Калибровка оценок энергии гигантских атмосферных ливней для наземных детекторов с помощью черенковского и флуоресцентного света тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Шозиеев, Гулмурод Парвонашоевич

• Шозиеев, Гулмурод Парвонашоевич
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шозиеев, Гулмурод Парвонашоевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

УЛЬТРАВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ (КЛУВЭ).

1.1. Наземные эксперименты.

1.1.1. Якутская установка.

1.1.2. Эксперимент AGASA.

1.1.3. Эксперимент HiRes.

1.1.4. Эксперимент Auger.

1.1.5. Эксперимент ТА.

1.2. Спутниковые эксперименты.

1.2.1. Эксперименты ТУС и КЛПВЭ.

1.2.2. Эксперимент EUSO.

X • 2 • 3 • OWL/Ai 2TWci t ch ., •.

Глава II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ШАЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОДОВ

CORSIKA И GEANT4.

II. 1. Основные программы моделирования ливней в различных средах.

II.1.1. CORSIKA.

II. 1.2. GEANT3/GEANT4.

II. 2. Гибридные схемы.

11.2.1. CONEX

11.2.2. 5-уровневая схема.

Глава III. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧЕРЕНКОВСКОГО СВЕТА ШАЛ.

111.1. Схема моделирования, характеристики детектора и атмосферы, квантовая эффективность детектора.

111.2. База данных черенковского света (БД ЧС).

111.3. Функция источника.

111.4. Результаты расчётов для эксперимента Тунка

111.5. Расчёты для эксперимента Якутск

111.6. Исследование флуктуаций ФПР ЧС для ШАЛ.

I Глава IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФЛУОРЕСЦЕНТНОГО СВЕТА В ШАЛ.

IV. 1. Схема моделирования, характеристики детектора и атмосферы.

IV.2. База данных поглощённой энергии в реальной атмосфере

Глава V. ОЦЕНИВАНИЕ ЭНЕРГИИ ШАЛ.

Б H 1/\ Б •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Калибровка оценок энергии гигантских атмосферных ливней для наземных детекторов с помощью черенковского и флуоресцентного света»

Атмосфера Земли непрерывно бомбардируется релятивистскими частицами. Частицы с энергиями порядка Ю20 эВ падают один раз в год на каждые 100 кш2 поверхности Земли. Они формируют самую высокоэнергичную часть спектра космических лучей, который простирается от 109 эВ до Ю20 эВ (Рис.1). Из-за редкости таких частиц о них мало что известно. В частности открытыми остаются вопросы о том, как или где частицы с энергией Ю20 эВ получают такую большую энергию. Эти частицы могут отражать проявления неизвестной физики или экзотических процессов, протекавших в ранней Вселенной, и возможно являются единственными образцами экстрагалактического материала, который мы можем обнаружить.

Космические лучи с энергией > 1015 эВ могут быть зарегистрированы

ГЧ,

1 частица на м в секунду

X «Г г 7 г <ос о с

-16 ю

-и 10

-25 10

102вг

1 частица яа км* в год ' 1 частица на км' к столетие ' lJ .J .i '. .1 . '. "inj .

10* ю'0 ю" ю,г 10й ю" ю" ю" 1017 ю" 10м ю20 ю"

Энергия, эВ

Рис. 1. Дифференциальный спектр потока космических лучей как функция энергии [7]. Данные собраны из разных экспериментов. только по вызываемым этими частицами в атмосфере Земли каскадам - широким атмосферным ливням (ШАЛ). Для обнаружения каскадов на поверхности Земли строятся гигантские детекторы, способные регистрировать различные характеристики каскадов, в том числе и создаваемое ими излучение.

Имеются серьезные ограничения к свойствам астрономических кандидатов на ускорение космических лучей с энергией больше Ю20 эВ и их расстояниям до наблюдателя (см. Рис.2) .

Рассматриваются различные механизмы рождения частиц сверхвысоких энергий: bottom-up (рождение посредством ускорения) или (и) top-down (механизм распада).

Первый механизм - это ускорение в быстро вращающихся магнитных полях

15 Г

4] ) и ударными [5] нейтронная звезда [1,2], ультрарелятивистский ветер [3], "Мёртвые квазары" ускорение волнами (ускорение Ферми [1] , ускорение частиц в релятивистских струях

6], ударные волны, формирующиеся аккреционном

7], двойные [1,9], ультрарелятивистские ударные волны в и и V ч о с о о к

Е-8 X L 4 5

0<

9 -3 з

Стаяккаатщисся А

ДИСК' Я Г ЛИ Лжтич. /

ГАЛО

Virgo В диске звезды

Кластсрп \ L

6 '9 12 ' 15 : 18 | 21

1 а. е. 1 пк 1 кпк 1 Мпк Log(Размер, км)

Рис. 2. Размер и напряжённость магнитного поля в возможных ускорительных объектах. Объекты ниже диагональных линий не могут ускорить соответствующих элементов[7,13]. которых возможно формируются гамма-всплески [10,11]).

Второй механизм рассматривает космические лучи с энергиями больше 1019 эВ как результат распада сверхтяжелых объектов[8]. Рассматривают два сценария генерации массивных частиц (Х-частиц). а) Супермассивные частицы [12]. Их масса может быть больше 1012 ГэВ, а время жизни сопоставимо с возрастом Вселенной. В этом сценарии ожидается анизотропия по направлению к центральной области Галактики [12,13]. б) Топологические дефекты как результат нарушения симметрии фазового перехода в Теории Великого Объединения [8] классифицируют по их размерностям [135] : магнитные монополи (О-измерение, точечный); космические струны (1-измерение); подмножество предыдущих, которое несёт ток как сверхпроводящая струна; граница домена (2-измерения); текстурные строения (3-измерения). Топологические дефекты могут разрушаться, аннигилировать, генерировать Х-частицы.

Особую роль играют процессы распространения частиц сверхвысоких энергий. При распространении в Галактике протоны сверхвысоких энергий практически не теряют энергию, но они отклоняются в галактическом магнитном поле. Уход частиц от диска галактики увеличивается с энергией. При энергиях выше 1018эВ, если первичные частицы в основном являются протонами, возможно проявление анизотропии. Также рассматриваются особенности распространения частиц сверхвысоких энергий в межгалактическом пространстве.

Центральным вопросом для частиц с энергией > б•1О19 эВ является существование «обрезания» Грейзена-Зацепина-Кузьмина (эффект ГЗК) [14,15]. В этой энергетической области становятся существенными энергетические потери частиц в межгалактических полях излучения (микроволновом, инфракрасном и радиофоне). Вскоре после открытия в 1965 году фоновой радиации Грейзен (1966), Зацепин и Кузьмин (1966) теоретически показали [14,15], что в спектре протонов при энергиях бхЮ19 эВ из-за образования пиона, должно существовать обрезание [см. Приложение 2] энергетического спектра.

Ответ на вопрос о существовании ГЗК-обрезания может быть получен на основе экспериментальных данных о различных компонентах гигантских атмосферных ливней (ГАЛ). При этом определяющим моментом является точность определения энергии. Для оценки энергии ГАЛ в Якутском эксперименте и эксперименте АСАБА [16] применяется метод определения энергии по параметру плотности энергии, выделенной в сцинтилляторе толщиной 5 см на расстоянии 600 м от оси ливня - Ббоо- Энергия определялась по формуле:

Е0=а(Зт)ь (1) где а«2.00-1017, ¿«1.03 - параметры аппроксимации, Ббоо выражается в ВЭМ (вертикальный эквивалентный мюон).

Для оценки энергии по плотности черенковских фотонов на расстоянии 4 00 м на Якутской установке применяется следующая формула:

0 =(9,0±2,6)-10' „ ^1,03±0,02 ¡¿400

2)

Ю7.

Где <24оо ~ плотность черенковских фотонов на расстоянии 400 метров от оси ливня.

Черенковское излучение (см. Приложение 3.) играет особую роль при исследовании ШАЛ. Достаточно большой световой выход в оптическом диапазоне и слабое поглощение в чистой, безоблачной атмосфере позволяют эффективно определять полную энергию ШАЛ, а также историю развития ливня в атмосфере.

История исследований ЧС ШАЛ началась в 40-х годах Геттинг (1947 г.) впервые применил ФЭУ для сбора черенковского света. Эксперимент по черенковскому свету провёл Джелли (1951 г.). Первые измерения черенковского света ливней проведены Гольданским и Ждановым [18] и независимо Галбрайтом [19]. Особо ценными явились в своё время пионерские работы Чудакова [20] и его расчетные работы совместно с Зацепиным В.И. [21] по черенковскому свету от ШАЛ, выполненные на основе каскадной теории электронно-фотонных ливней для первичного гамма-кванта и протона для двух уровней наблюдения.

На уровне моря черенковский угол равен 1.3° и убывает с высотой (Рис.3). Пороговые энергии частиц, от которых черенковский свет, например, от электронов, мюонов и протонов на уровне моря составляют 21 МэВ, 4.4 ГэВ и 39 ГэВ соответственно и растут экспоненциально с высотой.

Пионерские работы Чудакова по измерению черенковского света включали в себя также и учёт ионизационного свечения (флуоресцентный свет) как фона для черенковских экспериментов. Позднее он предложил использовать это свечение в экспериментах по изучению ШАЛ.

Измерение флуоресцентного света впервые было предложено в работах Чудакова [22], Greisen [23,24], а позднее Suga [25] в начале 60-х годов XX века. В начале 1970-х университетом штата Юта был изготовлен трёхзеркальный прототип "Fly's Eye", наблюдавший атмосферу над установкой Volcano Ranch в Нью Мехико [26] .

Таким образом, измерения черенковского и флуоресцентного света ШАЛ имеет богатую историю. а) Ь) с)

Рис. 3. Графики зависимости черенковского угла (а) и радиуса черенковского кольца (Ь) от высоты. На графике (с) показано изменение черенковского конуса в зависимости от высоты. Уровень наблюдения -2 км

Результаты современных экспериментов (Якутск, АСАБА, РАО, МИев), полученные на основе детектирования различных компонент ГАЛ не дают согласованных результатов по спектрам космических лучей в диапазоне энергий 1018 - Ю20 эВ. Энергия ливней в экспериментах АбАБА и Якутск определяется на основе моделирования характеристик ГАЛ. Точность определения энергии зависит от корректности используемых для ее определения результатов расчетов, которые в этой области энергий исключительно трудоемки по времени и вычислительным ресурсам. Последнее обстоятельство приводит к трудностям, при создании единого пакета программ по моделированию методом Монте-Карло атмосферных ливней ультравысоких энергий.

Целью диссертационной работы является создание и реализация нового гибридного метода расчета характеристик черенковского и флуоресцентного света ГАЛ, позволяющего получить данные для наземных и спутниковых экспериментов.

Научные результаты и новизна работы.

1.Разработан и реализован новый метод расчета характеристик черенковского и флуоресцентного света ГАЛ, позволяющий сохранить основные физические флуктуации и получить достаточную статистику наигранных событий за минимальное время.

2. С хорошей статистической точностью с использованием кодов ССЖБША и СЕАЫТ4 получены базы данных черенковского света (БД ЧС) электронов и фотонов с энергией <10 ГэВ для различных глубин зарождения ливня и для расстояний 0 - 2000 м от оси ливня, для зенитных углов от 0° до 60 °и БД поглощенной энергии для различных глубин зарождения ливня для расстояний 0 - 2000 м в реальной атмосфере, позволяющие получить данные по флуоресцентному свету.

3.Введено дополнение в код ССЖ51КА, которое позволяет рассчитать функции источника электронов и фотонов с энергией <10 ГэВ.

4. Для детектора типа Тунка получены функции пространственного распределения черенковского света, который хорошо согласуется с расчетами других авторов.

5.Сопоставление расчётной и экспериментальной зависимости 0(400) для Якутского эксперимента показало хорошее согласие и возможность использования этого параметра для оценки энергии и калибровки других параметров.

6.Совместный анализ параметров 0(400) и б (600) и сопоставление с якутским экспериментом показали возможность завышения энергии в 1.6 раза. Введение поправки позволяет согласовать энергетические спектры частиц, наблюдаемые в Якутске и НШев.

7. Расчёты энерговыделений ГАЛ показали, что 95% энергии генерируется на расстояниях до 500 м. При регистрации флуоресцентного света с малых расстояний (порядка ~ 5 км) и величине угла сбора света детектором порядка ~ 1.3° собирается примерно 65% света.

Практическая и научная ценность работы.

Научная значимость работы состоит в реализации нового метода расчета характеристик ГАЛ по черенковскому и

1 9 флуоресцентному свету в широком диапазоне энергий от 10 до Ю20 эВ. Впервые с использованием гибридной схемы, включающей вычисления функции источника и базы данных (БД) , на основе кодов СОИЭША и СЕАЫТ4 были рассчитаны характеристики черенковского и флуоресцентного света ГАЛ.

Практическая значимость состоит в том, что полученные результаты моделирования функции пространственного распределения (ФПР) черенковского света (ЧС) в реальной атмосфере могут быть использованы для дальнейших исследований в экспериментах "ЯКУШАЛ" и "Тунка". База данных черенковского света и база данных энерговыделений в реальной атмосфере, а также ФПР ЧС могут стать основой для расчетов ГАЛ для новых экспериментов, использующих черенковскую и флуоресцентную методику.

На защиту выносятся:

- Комплексы программ для расчета черенковского света от ливней, созданные на базе программного пакета ССЖ31КА, и метод расчёта черенковского света от гигантских атмосферных ливней;

- Комплексы программ для расчета флуоресцентного света от ливней, созданные на базе программных пакетов СОИЗША и 6ЕАЫТ4, и метод расчёта флуоресцентного света от гигантских атмосферных ливней;

- Результаты расчетов функций пространственного распределения и полного потока черенковского света, необходимых для анализа экспериментов «ТУНКА» и «ЯКУШАЛ» в области энергий 1015 -Ю20 эВ;

- Результаты расчетов пространственных распределений поглощенной в атмосфере энергии, необходимых для анализа экспериментов МИеЗ, РАО и ТА в области энергий 1018 -1020 эВ

- Калибровка оценки энергии гигантских атмосферных ливней, полученной в сцинтилляционных детекторах, по черенковскому излучению.

Апробация работы:

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и опубликованы в трудах Международных конференций и совещаний по космическим лучам (Пуне, 2005; Катания, 2006; Москва, 2005, 2006; Петербург, 2006), Ломоносов-2006, 29-й Всероссийской конференции по космическим лучам (Москва, 2006) и представлены в статьях в журналах (Ядерная Физика; Известия РАН, Сер. Физ.; Nucí. Phys. В).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 7 статей в журналах и трудах конференций.

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, 5 глав, приложения, заключения и списка литературы; содержит 78 рисунка и 11 таблицы; список литературы включает 139 наименований. Объем диссертации 111 страниц.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Шозиеев, Гулмурод Парвонашоевич

В заключение сформулируем основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Реализован метод расчета характеристик черенковского и флуоресцентного света в ГАЛ, основанный на вычислениях функций источника и базы данных и позволяющий учитывать физические флуктуации при развитии индивидуальных ливней.

2. Созданы подробные базы данных по функциям пространственного распределения черенковского света и пространственным распределениям поглощённой в атмосфере энергии с использованием кодов С0КБ1КА и 6ЕАЫТ4 в ливнях, генерированных электронами и гамма-квантами с энергиями <10 ГэВ на разных глубинах атмосферы.

3. Реализована модификация кода СОИБША, позволившая получить функции источника электронов и гамма-квантов с энергиями Е ниже пороговой {Е <10 ГэВ).

4. Функция пространственного распределения черенковского света, рассчитанная автором для детекторов установки "Тунка", хорошо согласуется с экспериментальными данными и результатами расчетов из других работ в области энергий 1015 - 1016эВ.

5. Показано, что рассчитанные зависимости как полного потока черенковского света, так и плотности потока на расстоянии 400 м от оси ливня от энергии ливня согласуются с используемыми данными в эксперименте "ЯКУШАЛ" с погрешностью 5 - 10%.

6. Из сопоставления расчетной зависимости параметра Q(400) от величины сигнала s(600) с экспериментальной показано, что оценки энергии ГАЛ, используемые в эксперименте "ЯКУШАЛ", отличаются в ~1,6 раза от рассчитанных.

7. Показано, что пространственное распределение флуоресцентного света очень широкое: на расстояниях более 100 м от оси ливня генерируется до 35-4 0% флуоресцентного света, а не ~10%, как показано в работе [126].

В заключение хочу поблагодарить моего спонсора The Ада Khan Foundation, за предоставленную возможность учиться на Физическом факультете Московского университета.

Хочу поблагодарить всех преподавателей кафедры космических лучей и физики космоса, работников иностранного отдела физического факультета за теплое отношение. Хочу поблагодарить всех сотрудников ОИВМ, особенно ЛТЭФЛ за их дружеское отношение и поддержку в работе. Особенно хочу отметить ценные замечания Манагадзе А.К., Галкина В.И., Кириллова А. А., Петрухина В.В. в течение времени работы и учебы в лаборатории.

Хочу выразить глубокую признательность и благодарность моим научным руководителям Татьяне Михайловне Рогановой и Леониду Григорьевичу Деденко за постоянное внимание, помощь и поддержку в работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шозиеев, Гулмурод Парвонашоевич, 2006 год

1. Thomas К. Gaisser, Cosmic Rays and Particle Physics, Cambrige Univer-sity press, 1990.

2. Berezinsky V., Kachelriess M. and Vilenkin A. Ultra-high energy cosmic rays vtithout GZK cutoff. Phys. Rev. Lett., 1997, 79, p.1302. arXiv:astro-ph/9708217. .

3. Blasi P., Epstein I. and Olinto A. V. Ultra-High Energy Cosmic Rays From Young Neutron Star Winds. Astrophys. 2000, 1, L123, p.533. arXiv:astro-ph/99122-10.

4. Boldt E. and Ghosh P. Cosmic rays from remnants of quasars? arXiv:astro-ph/09U2:i42.

5. Hillas A.M. The origin of ultra-high energy cosmic rays. Ann. Rev. Astron. Astrophysics., 1984, 22, p. 425.

6. Rachen J.P. and Biermann P.L. Extrngalactir. ultra-high energy cosmic rays. Astron. Astrophys., 1993, 272, p. 161.

7. Ostrowski M. Mechanisms and sites of ultra high energy cosmic ray origin. Astropart. Phys. in press arXiv:astro-ph/0101053.

8. Bhattachar jee P. and Sigl G. Origin and propagation of extremely high energy cosmic rays. Phys.Rept. 2000, 327, p.109. arXiv:astro-ph/9811011. .

9. Drury L. C. An introduction to the theory of diffusive shock acceleration of energetic particles in tenuous plasmas. Rep. Prog. Phys., 1983, 46, p. 973.

10. Vietri M. On the acceleration of ultrahigh-energy cosmic rays in gamma ray bursts. Astrophys. J. 1995, 453, p.883. arXiv:astro-ph/9506081.

11. Waxman E. Cosmological gamma ray bursts and the highest energy cosmic rays. Phys. Rev. Lett., 1995, 75, p. 386. arXiv:astro-ph/9505082.

12. Berezinsky V. Ultra high energy cosmic rays. Xnd. Phys. Pror. Suppl., 2000, 70, p.110. arXiv:hop-ph/0802351. .

13. Dubovsky S.L. and Tinyakov P.G. Galactic anisotropy of ultra-high energy cosmic rays produced by CDM-related mechanisms. arXiv: hep-ph/9810401.14