На правах рукописи

Хорхе Котсоми Палета

(Jorge Cotzomi Paleta)

ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКИХ

АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ С ЧИСЛОМ ЧАСТИЦ 107-108 НА УРОВНЕ

МОРЯ И МАССОВЫЙ СОСТАВ ПЕРВИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

ПРИ ЭНЕРГИЯХ 1017-1018 эВ

Специальность 01.04.23 – физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва 2010

ВВЕДЕНИЕ

Исследование состава и энергетического спектра космических лучей (КЛ) сверхвысоких энергий является одной из актуальных задач физики космических лучей, поскольку эти экспериментальные данные важны для выяснения природы происхождения космических лучей и характера их распространения. Согласно экспериментальным данным в энергетическом спектре КЛ при описании его зависимостью ~ E- при энергии (3–5)·1015 эВ наблюдается излом, соответствующий изменению показателя спектра на 0.3-0.4.

Исследование массового состава первичных КЛ в области энергии излома и до 1017 эВ давно проводится на установке ШАЛ МГУ.

Убедительно показано уменьшение доли протонов и увеличение доли тяжелых ядер после излома, что и следует ожидать, если критическая энергия, при которой излом наблюдается для ядер с различным зарядом Z, пропорциональна Z. Такого рода зависимость естественным образом возникает, если связывать происхождение излома с диффузионной моделью распространения КЛ или с достижением максимальной энергии при ускорении в источнике.

При энергиях выше 1017 эВ массовый состав исследовался в относительно немногих экспериментах. Между тем, эта область энергий заслуживает тщательного изучения, поскольку именно в ней следует ожидать появления космических лучей иного происхождения по сравнению с теми, которые наблюдаются при более низких энергиях и связываются со взрывами сверхновых в нашей Галактике.

Как показывают экспериментальные данные, излом в парциальных энергетических спектрах при энергии ~1017 эВ достигается уже и для ядер железа, однако показатель энергетического спектра всех частиц при энергиях выше 1017 эВ сохраняет то же значение, что и при энергиях 1016 – 1017 эВ. Поэтому, начиная с энергии ~1017 эВ, в потоке первичных КЛ должен все больше проявляться вклад КЛ от источников иного происхождения, например, экстрагалактических. Окончательных аргументов в пользу такого заключения пока еще нет, поэтому необходимы дальнейшие экспериментальные исследования в этой области энергий.

Цель работы:

По данным установки ШАЛ МГУ провести анализ функций пространственного распределения (ФПР) заряженных частиц и мюонов в ШАЛ в зависимости от полного числа частиц в диапазоне Ne ~ 107108 для зенитных углов ШАЛ < 300.

Провести сравнение экспериментальных ФПР заряженных частиц, полученных на различных установках: Якутск, AGASA и ШАЛ МГУ в диапазоне Ne > 107.

Исследовать экспериментальную зависимость плотности мюонов от мощности ливня в диапазоне Ne ~ 106108.

Определить вклад дополнительной (не связанной с основной массой галактических космических лучей, генерируемых в оболочках сверхновых) компоненты первичных космических лучей в диапазоне Ne ~ 107108.

Оценить долю гамма-квантов в составе первичного космического излучения при энергии выше 1017 эВ.

Основные результаты работы:

- Показано, что экстраполяция энергетического спектра первичных космических лучей (ПКЛ), дающего оптимальное согласие с экспериментальными данными для Ne 107, не позволяет описать спектр по Ne при Ne >107, поскольку расчетный спектр при такой экстраполяции идет существенно ниже экспериментального. Это указывает на существование в потоке ПКЛ дополнительной компоненты, отличной от основной массы ГКЛ, генерируемых ударными волнами.

- Получена аппроксимация спектра ШАЛ в диапазоне 107 10 () ; ФПР ШАЛ с числом частиц N e > 10 7 (); ФПР ШАЛ с числом частиц N e > 108, совмещенная с ФПР ШАЛ с На рис. 1 приведены экспериментальные ФПР заряженных частиц, полученные по банку данных установки ШАЛ МГУ. Были отобраны ливни с полным числом частиц выше 107 с шагом lg N e = 0.2, и углы направления прихода < 30o, с параметрами возраста ШАЛ 0.6 < s < 1.4.

построены их средние ФПР заряженных частиц. В результате обработки было найдено 1679 ливней, удовлетворяющих этим условиям.

В третьей главе описано определение полного числа частиц в ШАЛ.

Оно производится с использованием априорной ФПР заряженных частиц.

энергетического спектра бралось полное число заряженных частиц в ШАЛ.

Экспериментальные данные установки ШАЛ МГУ для диапазона эмпирической формулой, предложенной Линсли [10].

где C (, ) = ( ) [2 (2 ) ( 2)]1, величина мольеровского радиуса Rm = 80 м, параметры и равны 1.3 и 3.0 соответственно.

Значение параметра близко к значениям, используемым для описание ФПР, получении на установках Якутск и AGASA.

Как показал анализ, та же ФПР хорошо описывается аппроксимацией, используемой на установке ШАЛ МГУ для ливней меньшей мощности.

Это аппроксимация представляет собой обычную функцию Нишимуры – Каматы – Грейзена, но параметр возраста S считается зависящим от расстояния до оси ШАЛ.

Однако теоретическая ФПР, полученная в работе [11] и хорошо описывающая данные установки AGASA, не позволяет описать данные установки ШАЛ МГУ.

На рис. 2 приведены ФПР заряженных частиц полученные на установках AGASA [8] и Якутск [9], а также в настоящей работе.

мольеровских радиусов, результаты представлены в масштабе r/Rm.

Данные нормированы по абсолютной величине на расстоянии 600 м от оси.

Сравнение результатов различных установок показывает, что согласие можно считать хорошим, за исключением области малых расстояний от оси (r/Rm 0.5). С одной стороны, на таких расстояниях возможна переоценка плотности заряженных частиц в сцинтилляционных детекторах за счет переходного эффекта. Но, кроме того, надо учесть, что при занижение реальной плотности в связи с насыщением детекторов, использующих счетчики Гейгера-Мюллера.

Рис. 2. Результаты сравнения экспериментальних данных Надо подчеркнуть, что аппроксимации, используемые для описание экспериментальных данных установок Якутска и AGASA, противоречат экспериментальные данные.

энергетического спектра и массового состава ПКЛ, а также определения вероятной доли гамма-квантов в первичном излучении при энергии выше 1017 эВ. Используя экспериментальный банк данных установки ШАЛ МГУ для событий с числом частиц выше 107 и по числу мюонов с пороговой энергией 10 ГэВ, мы провели оценку возможного вклада дополнительной (или экстрагалактической) компоненты КЛ, в предположении, что дополнительная компонента состоит из протонов.

экспериментальных данных установки ШАЛ МГУ по электронной и мюонной компонентам для ливней с Ne от 105 до 107 достигается при условии, что показатель парциальных энергетических спектров различных групп ядер меняется при критической энергии Ekp(Z)=Z·Ekp(1) с 2.7 на 3.7.

В этом соотношении Z- заряд данной группы ядер, величина Ekp(Z=1) составляет 3.5·1015 эВ. Таким образом, при Е0 >1017 эВ излом достигается уже для ядер железа, так что показатель спектра всех частиц должен был бы соответствовать показателю парциального спектра за изломом, т.е.

составлять примерно 3.7. Однако этого не происходит, и величина показателя спектра всех частиц в диапазоне 1017-1018 эВ остается почти такой же, как в области 1016-1017 эВ. Отсюда можно заключить, что при энергии 1017 эВ и выше должна существовать дополнительная компонента космических лучей, происхождение которой отлично от происхождения компоненты, если из наблюдаемого спектра ШАЛ по числу частиц вычесть спектр, соответствующий экстраполяции парциальных спектров, меняющих свой показатель с 2.7 на 3.7 при Ekp(Z), на область выше 1017 эВ.

Мы использовали экспериментальные данные и экстраполяцию расчетного спектра на область более высоких энергий для того, чтобы определить, какое количество ливней обусловлено дополнительной компонентой ПКИ. При этом получился результат, показанный на рис. 3.

приближенно описать соотношением,