Исследование нейтронной компоненты широких атмосферных ливней как новый метод изучения космических лучей сверхвысоких энергий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, доктор физико-математических наук Стенькин, Юрий Васильевич

• Стенькин, Юрий Васильевич
• доктор физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Стенькин, Юрий Васильевич

Введение и обзор литературы

Глава 1. Нейтроны и адроны в широких атмосферных ливнях

1.1. Космические лучи в атмосфере

1.2. Излом в спектре ШАЛ по числу частиц

1.3. О роли адронов в развитии ШАЛ

1.4. Нейтронная компонента ШАЛ

1.5. Выводы к Гл. 1.

Глава 2. Экспериментальное исследование нейтронных вспышек

2.1. Эксперимент по поиску нейтронных вспышек на нейтронном мониторе г. Мехико

2.1.1 Эксперимент в Мексике

2.1.2. Результаты эксперимента в Мексике

2.1.3. Анализ результатов мексиканского эксперимента 54 2.2. Эксперимент на нейтронном мониторе установки Коверна Баксане

2.2.1. Эксперимент

2.2.2. Результаты баксанского эксперимента 67 2.2.2.1 Методический аспект

2.2.2.2. Физический аспект

2.2.2.3. Выводы к Гл.

Глава 3. Проект установки "МультиКом" и пилотный эксперимент ее прототипе

3.1. Проект установки МУЛЬТИКОМ

3.2. Пилотная установка "Макет Мультиком"

3.3. Результаты эксперимента "Макет мультиком"

3.4. выводы к Гл.

Глава 4. Расчеты и анализ полученных результатов

4.1. Упрощенный расчет методом Монте-Карло

4.2. Полное моделирование экспериментов с использованием программы CORSIKA

4.3. Об эффективности регистрации тепловых нейтронов

4.4. Выводы к Гл. 4.

Глава 5. Новый подход к феноменологии ШАЛ

5.1.0 динамическом равновесии различных компонент ШАЛ

5.2. Структура ШАЛ

5.3. Условие равновесия

5.4. Мюоны и низко энергичные адроны

5.5. О природе нейтронных вспышек

5.6. О новых методах изучения ШАЛ

Глава 6. Проект установки PRISMA

6.1. Установка нового типа для изучения ШАЛ

6.2. Проект PRISMA 142 6.2.1. Конструкция сцинтилляционного эн-детектора

6.3. Мюонные детекторы

6.4. Установка «Нейтрон» - прототип установки PRISMA 155 6.4. Выводы к Гл. 6 158 Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование нейтронной компоненты широких атмосферных ливней как новый метод изучения космических лучей сверхвысоких энергий»

Изучение нейтронной компоненты космических лучей началось еще в первой половине прошлого века. Обобщение накопленных к 1940 г. экспериментальных данных и теоретическое их осмысление было сделано в работе Бете с соавторами [1]. В этой работе очень подробно рассматриваются вопросы рождения вторичных нейтронов в атмосфере Земли, их замедление и диффузия в атмосфере и в поверхностном слое грунта, влияние водной поверхности, энергетический баланс и прочее.

В конце 40-х годов были проведены первые эксперименты [2-4], выполненные Ваной Тонджорджи под руководством и при участии таких известных физиков как Грейзен и Коккони, показавшие, что в составе Широких Атмосферных Ливней (ШАЛ) имеются нейтроны. По тем временам это было совершенно неожиданно, т.к. тогда считалось, что ШАЛ представляет собой чисто электромагнитный каскад в атмосфере. Следует отметить, что уже в этих первых экспериментах были сделаны совершенно правильные выводы относительно природы наблюдаемого явления, т.к. эксперимент проводился на разных высотах и в различных модификациях: нейтронные борные счетчики окружались различными материалами (парафином, свинцом, кадмием) в различных комбинациях. Было количественно показано, что регистрируемые нейтроны производятся адронами высокой энергии, идущими с составе ШАЛ и что доля этих частиц составляет 2-3%. Было также отмечено, что испарительные нейтроны с энергией несколько МэВ производятся не только в свинце, железе или углероде, но и в любом другом веществе, окружающем детекторы, включая и слой воздуха над установкой. К сожалению, результаты этих прекрасных экспериментов были позднее незаслуженно забыты.

В 50-е годы прошлого века, с появлением мировой сети нейтронных мониторов, приборов специально созданных для изучения адронной компоненты космических лучей с помощью регистрации тепловых нейтронов, началось систематическое экспериментальное изучение вариаций потока нейтронов в космических лучах. Нейтронный монитор, подробно описанный в работе [5], представляет собой прибор, состоящий из тяжелой свинцовой мишени для производства вторичных (в основном испарительных) нейтронов, полиэтиленового или парафинового замедлителя и больших пропорциональных борных счетчиков ВР-28 (2 м х Ф15 см в мониторе НМ64), заполненных газом ВР3. Обычно используется смесь изотопов бора, обогащенная изотопом ЮВ, имеющего большое сечение захвата тепловых нейтронов: В +п => 1л +а+2.79 МэВ. Таким образом, нейтронный монитор регистрирует адронную компоненту космических лучей около гэвных энергий, с помощью создаваемых ей вторичных нейтронов, рожденных и замедленных внутри монитора. Вероятность того, что тепловой нейтрон проникнет извне внутрь монитора и будет зарегистрирован, крайне мала (~10~4). При этом существует однозначная связь между количеством зарегистрированных в одном событии нейтронов, с энергией упавшего на монитор адрона. Однако, как правило, мониторы регистрируют в каждом событии лишь по одному нейтрону, рожденному низко энергичным адроном (порядка сотен МэВ или несколько ГэВ), поскольку энергетический спектр космических лучей круто падающий и вероятность попадания адрона высокой энергии мала. Тем не менее, иногда такие события случаются. В этом случае, представляющем для нас наибольший интерес, возможна регистрация очень большого числа нейтронов в течение времени порядка нескольких миллисекунд, поскольку время жизни тепловых нейтронов внутри монитора (наиболее широкое распространение в мире получил монитор типа НМ64) хорошо изучено [5] и может быть представлено в виде двух экспонент с характерными временами 0.24 мс и 0.615 мс. События с кратностью зарегистрированных нейтронов более 100, как будет показано ниже, представляют собой события, когда ось широкого атмосферного ливня (ШАЛ) достаточно высокой энергии оказалась в,непосредственной'близости от монитора либо прямо в нем. Следует отметить, что при штатной работе нейтронного монитора такие события не регистрируются и не изучаются. Для этого нужна соответствующая электроника и триггерная запись информации, тогда как в обычном мониторе записывается лишь общий темп счета счетчиков за время равное обычно нескольким минутам. Кратность регистрируемых (вторичных) тепловых нейтронов п однозначно связана с энергией упавшего на монитор адрона (Еь) эмпирической формулой типа: ~ЕЬ5, (1) где Eh энергия адрона> а 8 « 0.5.,Эта зависимость отражает рост с энергией множественности вторичных частиц в адронных взаимодействиях (заметим в скобках, что толщина свинцовой мишени составляет лишь -0.75 длин ядерного взаимодействия, что мало для развития адронного каскада). Таким образом, измеряя число нейтронов в каждом событии, можно определять энергию падающих адронов, при одном условии: адрон должен быть одиночным. Такие эксперименты проводились на мониторе в г. Турку [6]. Измеренный в этом эксперименте показатель степенного спектра адронов имел ожидаемый наклон вплоть до энергии, соответствующей кратности зарегистрированных в мониторе нейтронов порядка 100. Далее он резко укручался, из чего авторы сделали неверный вывод об укручении спектра адронов. Как будет показано ниже, этот результат имеет тривиальное объяснение: при кратностях порядка 100 в мониторе начинается насыщение пропорциональных газовых счетчиков.

Применение нейтронных мониторов в составе установок для регистрации ШАЛ началось, тоже достаточно давно - в 60-х г., практически« сразу же после создания мировой сети нейтронных мониторов [7-12]. Рассмотрим некоторые, из этих экспериментов более подробно. Как правило, в этих экспериментах наблюдались различные "аномалии". Так в работе, выполненной, в университете г. Лидс в Англии (Leeds) [10], изучалось пространственное распределение адронов в ШАЛ с помощью монитора и дополнительных сцинтилляционных детекторов тепловых нейтронов на основе ZnS+6LiF, аналогичных тем, что используются и наших экспериментах. В ливнях с числом частиц N>3x10 наблюдаемое пространственное распределения адронов становилось более пологим и наблюдалось резкое возрастание множественности регистрируемых нейтронов. Для объяснения этих "явлений" авторы сделали очень сильное утверждение о "драматическом росте" поперечного импульса в адронных взаимодействиях" в результате фазового перехода в кварк-глюонную плазму" при энергиях выше 3x1015 эВ. На самом деле, объяснение этим эффектам следует искать в ошибочном априорном предположении о регистрации одиночного адрона. Однако, с ростом первичной энергии, наступает момент, когда число адронов становится больше единицы. Этот новый класс событий, который мы назвали адронная группа (по аналогии с мюонными группами), связан, как правило, с падением оси ШАЛ на установку. Начиная с этой энергии, при дальнейшем росте первичной энергии, все вторичные процессы, в том числе и количество рожденных испарительных нейтронов, определяются не столько энергией адронов (слабо растущей), сколько их количеством. Это приводит к резкому изменению спектра по числу нейтронов, их пространственное распределение становится трудным для интерпретации, хотя и остается для каждого центра генерации (родительского адрона) неизменным. Дело в том, что при этой энергии зависимость (1) заменяется другой, вида: где 1МЬ есть число упавших на монитор адронов, Еы - энергия 1 —того адрона, а

N.

05

2) суммирование проводится по; всем адронам. Отсюда видно, что слабо;растущая в среднем энергия* адронов, да еще в степени 0.5, играет тут незначительную роль, и регистрируемая кратность нейтронов становится практические пропорциональной числу попавших в установку адронов. При попадании в монитор оси ШАЛ это число может быть очень большим, что и приводит к появлению упоминавшихся выше событий типа адронная группа, или событий типа нейтронная вспышка, речь о которых пойдет ниже: Легко видеть, что в случае падения на монитор одиночного* (проскочившего) адрона

-у • подчиняющегося степенному- энергетическому спектру вида Р(Е0) ~ Е0 , распределение по числу регистрируемых вторичных нейтронов будет вида: Р(п) ~ п Р, где р = у/а. При интегральном показателе первичного спектра у и 1.7 показатель Р = 1.7/0.5= 3.4, что близко к наблюдаемой величине: В случае же попадания в монитор адронного ствола ШАЛ ситуация радикально меняется. Поскольку известно, что полное число адронов в г ливне зависит от первичной

X . энергии (Е0) как, ^ ~ Е0 , где а « 0.75 для всех адронов, а для центральной плотности а «1, то измеряемый показатель будет лежать в интервале от Р « 1.7/0.75= 2.27 до Р « 1.7/1—1.7. Именно по этой причине, при неизменном показателе первичного спектра, начиная с некоторой кратности^ распределение по числу регистрируемых нейтронов становится пологим;

Накопленные к началу данного исследования экспериментальные данные были противоречивы и требовали объяснения. Это как уже упоминавшиеся работы [6, 10], так и ряд других.

Интерес к подобным исследованиям резко возрос в 90-е годы прошлого века [13-22], в связи с сообщениями о наблюдавшихся на нейтронных мониторах событий с очень большой кратностью нейтронов в нейтронных счетчиках и с большим количеством запаздывающих на миллисекунды импульсов в окружающих монитор детекторах [13,14]. Позже мы стали называть такие события нейтронными вспышками. На рис.1 воспроизводится рисунок с "аномальным" временным распределением задержанных импульсов из [13]. Для объяснения данного эффекта авторами этих работ выдвигались весьма экзотические гипотезы, типа наличия "запаздывающей на миллисекунды тяжелой адронной компоненты ШАЛ" или, даже, "термоядерной реакции в свинце". Наша интерпретация этого «аномального распределения», имеющего чисто методический характер, будет дана ниже.

Для проверки данного эффекта под руководством соискателя были последовательно проведены два эксперимента: на нейтронном мониторе (6ЫМ64) в г. Мехико (Мексика) и на установке Ковер-2 [23], имеющей в своем составе такой же монитор, Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН на Северном Кавказе (см. Гл. 2). В этих работах [24, 25] было подтверждено наличие событий с очень большой кратностью регистрируемых нейтронов. В то же время, им было дано естественное объяснение в рамках обычных процессов ядерной физики и методики эксперимента. Было показано, что используемые в стандартных нейтронных мониторах пропорциональные борные счетчики, имеют слишком плохое временное разрешение, обусловленное медленным дрейфом положительных ионов, и дают недостоверную информацию о количестве тепловых нейтронов при измеренной кратности последних более -100. При использовании же сцинтилляционных детекторов не наблюдается никаких аномалий, как во временных распределениях задержанных импульсов от нейтронов, так и в их количестве, при условии, что в расчет берется не только нейтронный монитор, но и все окружающее его вещество, включая его химический состав и геометрию эксперимента, а также медленное движение тепловых нейтронов.

После того, как суть явления была понята и объяснена, нами было предложено использовать данное явление в экспериментальной физике для изучения адронной компоненты ШАЛ с помощью регистрации тепловых нейтронов [17, 25]. Был разработан [26, 27] проект установки "МультиКом" (Мульти-Компонентная), рассчитанной для регистрации всех компонент ШАЛ, включая и нейтронную. В настоящее время при поддержке РФФИ этот проект частично реализован в виде действующего макета, представляющего собой один модуль установки. Результаты работы этой установки приведены в Гл. 3. л

10 ю 5

4Н за: * .хсс(к*п1 л

V О-Ч О Г. , ч.

-э

10

И*" 3 'Т'*'™?^ т

-Гп

И» г.

Рис.1. "Аномальные временные распределения " из работы [13].

1- борные счетчики; 2- гелиевые счетчики; 3 — гейгеровские счетчики

В течение какого-то времени оставался открытым вопрос о происхождении ШАЛ с большим содержанием адронов высоких энергий, способных производить огромное количество вторичных нейтронов, которые, замедлившись, создают задержанные сигналы во внешних детекторах. Для ответа на этот вопрос было проведено математическое моделирование методом Монте-Карло всех наших экспериментов, основанное на программе ССЖШКА. Результаты расчета дали очень хорошее согласие с экспериментом, после чего не осталось открытых вопросов ни в одном из проведенных нами экспериментов [25].

В диссертации обсуждаются феноменологические вопросы широких атмосферных ливней, связанные с особенностями продольного развития ШАЛ и необходимостью изучения основной компоненты ШАЛ - адронов, являющихся первичной компонентой ливня, тогда как все остальные компоненты, как было показано в свое время Г.Т. Зацепиным [28], являются вторичными, находящимися в динамическом равновесии с первичной. Показано, что одним из наиболее простых и доступных способов изучения интегральных характеристик потока адронов в ШАЛ является регистрация тепловых нейтронов (строго говоря, тепловых и надтепловых) специализированными сцинтилляционными детекторами в течение нескольких десятков миллисекунд после прохождения ШАЛ. Предложен проект простой и в то же время очень информативной установки нового типа для изучения ШАЛ.

Следует заметить, что идея регистрировать нейтроны в ШАЛ выдвигалась Дж. Линсли (I. 1лпз1еу) более 20 лет назад [29], однако, она никогда не была реализована. Суть этой идеи заключалась в том, чтобы регистрировать частицы, движущиеся со скоростью меньше скорости света (зиЬ-1итта1) и запаздывающие относительно фронта на значительное время: на расстояниях около 1 Км это несколько мкс. Основную долю таких частиц составляют нейтроны, и он предлагал использовать, их наряду с другими компонентами ШАЛ, для определения химического состава первичных космических лучей.

Наконец, необходимо отметить также, лежащие несколько, в стороне от темы диссертации, работы, выполнявшиеся под руководством Г.Т. Зацепина и О.Г. Ряжской [30-32], в которых был предложен, а затем и успешно реализован, метод разделения электромагнитных и ядерных каскадов, создаваемых мюонами космических лучей под землей, с помощью регистрации запаздывающих сигналов от замедлившихся и захваченных в сцинтилляторе нейтронов. В этих и других работах указанных авторов были измерены реальные потоки нейтронов, создаваемых мюонами на разных глубинах под землей. Более того, из полученных под землей данных о зависимости количества рожденных в каскаде нейтронов от энергии каскада, была затем сделана экстраполяция этой зависимости вплоть до энергий, изучаемых методом ШАЛ.

Цель работы.

Основной целью диссертационной работы являлось экспериментальное изучение и теоретическое объяснение различных аспектов проблемы, связанной с нейтронным сопровождением ШАЛ и разработка на этой основе нового метода изучения космических лучей сверхвысоких энергий.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

• Разработка детектора нового типа для регистрации тепловых нейтронов.

• Проведение экспериментов на нейтронном мониторе 6НМ64 в г. Мехико (Институт геофизики, университет UNAM, Мексика) и на нейтронном мониторе 6НМ64 Баксанской нейтринной обсерватории ИЛИ РАН с целью исследования событий с большой кратностью регистрируемых нейтронов (нейтронных вспышек).

• Разработка нового метода изучения ШАЛ с упором на регистрацию адронной компоненты и создание проекта установки, использующей данный метод (проект PRISMA).

• Создание двух прототипов установки PRISMA (в горах и на равнине) и проведение экспериментов на них.

Научная новизна.

Научную новизну работы характеризуют следующие основные результаты: • Создан новый сцинтилляционный детектор тепловых нейтронов, обладающий достаточно высокими быстродействием и эффективностью регистрации нейтронов при малой чувствительности к одиночным заряженным частицам и низким уровнем собственных шумов. Впервые дано естественное ядерно-физическое объяснение наблюдаемому на нейтронных мониторах явлению «нейтронная вспышка» через процесс образования в мониторе и в окружающем его веществе большого количества вторичных (испарительных) нейтронов при попадании оси ШАЛ в монитор или прохождении поблизости от него. При этом большие наблюдаемые задержки сигналов во внешних детекторах объясняются вовсе не "запаздывающей компонентой ШАЛ", а относительно большим временем жизни до захвата тепловых нейтронов (~1 мс) в обычных веществах, типа грунта или бетона, и их медленным движением. Впервые предложено использовать данное явление в экспериментальной практике для изучения адронной компоненты ШАЛ, а, следовательно, и космических лучей сверхвысоких энергий.

Впервые реализовано и апробировано данное предложение в виде создания двух действующих прототипов будущей установки нового типа по изучению ШАЛ.

Впервые показано, что регистрируемые такой установкой для изучения ШАЛ тепловые нейтроны имеют двоякое происхождение: они могут быть локальными, т. е. рожденными локально вблизи установки, либо атмосферными, рожденными в атмосфере над установкой. Также впервые показано, что указанные два типа нейтронных потоков имеют существенно различные временные распределения и могут быть разделены экспериментально по времени прихода.

Практическая значимость

• Разработанный и созданный большой детектор тепловых нейтронов на основе неорганического сцинтиллятора ZnS(Ag) с добавкой вещества, имеющего большое сечение захвата тепловых нейтронов - 61л, показавший очень хорошие эксплуатационные качества как при регистрации нейтронной, так и электронной компонент, может быть рекомендован в качестве базового детектора для создания установок нового поколения для изучения ШАЛ.

• Разработанный и апробированный метод изучения ШАЛ может быть рекомендован к применению при создании установок нового поколения для изучения спектра космических лучей и их химического состава.

• Созданный детектор тепловых нейтронов, показавший хорошую долговременную стабильность, может быть использован для проведения долговременных измерений фоновых потоков тепловых нейтронов, как в низкофоновых подземных экспериментах, так и для мониторинга и для изучения вариаций различных потоков нейтронов.

Работы по теме диссертации выполнялись при поддержке РФФИ практически на всех этапах исследований (гранты: 00-02-17591-а, 02-02

17290-а, 05-02- 17395-а, 07-02-00964-а, 08-02-01208-а, 09-02-92426-КЭа, 09

02-12380-офим), Программой Президиума РАН "Нейтринная физика" и

Программой поддержки ведущих научных Школ: НШ-1828.2003.02, НШ

4580.2006.02, НШ-321.2008.2.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

• Создание высокочувствительного сцинтилляционного детектора тепловых нейтронов на основе неорганического сцинтиллятора ZnS(Ag) с добавкой 6LiF для регистрации нейтронов в ШАЛ и для изучения фоновых потоков тепловых и надтепловых нейтронов.

• Результаты исследований, проведенных на нейтронных мониторах НМ64, в БНО ИЯИ РАН и в университете г. Мехико (Instituto de Geofísica, UNAM).

• Методика регистрации тепловых нейтронов, сопровождающих ШАЛ, и методика их разделения на "локальные" и "атмосферные".

• Проект установки нового типа для изучения ШАЛ с упором на регистрацию адронной компоненты ШАЛ (проект PRISMA для изучения космических лучей сверхвысоких энергий).

• Создание двух прототипов установки PRISMA (на уровне моря и в горах на высоте 1700 м над уровнем моря) и полученные на, них результаты измерений.

Личный вклад автора Автору принадлежат основные идеи, использованные в работе:

• создание большого сцинтилляционного детектора тепловых нейтронов на основе светосостава СЛ6-5 (ZnS(Ag)+LiF)

• постановка и проведение всех описанных в диссертации экспериментов;

• идея создания установки нового типа для изучения ШАЛ;

• создание двух действующих макетов установки нового типа:

• разработка проекта установки PRISMA;

• создание ON-LINE программ;

• разработка алгоритмов обработки данных и их анализ;

• разработка алгоритмов проведения расчетов методом Монте-Карло.

Апробация работы и публикации

Результаты, послужившие основой диссертации, докладывались на: международных конференциях:

• по космическим лучам (Солт Лейк Сити, 1999; Гамбург, 2001; Цукуба, 2003; Пуне, 2005; Мерида, 2007; Лодзь, 2009);

• Симпозиум по взаимодействиям космических лучей сверхвысоких энергий ISVHECRI (Пилос, 2004; Вейхай, 2006; Париж, 2008);

• Международный симпозиум по подземной физике TAUP'09 (Рим, 2009);

• Европейский симпозиум по космическим лучам (Лодзь, 2000; Москва,

2002);

• Школа "Физика и астрофизика космических лучей сверхвысоких энергий" (Париж, 2000)

• Школа "Частицы и космология" (Баксан-2001; Баксан-2003; Баксан-2005);

• Школа "Космические лучи сверхвысоких энергий" (ИЯИ, Москва, 2008);

• Байкальская международная школа-семинар по физике космических лучей и астрофизике высоких энергий. (Tunka'2009); всероссийских конференциях:

• по космическим лучам (Москва, 2000, 2002, 2004, 2006, Санкт-Петербург, 2008);

• Баксанской молодежной школе экспериментальной и теоретической физики (БМШ-2006, БМШ-2008).

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, отражены и опубликованы (1999-2009 гг.): в 12 статьях в научных журналах, включенных в перечень ВАК для публикаций материалов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук (Ядерная физика, Известия РАН (серия физическая), Физика Земли), в 7 статьях в иностранных рецензируемых научных журналах (Astroparticle Physics, Modern Physics Letters A, Nuclear Physics B, Journal of Physics: Conf. Ser.), a также в трудах перечисленных выше конференций, симпозиумов и школ.

Структура диссертации

Диссертация состоит из оглавления, списка рисунков, списка таблиц, введения, шести глав, заключения и списка литературы. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Объем диссертации 174 стр., 40 рис., 4 табл., 72 наименования цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Стенькин, Юрий Васильевич

6.5. Выводы к Гл. 6.

Для решения проблемы наблюдаемого излома в спектре мощностей ШАЛ экспериментальным путем, предлагается проект установки нового типа. Основной упор будет сделан на изучение основной компоненты ШАЛ - адронной. Для этого в ИЯИ РАН был разработан простой и дешевый детектор тепловых нейтронов большой площади (эн - детектор), способный также регистрировать и электронную компоненту. Это обстоятельство делает предлагаемую установку особенно привлекательной и конкурентоспособной: все основные детекторы установки будут идентичны и взаимозаменяемы (включая и мюонные детекторы, отличающиеся только типом сцинтиллятора). Установка будет иметь ряд преимуществ перед существующими в мире традиционными установками: по способности регистрировать "адронные ливни", по возможности отбирать ливни с одинаковой энергией на нуклон, а не на частицу, по точности локации оси ливня, и, следовательно, по точности определения энергии первичной частицы и ее типа (по n/е- и ц/h-отношению вместо традиционного |^/е). Неоспоримым преимуществом установки PRISMA будет огромная площадь "нейтронного калориметра", с возможностью ее неограниченного увеличения путем добавления новых детекторов.

Полученные на прототипе установки предварительные результаты вселяют надежду на то, что, в конце концов, будет создана большая современная конкурентоспособная установка нового типа для изучения спектра космических лучей и их химического состава.

В заключение стоит также отметить, что в последние годы возрос интерес к использованию тепловых нейтронов как в экспериментах в области космических лучей (PAMELA [66], ИНКА [67], Тунка [68] и др.), так и в геологии и геофизике [69] и даже в "марсофизике" [70]. Бурно развивается в последние годы нейтронография, имеющая ряд преимуществ перед традиционной рентгенографией. Автор глубоко убежден, что изучение адронной компоненты ШАЛ, с помощью регистрации сопровождающих их тепловых нейтронов сетью специализированных детекторов, позволит решить, наконец, проблему наблюдаемого излома в спектре мощностей ШАЛ в рамках феноменологии ШАЛ. Это," в свою очередь, позволит совершенно по-новому взглянуть на огромный экспериментальный материал, накопленный за последние 50 лет и на проблему спектра космических лучей, измеренного методом ШАЛ.

Наконец, широкие перспективы имеет, разработанный нами в ходе выполнения данной работы, высокочувствительный сцинтилляционный детектор тепловых нейтронов [71]. Его применение для изучения вариаций фоновых потоков тепловых нейтронов как в низкофоновых лабораториях под землей, так и над ее поверхностью уже дало ряд интересных результатов [48, 58, 60, 72], имеющих важное научное и прикладное значение.

Заключение (основные результаты)

1. Создан большой сцинтилляционный детектор тепловых нейтронов на основе компаунда ZnS(Ag)+6LiF, который может использоваться как для создания больших установок нового типа по изучению космических лучей, так и для изучения долговременных вариаций фоновых потоков тепловых нейтронов.

Достаточно высокая эффективность регистрации тепловых нейтронов (-20%) 2 при средней толщине регистрирующего слоя всего 30 мг/см и огромное количество излучаемого сцинтиллятором света (—160000 фотонов/захват) при приемлемом быстродействии (—40 не), делают этот детектор очень удобным и универсальным инструментом для решения поставленной задачи. Помимо адронной компоненты (нейтронов) эти же детекторы (эн-детекторы) могут также использоваться и для регистрации электронной компоненты ШАЛ.

2. Проведены эксперименты на нейтронных мониторах в Мексике и в БНО ИЛИ РАН показавшие что:

• Наблюдавшиеся в экспериментах с нейтронными мониторами события типа нейтронная вспышка представляют собой случаи регистрации ШАЛ большой мощности с адронным стволом, прошедшим через монитор либо в нескольких метров от него и для их объяснения не требуется привлечения каких-либо экзотических процессов.

• Газовые счетчики как гейгеровские, так и пропорциональные, не пригодны для использования в подобных экспериментах из-за их плохого быстродействия.

• С помощью сцинтилляционных детекторов тепловых нейтронов можно измерять абсолютные потоки нейтронов в событиях типа «нейтронная вспышка».

• Полное математическое моделирование проведенных экспериментов, с учетом их специфики, геометрии установок и химическрго (изотопного) состава детекторов и окружающего вещества, а* также процессов замедления рождающихся- вторичных (испарительных) нейтронов, удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными.

3. Разработан новый метод изучения адронной компоненты ШАЛ с помощью регистрации производимых ей вторичных нейтронов.

• Показано что, регистрируя тепловые нейтроны с большой площади сетью расположенных над землей открытых нейтронных счетчиков, можно на относительно простой, компактной и дешевой установке получить совершенно новую, никогда ранее не использовавшуюся информацию. При этом может быть решена та же задача, которая обычно решается с помощью гигантских и дорогостоящих адронных калориметров в составе установок для изучения ШАЛ.

• На этой основе разработан проект установки нового типа (проект PRISMA) с упором на регистрацию адронной компоненты ШАЛ. Целью проекта является решение проблемы наблюдаемого излома в спектре мощностей

ШАЛ по числу частиц.

• Проект PRISMA имеет следующие преимущества перед традиционными установками: площадь адронной части установки уже в стартовом варианте составляет 104 м2, что в 31 раз больше самого крупного (установка KASCADE) из используемых обычно для этих целей адронных калориметров и может быть расширена путем добавления новых детекторов; отсутствуют трудности с интерпретацией мощных событий, вызванных множественным прохождением адронов (стволов ШАЛ); динамический диапазон по числу регистрируемых нейтронов (адронов) практически не имеет ограничений, поскольку время собирания тепловых нейтронов ("нейтронного пара") составляет десятки или даже сотни миллисекунд, при быстродействии детекторов -100 не; точность локации оси ливня, благодаря малому расстоянию между соседними детекторами и более крутому пространственному распределению адронов по сравнению с электронами, составляет 1-2 м; повышенная точность определения массового состава первичных частиц, благодаря использованию n/е и n/р. соотношениям, наряду с традиционным ц/е отношением; возможность использования одних и тех же детекторов для регистрации двух основных компонент ШАЛ, что делает проект еще более дешевым и конкурентоспособным.

• В ходе выполнения работы автором была предложена в 2003 г. гипотеза феноменологического объяснения наблюдаемого излома в спектре мощностей ШАЛ: нарушением равновесия между компонентами ливня в момент, когда последний высокоэнергичный адрон теряет свою энергию или распадается и ливень становится бесствольным. В результате, на этой стадии продольного развития ливня меняется его затухание и, как следствие, появляется излом в спектре ШАЛ по числу частиц.

• Показано, что в результате перехода с ростом энергии ШАЛ от бесствольных ливней к нормальным, появление адронов на уровне наблюдения имеет пороговый эффект (при достижении энергий выше —100 ТэВ/нуклон) и, поэтому, появление нейтронных вспышек на уровне наблюдения также проявляет "пороговость".

4. Созданы два прототипа установки нового типа для изучения ШАЛ: установка «Макет Мультиком» на БНО ИЯИ> РАН и установка «Нейтрон» (МИФИ, Москва). Эксперименты, проведенные с помощью действующих прототипов предлагаемой установки, подтвердили работоспособность данного метода изучения ШАЛ и его перспективность. На прототипах были измерены: выход нейтронов из грунта при регистрации ШАЛ и временные распределения нейтронной компоненты ШАЛ, показывающие, что параметры этих распределений слабо зависят от высоты установки над уровнем моря.

Показано, что регистрируемые такой установкой нейтроны происходят из двух различных источников: локальные нейтроны, рожденные в непосредственной близости от детектора и атмосферные нейтроны, рожденные в атмосфере. Атмосферные и локальные нейтроны могут быть разделены экспериментально.

Благодарности

В заключение я хотел бы выразить искреннюю признательность моим коллегам и соавторам, принимавшим участие в проведенных экспериментах в Мексике (Instituto de Geofísica, UNAM), сотрудникам Баксанской нейтринной обсерватории и отдела ЛВЭНА (ИЯИ РАН), сотрудникам и студентам НОЦ «НЕВОД» (МИФИ), без помощи которых диссертационная работа вряд ли была бы выполнена. Автор глубоко признателен Г.Т. Зацепину! и Г.В. Домогацкому за поддержку данной работы и за полезные обсуждения, а также С.П. Михееву за плодотворную критику.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Стенькин, Юрий Васильевич, 2010 год

1. H. A. Bethe, S. A. Kroff, G. Placzek. /On the 1.terpretation of Neutron Measurements in Cosmic Radiation.// Phys. Rev. V. 57, No 7, (1940), p. 573-587.

2. V. Tongiorgi. /On the Presence of Neutrons in the Extensive Cosmic-Ray Showers. // Phys. Rev. V. 73, No 8, (1948), p. 923-924.

3. V. Cocconi-Tongiorgi. / Neutrons in Extensive Air Showers of Cosmic Radiation.//Phys. Rev., v. 75, No 10, (1949), p. 1532-1540.

4. G. Cocconi, V. Cocconi-Tongiorgi and K. Greisen./ Neutrons in the penetrating showers of the cosmic radiation. //Phys. Rev., 74, No 13, (1948), p.l 867-1868.

5. С J. Hatton. /The neutron monitor. // Progress in Elementary Particle and Cosmic Rays Physics, vol. X, North-Holland, Amsterdam, (1971), p. 3-100.

6. M.N. Nieminen, J.J. Torsti and E. Valtonen. /Analysis of neutron multiplicity frequencies observed in a double monitor. // Phys. Rew. D, v. 26. No 6, (1982), p. 1036-1042.

7. T.B. Данилова, E.B. Денисов, С.И. Никольский. // ЖЭТФ, т.46, №5, (1964), с. 1561-1576.

8. B.K. Chatterjee et al. In Proc. of 8*h ICRC, Jaipur, v. 4, (1963), p. 143-167.

9. E. Böhm et al. In Proc. of 1 Ith ICRC, Hobart, v.8, (1969), p. 487-490.

10. V.G. Kozlov, V.M. Migunov, et al. / Neutrons in EAS with number of particles 107 108. // Proc. of 16th ICRC, Kyoto, (1979), v. 8, p. 356-361; V.G. Kozlov, A.I. Kuzmin, V.M. Migunov, et al. // Proc. of 17th ICRC, Paris, (1981), v. 6, p. 210-214.

11. N. N. Kalmykov, M. I. Pravdin, V. R. Sleptsova. /Relationships of muon,17electron and neutron densities in EAS with Eo > 10 eV. // Proceedings of 21 st ICRC, Adelaide, ( 1990), vol. 9, p. 110-113.

12. B.M. Аушев, Г.Б. Жданов и др. / Спектр кратностей тянь-шаньского нейтронного супермонитора НМ-64 и его связь с энергетическим спектром адронной компоненты на горах. // Известия РАН, сер. Физич. (1997). Т.61. №3. С. 486-490.

13. V.A. Antonova, А.Р. Chubenko et al./ Phenomenon of anomalous delay of hadronic and electronic components of EAS. //Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.) 75a. 1999. P. 333-335.

14. Yu.V. Stenkin, J.F. Valdes-Galicia et al. / Study of "neutron bursts" with Mexico City neutron monitor. //Proc. of the 26th ICRC, Salt Lake City, 1999. V.l. P. 252-255.

15. Yu.V. Stenkin, J.F. Valdes-Galicia et al. / Study of "neutron bursts" with Mexico City neutron monitor. // Astroparticle Phys. 2001. V.16(2). P. 157-168.

16. Yu.V. Stenkin, V.N. Bakatanov et al. / Study of neutron bursts with Baksanarray. //Proc. of the 27th ICRC, Hamburg, (2001), p. 1449-1452.

17. Yu.V. Stenkin, V.N. Bakatanov et al. / STUDY OF NEUTRON BURSTS WITH BAKSAN ARRAY. // Proc. of XI International School "Particles and Cosmology"; INR, (2001), p. 215-221.

18. С. А. Петроченков, А. Поляньски и др. /Наблюдение нейтронов в течение нескольких миллисекунд после ШАЛ. // Изв. РАН, сер. физ., т. 69, №3, (2005), с. 385-387.

19. Е, Гавин, С. Пахала и др. / Наблюдение сигналов, запаздывающих на 5001200 микросекунд относительно фронта ШАЛ. // Изв. РАН, сер. Физич., т. 65, №8, (2001), с. 1207-1208.

20. М. Ambrosio, А.Р. Chubenko, A.D. Erlykin and A.W. Wolfendale. /Thunderstorm model of the temporal EAS disc structure. //Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), 75A, (1999), p. 336-339.

21. А.Д. Ерлыкин. / Нейтронный "гром", сопровождающий широкий атмосферный ливень. // Изв. РАН, сер. Физич., т. 71, №4, (2007), с. 554-557.

22. Е.Н. Алекскеев, В.В. Алексеенко и др. /Сцинтилляционный детектор площадью 200 м для регистрации космических лучей. // Изв. АН СССР, сер. физ., т. 38, (1974), с. 1097-1100.

23. Yu.v. Stenkin, J.F. Valdes-Galicia et al. / Neutron bursts in EAS: New physicsor nuclear physics? // Proc. of the 27th ICRC. Hamburg. 2001. P. 1453-1456.

24. Yu.V. Stenkin & J.F. Valdes-Galicia. /On the neutron bursts origin.// Mod. Phys. Letters A, 17, No 26 (2002), 1745-1751.

25. D.D. Djappuev, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov and Yu.V. Stenkin. / Compactmulticomponent array for EAS study (MULTICOM), // Proc. of the 27th ICRC, Hamburg, (2001), p. 822-824.

26. D.D. Djappuev, A.S. Lidvansky, V.B. Petkov and Yu.V. Stenkin. /Compact multi-component array for EAS study.// Proc. of XI International School "Particles and Cosmology", INR, (2003), p. 509-513.

27. J. Linsley./ Sub-luminal pulses from cosmic ray air showers. // Proc. of 19th ICRC, La Jolla, (1985), v. 7, p. 355-358.

28. Г.Т. Зацепин, О.Г. Ряжская. / Расчет генерации нейтронов ц-мезонами для различных глубин в грунте. // Изв. АН СССР, сер. Физ., т. 29, № 10, (1965), с. 1946-1948.

29. Л.Б. Безруков, В.И. Береснев, Г.Т. Зацепин и др. /Исследованиезависимости ядерных эффектов, вызываемых мюонами космических лучей,iот глубины грунта. //ЯФ, т. 17, вып. 1, (1973), с. 98-103.

30. А.С. Мальгин, О.Г. Ряжская. /Нейтроны от мюонов под землей. // ЯФ, т. 71, №10, (2008), с. 1800-1811.

31. Г.В. Куликов, Г.Б. Христиансен./ О спектре широких атмосферных ливней по числу частиц. //ЖЭТФ, 35 (1958), с. 635-640.

32. С.И. Никольский. / The cause of the EAS spectrum break.// Proc. Of 25th ICRC,

33. Durban), v. 6, (1997), p. 105-108.35 . Petrukhin А.А./Problem of the knee and very high energy muons. // Proc. of ICRC2001, Hamburg, (2001), p. 1768-1771.

34. Kazanas D. and Nikolaidis A. / Cosmic ray "knee": A herald of new physics? // Proc. of ICRC2001, Hamburg (2001), p. 1760-1763.

35. B.C. Барашенков, A.C. Ильинов и др. / ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ И ЯДЕР ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ С ЯДРАМИ. // УФН, т. 109, вып. 1 (1973), с.91-136.

36. B.C. Барашенков, В.Д. Тонеев. /Взаимодействие высокоэнергетических частиц и ядер с ядрами.//«Атомиздат». М. 1972. 648 с.

37. А.В. Chernyaev, A.M. Semenov and Yu.V. Stenkin. /An ideal detector for

38. UHE gamma ray astronomy. //Proc. of 24^ ICRC, Roma, v.3, (1995), p. 496-499:

39. M.H. Медведев. / Сцинтилляционные детекторы. // Атомиздат, M.: 1997. 137 с.

40. Yu.V. Stenkin. / Thermal neutrons in EAS: a new dimension in EAS study. //Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), v. 175-176, (2008), p. 326-329.

41. Ю.В.Стенькин, В.Н.Бакатанов, Д.Д.Джаппуев и др. / Основные характеристики ШАЛ, производящих нейтронные вспышки. // Известия РАН, сер. Физич., т.66, № 11, (2002), с; 1575-1577.

42. Yu. V. Stenkin, D. D. Dzhappuev, A. U. Kudzhaev and O.I. Mikhailova. /Thermal neutron in EAS: a new method in EAS study.// Proc. of 30th ICRC, Merida (2007), rep. 827. •

43. Ю.В. Стенькин, Д.Д. Джаппуев, Х.Ф. Вальдес-Галисия. /Нейтроны в широких атмосферных ливнях. //ЯФ, т.70, №6, (2007), с. 1123-1135.

44. Ю.В. Стенькин, В.И. Волченко, Д.Д. Джаппуев, А.У. Куджаев, О.И. Михайлова. /Нейтроны в ШАЛ. // Известия РАН, сер. Физ., т. 71, №4, (2007), с. 558-561.

45. В.Т. Feld. /The neutron. //In E. Segre (Ed.) Experimental Nuclear Physics, v. II, Willey/Chapman and Hill, New York/London, 1953.

46. D. Heck et al. // FZKA report 6019, Forshungzentrum Karsruhe (1998).

47. В.В.Алексеенко, Д.Д.Джаппуев, В.А.Козяривский, А.У.Куджаев, В.В.Кузьминов, О.И.Михайлова, Ю.В.Стенькин. /Анализ вариаций потока тепловых нейтронов на уровне 1700 м над уровнем моря. //Известия РАН, сер. Физ., т.71, №7, (2007), с. 1080-1083.

48. С. Хаякава. / Физика космических лучей. 4.1. Астрофизический аспект. //"Мир", М., (1973), 701 с.

49. Yuri V. Stenkin. / Does the "knee" in primary cosmic ray spectrum exist? // Mod. Phys. Lett. A, 18(18), (2003), p. 1225-1234.

50. Ю.В. Стенькин. / Об особенностях продольного развития ШАЛ и о спектре космических лучей. //ЯФ. т.71, №1, (2008), с. 99-111.

51. А.И.Демьянов, В.С.Мурзин, Л.И.Сарычева. /Ядерно-каскадный процесс в плотном веществе. // Наука, Москва, (1977), с. 91-94.

52. Ю. В. Стенькин, А. Б. Черняев, Д. Д. Джаппуев, А. У. Куджаев, О. И. Михайлова. /Экспериментальное наблюдение бесствольных ШАЛ. //Известия

53. РАН, сер. Физ., 68; №11, (2004), с. 1611-1614.

54. Ю.В. Стенькин, В.В. Алексеенко, В.И: Волченко и др. /Как выглядит ШАЛ в тепловых нейтронах? // Изв. РАН, серия физ., т. 73, №5, (2009), с. 647-649.

55. Yu. Stenkin. /On the PRISMA project. //Nucl. Phys. В (Proc. Suppl.), v. 196, (2009), p. 293-296; ArXiv: 0902.0138vl Astro-ph.IM., (2009).

56. D.D.Dzhappuev, A.U.Kudzhaev, A.S.Lidvansky, Yu.V.Stenkin and V.B.Petkov.

57. Study of "multi-core" air showers with EAS array "Carpet-2". //Proc. of 29th ICRC, Pune, (2005), v.6, p. 233-236.

58. D.D. Dzhappuev, V.V. Alekseenko, A.S. Lidvansky, Yu.V. Stenkin, V.B. Petkov, O.I. Mikhailova, A.U. Kudzhaev. A.B. Chernyaev and A.L. Tsyabuk. / Study of EAShadronic component with hadron energy >50 GeV. // Proc. of ЗО^1 ICRC, Merida (2007), rep. 303.;

59. Д.Д. Джаппуев, А.У. Куджаев, В.В.Алексеенко, Н.Ф. Клименко, А.С. Лидванский, Ю.В. Стенькин, В.Б. Петков, А.Б. Черняев, А.Л. Цябук./ Изучение мюонной и адронной компонент ШАЛ на установке Ковер-2. // Изв. РАН. Сер. физич., т. 73, №5, (2009), с. 642-644.

60. Н.С. Барбашина и др. / Широкоапертурный мюонный детектор для диагностики атмосферы и магнитосферы Земли. //Известия РАН. Серия физическая. Т. 71. №7, (2007), с. 1072-1074.

61. D.V. Chernov et al. /Experimental setup for muon diagnostics of the Earth's atmosphere and magnetosphere (the URAGAN project). //Proc. 29th ICRC, Pune, 2005. V.2. P. 457-460.

62. E. Mocchiutti, O. Adriani, G.C. Barbarino et al. / The PAMELA Space Experiment // arXiv:0905.2551. (2009).

63. K.B. Александров, B.B. Аммосов и др. //Изв. РАН, сер. Физич., т. 62, №11, (2002), с. 1624-1626.

64. N.M. Budnev, D.V. Chernov et al. / The Tunka Experiment: Towards a 1-km2

65. EAS Cherenkov Light Array in the Tunka Valley // Int. J. Mod. Phys. A 20, (2005), p. 6796-6798.

66. Арцыбашов B.A. Ядерно-геофизическая разведка. //Недра, M., 1980. 70.1. Mitrofanov, D. Anfimov et al./ Maps of Subsurface Hydrogen from the High-Energy Neutron Detector, Mars Odyssey //Science. V. 297, No. 5578, (2002), p. 7881.

67. V.V. Alekseenko, Yu.M. Gavrlyuk, V.V. Kuzminov and Yu.V. Stenkin. / Tidal effect in the radon-due neutron flux from the Earth's crust. // J. of Physics: Conference Series. 203(1), (2010), p. 012045.iJ