ, регистрируемых Баксанским подземным сцин-тилляционным телескопом. Основной вывод работы сводился к необходимости наличия достаточно большой доли протонов в области ПэВ-ных энергий и смешанного состава
КЛ.
Объединение подземного мюонного телескопа с наземной установкой ‘ Андырчи”, регистрирующей ШАЛ, позволило измерить зависимость среднего числа мюонов от Ne [85]. Вывод работы сводится к постоянству состава К Л в области Nc = 106 — 107 и составу с большой долей легких ядер.
20
Выводы разных работ о составе КЛ в районе излома приведены в таблице 1.4. В работах, основанных на анализе электронной и мюопной компонент ШАЛ, авторы приходят к мнению, что в области излома состав утяжеляется по сравнению с более низкими энергиями, однако, это утяжеление не очень сильное, легкие ядра р + ав районе излома спектра остаются основной компонентой КЛ и составляют > 50% от всего потока, как по измерениям на высоте гор [80, 38], так и на уровне моря [23].
Табл. 1.4: Различные варианты состава К Л в области энергий ~ 1 ПэВ.
Состав Р Не L М Н Fe
Тянь-Шань Никольский С.И. [89] 43 14 14 14 14
Памир Стаменов Й.Н. [86] 39 ±4 13 ±7 16 ±6 17 ±6 15 ±5
Ерлыкин А.Д. [38] 36 19 1 15 16 12
[78] 17 ±4 15 ±7 - 16 ±10 20 ±8 32 ±4
Баксан [85] 39 24 13 13 11
Swordy Л.[99] 20 36 19 12 13
ШАЛ МГУ [23] 20 ±3 38 ±7 24 ±11 12 ±9 6 ± 4
Фудзи-Канбала [91] 18 10 18 15 6 33
Нормальный [92] 32 23 21 14 10
Тяжелый [93] 14 ±9 23 ±4 26 ± 12 13 ±8 24 ±10
В другой группе данных считается, что протонов в этой области мало и основной компонентой являются средние и тяжелые ядра.
Интерпретация данных но интенсивности гамма-адронных семейств на уровне гор [148, 91] зависит от модели взаимодействия и, в частности, от степени нарушения скейлинга в фрагментационной области.
Сотрудничество “Памир” использует модели (М(^) с сильным нарушением скейлинга во фрагментационной области и, главное, значительным ростом коэффициента нсупру-гости. Величина т^|х=о.з уменьшается в ~ 2.5 раз на интервале Е = 0.001 — 10 ПэВ. Коэффициент неупругости растет до Кил — 0.87 при Е = 100 ПэВ [148]. Такая модель позволяет использовать наиболее легкий состав С.И. Никольского [89] с долей протонов при энергии 2 ПэВ около 40%.
Однако, в последних работах, анализ пространственной структуры гало в суперсемействах приводит авторов к необходимости увеличения доли ядер группы 0ГЮ [94]. Такое заключение возможно приведет к необходимости изменения модели, чтобы сохранить согласие с экспериментальной интенсивностью гамма-адронных семейств.
Экспериментальные группы, работающие с рентген-эмульсионными камерами на г. Фудзи и г. Канбала [91], при анализе используют несколько иную модель взаимодействия адронов, чем в [148]. Скейлинг в фрагментационной области нарушается слабее. В интервале энергий 1012 — 101С эВ инклюзивные спектры вторичных пионов смягчаются таким образом, что величина ж^|х=о.з уменьшается в 1.7 раза. Коэффициент неупругости не зависит от энергии Кш = 0.55. Требуемая диссипация энергии в каскаде достигается в основном за счет быстрого роста сечения арго'\Е) и тяжелого состава К Л. Абсолютная интенсивность спектра КЛ нормируется по данным [45] при 100 ТэВ и при больших энергиях спектры компонент укручаются при одинаковой жесткости. В этих предположениях состав КЛ тяжелый (таблица 1.4).
21