Исследование спектра широких атмосферных ливней по числу мюонов высокой энергии в области энергий первичных космических лучей 1015 - 1017 эВ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, доктор физико-математических наук Новосельцев, Юрий Федорович

• Новосельцев, Юрий Федорович
• доктор физико-математических наук
• 2003

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Новосельцев, Юрий Федорович

СПИСОК ТАБЛИЦ

СПИСОК РИСУНКОВ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Установки для изучения ШАЛ и мюонных групп под землей

1.1. Установка МГУ

1.2. Акепо

1.3. Тибет

1,1. EAS - ТОР . 2G

1.5. С AS Л - MIA

1.0. DICE

1.7. HEGRA

1.8. Ту и ка

1.9. KASCADE

1.10. CASA - BLANC А

ГЛАВА 2. Экспериментальная установка.

2.1. Баксапский Подземный Сциитилляциопный Телескоп.

2.2. Логарифмический преобразователь и годоскоп амплитудных каналов.

2.3. Изучение групп мюонов и каскадных ливней, инициированных мюоиами, на БПСТ.

2.4. Комплекс БПСТ - "Аидырчи'1.

ГЛАВА 3. Регистрация групп мюонов с множественностью nfl > 1800 .:.

3.1. Метод.

3.2. Моделирование эксперимента.

3.3. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными

3.4. Точность измерения энерговыделеиия sL .Об

3.5. Эксперимент .G

3.0. Обсуждение результатов.

3.7. Умет флуктуаний энергетических потерь мюонов.

3.8. Основные результаты

ГЛАВА 4. Пересчет от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ но полному числу мюонов

4.1. Определение параметра А(т) и акссптапса установки.

4.2. Спектр ШАЛ по полному числу мюонов в диапазоне

75 < п^Е > 220 ГэВ) <

4.3. Зависимость результатов пересчета к спектру

ШАЛ по п/( от массового состава ПК Л.

ГЛАВА 5. О характере и причинах излома в спектре ШАЛ по Х(.

5.1. Обсуждение экспериментальных данных.

5.2. Альтернативные объяснения излома в спектре ШАЛ по Л'£>

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование спектра широких атмосферных ливней по числу мюонов высокой энергии в области энергий первичных космических лучей 1015 - 1017 эВ»

Спустя более чем 90 лет после открытия космических лучей (V.Hess, 1912 г.) все еще отсутствует полное понимание процессов их происхождения и ускорения.

Наиболее распространенной является точка зрения, что ипжекция частиц происходит во время вспышек сверхновых, а ускорение первичных космических лучей (ПКЛ) происходит на ударных волнах сверхновых [1]. Большинство моделей ускорения на ударных волнах предсказывает, что этот механизм эффективно работает до энергий - 10п эВ.

Энергетический спектр и массовый состав ПКЛ являются удобными инструментами для изучения вопросов происхождения и ускорения космических лучей (КЛ), а гакже условий их распространения в Галактике. Особый интерес вызывают энергетический спектр и массовый состав в области излома энергетического спектра. Энергетический спектр КЛ, измеренный во многих наземных экспериментах, имеет форму dj/dE :х где у = 2.7 ниже ~ 3 • 10ь эВ и увеличивается до -) ~ 3.1 выше этой -энергии. Изменение в наклоне спектра в области Ес ~ 101эВ (часто называемое "коленом"), происходит вблизи максимальной энергии, достижимой для механизма ускорения па ударных волнах, и, таким образом, приводит к предположению, что, возможно, излом в спектре связан с этой границей. Существует также гипотеза, что излом формируется, когда частицы КЛ достигают энергии достаточной, чтобы покинуть Галактику. Последняя энергия оказывается опять ~ 10ь эВ. Обе возможности приводят к ожиданию, что энергия излома пропорциональна заряду ядра (плавный излом).

С другой стороны, если ускорение КЛ происходит в областях пространства, где плотность вещества является повышенной (по сравнению со средним значением в межзвездном пространстве - например, пульсары), то из-за разницы в сечениях взаимодействия легких и тяжелых ядер (а также фрагментации более тяжелых ядер), излом в спектре всех частиц будет более острым. Таким образом, изучение степени остроты излома поможет дискриминировать некоторые модели происхождения и ускорения ПКЛ.

К настоящему времени энергетический спектр и массовый состав ПКЛ измерены прямыми методами (на спутниках Земли и стратосферных баллонах) до энергий Еv ^ Ю14 эВ (Ех - энергия первичного ядра). В прямых методах измеряется энергия £\ и заряд Z каждой частицы, так что измеряются энергетические спектры каждого сорта ядер. Тем не менее даже в прямых измерениях наблюдается несогласованность данных, полученных в разных экспериментах (JACEE [2], RUN JOB [3]).

При Ех > 1011 эВ прямые измерения становятся неэффективными. Из-за круто падающих с энергией потоков КЛ требуется неприемлемо большой (для космических аппаратов и стратосферных баллонов) аксептанс детекторов или/и длительное время экспозиции. В этой области энергий информацию о ПКЛ получают с помощью косвенных (непрямых) методов, которые заключаются в измерении различных вторичных характеристик взаимодействия первичной частицы (ядра) с атмосферой Земли.

При взаимодействии первичного ядра с Еу > 1014 эВ с ядрами атомов атмосферы образуется широкий атмосферный ливень (ШАЛ) [4], который состоит из ядерноактивной (в основном пионы), электромагнитной и мкюппо- нейтринной компонент. В 80-ые годы была развита техника регистрации черепковского света от ливневых частиц ШАЛ и света флуоресценции от атомов азота атмосферы. Все эти компоненты (за исключением нейтринной) являются предметом измерения и изучения в экспериментах с ШАЛ.

Основной проблемой непрямых методов исследования ПКЛ является то, что и энергетический спектр и массовый состав должны быть извлечены из одного и того же набора данных. Интерпретация непрямых измерений также является непростой задачей. Характеристики ШАЛ, рожденного первичной частицей в атмосфере, зависят от массы частицы и ее энергии, а также от свойств взаимодействий при высоких энергиях. Интерпретация экспериментальных данных требует довольно подробных численных (монте-карловских) расчетов, учитывающих конечные размеры установки, отклик детектора и т.д. Эти расчеты, в свою очередь, требуют экстраполяции данных об адропных взаимодействиях в область значительно более высоких энергий чем тс, которые достигнуты на ускорителях.

Энергетический спектр ПКЛ обычно получают двумя методами. В нервом измеряется полное число электронов Д'г в ШАЛ (на уровне наблюдения), и затем вычисляется энергия первичной частицы на основе некоторой модели развития ШАЛ. Ясно, что результат зависит от предполагаемой массы первичного ядра. Другой метод использует оптические измерения черепковского света или света флуоресценции, обеспечивая более калориметрический способ определения энергии. Считается, что второй метод менее чувствителен к предположениям о массовом составе ПКЛ. Однако в обоих случаях результат пересчета от Ne или от интенсивности излучения черепковского света Q к £\ зависит от модели развития ШАЛ в атмосфере (а также от массового состава ПКЛ).

Для изучения массового состава ПКЛ измеряют параметры ШАЛ, которые должны быть различными для ливней, инициированных разными сортами ядер. Такими параметрами являются число мюонов в ШАЛ Аг/П глубина максимума ливня в атмосфере Хт, флуктуации глубины максимума а(Хт), крутизна поперечного распределения ливневых частиц вблизи ствола ШАЛ р(г), и т.п.

Информацию о массовом составе ПКЛ несут также эксперименты с мюониыми группами под землей. Группой называют события, в которых через установку одновременно проходит два и более мюопов, траектории которых параллельны. Являясь проникающей компонентой ШАЛ, группы мюопов позволяют получать некоторую информацию о характеристиках взаимодействия ПКЛ с ядрами атомов воздуха и о массовом составе ПКЛ.

В экспериментах с мюониыми группами изучаются главным образом две характеристики:

1)декогерептпая кривая G(r), определяемая как скорость счета пар мюопов с расстоянием г между мюонами па единице площади и в единице телесного угла (в группе из m мюопов имеется m(m — 1)/2 независимых пар),

2)спектр кратпостей мюопов I(m) (т.е. скорость регистрации событий, когда установку пересекают m мюопов).

Измерение декогерептпой кривой дает информацию о распределении вторичных частиц (главным образом тг- и К-ме зопов) по поперечному импульсу и позволяет наложить некоторые ограничения на модели адроппых взаимодействий. Моделирование процессов генерации и распространения мюонов в веществе (см., например [5, G]) показывает, что G(r) слабо зависит от массового состава ПКЛ и в основном определяется характеристиками адронных взаимодействий. Спектр кратпостей, напротив, в первую очередь определяется энергетическим спектром и массовым составом и относительно слабо зависит от модели взаимодействия.

Обычно в экспериментах с мюониыми группами энергия и сорт первичного ядра в данном событии неизвестны. Неизвестным является и положение оси ШАЛ. Кроме того, спектр кратпостей зависит от геометрии установки и условий отбора событий. Это приводит к тому, что спектры кратпостей, полученные в разных экспериментах (даже на одной установке, но при разных условиях отбора), нельзя сравнивать между собой.

В настоящей работе представлен (глава 3) метод определения множественности мюонов в событии в том случае, когда эта множественность очень велика тг^ > 1800 [7, 8, 9]. Этот метод (использующий калориметрические свойства Баксанского подземного сциптилляциоп-ного телескопа (БПСТ)) позволяет определить положение оси ШАЛ с точностью 0.5 м - 1 м, и оценить энергию первичного ядра с точностью до множителя ~ 2. Отметим также, что развитая методика позволяет изучать мюонную компоненту в стволе ШАЛ, что невозможно при использовании других методов регистрации мюонов.

События с nfl(E > 220 ГэВ) > 1800 (Е - энергия мюопа, 220 ГэВ - пороговая энергия мюопов, достигающих БПСТ) песуг информацию о потоке ядер ПКЛ с энергией £\ > 3 • 101С эВ. Чтобы получить информацию до излома в энергетическом спектре ПКЛ, необходимо было сравнить (объединить) наши данные при ntl >1800 с результатами экспериментов при меньших значениях пи, и в первую очередь с результатами других работ па БПСТ. Однако препятствием для такого сравнения являлось то обстоятельство, что во всех других экспериментах с мюонными группами информация приводится в виде спектра кратностей /(т), где т - число мюопов, попавших в установку при неизвестном положении оси ШАЛ, в то время как в пашем эксперименте определяется полное число мюонов в ШАЛ - п{1.

Чтобы выполнить прямое сравнение с данными других работ, нами был развит метод (глава 4) пересчета от спектра кратностей к спектру ШАЛ по полному числу мюонов - F(nfl) [10, И, 12, 13]. С помощью этого метода были объединены данные при пи > 1800, полученные методом, представленным в данной работе [8, 9], и данные из работы [14] (выполненной также па БПСТ), в которой был получен спектр кратностей в области 20 < т < 300. В результате впервые был получен спектр ШАЛ по числу мюонов высокой энергии в диапазоне 75 < пи(Е > 220ГэВ) < 4000, который соответствует диапазону энергий ПКЛ Еу = 1015 — 1017 эВ. Впервые был наблюден излом в спектре ШАЛ по числу мюонов (с энергией Е > 220 ГэВ) в области первичных энергий ~ 3 • 10ь эВ.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В работе представлены метод регистрации групп мюопов с множественностью nfl > 1800 и метод пересчета от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ по полному числу мюопов. С помощью этих методов была получена новая информация об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области энергий

1013 - 1017 эВ.

Метод регистрации групп мюопов с ntl > 1800, предложенный и развитый па БГ1СТ, позволяет при определении пп избежать ограничений, связанных с пространственным разрешением установки. Этот метод использует калориметрические свойства БПСТ и позволяет определять 77/4 при любом значении выше порогового (nfL > 1800). При этом энергия первичного ядра определяется с точностью до множителя ~ 2. Регистрация на БПСТ событий с nlt(E > 220 ГэВ) > 1800 позволила получить информацию о потоке ПКЛ с энергией в диапазоне 4 • 1016 - 4 • 1017 эВ.

Метод пересчета от спектра кратностей мюопов к спектру ШАЛ по полному числу мюопов позволяет объединить результаты, полученные в разных экспериментах с мюонными группами. В настоящей работе выполнено прямое сравнение (объединение) данных при nlL > 1800, полученных в нашем эксперименте, и при nfl = 75 - 660, полученных с помощью пересчета от спектра кратностей мюонов, измеренного также на БПСТ и представленного в работе [14].

В результате был получен спектр ШАЛ по полному числу мюонов высокой энергии [12, 13, 15, 1G] в диапазоне 75 < пм(Е > 220 ГэВ) < 4000, который соответствует диапазону энергий первичных космических лучей 1015 — 101' эВ. Эти данные позволили получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области излома энергетического спектра при Ех ~ 101э 5 эВ. Цель. Целью работ, вошедших в диссертацию, является:

1) Обоснование и развитие метода регистрации групп мюонов высокой множественности, которые несут информацию о потоках ядер ПКЛ в области энергий > 4 • 101G эВ.

Представленный метод позволяет при определении п{1 избежать ограничений, связанных с пространственным разрешением установки.

2) Обработка экспериментальной информации о группах мюонов с множественностью п{1 > 1800. В таких событиях на установке срабатывает более 2000 детекторов (из 3200). Получение количественных характеристик таких событий стало возможным только после после развития метода, представленного в данной работе.

3) Обоснование и развитие метода пересчета от спектра кратпостей мюонов (обычно получаемого в подземных экспериментах) к спектру ШАЛ по полному числу мюонов. Этот метод позволяет объединение результатов разных экспериментов с мюонными группами.

4) Получение спектра ШАЛ по полному числу мюонов в большом диапазоне по nfl: 75 < nfl(E > 220 ГэВ) < 4000, что позволяет получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области энергий Ю10 — 101' эВ.

Основные положения, выносимые на защиту. На БПСТ предложены, разработаны и реализованы два новых метода изучения мюоппой компоненты ШАЛ, которые позволяют получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области энергий

1015 - 1017 эВ:

1) Развит и реализован в эксперименте метод регистрации групп мюонов с множественностью nfl > 1800. С помощью этого метода получены данные о потоках ядер ПКЛ в области энергий Es = 4- 101G — 4-1017 эВ.

2) Впервые выполнена обработка экспериментальной информации о событиях нового класса - группах мюонов с очень высокой множественностью - nfl > 1800. В таких событиях па установке срабатывает более 2000 детекторов (из 3200) и наблюдаются компактные пятна сработавших амплитудных каналов (с порогом срабатывания 500 МэВ), которые указывают положение оси ШАЛ.

Обработана экспериментальная информация, полученная за 11 лет работы установки по данной задаче - чистое время регистрации 69220 часов.

3) Впервые в экспериментах с мюоппыми группами, определяется положение оси ШАЛ. Точность локации оси ШАЛ ~ 0.7 м.

4) Развита и реализована методика пересчета от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ по полному числу мюонов, который в отличие от спектра кратностей является объективной (не зависящей от установки) характеристикой потока ПКЛ. Эта методика позволяет выполнить прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюонными группами.

5) Впервые выполнено прямое сравнение данных при nfl > 2000, полученных в пашем эксперименте [8, 9, 12, 13, 15, 1G], и при н/4 = 75 -660, полученных с номощыо пересчета ог спектра кратностей мюонов, измеренного в работе [14].

G) Впервые получен спектр ШАЛ по полному числу мюонов высокой энергии {Е > 220 ГэВ) в диапазоне 75 < nfl < 4000, который соответствует диапазону энергий ПКЛ Ю10 — 101' эВ.

Новизна работы. 1)Предложен и реализован в эксперименте метод регистрации групп мюонов с множественностью пц > 1800. Метод использует калориметрические свойства БПСТ и позволяет обойти ограничения, связанные с пространственным разрешением установки (для

БПСТ - 70 см). Развитая методика позволяет изучать мюонпую компоненту в стволе ШАЛ, что невозможно при использовании других методов регистрации мюонов. Точность определения n;i составляет ~ 10% и повышается с ростом nfl.

2) Впервые выполнена обработка экспериментальной информации о событиях нового класса - группах мюонов с очень высокой множественностью - n,L > 1800.

Обработана экспериментальная информация, полученная за 11 лет работы установки по данной задаче - чистое время регистрации С9220 часов.

3) Предложенный метод позволяет, впервые в экспериментах с мюои-пыми группами, лоцировать ось ШАЛ - точность локации оси ШАЛ ~ 0.7 м.

4) Предложена и реализована па БПСТ методика пересчета от спектра кратпостей мюонов к спектру ШАЛ по полному числу мюонов. Впервые выполнено прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюопными группами.

5) Впервые получен спектр ШАЛ по полному числу мюонов высокой энергии в диапазоне 75 < nfl(E > 220 ГэВ) < 4000.

Научная и практическая ценность. В работе предложен метод определения числа мюонов в ШАЛ, основанный на использовании условия равновесности энерговыделеиия от мюонов в стволе ШАЛ высокой энергии. Для БПСТ условие равновесности энерговыделения выполняется при энергиях £\ > 4 • 101G эВ. Метод позволяет измерять число мюонов в стволе ШАЛ с точностью ~ 10%. При этом энергия первичного ядра оценивается с точностью до множителя ~ 2. Метод может быть использован на всех подземных установках, обладающих калориметрическими свойствами и имеющих достаточную светосилу для регистрации событий высокой энергии.

Предложенная методика пересчета от спектра кратпостей мюонов к спектру ШАЛ по полному числу мюонов может быть использована во всех экспериментах с мюониыми группами под землей, например в экспериментах, выполненных на установках NUSEX [17], FREJUS [18], MACRO [19, 20]. Эта методика позволяет выполнить прямое сравнение результатов, полученных в разных экспериментах с мюониыми группами.

Полученный в работе спектр ШАЛ по nfl в диапазоне 75 < nfl(E > 220 ГэВ) < 4000 является уникальной информацией, существующей только на БПСТ, и является важным вкладом в мировой банк данных об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в диапазоне энергий 1013 - 1017 эВ.

Вклад автора. Автор является одним из создателей БПСТ, принимал участие в сборке и наладке как отдельных узлов, так и всей установки. В работах по теме диссертации вклад автора диссертации является определявшим.

С самого начала эксплуатации телескопа были введены в строй амплитудные каналы (1979 г.), позволяющие измерять энерговыделепие в каждом детекторе телескопа в диапазоне 0.5 - G00 ГэВ. Была развита методика изучения каскадных ливней от мюонов КЛ, измерен спектр ливней от мюонов, на основании которого был получен энергетический спектр мюонов КЛ в области энергий 1-30 ТэВ.

Был развит и реализован в эксперименте метод разделения электромагнитных и адрониых каскадов методом регистрации ~ — ft — с распадов. Отделение электромагнитных каскадов от ядерных было выполнено с эффективностью ~ 99%, при этом эффективность отделения ядерных каскадов от электромагнитных составила ~ 9G — 97%. Это позволило измерить полное сечение фотон-иуклонного взаимодействия до энергий фотонов ~ 10 ТэВ (,/s ~ 130 ГэВ) и коэффициент энергетических потерь мюопов на неупругое взаимодействие с ядрами вещества в диапазоне энергий мюонов 2-20 ТэВ.

Знание характеристик каскадных ливней и опыт работы с амплитудными каналами оказались очень важными и необходимыми при решении задачи о регистрации групп мюонов с множественностью nfl > 1800.

В 1994 - 1997 гг. был развит и реализован метод регистрации групп мюопов с множественностью л(1 > 1800 [7, 8, 9]. Метод основан на использовании равновесности энерговыделения от мюонов в стволе ШАЛ высокой энергии (£\- > 4 • 101G эВ) и позволяет, впервые в экспериментах с мюонпыми группами, определять положение оси ШАЛ и оценить энергию первичного ядра.

В 1997 - 1998 гг. был развит и реализован метод пересчета от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ по полному числу мюонов. Впервые было выполнено прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюонпыми группами [10, 11, 12, 13, 15, 16].

Впервые был получен спектр ШАЛ по числу мюонов высокой энергии в диапазоне 75 < nfl(E > 220ГэВ) < 4000, который позволил получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в диапазоне энергий Ю10 — 101, эВ.

Апробация работы. Работы, представленные в диссертации, были доложены на Российских конференциях по КЛ в 1994 - 2000 гг., па XXIV ICRC в Риме (1995 г.), па XI Международном симпозиуме по взаимодействиям космических лучей высокой энергии (ISVHECRI) в Гран Сассо (1998 г.), па Международных Школах "Частицы и космология" в 1995 - 1999 гг, па конференциях ХАХР - 1999, 2001 (Дубна), на семинарах ИЯП РАН, ФИАН. Работы опубликованы в журналах Известия РАН, Ядерная физика, Astroparticle Physics, Nuclear Physics, в трудах XXIV ICRC (Rome) и XXVII ICRC (Hamburg).

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Новосельцев, Юрий Федорович

Основные результаты данной работы следующие:

1)Развит и реализован в эксперименте метод регистрации групп мюонов с множественностью п' > 1800. С помощью этого метода получены

Iе j данные о потоках ядер ПКЛ в области энергий Es = 4-101G —4-101' эВ. Таким образом, решена задача регистрации и получения количественных характеристик для событий нового класса: групп мюопов с очень высокой множественностью п' > 1800.

2) Впервые выполнена обработка экспериментальной информации о событиях с п' > 1800. В таких событиях на установке срабатывает более 2000 детекторов (из 3200) и наблюдаются компактные пятна сработавших амплитудных каналов (с порогом срабатывания 500 МэВ), которые указывают положение оси ШАЛ.

Обработана экспериментальная информация, полученная за 11 лет работы установки по данной задаче - чистое время регистрации 69220 часов.

3)Впервые в экспериментах с мюонными группами определяется положение оси ШАЛ. Точность локации оси ШАЛ ~ 0.7 м.

4)Развита и реализована методика пересчета от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ по полному числу мюонов, который в отличие от спектра кратностей является объективной (не зависящей от установки) характеристикой потока ПКЛ. Эта методика позволяет выполнить прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюонными группами.

5) Впервые выполнено прямое сравнение данных при rtfl > 2000 полученных в эксперименте, представленном в диссертации [8, 9, 12, 13, 15, 16], и при nfl = 75 - 600, полученных с помощью пересчета от спектра кратностей мюопов, измеренном в другом эксперименте [14].

6)Впервые получен спектр ШАЛ по полному числу мюопов высокой энергии (Е > 220 ГэВ) в диапазоне1 75 < nft < 4000, который соответствует диапазону энергий ПКЛ 10ь — 101' эВ.

В заключение автор выражает глубокую признательность и благодарность Бакатанову Владимиру Николаевичу, которого автор считает своим учителем в области физики космических лучей, за плодотворные дискуссии и творческую атмосферу, сопровождающую многолетнюю (1977 - 1995 гг.) совместную работу гю изучению каскадных ливней от мюонов, тг — j.L — е распадов в адронных и электромагнитных ливнях, энергетического спектра мюонов космических лучей и работу, связанную с проведением некоторых экзотических экспериментов, выполненных за эти годы.

Автор благодарит своих коллег и соавторов по многим работам Новосельцеву Риту Викторовну и Стенькина Юрия Васильевича за помощь в работе и полезные обсуждения, а также всех сотрудников лаборатории Баксанского Подземного Сцинтилляционного Телескопа и лаборатории Лептонов Высокой Энергии, которые обеспечивали и обеспечивают работу этой уникальной физической установки.

Автор хотел бы выразить благодарность Безрукову Леониду Борисовичу за внимание к работе и ценные советы по оформлению рукописи, Михееву Станиславу Павловичу за полезные советы и ценные замечания и Верешкову Григорию Моисеевичу за полезные обсуждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе предложены, разработаны и реализованы два новых метода изучения мюонной компоненты ШАЛ, которые позволяют получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе первичных космических лучей в области энергий 10lj — 101' эВ.

Предложен и обоснован метод регистрации мюонных групп с множественностью п' > 1800. Этот метод использует калориметрические свойства БПСТ и позволяет избежать ограничений, связанных с пространственным разрешением установки. Предложенный метод (измерение числа мюонов по энерговыделению, ими создаваемому) позволяет изучать мюонную компоненту в стволе ШАЛ, что невозможно при использовании других методов регистрации мюонов.

Показано, что если энергия ШАЛ достаточно велика (> п х 101G эВ), то эперговыделение от мюопов в стволе ШАЛ с хорошей точностью является равновесным (для глубины расположения БПСТ). Если ось ШАЛ попадает в установку, обладающую калориметрическими свойствами (подобную БПСТ), то измеряя эперговыделение в некоторой области вокруг оси ШАЛ и площадь этой области (и используя расчетную форму ФПР мюонов) можно определить полное число мюонов в ШАЛ. Эффективность регистрации таких событий 100 % (если п' > 1600).

Впервые в экспериментах с мюонпыми группами определяется положение оси ШАЛ и оценивается энергия первичного ядра. Ошибка в определении > 220 ГэВ) не превышает 15% (с учетом ошибок в определении направления оси ШАЛ и толщины грунта на пути группы мюонов). К сожалению, мы не можем продвинуться по множественности мюонов в область п' < 1800, т.к. при этом вначале нарушается условие равновесности энерговыделения (что приводит к увеличению ошибки в определении пр), затем исчезают компактные пятна ЛП, и точная локация оси ШАЛ становится невозможной. Порог по пм можно понизить, если понизить порог срабатывания логарифмических преобразователей (А0 = 500 МэВ, см. выражение (2.2) в главе 2 ), но на БПСТ это технически трудно осуществить.

Развита и реализована методика пересчета от спектра кратпостей мюонов к спектру ШАЛ по полному числу мюонов, который в отличие от спектра кратпостей является объективной (не зависящей от установки и условий отбора событий) характеристикой потока ПКЛ. Эта методика позволяет выполнить прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюониыми группами.

С помощью представленных выше методов был получен спектр ШАЛ по полному числу мюонов высокой энергии (Е > 220 ГэВ) в диапазоне 75 < ня < 4000, который соответствует диапазону энергий ПКЛ 10г° —101' эВ и несет новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе первичных космических лучей в этой области энергий.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Новосельцев, Юрий Федорович, 2003 год

1. E.G. Berezhko, H.J. Volk. Kinetic theory of cosmic rays and gamma rays in supernova remnants. Astropart. Phys. v.7, p. 183, 1997

2. M.L. Cherry et al. Cosmic ray proton and helium spectra results from JACEE. Proc. XXV ICRC, Durban, 1997. v.4, p.l

3. A.V. Apanasenko et al. Proton and Helium spectra obtained by the first RUXJOB-campaign. Proc. XXV ICRC, Durban, 1997. v.4, p.137,141

4. Г.Т. Зацепин. ДАН СССР, т.67, с.993, 1949

5. S. Allien et al. The measurement of the muon pair separation distribution with the MACRO detector. Proc. XXIII ICRC, Calgary, 1993. v.2, p.93

6. G. G. Auriemma. T. Gaisser, T. Stanev. Multiple muons in the Gran Sasso laboratory. Proc. XXI ICRC. Adelaide, 1990. v.9, p.3G2

7. B.H. Бакатаиоп. Ю.Ф. Новосельцев, P.B. Новосельцева. Регистрация групп мюонов с множественностью > 1800 на Баксанском подземном сшштилляционном телескопе. Известия РАН, сер. фи-зич. T.G1, вып.З, с.562, 1997

8. V.X. Bakatanov, Yu.F. Xovoseltsev, R.V. Xovoseltseva. Detection of muon groups with multiplicity пц > 1500 at the Baksan underground scintillation telescope. Astroparticle Physics, v.8, p.59, 1997

9. B.H. Бакатанов, Ю.Ф. Новосельцев, P.B. Новосельцева. Регистрация групп мюонов с множественностью > 1800 и химический состав первичных космических лучей в области энергий 1015 1017 эВ. Ядерная физика, т.61, с.1618, 1998

10. В.Н. Бакатанов, Ю.Ф. Новосельцев, Р.В. Новосельцева. О характере излома энергетического спектра первичных космических лучей при Е ~ 3 • Ю10 эВ и массовом составе в области энергий 1015 1017 эВ. Известия РАН, сер. физич. т.63, вып.З, с.509, 1999

11. V.N. Bakatanov, Yu.F. Novoseltsev, R.V. Novoseltseva. About the character of the "knee" at E ~ 3 • 10lj eV in the energy spectrum and the mass composition of primary cosmic rays in the energy range 1015 1017 eV. Nuclear Physics B, v.75A, p.256, 1999

12. V.N. Bakatanov, Yu.F. Novoseltsev, R.V. Novoseltseva. Observation of "the knee" in cosmic ray energy spectrum with underground muons and the primary mass composition in the range 10lj — 101' eV. Astroparticle Physics, v. 12, p. 19, 1999

13. Ю.Ф. Новосельцев. About the character of the "knee" at E ~ 3 • 101,J eV in the energy spectrum of primary cosmic rays. Ядерная физика, т.63, вып.6, с. 1129, 2000

14. А.В. Воеводский и др. Анализ состава первичных космических лучей при энергии 1011 — 101G эВ. Известия РАН, сер. физич., т.58, вып.12, с.127, 1994

15. Бакатанов В.Н., Новосельцев Ю.Ф., Новосельцева Р.В. Спектр ШАЛ по nfl{E > 220 ГэВ) в области энергий 1015 1017 эВ. Известия РАН, сер. физич., т.65, вып.8, с. 1212, 2001

16. V.N. Bakatanov, Yu.F. Novoseltsev, R.V. Novoseltseva. EAS Spectrum vs nft{E > 220 GeV) in the Energy Range 101"' 1017 eV. Proc. 27th ICRC, Hamburg 2001, v. 1, p.84

17. M. Aglietaet al. Primary composition up to 1017 eV from the analysis of multiple muon events in the NUSEX experiment. Proc. XXI ICRC, Adelaide, v.9, p.352, 1990

18. Ch. Bergcr et al. Experimental study of muon bundles observed in ^ the Frejus detector. Phys.Rev. D, v.40, p.2163, 198919. Calicchioet al. Status report of the MACRO experiment at Gran Sasso. Xucl. Instr. Meth. A264, p.18, 1988

19. M.Ambrosio et al. High energy cosmic ray physics with MACROdetector at Gran Sasso. Preprint IXFX/AE 96/28, - 96/29, 1996

20. I.K. Greisen et al. Phys. Rev. v.80, p.535, 1950

21. K. Sitte. Phys. Rev. v.78, p.721, 1950ч 23. G. Fujioka. Journ. Phys. Soc. Japan, v.10, p.245, 1955

22. P. Auger et al. Extensive cosmic showers in the atmosphere containingultra-penetrating particles. Compt. rend., v.206, p.1721, 1938

23. G. Daiulin. Ann. Phys. v.20. p.563. 1945

24. A. Rogoginsky. Phys. Rev. v.65, p.291, 1944

25. G. Cocconi et al. Phys. Rev. v.70, p.846, 1946

26. G. Cocconi et al. Phys. Rev. v.76, p. 1020, 1949

27. Л.Х. Эйду с и др. ЖЭТФ, т. 22, с.440, 1952

28. P.M. Barret et al. Rev. Mod. Phys., v.24, p.133, 1952

29. B.S. Acharya et al. Composition of primary cosmic ray at 1011 — 101G eV. Proc. XVIII ICRC, Bangalore, v.9, p.191, 1983

30. U. DasGupta et al. Surface-underground coincidences at the Soudan

31. Mine. Proc. XXI ICRC, Adelaide, v.9, p.327, 1990

32. X.P. Longley et.al. Ultra high energy cosmic ray composition from simultaneous surface and underground measurements at Soudan 2. Proc. XXIII ICRC, Calgary, v.2, p.120, 1993

33. M. Aglietta et al. The UHE cosmic ray event reconstruction by the electromagnetic detector of EAS-TOP. Preprint INFN-LNGS 93/177, 1993

34. В.В. Вашкевич и др. Экспериментальное изучение мюонов высокой энергии в составе ШАЛ. ЯФ, т.47, вып.4, с. 1054, 1988

35. S.K. Sarkar et al. New results of energy spectrum of muons in EAS. Proc. XX ICRC, Moscow, v.6, p.27, 1987

36. D.K. Basak et al. The dependence of muon size on shower size and the composition of cosmic ray primaries. Proc. XXI ICRC, Adelaide, v.9, p. 102, 1990

37. Воеводский А.В., Цябук А.Л., Чудаков A.E. Группы мюонов в подземном эксперименте и химический состав первичных космических лучей. Ядерная физика, т.50, вып.12, с.143, 1993

38. Chudakov A.E. On the number spectrum of muon bundles underground. Proc. XVI ICRC, Kyoto, 1979, v. 10, p. 192

39. Bakatanov V.N. et al. Function of spatial separation distribution and energy spectrum of muons in groups at the depth 850 hg/cm2 underground. Proc. XVIII ICRC, Bangalore, 1983. v. 11, p.453

40. Budko E.V., Chudakov A.E. et al. Muon groups and primary composition at 1014 1016 eV. Proc. XIX ICRC, La Jolla, 1985. v.8, p.24

41. Burnett Т.Н. et al. Energy spectra of cosmic ray above 1 TeV per AMU by JACEE. Proc. XXI ICRC, Adelaide, 1990, v.3, p.101

42. Burnett Т.Н. et al. The energy spectra of hydrogen and helium above 5 TeV/nucleon. Proc. XXI ICRC, Adelaide, 1990, v.3, p.97

43. Cebula D. et al. Astrophysical J., 358, p.637, 1990

44. Г.В. Куликов, Г.Б. Христиансен. ЖЭТФ, т.35, с.635, 1958

45. Г.Б. Христиансен и др. Мюонная компонеЕ1та широких атмосферных ливней. Известия АН СССР, сер.физич., т.42, вып.7, с.1434. 1978

46. G.B. Khristiansen et al. Proc. VIII ICRC, Jaipur, 1963. v.3, p.393

47. В.Б. Атрашкевич и др. Массовый состав первичных космических лучей в области колена энергетического спектра. Известия РАН. сер. физич., т.58, вып. 12, с.45. 1994

48. Б. Питере. Тр. 6-й междунар. конф. по космическим лучам. М.: Наука, 1960, т.ЗО, с .157

49. Г.Т. Зацепин и др. Известия АН СССР, сер. физич., т.26, вып.4, с.685, 1962

50. Т. Нага et al. The Akeno air shower project. Proc. XVI ICRC, Kyoto, 1979. v. 8, p. 135

51. Т. Нага et al. Proc. XVIII ICRC, Bangalore, 1983. v. 9, p. 198

52. M. Nagano et al. Energy spectrum of primary cosmic rays between 1014 5 eV and 1018 eV. J. Phys. G 10 (1984) 1295

53. M.Amenomori et al. Phys.Rev.Lett., 69, 2468 (1992)

54. M.Amenomori et al. "Primary Cosmic Rays at the "Knee" Energy Region Observed with the Tibet Air Shower Array." Proc. XXIV ICRC, Roma, 1995, v.2, p. 736

55. M. Aglietta et al. "The EAS size spectrum and the cosmic ray energy spectrum in the region 1015 1017 eV." Astropart. Phys. 10 (1999) 1

56. A. Borione et al. A large air shower array to search for astrophysical sources emitting gamma-rays with energies > 1014 eV. Nucl. Instrum. Methods A 346 (1994) 329

57. М.Л.К. Glasmacher et al. The cosmic ray energy spectrum between 1014 and 1016 eV. Astropart. Phys. 10 (1999) 291

58. M.A.K. Glasmacher et al. The cosmic ray composition between 1014 and 101G eV. Astropart. Phys. 12 (1999) 1

59. D.J. Hand. Discrimination and Classification John Wiley end Sons Ltd. New York (1981)

60. K.Boothbv et al. Proc. 21th ICRC, Rome, v.2, p.697, 1995

61. K.Boothby et al. Average depth of shower maximum in "knee" region as measured by the dual imaging cherenkov experiment. Nucl. Phys. В (Proc. Suppl) 52B (1997) 166

62. S.P.Swordy, D.B.Kieda. Elemental composition of cosmic rays near the knee by multiparameter measurements of air showers. Astrop. Phys. 13 (2000) 137

63. A.Lindner and HEGRA Collaboration. "Status and new Results of the HEGRA Experiment". Proc. XXV ICRC, 1997, Durban, v.5, 113

64. A.Lindner. A new method to reconstruct the energy and determine the composition of cosmic rays from the measurement of Cherenkov light in extensive air showers. Astropart. Phys. 8 (1998) 235

65. A.Rohring et al. The energy spectrum of charged cosmic rays between 1014 eV and 1016 eV determined with HEGRA arrays. Proc. XXVI ICRC, 1999, Salt Lake City, v.l, p.214.

66. K.Bernlohr et al. Changes of the cosmic-ray mass composition in the 1014 1016 eV energy range. Astropart. Phys. 8 (1998) 253

67. F.Aharonian et al. Cherenkov light based measurement of extensive air showers around the knee with HEGRA experiment. Xucl. Phys. В (Proc. Supl) 75A, p.244, 1999

68. O.A. Gress et al. The first results of Tunka-13 Cherenkov light experiment. Proc. XXV ICRC, Durban, 1997, v.4, p. 129

69. И.О. Klages et al. The KASCADE experiment. Xucl.Phys. В (Proc. Suppl.) 52B (1997) 92

70. И.О. Klages et al. The status of the extensive air shower experiment KASCADE. Proc. XXV ICRC, Durban, 1997, v.6, p. 141

71. R. Glasstetter et al. Analisys of electron arid muon size spectra of EAS. Proc. XXVI ICRC, Salt Lake City, 1999, v.l, p.222.

72. A. Haungs et al. The cosmic ray energy spectrum around the knee by muon density measurements. Proc. XXVI ICRC, Salt Lake City, 1999, v.l, p.218

73. J.R. Horandel et al. First measurements of the knee in the hadronic component of EAS. Proc. XXVI ICRC, Salt Lake City, 1999, v.l, p.337.

74. J.W. Fowler et al. A measurement of the cosmic ray spectrum and composition at the knee. Astropart. Phys. 15 (2001) 49

75. Алексеев E.H. и др. Баксаиский подземный сциптилляшюнный телескоп. Известия АН СССР, сер. физич., т.44, стр.609-612, 1980

76. Chudakov А.Е. The underground liquid scintillation telescope. Cosnews, 1977, No 7, p.4

77. Alexeyev E.N. et al. Baksan Underground Scintillation Telescope. Proc. XVI ICRC, Kyoto, v. 10, p. 276, 1979

78. Воеводский А.В., Дадыкин В.Л., Ряжская О.Г. Жидкие сцинтил-ляторы для больших сцинтилляционных счетчиков. ПТЭ, 1970. N 1, с.85

79. Воеводский А.В. Диссертация канд. ф.-м. наук, ФИАН, 1974

80. Бакатанов В.II., Воеводский А.В., Дадыкин В.Л. Большие сцин-тилляционные счетчики. Материалы 5-ой Всесоюзной конференции по синтезу и производству сцинтилляторов. Харьков, 1970, ч.2, с.119

81. Степанов В.II. Логарифмический преобразователь амплитуды импульсов. ПТЭ, 1909, N 3, с. 115

82. Бакатанов В.Н. ., Новосельцев Ю.Ф. и др. Каскады в мюоппых группах под землей. Препринт ИЯИ АН СССР П-0430, МД985

83. Бакатанов В.Н., Новосельцев Ю.Ф. и др. Каскады в мюоппых группах под землей. Новый метод определения химического состава первичных космических лучей. Письма в ЖЭТФ, т.42, с.307, 1985

84. Bakatanov V.N., Novoseltsev Yu.F. et al. Primary chemical composition from simultaneous recording of muons induced cascades and accompanying muon group underground. Proc XIX ICRC, La Jolla, 1985, v.8, p.28

85. Bakatanov V.N., Novoseltsev Yu.F. et al. Study of photonuclear muon interactions at Baksan underground scintillation telescope. Proc XIX ICRC, La Jolla, 1985, v.8, p.25,36

86. Ачкасов B.M., Бакатанов B.H., Новосельцев Ю.Ф. и др. Исследование спектра и неупругого взаимодействия мюопов на Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе ИЯИ АН СССР. Известия АН СССР, сер. физич., т.50, с.2224, 198G

87. Бакатанов В.Н., Новосельцев Ю.Ф. и др. Сечение фотоядерного взаимодействия при энергии фотонов в диапазоне от 0,9 до 10 Тэв. Письма в ЖЭТФ, т.48, с.121, 1988

88. Бакатанов В.Н., Новосельцев Ю.Ф. и др. The Investigation of Spectra and an Inelastic Interaction of Muons Using the Baksan Underground Scintillation Telescope. Известия АН СССР, сер. физич., т.53, с.ЗЗО, 1989

89. Новосельцев Ю.Ф. Дисс.капд.физ.-мат.наук. М. ИЯИ АН СССР, 1988

90. Bakatanov V.X., Xovoseltsev Yu.F. et al. Study of nuion spectrum and muon inelastic scattering at Baksan underground scintillation telescope. Proc. XXI ICRC, Adelaide, 1990. v.9, p.375

91. Бакатанов В.II., Новосельцев Ю.Ф. и др. Интенсивность мюонов космических лучей и нуклонов первичного космического излучения по данным Баксапского подземного спинтилляциоипого телескопа. Ядерная физика, т.55, с. 2107, 1992

92. Bakatanov V.X., Xovoseltsev Yu.F. et al. Muon and primary cosmic rav intensity from the Baksan underground scintillation telescope. Proc. XXII ICRC, Dublin, 1991. v.2, p.779G. Алексеев E.II. и др. Препринт ИЯИ РАН 853/94, Москва, 1994

93. Петков В.Б. Дисс.капд.физ.-мат.наук. М. ИЯИ РАН, 1997

94. Chudakov А.Е. et al. A measurement of the EAS differential size spectrum around the knee. Proc. XXV ICRC, Durban, 1997, v.6, p.177

95. Петрухин А.А. Мюоны сверхвысокой энергии в космических лучах. Известия РАН, серия физич., т.65, вып.11, с. 1643, 2001

96. Бакатанов В.Н., Бозиев С.Н., Новосельцев Ю.Ф., Новосельцева Р.В., Чудаков А.Е. О возможности регистрации групп мюонов с множественностью > 1000 на Баксанском сциптилляцион-ном телескопе ПЯИ РАН. Известия РАН, сер.физич., т.58, вып. 12, с.130, 1994

97. V.N. Bakatanov, S.N. Boziev, А.Е. Chudakov, Yu.F. Novoseltsev, R.V. Novoseltseva. Detection of events with miion multiplicity X^loOO at the Baksan underground scintillation telescope. Proc. of 24 ICRC, Rome, 1995, v.l, p.561

98. Худсоп Д. Статистика для физиков. М.: Мир, 1967

99. Бакатанов В.II., Бозиев С.Н. и др. Регистрация гигантских мю-онных семейств па подземном сциптилляционном телескопе Бак-санской нейтринной обсерватории ИЯП РАН. Письма в ЖЭТФ. т.56, выи.5, с.237, 1992

100. Бозиев С.Н., Воеводский А.В., Чудаков А.Е. Препринт Р-0630, Институт ядерных исследований, АН СССР, 1989

101. Bilokon II. et al. A Monte Carlo study of the relation between electron size and high energy muon content in atmospheric showers. Proc. XXI ICRC, 1990, Adelaide, v.9, p.366

102. Бакатанов В.II., Новосельцев IO.Ф. и др. Интенсивность (л — с распадов на разных глубинах по данным Баксанского подземного сцинтилляционного телескопа. Известия АН СССР, серия физич., т.49, вып.7, с.1369, 1985

103. Бозиев С.Н. Ядерная физика, т.52, вып.2, с.500, 1990

104. Attallah R. et al. High energy muon production in iron generated EAS for superposition and fragmentation models. Proc. XXIV ICRC, 1995, Rome, v.l, p.573

105. S.P. Swordy. Cosmic ray observations below 1014 eV. Proc. XXIII Int. Cosmic Ray Conf. (Rapporteur Papers), Calgary, p.243 and references herein. Eds, Leahy D.A., Hicks R.B., Venkatesan D., World Scientific (1993)

106. Asakimori K. et al. Cosmic ray proton and helium spectra combined JACEE results. Proc. XXIV ICRC, 1995, Rome, v.2, p.728

107. Elbert J., Sommers P. Preprint UUHEP 83/20. Univ. Utah., 1983

108. Gaisser Т., Stanev T.Nucl. Inst, and Meth. 1985, V.235A, p.lS3

109. Knapp J.,Heck D.,Schatz G. Comparison of Hadronic Interaction Models Used in Air Shower Simulations. Preprint FZKA 5828, Kernforscliungszentrum Karlsruhe, 1990.

110. Capella A. et al. Jets in small pt hadronic collisions, universality of quark and rising rapidity plateau. Phys. Lett. v.81B, p.08, 1979

111. P.Lipari and Т.Stanev. Propagation of multi-TeV muons. Phys. Rev. D, v.44, p.3543, 1991

112. Auriemma G. et al. The "knee'' of the cosmic ray spectrum. Proc. XXII ICRC, 1991, Dublin, v.2, p.101

113. Yu.A. Fomin et al. The improved method of the primary nuclear composition determination at energies 1015 — 1017 eV. Proc. 25th ICRC, Durban, 1997, v.4, p.17

114. N.N. Kalmykov et al. Quark-gluon string model and EAS simulation problem at ultra-high energies. Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), 52B, 17, 1997

115. J.R.Patterson, A.M.Hillas. The relation of the lateral distribution of cherenkov light from cosmic ray showers to the distance of maximum development. J.Phys. G9, 1433, 1983

116. D.B. Kieda, S.P. Swordy, S.P. Wakely. A high resolution method for measuring cosmic ray composition beyond 10 TeV. Astropart. Phys. v.15, p.287, 2001

117. A.D. Erlykin, AAV. Wolfendale. High energy cosmic ray spectroscopy. I. Status and prospects. Astropart. Phys. v.7, p.l, 1997

118. A.D. Erlykin, A.W. Wolfendale. High energy cosmic ray mass spectroscopy. II. Masses in the range 1014 — 1017 eV. Astropart. Phys. v.7, p.203, 1997

119. A.D. Erlykin, A.W. Wolfendale. J. Phys. G. v.23, p.979, 199712G. A.D. Erlykin, A.W. Wolfendale. High energy cosmic ray spectroscopy. III. Further analyses. Astropart. Phys. v.8, p.2G5, 1998

120. G. Schatz. A search for fine structure of the knee in EAS size spectra. Astropart. Phys. v.17, p.13, 2002

121. S.I. Nikolsky. Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.) v.39A, p.228, 1995

122. S.I. Nikolsky. New properties of the hadron multiproduction in the inelastic collisions at energies >3-6 TeV in the center of mass frame. Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.) v.75A, p.217, 1999

123. С.И. Никольский, В.А. Ромахин. "Космические лучи с энергией 103 103 ТэВ и выше." Ядерная физика, т.63, с. 1888, 2000