Энергетические характеристики групп мюонов в наклонных ШАЛ по данным эксперимента НЕВОД-ДЕКОР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат наук Юрина Екатерина Александровна

• Юрина Екатерина Александровна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Юрина Екатерина Александровна

Введение

В.1 Актуальность темы

В.2 Общая характеристика работы

Глава 1. Избыток мюонов в широких атмосферных ливнях

1.1 Детекторы ALEPH и DELPHI

1.2 Детектор ДЕКОР

1.3 Обсерватория Пьер Оже

1.4 Детектор IceTop

1.5 Другие эксперименты

1.6 Объединенные результаты

Глава 2. Эксперимент НЕВОД-ДЕКОР и данные

2.1 ЧВК НЕВОД и координатно-трековый детектор ДЕКОР

2.2 Экспериментальные данные

2.3 Долговременная стабильность регистрации групп мюонов в детекторе ДЕКОР

2.4 Отбор групп мюонов в детекторе ДЕКОР

2.5 Феноменологические распределения характеристик групп мюонов

2.6 Выводы к главе

Глава 3. Энерговыделение групп мюонов

3.1 Отклик ЧВК НЕВОД на прохождение групп мюонов. Локальная плотность мюонов

3.2 Поправка на влияние порога оцифровки

3.3 Моделирование отклика супермоделей ДЕКОР на прохождение групп

мюонов

3.3.1 Поправки к оценке локальной плотности мюонов

3.4 Удельные энерговыделения групп мюонов

3.5 Объединение данных разных серий измерений

3.6 Зависимости среднего удельного энерговыделения от зенитного и азимутального угла и локальной плотности мюонов

3.7 Медианы удельного энерговыделения. Сравнение со средними значениями

3.8 Проверка стабильности работы ЧВК НЕВОД

3.9 Выводы к главе

Глава 4. Средняя энергия мюонов в группах

4.1 Моделирование отклика детекторов НЕВОД и ДЕКОР на прохождение групп мюонов

4.2 Калибровка модели черенковского водного детектора НЕВОД

4.3 Переход от средних удельных энерговыделений к средней энергии мюонов в группах

4.4 Расчет ожидаемых средних энергий мюонов в группах на основе результатов моделирования в CORSIKA

4.5 Остаточный вклад электронно-фотонной и адронной компонент ШАЛ в измеренное энерговыделение групп мюонов

4.6 Зависимости средней энергии мюонов от зенитного угла и локальной плотности мюонов

4.7 Выводы к главе

Заключение

Список цитируемой литературы

Приложение

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергетические характеристики групп мюонов в наклонных ШАЛ по данным эксперимента НЕВОД-ДЕКОР»

В.1 Актуальность темы

О наблюдении избытка мюонов в широких атмосферных ливнях (ШАЛ) относительно предсказаний моделей сообщалось авторами многих экспериментов. Фактически ни одна из моделей адронных взаимодействий, настроенных по доступным данным Большого адронного коллайдера (БАК), не может описать образование мюонов для первичных энергий выше 1017 эВ. Наблюдаемый избыток мюонов получил название "мюонная загадка" [1].

Важно отметить, что одним из первых экспериментов, на котором была измерена зависимость избытка мюонов от энергии частиц первичных космических лучей (ПКЛ), являлся НЕВОД-ДЕКОР [2, 3, 4]. Позже измерения, проведенные в Обсерватории Пьер Оже [5, 6, 7], подтвердили наличие избытка многомюонных событий в ШАЛ по сравнению с расчетами для энергий ПКЛ 1018 - 1019 эВ.

Наблюдаемый избыток может быть объяснен как космофизическими (изменение энергетического спектра и/или массового состава ПКЛ), так и ядернофизическими (генерация новых частиц или состояний материи в ядро-ядерных взаимодействиях) причинами. Для их разделения необходимо измерить энергетические характеристики многомюонных событий и их изменения с энергией первичных частиц. Возможным подходом к исследованию энергетических характеристик мюонной компоненты ШАЛ является измерение энерговыделения мюонных групп в веществе детектора. Средние потери мюонов в веществе практически линейно зависят от их энергии:

/ йХ = а + ЬЕ^. (В.1)

Первое слагаемое в формуле, которое слабо зависит от энергии мюонов,

отвечает за ионизационные потери, а второе слагаемое - за радиационные

потери, которые растут с энергией мюонов. Соответственно, удельное

4

энерговыделение (нормированное на плотность мюонов в группе) дает информацию о средней энергии мюонов в группах.

В случае утяжеления массового состава ПКЛ удельное энерговыделение слабо изменится. В случае включения нового физического процесса и появления мюонов высоких энергий удельное энерговыделение начнет расти, т. к. появление даже одного мюона с энергией, в сотни раз превышающей среднюю энергию мюонов, существенно увеличит среднее энерговыделение.

В эксперименте НЕВОД-ДЕКОР исследования энерговыделения групп мюонов в веществе детектора проводятся с 2012. Измерения энерговыделения групп мюонов в наклонных ШАЛ выполняются с помощью черенковского водного калориметра (ЧВК) НЕВОД [8, 9], а координатно-трековый детектор ДЕКОР [10] позволяет измерять множественность (количество мюонов в группе), направление прихода группы (зенитный и азимутальный углы) и локальную плотность мюонов, что дает возможность оценить энергию первичной частицы.

В.2 Общая характеристика работы Цель работы

Поиск решения "мюонной загадки" - растущего с энергией первичных частиц избытка мюонов в ШАЛ в области выше 1017 эВ - путем исследования энергетических характеристик групп мюонов по данным детекторов НЕВОД и ДЕКОР.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Отобраны группы мюонов и обработаны экспериментальные данные по энерговыделению групп за длительный период времени (более 7 лет измерений).

2. Проверена стабильность работы черенковского водного калориметра НЕВОД и координатно-трекового детектора ДЕКОР.

3. Проведено моделирование отклика детекторов НЕВОД и ДЕКОР на прохождение групп мюонов.

4. Рассчитаны ожидаемые зависимости средних энергий мюонов в группах для различных моделей взаимодействий адронов и при разном составе ПКЛ.

5. Получены экспериментальные зависимости средних значений и медиан удельного энерговыделения, средней энергии мюонов в группах от зенитного угла и локальной плотности мюонов и соответствующих им энергий первичных частиц.

6. Полученные зависимости энергий мюонов в группах сопоставлены с расчетами ожидаемых значений для различных предположений о составе космического излучения и моделях адронных взаимодействий.

Научная новизна

Впервые измерено энерговыделение групп мюонов с одновременным определением количества мюонов и получены экспериментальные оценки средней энергии мюонов в группах в наклонных ШАЛ при зенитных углах от 55° до 85°, генерируемых ПКЛ с энергиями от 10 до 1000 ПэВ.

Впервые в интервале зенитных углов 65° - 75° для локальных плотностей более 0.4 мюонов/м2, соответствующих энергиям первичных частиц выше 1017 эВ, обнаружено увеличение средней энергии мюонов в группах по сравнению с результатами расчета с использованием post-LHC моделей адронных взаимодействий.

Практическая значимость

Полученные в работе экспериментальные данные по энергетическим характеристикам многомюонных событий являются основой для проверки различных моделей образования избытка групп мюонов и разделения космофизической и ядернофизической причин его появления.

Личный вклад

Все работы по диссертации были осуществлены лично автором, либо при его непосредственном участии:

1. Обработка экспериментальных данных по энерговыделению групп мюонов за период более 7 лет наблюдений.

2. Моделирование прохождения групп мюонов через супермодули координатно-трекового детектора ДЕКОР.

3. Получение экспериментальных зависимостей энергетических характеристик многомюонных событий от зенитного угла и локальной плотности мюонов: средних и медиан удельного энерговыделения групп, средней энергии мюонов в группах.

4. Определяющий вклад в подготовку и оформление результатов по теме диссертации в виде научных докладов и публикаций.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Реализация подхода к исследованию энергетических характеристик групп мюонов, основанного на измерении энерговыделения групп мюонов в черенковском водном калориметре НЕВОД с одновременным определением числа мюонов в группах и направления их прихода в широком диапазоне зенитных углов по данным координатно-трекового детектора ДЕКОР.

2. Результаты моделирования прохождения групп мюонов через супермодули детектора ДЕКОР для расчета поправок к оценке локальной плотности мюонов, учитывающих особенности регистрации событий детектором.

3. Результаты измерения энерговыделения групп мюонов и оценки средней энергии мюонов в группах в наклонных ШАЛ для энергий ПКЛ от 10 до 1000 ПэВ.

4. Увеличение среднего удельного энерговыделения и средней энергии мюонов в группах с ростом зенитного угла, согласующееся с результатами расчетов по моделям адронных взаимодействий QGSJET-II-04 и SIBYLL-2.3c.

5. Выявленный рост средней энергии мюонов в группах по сравнению с ожиданием для больших локальных плотностей, соответствующих энергиям ПКЛ выше 1017 эВ (для диапазона зенитных углов 65° - 75°).

Достоверность

Достоверность экспериментальных результатов определяется большой статистической обеспеченностью данных (90 тыс. событий с группами мюонов, отобранных независимыми операторами), а также использованием современных методов обработки данных. Достоверность данных по энерговыделениям групп мюонов подтверждается долговременной стабильностью работы детектора ДЕКОР и черенковского водного калориметра НЕВОД. Абсолютная величина отклика ЧВК НЕВОД откалибрована с помощью одиночных окологоризонтальных мюонов, отобранных с помощью ДЕКОР.

Апробация результатов работы

Основные результаты исследований по теме диссертации представлены автором на российских и международных конференциях: 7-й Международной молодежной научной школе-конференции «Современные проблемы физики и технологий» (2018); 26th Extended European Cosmic Ray Symposium / 35th Russian Cosmic Ray Conference (2018); 36-й Всероссийской конференции по космическим лучам (ВККЛ-2020); 2nd International Symposium on Cosmic Rays and Astrophysics (ISCRA-2019); 13-х Черенковских чтениях "Новые методы в экспериментальной ядерной физике и физике частиц" (2020); 5th International

Conference on Particle Physics and Astrophysics (ICPPA-2020); 37th International Cosmic Ray Conference (ICRC-2021).

Публикации по теме диссертации

Основные положения диссертации опубликованы в 12 работах в изданиях, индексируемых базами данных Scopus, Web of Science и/или входящих в Перечень ВАК:

1. Юрина Е.А. и др. Статус эксперимента НЕВОД-ДЕКОР по исследованию энерговыделения групп мюонов. Изв. РАН. Сер. физ. 2021. Т. 85. № 4. С. 594. DOI: 10.31857/S0367676521040402 (ВАК); Yurina E.A. et al. Status of the NEVOD-DECOR experiment on the study of muon bundles energy deposit. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021. V. 85. P. 455. DOI: 10.3103/S1062873821040390 (Scopus).

2. Yurina E.A. et al. NEVOD-DECOR experiment on the measurement of the energy deposit of cosmic ray muon bundles. Phys. At. Nucl. 2020. V. 83. P. 1369. DOI: 10.1134/S1063778820090306 (Web of Science, Scopus).

3. Kokoulin R.P., ..., Yurina E.A. et al. Measuring the Cherenkov light yield from cosmic ray muon bundles in the water detector. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2020. V. 952. P. 161586. DOI: 10.1016/j.nima.2018.11.045 (Web of Science, Scopus).

4. Yurina E.A. et al. Investigation of the energy loss of muon bundles in the Cherenkov water calorimeter. Phys. At. Nucl. 2019. V. 82. P. 680. DOI: 10.1134/S1063778819660505 (Web of Science, Scopus).

5. Kokoulin R.P., Yurina E.A. et al. Energy loss measurements of inclined muon bundles in the Cherenkov water detector. EPJ Web. Conf. 2019. V. 208. P. 08006. DOI: 10.1051/epjconf/201920808006 (Web of Science).

6. Юрина Е.А. и др. Зависимость энерговыделения мюонных групп от локальной плотности мюонов и зенитного угла. Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. №8. С. 1034. DOI: 10.1134/S0367676519080398 (ВАК);

Yurina E.A. et al. Dependence of the energy deposit of muon bundles on local muon density and zenith angle. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. P. 937. DOI: 10.3103/S1062873819080392 (Scopus).

7. Yurina E.A. et al. Variations in the intensity of cosmic ray muon bundles according to DECOR data 2012-2017. J. Phys. Conf. Ser. 2019. V. 1189. P. 012010. DOI: 10.1088/1742-6596/1189/1/012010 (Scopus).

8. Кокоулин Р.П., ..., Юрина Е.А. и др. Эксперимент НЕВОД-ДЕКОР по исследованию энерговыделения групп мюонов в наклонных ШАЛ. ЭЧАЯ. 2018. Т. 49. № 1. С. 176 (ВАК); Kokoulin R.P., ..., Yurina E.A. et al. Measuring the energy deposited by muon bundles of inclined EAS in the NEVOD-DECOR experiment. Phys. Part. Nucl. 2018. V. 49. P. 101. DOI: 10.1134/S1063779618010239 (Web of Science, Scopus).

9. Kokoulin R.P., Yurina E.A. et al. Measurements of the energy deposit of multi-muon events in the Cherenkov water calorimeter. EPJ Web Conf. 2017. V. 145. P. 16002. DOI:10.1051/epjconf/201614516002 (Web of Science, Scopus).

10. Богданов А.Г., ..., Юрина Е.А. и др. Энерговыделение групп мюонов в наклонных ШАЛ с энергиями 1016-1018 эВ. Изв. РАН. Сер. физ. 2017. Т. 81. № 4. С. 520. DOI: 10.7868/S0367676517040093 (ВАК); Bogdanov A.G., ..., Yurina E.A. et al. Energy deposits of muon bundles in inclined EASes with energies of 1016-1018 eV. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2017. V. 81. P. 484. DOI:10.3103/S1062873817040098 (Scopus).

11. Bogdanov A.G., ..., Yurina E.A. et al. Energy characteristics of multi-muon events in a wide range of zenith angles. J. Phys. Conf. Ser. 2017. V. 798. P. 012049. DOI: 10.1088/1742-6596/798/1/012049 (Web of Science, Scopus).

12. Kokoulin R.P., ..., Yurina E.A. et al Energy deposit of muon bundles detected at various zenith angles in the Cherenkov water calorimeter. PoS (ICRC2017). 2017. V. 301. P. 310. DOI:10.22323/1.301.0310 (Scopus).

В составе коллектива авторов получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности (Приложение 1).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и одного приложения. Объем диссертации: 112 страниц, 69 рисунков, 10 таблиц, 79 наименований цитируемой литературы.

Глава 1. Избыток мюонов в широких атмосферных ливнях 1.1 Детекторы ALEPH и DELPHI

Группы мюонов - это события с одновременным прохождением нескольких генетически связанных мюонов через детектор с практически параллельными траекториями. Основными источниками групп мюонов являются распады пионов и каонов, генерируемые в ядерных каскадах, инициированных в атмосфере высокоэнергетическими частицами первичных космических лучей. Появление избытка групп мюонов большой множественности надежно установлено в эксперименте ALEPH [11], проводившемся на большом электрон-позитронном коллайдере LEP [12], ускорителе заряженных частиц в международном научно-исследовательском центре СЕККЫ, на глубине 140 м под землей. Пороговая энергия мюонов для вертикального направления составляла 70 ГэВ. На рис. 1.1 (слева) представлено устройство детектора ALEPH. Большая время-проекционная камера (TPC, Time Projection Chamber) обеспечивала отличное пространственное разрешение треков. Группы мюонов с плотностями вплоть до 20 мюонов/м2 могут быть легко разделены. TPC окружена электромагнитным (Electromagnetic Calorimeter) и адронным (Hadron Calorimeter) калориметрами, которые дают возможность отслеживания треков с помощью внешней оболочки мюонных камер (Muon Chambers). На рис. 1.1 (справа) представлен пример одного из событий с наибольшей множественностью (76 мюонных треков). Отличное разрешение камеры позволило разделить близко расположенные мюонные треки с угловой точностью лучше 5 мрад.

Рис. 1.1. Устройство детектора ЛЬБРЫ (слева). Пример события с большой множественностью (76 треков) в детекторе ЛЬБРЫ (справа).

На детекторе ЛЬБРЫ за период регистрации (1997 - 1999 гг.) было отобрано примерно 580 тыс. событий с космическими лучами, эффективное время регистрации составило 1.7-106 с (~ 470 ч).

На рис. 1.2 представлено измеренное распределение множественности мюонов [13] в ТРС и моделированные зависимости на основе программы СОЯ81КА [14] (модель QGSJET [15]) для протонного (р) и железного (Ье) состава первичных частиц. До множественности, равной 20-ти, моделированная кривая для первичных протонов хорошо описывает экспериментальные данные. Предполагается, что в первичном спектре преобладают более легкие элементы при энергиях, соответствующих этим множественностям. При множественностях больше двадцати наблюдается переход к кривой для ядер железа. В то время как моделирование согласуется с данными в широком диапазоне множественностей, оно не описывает события с самыми большими множественностями, даже в предположении чисто железного состава. Это хорошо видно из интегрального распределения [13] (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Распределение количества

событий по числу мюонов (множественности) в сравнении с результатами моделирования в СОКЖА для р и Бе [13].

Рис. 1.3. Интегральное распределение множественности мюонов в сравнении с результатами моделирования в СОРОКА для р и Бе [13].

Похожий эксперимент был проведен и на детекторе DELPHI [16], который также располагался на большом электрон-позитронном коллайдере LEP на глубине 100 м под землей. Пороговая энергия мюонов для вертикального направления составляла 52 ГэВ. Основные части DELPHI, использованные для регистрации мюонов космических лучей: внешний детектор (OD, Outer Detector), баррельная часть адронного калориметра (HAB) и баррельные мюонные камеры (MUB), время-проекционная камера (TPC), время-пролетный сцинтилляционный детектор (TOF). На рис. 1.4 (слева) представлено устройство детектора DELPHI. Детектор HAB состоит из 12000 стримерных трубок. Газовая смесь внутри трубки состоит из Ar (10 %), CO2 (60 %) и изобутана (30 %). Детектирующая площадь детектора HAB составляет 75 м2 в горизонтальной плоскости. Время-проекционная камера TPC может измерять направление мюонных треков, но так как камера имеет относительно малый объем, она регистрирует небольшое количество мюонов, прошедших через детектор DELPHI (площадь детектирования TPC в 10 раз

меньше площади HAB). Пример события с максимальной множественностью (127 треков) представлен на рис. 1.4 (справа).

Рис. 1.4. Устройство детектора DELPHI (слева). Событие с большой множественностью (127 реконструированных треков), зарегистрированное

Анализировалось 54201 событие с множественностью больше трех частиц. События зарегистрированы в период с 1999 по 2000 год, эффективное живое время регистрации составило 1.5-106 с 420 ч). Треки реконструировались по данным адронного калориметра HAB c помощью программы ECTANA [17]. Дифференциальное распределение групп мюонов по множественности представлено на рис. 1.5 (слева) [18]. Для моделирования отклика детектора DELPHI на космические лучи от ШАЛ использовалось несколько программ. Высокоэнергетические взаимодействия моделировались с помощью программы CORSIKA (модель QGSJET 01 [19]). Горная порода над детектором DELPHI и форма экспериментального помещения, а также основные структуры были промоделированы в программе GEANT3 [20]. Полное моделирование отклика детектора было выполнено в пакете моделирования DELSIM [21]. На рис. 1.5 (справа) представлено интегральное распределение групп мюонов по множественности в сравнении с результатами моделирования в программе CORSIKA для железного (iron) и протонного (proton) состава [18]. Как видно из рис. 1.5, для больших множественностей

адронным калориметром установки DELPHI (справа)

наблюдается избыток по сравнению с результатами моделирования как для протонного, так и для железного состава первичного космического излучения.

model За flux 1 b

10

+ 7 saturated

events

->

a)

-О

20 40 60 80 100 120 140 160 180 muon multiplicity

integrated multiplicity

Рис. 1.5. Дифференциальное распределение групп мюонов по множественности (слева). Интегральное распределение групп мюонов по множественности в сравнении с результатами моделирования в программе CORSIKA для железного и протонного спектра (справа) [18].

Результаты экспериментов ALEPH и DELPHI показали, что в области множественностей ~ 100 мюонов наблюдается избыток многомюонных событий по сравнению с результатами расчетов, даже в предположении предельно тяжёлого состава ПКЛ (ядра железа). К сожалению, в экспериментах ALEPH и DELPHI не было возможности оценивать энергию ПКЛ, при которой появляется избыток групп мюонов.

Такая возможность есть у установок, предназначенных для исследования космических лучей и оснащённых ливневыми установками для определения энергии первичной частицы, вызвавшей этот ливень. Но для надёжной регистрации групп мюонов необходимо ещё одно условие: хорошее координатное разрешение мюонных детекторов. Первым экспериментом, в котором была обеспечена хорошая пространственная точность регистрации мюонов в группах (порядка 1 см) и был применён оригинальный подход к

1.2 Детектор ДЕКОР

оценке энергии первичных частиц, стал комплекс НЕВОД-ДЕКОР, который позволил провести исследования групп мюонов от первичных частиц с энергией от 1015 до 1018 эВ и выше. Такой диапазон был достигнут за счет регистрации многомюонных событий в наклонных ливнях в широком диапазоне зенитных углов.

На экспериментальном комплексе НЕВОД-ДЕКОР проводилось исследование групп мюонов ШАЛ. Для этих исследований использовался координатно-трековый детектор ДЕКОР с высокой угловой и пространственной точностью, состоящий из восьми супермоделей общей площадью 70 м2, расположенный вокруг черенковского водного калориметра НЕВОД с объемом 2000 м3. Пример события с группой мюонов, зарегистрированной супермодулями координатного детектора ДЕКОР и ЧВК НЕВОД, приведен на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Пример события с группой мюонов, зарегистрированной совместно детектором ДЕКОР и ЧВК НЕВОД. Большими прямоугольниками показаны

супермодули детектора ДЕКОР. Реконструированные треки по данным детектора ДЕКОР показаны тонкими синими линиями, а сработавшие ФЭУ в ЧВК НЕВОД - окрашенными маленькими кружками.

Для физического анализа данных использовался метод спектров локальной плотности мюонов (СЛПМ) [2]. Типичные размеры мюонной

компоненты атмосферного ливня (~ км) много больше габаритов установки НЕВОД-ДЕКОР (десятки метров), поэтому детектор можно считать точечным. В первом приближении локальную плотность мюонов в событии можно оценить как:

т

о = (1-1)

дет

где т - множественность мюонов в группе, 5,дег - площадь ДЕКОР для данного направления прихода группы. Распределение событий по локальной плотности мюонов В формирует СЛПМ. Процедура реконструкции экспериментальных СЛПМ в детекторе ДЕКОР с учетом геометрических факторов, пуассоновских флуктуаций числа мюонов, попадающих в детектор, эффективности стримерных трубок камер, условий триггирования и условий отбора событий подробно описаны в статье [2]. Метод СЛПМ позволяет по данным детектора ДЕКОР (множественность мюонов в группе и зенитный угол) оценивать характерные энергии ПКЛ, дающих основной вклад в события, отбираемые по плотности мюонов. Таким образом, регистрируя группы мюонов различной множественности в широком интервале зенитных углов, можно исследовать в рамках одного эксперимента ПКЛ в диапазоне от 1 до 1000 ПэВ и выше, благодаря увеличению эффективной площади собирания событий с ростом зенитного угла.

Для получения СЛПМ были использованы данные по группам мюонов за период измерений на комплексе НЕВОД-ДЕКОР с 2002 по 2007 гг. [2]. Живое время наблюдений с использованием всех восьми супермодулей координатно-трекового детектора ДЕКОР составило 19922 часа. На рис. 1.7 в четырех панелях приведены экспериментальные и ожидаемые СЛПМ, помноженные для наглядности на В3, для различных зенитных углов (35° (а), 50° (б), 65° (в), 78° (г)).

Экспериментальные данные представлены кружками на рисунках, а расчетные значения для моделей QGSJET 01 и SIBYLL 2.1 [22] - сплошными и штриховыми кривыми соответственно. Нижние и верхние пары кривых на рисунках - протоны и ядра железа ПКЛ. С увеличением зенитного угла появляется и растет избыток групп мюонов по сравнению с результатами расчета, даже в предположении чисто железного состава ПКЛ.

D \lF/ilD. (м4 с ср)"' D\iFHD. (м4 с ср)"'

_I_I.........I_I.........I_I.......I _I_I.........I_I_I I I I I I I_I_I........

10"2 10"' 10° 10' 10"2 10"1 10° 101

D, м-2 D, м-2

Рис. 1.7. Дифференциальные СЛПМ для различных зенитных углов [2] (подробное описание обозначений см. в тексте).

На рис. 1.8 приведены СЛПМ, полученные на статистике групп мюонов,

зарегистрированных детектором ДЕКОР за 2002 - 2007 и 2012 - 2016 год [3].

Суммарное живое время наблюдений составило 41209 часов. Проведено

сравнение полученных дифференциальных спектров с различными моделями

адронных взаимодействий (EPOS LHC [23], QGSJET 01, QGSJET-II-04 [24,

25], SIBYLL 2.1 [26], SIBYLL 2.3 [27]) для зенитного угла 78 градусов. На

рисунке: первичным ядрам железа (Iron) соответствует верхняя группа

19

кривых, а первичным протонам (Protons) - нижняя группа. При энергиях около 1018 эВ наблюдается явный избыток групп мюонов, даже в предположении об экстремально тяжелом массовом составе ПКЛ (только ядра железа).

D, m - 2

Рис. 1.8. Дифференциальные СЛПМ для зенитного угла 0 = 78° [3]. Данные обозначены точками; расчетные значения для пяти моделей адронных взаимодействий для первичных протонов и ядер железа представлены

кривыми.

1.3 Обсерватория Пьер Оже

Позже наличие избытка мюонов в наклонных ШАЛ при сверхвысоких энергиях было подтверждено в экспериментах Обсерватории Пьер Оже [5]. Обсерватория Пьер Оже [28] - два массива детекторов для регистрации ШАЛ, расположенных в Южном полушарии (Мендоза, Аргентина). В установке использована комбинация двух типов детекторов - черенковских водных, в которых измеряется число заряженных частиц, и оптических, регистрирующих флуоресцентный свет в атмосфере. Карта расположения детекторов обсерватории представлена на рис. 1.9. Четыре детектора, регистрирующих флуоресцентный свет в атмосфере, находятся в пунктах, представленных названиями. Черенковские водные детекторы обозначаются точками.

Рис. 1.9. Расположение детекторов установки Пьер Оже на карте.

Массив черенковских водных детекторов (рис. 1.10, слева) образуют 1600 заполненных водой баков, разнесенных на расстояние 1.5 км друг от друга. Каждый бак представляет собой цилиндр диаметром 3.5 м и высотой 1.2 м и содержит 1.2-104 л фильтрованной воды. Внутренняя поверхность бака покрыта светоотражающей пленкой. Черенковский свет, излучаемый приходящими частицами, регистрируется тремя ФЭУ. По краям массива черенковских детекторов имеются четыре оптических установки, расположенных в вершинах параллелограмма со сторонами 66 и 57 км (рис. 1.10, справа). Каждая установка состоит из 6 независимых телескопов с углами обзора 30°х30°. Флуоресцентный свет собирается зеркалом радиусом 3.4 м и отражается в расположенную в фокальной плоскости регистрирующую камеру, представляющую собой матрицу из 20х22 ФЭУ.

Рис. 1.10. Черенковский водный детектор "Аи§ег"(слева). Схема регистрации ливней в детекторах флуоресценции и черенковских

детекторах (справа).

С 1 января 2004 г. по 31 декабря 2010 г. с помощью черенковских детекторов, расположенных на поверхности, было зарегистрировано 5936 событий с КЛ с энергией выше 4-1018 и зенитными углами в интервале 62° < 0 < 80° [5]. Подавляющее число частиц в таких событиях составляют мюоны, потому что большая часть электромагнитной компоненты поглощается в атмосфере. Исходя из того, что общее число мюонов зависит от типа первичной частицы, наклонные ШАЛ могут быть использованы для изучения состава.

Энергию каждого события оценивают путем калибровочного параметра

Ы19 (мощность ливня, пропорциональная числу мюонов) [5]. Процедура

калибровки может быть использована для получения числа мюонов как

функции от энергии. На рисунке 1.11 представлена зависимость параметра Ы19

от энергии события [5]. Фитирование Ы19 производится с помощью

степенной функции А^(£ш/10 ЭэВ^ для энергий выше 4-1018. Из фитирования

получены следующие коэффициенты: А = 2.13 ± 0.04 ± 0.11 (систем.) и

В = 0.95 ± 0.02 ± 0.03 (систем.). Подробности процедуры калибровки и данные

представлены в [29] и [30]. На график нанесены моделированные в программе

СОЯБГКА кривые для протонов (модель РОБШТ-П) и железа (модель

22

EPOS1.99 [31]). Ни одна из моделей, ни для протонного, ни для железного первичного состава, не предсказывает такого большого количества мюонов, как наблюдается в эксперименте.

1019 1020

£ро/еУ

Рис. 1.11. Экспериментальная зависимость от энергии событий [5].

Сравнение с моделированными кривыми для первичного спектра железа и

протонов.

В более поздних публикациях в эксперименте Пьер Оже на увеличенной статистике данных также был подтвержден избыток мюонов по сравнению с ожидаемыми результатами [6, 7].

На рисунке 1.12 приведена зависимость среднего содержания мюонов в ливнях от энергии ШАЛ в дважды логарифмическом масштабе, полученная по событиям ШАЛ с зенитными углами 0 > 62° в диапазоне энергий первичных частиц от 3х1018 эВ до 3х1019 эВ [6]. Данные представлены черными кружками; квадратными скобками обозначены систематические неопределенности измерений. Данные сопоставлены с ожидаемыми кривыми, полученных при моделировании ШАЛ при 0 = 67° для первичных протонов и ядер железа для двух моделей адронных взаимодействий (пунктирная и

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Юрина Екатерина Александровна, 2021 год

Список цитируемой литературы

1. Petrukhin A.A. Nucl. Instr. Methods Phys. Res. A. 2014. V. 742. P. 228.

2. Bogdanov A.G. et al. Phys. At. Nucl. 2010. V. 73. P. 1852.

3. Bogdanov A.G. et al. Astropart. Phys. 2018. V. 98. P. 13.

4. Bogdanov A.G. et al. J. Phys. Conf. Ser. 2020. V. 1690. P. 012007.

5. Rodriguez G. (Pierre Auger Collab.). EPJ Web of Conf. 2013. V. 53. P. 07003.

6. Aab A. et al. (Pierre Auger Collab.). Phys. Rev. D. 2015. V. 91. P. 032003.

7. Aab A. et al. (Pierre Auger Collab.). Phys. Rev. Lett. 2016. V. 117. P. 192001.

8. Петрухин А.А. УФН. 2015. Т. 185. № 5. С. 521.

9. Киндин В.В. и др. ПТЭ. 2018. № 5. С. 23.

10.Барбашина Н.С. и др. ПТЭ. 2000. № 6. С. 20.

11.Decamp D. et al. (ALEPH Collab.). Nucl. Instr. Methods A. 1990. V. 294. P. 121.

12.H. Wachsmuth. 16 December 1993 (CosmoLEP-note 94.000).

13.Avati V. et al. Astropart. Phys. 2003. V. 19. P. 513.

14.Heck D. et al. Report FZKA 6019. Karlsruhe: Forschungszentrum.1998. 90 p.

15.Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S. 1993. Phys. At. Nucl. 56. P. 346.

16.Aarnio P. et al. (DELPHI Collab.). Nucl. Instr. Methods A. 1991. V. 303. P. 233.

17.Ridky J. et al. DELPHI NOTE 99-181 TRACK 96. 1999.

18.Abdallah J. et al. (DELPHI Collab.). Astropart. Phys. 2007. V. 28. P. 273.

19.Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S. and Pavlov A.I. Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.). 1997. V. 52B. P. 17.

20.Brun R. et al. GEANT3, Report CERN DD/EE/84-1 CERN. Geneva. 1984.

21.DELPHI Collaboration, DELPHI NOTE: 89-67 PROG. 142.1989.

22.Ahn E.J. et. al. Phys. Rev. D. 2009. V. 80. P. 094003.

23.Pierog T. et al. Phys. Rev. C. 2015. V. 92. P. 034906. 24.Ostapchenko S. Phys. Rev. D. 2011. V. 83. P. 014018. 25.Ostapchenko S. Phys. Rev. D. 2014. V. 89. P. 074009.

26.Riehn F. et al. PoS (ICRC2015). 2016. V. 236. P. 558.

27.Engel R et al. EPJ Web Conf. 2017. V. 145. P. 08001.

28.Aab A. et al. (Pierre Auger Collab.). Nucl. Instrum. Methods A. 2015. V. 798. P. 172.

29.Dembinski H.P. (Pierre Auger Collab.). Proc. 32nd ICRC, (Beijing 2011).

30.Pesce R. (Pierre Auger Collab.). Proc. 32nd ICRC, (Beijing 2011).

31.Werner K. et al. Nucl. Phys. (Proc. Suppl.). 2008. V. 175. P. 81.

32.Gonzalez J.G. (IceCube Collab.). EPJ Web of Conf. 2019. V. 208. P. 03003.

33.Abbasi R. et al. (IceCube Collab.). Nucl. Instrum. Methods A. 2009. V. 601. P. 294.

34.Abbasi R. et al. (IceCube Collab.). Nucl. Instrum. Methods A. 2010. V. 618. P. 139.

35.Vernov S.N. et al. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 1980. V. 44. P. 80.

36.Fomin Y.A. et al. JINST. 2016. V. 11. P. T08005.

37.Fomin Yu. A. et al. Astropart. Phys. 2017. V. 92. P. 1.

38.Apel W.D. et al. (KASCADE-Grande Collab.). NIM A. 2010. V. 620. P. 202.

39.Lagutin A.A. and Raikin R.I. Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.). 2001.V. 97. P. 274.

40.Apel W.D. et al. (KASCADE-Grande Collab.). Astropart. Phys. 2017. V. 95. P. 25.

41.Ostapchenko S. Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.). 2006. V. 151. P. 143. 42.Ostapchenko S. Phys. Rev. D. 2006. V. 74. P. 014026.

43.Pierre Auger Collab. J. Instrum. 2016. V. 11. P. 02012.

44.Muller S. (Pierre Auger Collab.). EPJ Web Conf. 2019. V. 210. P. 02013.

45.Brownlee R. G. et al. Can. J. Phys. 1968. V. 46S. P. 259.

46.Bell C.J. et al. J. Phys. A. 1974. V. 7. P. 990.

47.Riehn F. et al. PoS (ICRC2017). 2018. P. 301.

48.Bellido J.A. et al. Phys. Rev. D. 2018. V. 98. P. 023014.

49.Fukushima M. et al. Prog. Theor. Phys. Suppl. 2003. V. 151. P. 206.

50.Abu-Zayyad T. et al. Nucl. Instrum. Methods. A. 2012. V. 689. P. 87. 51.Ivanov D. Ph.D. thesis, Rutgers-The State University of New Jersey. Department

of Physics and Astronomy. Piscataway. New Jersey. USA. 2012.

52.Takeda M. et al. Phys. Rev. Lett. 1998. V. 81. P. 1163.

53.Takeda M. et al. Astropart. Phys. 2003. V. 19. P. 447.

54.Abbasi R.U. et al. Astropart. Phys. 2016. V. 80. P. 131. 55.Ikeda D. et al. PoS (ICRC2015). 2015. V. 236. P. 362.

56.Abu-Zayyad T. et al. Astropart. Phys. 2015. V. 61. P. 93.

57.Abbasi R. U. et al. Astropart. Phys. 2017. V. 86. P. 21.

58.Abu-Zayyad T. et al. ApJ. 2013. V. 768. P. L1.

59.Pierog T. and Werner K. Nucl. Phys. Proc. Suppl. 2009. V. 196. P. 102.

60.Abbasi R.U. et al. (Telescope Array Collab.). Phys. Rev. D. 2018. V. 98. P. 022002.

61.Glushkov A.V. and Saburov A. Phys. At. Nucl. 2019. V. 82. P. 663.

62.Glushkov A.V. and Sabourov A. Phys. At. Nucl. 2019. V. 82. P. 669.

63.Dembinski H.P. et al. EPJ Web Conf. 2019. V. 210. P. 02004.

64.Dembinski H.P. Phys. At. Nucl. 2019. V. 82. P. 644.

65.Dembinski H.P. et al. PoS (ICRC2017). 2018. P. 533.

66.Yurina E.A. et al. J. Phys. Conf. Ser. 2019. V. 1189. P. 012010.

67.NOAA Air Resources Laboratory (ARL). 2015. http: /ready .arl. noaa.gov/gdas 1 .php.

68.Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука. 1973. 312 c.

69.Matsumoto M., Nishimura T. ACM Trans. on Modeling and Computer Simulations. 1998. V. 8. P. 3.

70. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1978. 832 c.

71.Yurina E.A. et al. Phys. At. Nucl. 2019. V. 82. P. 680.

72.Kokoulin R.P., ... Yurina E.A. et al. Nucl. Instr. Methods Phys. Res. A. 2020. V. 952. P. 161586.

73.Yurina E.A. et al. Phys. At. Nucl. 2020. V. 83. P. 1369.

74.Agostinelli S. et al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2003. V. 506. P. 250.

75.Allison J. et al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2016. V. 835. P. 186.

76.Groom D.E. et al. At. Data Nucl. Data Tables. 2001. V. 78. P. 183.

77. http: //www.fluka.org.

78.Юрина Е.А. и др. Изв. РАН. Сер. физ. 2021. № 4. Т. 85. С. 594.

79.Yurina E.A. et al. PoS (ICRC2021). 2021. V. 395. P. 383.

Приложение 1