Исследование радиоизлучения широких атмосферных ливней на Якутской комплексной установке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Петров Игорь Степанович

• Петров Игорь Степанович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Петров Игорь Степанович

Введение

Глава 1. Современное состояние исследований космических лучей

сверхвысоких энергий

1.1 Регистрация космических лучей сверхвысоких энергий методом ШАЛ

1.2 Механизмы генерации радиоизлучения ШАЛ

1.3 Современное состояние экспериментов по регистрации радиоизлучения ШАЛ

Глава 2. Регистрация радиоизлучения на Якутской установке ШАЛ

2.1 Структура Якутской установки

2.2 Радиоустановка и выбор частоты для регистрации радиоизлучения на Якутской установке

2.3 Приемная электроника радиоканалов антенн регистрации радиоизлучения Якутской установки и описание АЦП

2.4 Регистратор и программное обеспечение для регистрации радиоизлучения

Глава 3. Методика отбора и обработки экспериментальных данных

3.1 Определение основных характеристик ШАЛ

3.2 Определение основных характеристик ШАЛ на других установках радиоизлучения

3.3 Обработка экспериментальных данных радиоизлучения

3.3.1 Статистика зарегистрированных ливней с радиоизлучением на Якутской установке

3.3.2 Программное обеспечение для обработки и анализа

данных регистрации радиоизлучения ШАЛ

Стр.

3.3.3 Отбор событий ШАЛ с радиоизлучением

3.3.4 Определение параметров радиоимпульса. Вычисление напряженности электрического поля

Глава 4. Результаты экспериментальных измерений радиоизлучения

на Якутской установке

4.1 Анализ спектра шумов на частоте 30-35 МГц. Суточная вариация радиоизлучения ШАЛ

4.1.1 Поляризация радиоизлучения ШАЛ. Зависимость эффективной амплитуды радиосигнала от зенитного угла

4.1.2 Зависимость амплитуды радиоизлучения от энергии ливня

4.2 ФПР радиоизлучения. Связь формы ФПР радиоизлучения с глубиной максимума развития ШАЛ

4.3 Радиоизлучение ливней генерированных частицами с энергией

Е0 ^1019 эВ

4.4 Глубина максимума развития ШАЛ Хтах и оценка массового состава КЛ по данным измерения радиоизлучения ШАЛ на Якутской установке

Заключение

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование радиоизлучения широких атмосферных ливней на Якутской комплексной установке»

Введение

За более чем 100-летнюю историю с момента открытия космических лучей (КЛ) их природа остается одним из самых актуальных вопросов астрофизики. Космические лучи — это стабильные частицы и ядра атомов, которые представляют собой потоки ядер химических элементов с относительно небольшим вкладом электронов и гамма-квантов. Энергия космических лучей может быть от десятков МэВ до более чем 1020 эВ. Генерация КЛ происходит в астрофизических объектах с наиболее высоким энерговыделением, например, в остатках сверхновых или ядрах активных галактик[1]. За прошедшее время были установлены весьма существенные особенности спектра, такие как: «колено» • 1015 эВ, «второе колено» ^1017 эВ, «лодыжка» • 1018 эВ и «ГЗК-обрезание» ~5 • 1019 эВ. По массовому составу были получены следующие результаты: до энергий 1017 эВ состав смешанный с большой долей ядер типа CNO, в области энергий 1017—1018 эВ в составе увеличивается доля протонов, а начиная с энергий выше 1018 эВ в составе начинает появляться больше тяжелых ядер [2]. Были получены свидетельства об анизотропии при энергиях выше 5 • 1018 эВ [3; 4]. Всё же, вопросы происхождения КЛ сверхвысоких энергий остаются открытыми.

КЛ изучаются прямыми и непрямыми методами. Прямые методы — это непосредственная регистрация детекторами с аэростатов и космических аппаратов, взаимодействие частиц высоких энергий также можно изучать на современных ускорителях. При энергиях более 1014 эВ из-за низкой интенсивности КЛ используются уже непрямые методы. Один из основных из них — это метод широких атмосферных ливней (ШАЛ). ШАЛ — это процесс рождения множества вторичных частиц и излучения после взаимодействия высокоэнергичной частицы внеземного происхождения с ядрами атомов воздуха. Для регистрации вторичных частиц используются детекторы заряженных частиц и

оптические детекторы. Такие детекторы устанавливаются на большой площади для увеличения статистики регистрируемых ливней.

Регистрация радиоизлучения является еще одним способом наблюдения ШАЛ, который позволяет получать дополнительную информацию о развитии ливней. Основными преимуществами радиометода являются: простота эксплуатации, сравнительная дешевизна оборудования и, в отличие от оптических методов регистрации ШАЛ, возможность наблюдения вне зависимости от времени суток и погодных условий (кроме гроз).

Первое экспериментальное свидетельство существования радиоизлучения ШАЛ было получено Джелли [5] в 1965 г. Последующие исследования на установках НИИЯФ МГУ [6], Харьковского государственного университета [7], Якутска [8] и Хавера Парк [9] в 1960-1970-ые гг. подтвердили существование радиоизлучения ШАЛ в широком диапазоне частот. Во второй половине 1980-х гг. проводились систематические исследования радиоизлучения ШАЛ на Аке-но [10] и Якутской установке [11].

Уже первые эксперименты по исследованию радиоизлучения ШАЛ показали, что радиосигнал генерируется в широком диапазоне частот (1-500 МГц) [8; 9], его амплитуда коррелирует с энергией ливня [9]. При этом основными механизмами генерации являются геомагнитный (отклонение заряженных частиц в ливне под воздействием магнитного поля Земли) [12; 13] и избыток электронов (эффект Аскарьяна) [14], который возникает вследствие аннигиляции позитронов ливня при взаимодействии с электронами в воздухе.

В 2003 г. радиоизлучение начали исследовать на установках LOPES [15] и CODALEMA [16]. В 2009 г. на Якутской комплексной установке ШАЛ [17] начался второй этап исследования КЛ с помощью метода регистрации радиоизлучения ШАЛ.

В последующие годы метод регистрации радиоизлучения ШАЛ начал использоваться для изучения КЛ и на других установках: в 2010 г. начато создание радиоустановки на обсерватории Пьера Оже (AERA) [18], в 2011 г. начато создание установки LOFAR [19], в 2012 г. начато создание радиоустановки на

эксперименте Тунка (Tunka-Rex) [20]. В настоящее время идут работы по расширению радиоустановки на обсерватории Пьера Оже, расширению эксперимента IceCube за счет наземной радиоустановки и по строительству установок GRAND и SKA.

Таким образом видно, что метод исследования ШАЛ на основе регистрации радиоизлучения широко используется на различных установках. Важно, что измерение амплитуды радиоизлучения на определенном расстоянии от оси ливня [21] позволяет определить энергию ливня независимо от других методов регистрации ШАЛ. Причем радиоизлучение также чувствительно к продольному развитию ливня, что позволяет определить глубину максимума распределения частиц в ливне Хтах. Использование радиометода совместно с существующей установкой ШАЛ в Якутске позволяет получить дополнительную детальную информацию о физике развития ШАЛ и является важным дополнением к традиционным методам изучения КЛ сверхвысоких энергий.

Совместная регистрация ШАЛ радиометодом и детекторами Якутской установки позволила найти связь между радиоизлучением и параметрами ливня, что, в свою очередь, позволило дать более полную физическую картину развития ШАЛ.

Целью данной работы является получение экспериментальных данных о радиоизлучении ШАЛ сверхвысоких энергий.

Для достижения поставленной цели автором решались следующие задачи:

1. Изучение затухания эффективной амплитуды радиосигнала в зависимости от расстояния до оси ливня и построение функции пространственного распределения (ФПР);

2. Оценка энергии частицы сгенерировавшей ливень по эффективной амплитуде радиоизлучения ШАЛ;

3. Исследование связи ФПР с глубиной максимума развития ливня Хтах;

4. Оценка массового состава (МС) КЛ по данным Хтах в рамках расчета на основе модели адронных взаимодействий QGSJetII-04 для разных ядер.

Научная новизна: Впервые было зарегистрировано радиоизлучение ливней образованных частицами с энергиями выше 1019 эВ. Причем два ливня были образованы частицами с энергиями ^1020 эВ. Также впервые ФПР радиоизлучения ШАЛ получены методом комбинации амплитуд радиоизлучения от различных ливней, с помощью которого были определены глубина максимума развития ШАЛ Хтах и массовый состав КЛ с энергиями выше 1019 эВ.

Теоретическая и практическая значимость. Разработанные автором методика, алгоритмы и программное обеспечение регистрации радиоизлучения ШАЛ позволяет успешно использовать их на Якутской комплексной установке и могут быть рекомендованы для применения на существующих и новых, создающихся подобных установках.

Регистрация радиоизлучения в качестве дополнительного метода исследования ШАЛ позволяет независимо определять параметры ШАЛ и тем самым тестировать и верифицировать измерения, проводимые на различных существующих установках.

Связь характеристик ШАЛ, полученных разными методами в Якутске и эмпирически выведенная автором формула позволяет использовать радиометод для независимого определения энергии первичной частицы ливня Е0 и глубины максимума развития ШАЛ Хтах

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Регистрация радиоизлучения в широких атмосферных ливнях, образованных первичными частицами с энергиями выше 1019 эВ;

2. Результаты определения комбинированных функций пространственного распределения радиоизлучения в ШАЛ, образованных первичными частицами с энергиями выше 1017 эВ;

3. Установление связи максимальной амплитуды радиоизлучения с энергией частицы породившей ливень. Зависимость формы комбинированной функции пространственного распределения радиоизлучения от глубины максимума развития ШАЛ;

4. Результаты оценки массового состава КЛ в диапазоне энергий 1017—1019 эВ, полученные методом измерения радиоизлучения ШАЛ.

Достоверность результатов исследования обеспечивается большой статистикой измерений, адекватным использованием математического аппарата и верификацией данных полученных по измерению радиоизлучения с данными полученными другими методами регистрации ШАЛ. Данные измерений радиоизлучения ШАЛ Якутской комплексной установки при энергиях до 1019 эВ не противоречат результатам других экспериментов, регистрирующих радиоизлучение ШАЛ.

Апробация работы. Основные результаты и выводы, вошедшие в диссертацию, неоднократно обсуждались на семинарах лаборатории ШАЛ ИКФИА СО РАН, на заседаниях ученого совета ИКФИА СО РАН, на семинаре в НИЯУ МИФИ и докладывались на следующих научных мероприятиях различного уровня:

1. 33rd International Cosmic Ray Conference, 2-9 July, 2013, Rio de Janeiro, Brazil;

2. XIII Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике, 9-14 сентября, 2013, г. Иркутск, Россия;

3. 33-ая Всероссийская конференция по космическим лучам, 11-15 августа, 2014, г. Дубна, Россия;

4. International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions, ISVHECRI 2014, 18-22 August, 2014, CERN, Geneva, Switzerland;

5. 34th International Cosmic Ray Conference, July 30 - August 6, 2015, The Hague, The Netherlands;

6. 35th International Cosmic Ray Conference, July 12-20, 2017, BEXCO, Busan, Korea;

7. 20th International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions, 21-25 May, 2018, Nagoya University, Nagoya, Japan;

8. 2nd International Symposium on Cosmic Rays and Astrophysics, June 25-28, 2019, Moscow, Russia;

9. 36-ая Всероссийская конференция по космическим лучам, 28 сентября - 2 октября, 2020, г. Москва, Россия;

10. 37th International Cosmic Ray Conference, July 12-23, 2021, Berlin, Germany;

11. 4th International Symposium on Cosmic Rays and Astrophysics, June 27-29, 2023, Moscow, Russia.

Отдельные аспекты работы, положенные в основу диссертации, прошли независимую экспертизу и были поддержаны грантами РФФИ №12-02-31442 мол_а и №16-29-13019 офи-м, а также грантами академической мобильности для молодых ученых и специалистов Республики Саха (Якутия) НОФМУ №201302010098, №201302010134, №20170220222, №20171201009-2.

Личный вклад. Разработка алгоритмов и написание компьютерных программ регистрации и обработки данных по радиоизлучению производились автором самостоятельно. На протяжении 10 лет автор являлся ответственным за проведение наблюдений и регистрацию радиоизлучения ШАЛ. Он принимал непосредственное участие в проведении, обработке и анализе результатов эксперимента. Автором самостоятельно сформулированы основные результаты и выводы, которые вошли в диссертацию. Автор внес определяющий вклад в написании научных статей по теме диссертации.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 30 работах, 9 из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК [22—30], и цитируемых на научных платформах Web of Science и Scopus. Остальные работы опубликованы в трудах конференций [31—51]. Автором также было получено свидетельство на регистрацию программы, используемой при наблюдении радиоизлучения ШАЛ на Якутской комплексной установке [52].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Полный объём диссертации составляет 110 страниц, включая 45 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 110 наименований.

Глава 1. Современное состояние исследований космических лучей

сверхвысоких энергий

Т~ч и и

В этой главе описываются исследования космических лучей с помощью разных детекторов регистрации ШАЛ. Детально описаны механизмы генерации радиоизлучения ШАЛ и рассмотрен метод регистрации радиоизлучения ШАЛ. Приводится обзор современных установок, использующих радиоизлучение, как метод регистрации ШАЛ.

1.1 Регистрация космических лучей сверхвысоких энергий методом ШАЛ

Космические лучи были открыты Виктором Гессом в 1912 г. в ходе экспериментов по измерению ионизации воздуха при помощи камер на аэростатах. Было обнаружено, что выше 1000 м ионизация начинает расти с высотой. Так было установлено внеземное происхождение ионизирующего излучения [53].

Когда высокоэнергичная частица попадает в земную атмосферу, она сталкивается с ядрами атомов воздуха. Результатом этого столкновения является рождение множества вторичных частиц, которые в свою очередь взаимодействуют с другими ядрами атомов воздуха и образуют новые вторичные частицы. Это происходит не только в результате адронных взаимодействий, но и в результате электромагнитных взаимодействий с атомами или электронами и распада нестабильных частиц. Такой процесс образования вторичных частиц носит лавинообразных характер и называется широким атмосферным ливнем. В конце концов такой каскад или ливень, будет содержать множество различных частиц, которые могут достигнуть поверхности Земли при достаточно большой энергии первичной частицы внеземного происхождения.

При первом столкновении первичной частицы с ядром атома воздуха рождается большое количество адронов [54], преимущественно пионов — за-

ряженных п+, п- и нейтральных п0-мезонов. Примерно половина энергии передается лидирующему нуклону, который далее испытывает новые столкновения. С одной стороны, рожденные частицы — пионы и другие адроны также могут участвовать в ядерных взаимодействиях, в результате которых увеличивается общее число частиц, но уменьшается энергия на одну частицу. С другой стороны, эти частицы являются нестабильными и поэтому распадаются. Время жизни нейтральных пионов 8,4 • 10-17 с и они распадаются на два у-кванта с самого начала ядерного каскада:

п0 ^ у + у. (1.1)

Далее формируется электронно-фотонная компонента, за счет гамма-квантов, которые генерируют большое количество электронов е- и позитронов е+ образуя, тем самым, электромагнитный каскад.

Пространственное распределение электромагнитного каскада может быть выражено в виде [55]:

= ° « • & • (¿) • (1 + ¿), (1-2)

где ре — плотность потока электронов, — полное число электронов, г — расстояние до центра ливня, С(й) = Г(Г(Г(4~б-а) — нормировочный фактор, й — возраст ливня, гт — мольеровский радиус. Возраст ливня - параметр отражающий степень развития ШАЛ, при й = 0, ливень является «молодым» и только начинает развиваться в атмосфере, при й = 1 говорят о максимуме развития ливня - число вторичных частиц в ливне достигает максимального значения, далее число частиц начинает уменьшаться, при й = 2 происходит полное затухание ливня — остается меньше 1 частицы в ШАЛ. Данная функция верна для значений 0,8 < й < 1,6. Мольеровский радиус гт = 70 м на уровне моря.

Время жизни заряженных пионов адронного каскада составляет т = 2,6 • 10-8 с, и они, в свою очередь, распадаются на ц,-мезоны (мюоны) и нейтрино V:

П = Ц + V, П+ = Ц+ + V. (1.3)

По своей природе мюоны не участвуют в сильных взаимодействиях и тратят энергию только на ионизацию. Так как мюоны являются прямыми потомками ядерных частиц, их параметры зависят от характеристик ядерных взаимодействий при развитии ШАЛ и поэтому они представляют дополнительный интерес. Мюоны — нестабильные частицы и их время жизни равно 2,2 • 10-6 с.

Таким образом, в большинстве случаев ядерные взаимодействия частиц ШАЛ заканчиваются электромагнитным каскадом и на него приходится 75-90 % (в зависимости от типа первичной частицы вызвавшей ШАЛ) всей энергии первичной частицы. Суммарный заряд электромагнитного каскада вначале является нулевым, но за счет аннигиляции позитронов с электронами атомов воздуха в каскаде развивается отрицательный избыток заряда. С ростом количества пройденного вещества число вторичных частиц в ливне растет, а средняя энергия на частицу в каскаде уменьшается по экспоненте.

После того как энергия электронов упадет ниже критической Есгц^г = 84,2 МэВ новые у-кванты больше не рождаются, а электроны продолжают терять энергию на ионизацию. Из-за этого электромагнитный каскад начинает затухать, т.е. общее число частиц в ливне начинает уменьшатся. Зависимость числа частиц в ливне от глубины атмосферы называют каскадной кривой. Для ШАЛ генерированной частицей с энергией 1017 эВ глубина максимума развития Хтах находится на уровне ^650 г • см-2 (на высоте 3,5 км от уровня моря) и с ростом энергии может дойти до уровня моря. Следует заметить, что глубина максимума зависит от типа первичной частицы, для протона она будет ниже, для ядра железа будет выше.

ШАЛ можно представить в виде диска, толщиной в несколько метров и диаметром до километров, который движется через атмосферу со скоростью близкой к скорости света в вакууме (Рис. 1.1). Диск не является полностью плоским, а немного выпуклый, в середине тоньше, а по краям, с ростом расстояния

от оси, становится толще. Траектория движения центра диска, которая называется осью ливня, совпадает с направлением прихода первичной частицы. Ядерные частицы концентрируются, в основном, вблизи оси на расстоянии в несколько десятков метров. Распределение электронов и мюонов значительно шире.

Граница

Рисунок 1.1 — Развитие ШАЛ в атмосфере.

Приблизительно половина от общего числа электронов сосредоточена в пределах области, ограниченной радиусом Я0 в одну мольеровскую единицу (на уровне моря ~ 70 м). С увеличением расстояния от оси ливня вклад мюонов в общую плотность заряженных частиц становится существенным. Радиус ШАЛ зависит от энергии Е0 первичной частицы и глубины атмосферы X, площадь

при этом может достигать сотен и тысяч квадратных метров. Диск ливня перпендикулярен оси ливня, это позволяет по задержке срабатывания детекторов определять углы прихода первичной частицы: зенитный 6 и азимутальный ф.

Существует два механизма излучения ШАЛ в оптическом диапазоне: че-ренковский и флуоресцентный. Частицы ливня, движущиеся в атмосфере Земли со скоростью выше скорости света в воздухе, излучают черенковский свет в широком интервале длин волн оптического диапазона. Порог по энергии излучающих электронов зависит от коэффициента преломления, от плотности воздуха и составляет 20—100 МэВ. Доля таких электронов значительна, а количество фотонов от одного электрона пропорционально длине его трека. В ясную погоду, т.е. когда прозрачность атмосферы хорошая, черенковские фотоны достигают поверхности Земли почти без потерь. Таким образом, поток черенковского излучения несет важную информацию об электронах по всей глубине атмосферы [56].

Второй оптический механизм — это флуоресцентное свечение. Высокоэнергичные электроны в атмосфере оставляют трек из ионизированных или возбужденных атомов и молекул воздуха. При релаксации эти атомы и молекулы излучают изотропное свечение, которое при хорошей прозрачности атмосферы может быть зарегистрировано с больших расстояний от ливня.

Традиционные установки для исследования КЛ методом ШАЛ, представляют собой сеть отдельных наземных детекторов заряженных частиц, расположенных на большой площади. События ШАЛ отбираются при совпадении сигналов соседних детекторов в короткий промежуток времени, которые образует триггер установки. Диапазон энергий регистрируемых ливней, сильно зависит от расстояния между детекторами установки.

Установки, работающие в энергетической области 1014—1015 эВ, достаточно компактны и расстояние между соседними детекторами составляет метры и десятки метров. А для самых больших энергий они могут составлять 1000-1500 метров, как у установки Telescope Array в США [57] и обсерватории Пьера Оже в Аргентине [18].

Для того чтобы оценить преимущества радиометода, рассмотрим существующие методы измерений при помощи детекторов заряженных частиц и оптических детекторов (детекторов черенковского и флуоресцентного света). Эти методы уже показали себя довольно успешными в широком диапазоне энергий. Однако, у них есть свои недостатки.

Заряженные частицы ШАЛ регистрируют при помощи наземных сцин-тилляционных детекторов. Сцинтилляционные детекторы из-за своей высокой стоимости располагают на значительном расстоянии друг от друга, из-за чего они регистрируют только часть заряженных частиц, что увеличивает ошибки в измерениях. Для определения основных характеристик ШАЛ используются теоретические модели, которые недостаточно точно описывают адронные взаимодействия при энергиях недоступных на современных ускорителях, что вносит дополнительные ошибки [58]. Наиболее значимой из них является доля мюонов для ливней со сверхвысокими энергиями, где расхождение между моделями и измерениями, к примеру, для энергий Е0 ^ 1019 эВ достигает 30 % по измерениям обсерватории Пьера Оже [18]. Это, вероятно, связано с экстраполяцией моделей адронных взаимодействий далеко за пределы энергий, достигнутых на современных ускорителях. Поэтому для достижения высокой эффективности метод регистрации заряженных частиц должен использоваться совместно с другими методами, например, оптическими. Определить массовый состав первичных частиц по наземным детекторам довольно сложно. Для этого необходимо измерять мюонную и электронно-фотонную компоненту по отдельности, но и в этом случае, возможны систематические ошибки из-за неточностей моделей адронных взаимодействий.

Оптические методы не подвержены систематическим ошибкам связанным с выбором моделей адронных взаимодействий, но требуют соблюдения почти идеальных погодных условий для проведения точных измерений — ясных и безлунных ночей, что уменьшает время наблюдений до 10-15 % всего времени.

На фоне таких ограничений, регистрация ШАЛ радиометодом имеет ряд преимуществ. По сравнению со сцинтилляционными детекторами, это отно-

сительная дешевизна, простота эксплуатации, а по сравнению с детекторами черенковского света и флуоресцентного свечения, это наблюдение вне зависимости от времени суток и при любых погодных условиях, кроме гроз [59].

Слабое затухание радиоизлучения в атмосфере позволяет регистрировать ШАЛ на большом расстоянии и, так как радиоизлучение зависит от развития электромагнитного каскада ливня в атмосфере [60] и величины магнитного поля вблизи уровня наблюдения, можно определять энергию частицы генерирующей ливень независимо от основного метода регистрации ШАЛ. А также, используя форму ФПР амплитуды радиоизлучения, можно определить глубину максимума развития ливня Хтах [60]. Эту зависимость от ФПР можно рассмотреть как геометрический эффект: ядро железа за счет большего поперечного сечения взаимодействует раньше в атмосфере и ливень развивается быстрее по сравнению с первичным протоном; т.е. источник радиоизлучения для события с первичным ядром железа находится дальше от наблюдателя на Земле, и поэтому, ФПР будет более пологим по сравнению с ФПР радиоизлучения от первичного протона. В работе [61] с помощью расчетов показано, что положение глубины максимума Хтах при фиксированной энергии отражает вклад разных групп ядер и это можно использовать для анализа массового состава космических лучей, в том числе и с использованием измерений радиоизлучения ШАЛ.

Слабое затухание радиосигналов позволяет регистрировать ливни с большим наклоном [59]. Такие ливни могут быть генерированы нейтрино или гамма-квантами с очень высокими энергиями. Радиоантенны в таких ливнях будут регистрировать электромагнитную компоненту ливня, а детекторы заряженных частиц будут регистрировать только мюонную компоненту ливня. Такой метод позволит существенно увеличить статистику регистрируемых ливней, повысить точность измерений и изучать ливни, рожденные нейтрино и гамма-квантами.

1.2 Механизмы генерации радиоизлучения ШАЛ

Электромагнитное излучение ШАЛ в оптическом диапазоне - черенков-ское излучение впервые наблюдалось Джелли в 1953 г. [62] и с тех пор данный метод наблюдений является одним из основных и самых эффективных экспериментальных методов исследований космических лучей. Примерно в то же время возникла идея о регистрации черенковского излучения в области радиочастот, которая была бы менее требовательна к условиям, таких как регистрация в безлунное темное время суток и наличие ясной погоды. Регистрация на радиочастотах значительно увеличило бы эффективное время регистрации ШАЛ [9]. Но в силу того, что расстояние между частицами в ливне меньше длины радиоволны, излучение будет когерентным и приводит к взаимному сокращению интенсивностей сигналов положительно и отрицательно заряженных частиц. Таким образом, в нейтрально заряженном ливне излучение на радиочастотах практически бы отсутствовало.

Впервые о существовании излучения ШАЛ в радиодиапазоне предположил Аскарьян в 1961 г. [14]. Он показал, что из-за того, что в атмосфере существуют только электроны, в результате их аннигиляции с положительно заряженными позитронами ШАЛ, в ливне появится избыток отрицательного заряда [63]. Избыток может составлять 20-30 % от полного числа электронов в ШАЛ. При наличии зарядового избытка взаимное сокращение происходит не полностью и образуется нескомпенсированное излучение. Действительно, это предположение было доказано в 1965 г., когда Джелли зарегистрировал радиоимпульсы на частоте 44 МГц, которые приходили одновременно с некоторыми ливнями генерированными частицами с энергией Е ^ 5 • 1016 эВ [5]. В дальнейшем работы по регистрации радиоизлучения проводились на многих установках по всему миру и были зарегистрированы в интервале частот 1-500 МГц. В этих работах были исследованы многие аспекты радиоизлучения ШАЛ [8; 9].

Одним из основных механизмов генерации радиоизлучения является геомагнитный механизм [13] связанный с воздействием магнитного поля Земли на заряженные частицы. Заряженные частицы в ливне обновляются за время ~Ь/е, где Ь — радиационная длина, а с — скорость света [13]. При этом среднее время жизни частицы, в течении которого ее энергия уменьшится в е раз, будет составлять 10-6 с. На заряженные частицы диска ШАЛ будет действовать магнитное поле Земли, которое будет смещать положительно и отрицательно заряженные частицы во взаимно противоположные стороны от оси ливня. Такое смещение или движение можно представить в виде переменного электрического тока, т.к. число заряженных частиц меняется с развитием ШАЛ в атмосфере [12]. Такой ток, по сути, является диполем Герца, который излучает радиоволны перпендикулярно к магнитному полю Земли.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Петров Игорь Степанович, 2025 год

Список литературы

1. Астрофизика космических лучей / В. Березинский [и др.]. — М. : Наука, 1990. — 528 с.

2. Bltimer, J. Cosmic rays from knee to the highest energies / J. Bltimer, R. Engel, J. R. Horandel // Prog. Part. Nucl. Phys. - 2009. - Vol. 63. -P. 293-338.

3. Indications of Intermediate-Scale Anisotropy of Cosmic Rays with Energy Greater Than 57 EeV in the Northern Sky Measured with the Surface Detector of the Telescope Array Experiment / R. Abbasi [et al.] // Astrophys. Journ. Lett. - 2014. - Vol. 790. — P. L21.

4. Observation of a Large-scale Anisotropy in the Arrival Directions of Cosmic Rays above 8 x 1018 eV / A. Aab [et al.] // Science. - 2017. - Vol. 357. -P. 1266.

5. Radio Pulses from Extensive Cosmic-Ray Air Showers / J. V. Jelley [et al.] // Nature. - 1965. - Vol. 205. - P. 327-328.

6. Радиоизлучение широких атмосферных ливней (ШАЛ) космических лучей / С. Вернов [и др.] // Письма в ЖЭТФ. — 1967. — Т. 5. — С. 157—162.

7. И. Боржковский [и др.] // Письма в ЖЭТФ. — 1966. — Т. 3. — С. 186.

8. The Investigation of Radio Emission from EAS with the Frequencies 32 MHz, 58 MHz and 2 MHz / V.B. Atrashkevich [et al.] // Proc. of 13th Intern. Cosmic Ray Conf.: Vol. 3 (Denver, USA). - 08/1973. - P. 2399.

9. Allan, H. R. Radio Emission From Extensive Air Showers / H. R. Allan // Prog. Element. Part. and Cos. Ray Phys. - 1971. - Vol. 10. - P. 171.

10. Suga, K. / K. Suga, F. Kakimoto, K. Nishi // Proc. of 19th Intern. Cosmic Ray Conf.: Vol. 7 (La Jolla, USA). - Washington, D.C. : Sci., Tech. Inform. Branch, NASA, 08/1986. - P. 268.

11. About the low-frequency radioemission pulses detected synchronously with EAS / A.V. Aleksandrov [et al.] // Proc. of 20th Intern. Cosmic Ray Conf.: Vol. 6 (Moscow, USSR). - Moscow : Nauka, 08/1987. - P. 132-134.

12. Kahn, F. Radiation from cosmic ray air showers / F. Kahn, I. Lerche // Proc. of R. Soc. A. - 1966. - Vol. 289. - P. 206.

13. Царев, В. А. Регистрация космических лучей ультравысоких энергий радиометодом / В. А. Царев // ЭЧАЯ. — 2004. — Т. 35, № 1. — С. 1—49.

14. Аскарьян, Г. А. Избыточный отрицательный заряд электрон-фотонного ливня и когерентное излучения от него / Г. А. Аскарьян // ЖЭТФ. — 1961. — Т. 41, № 2. — С. 616—618.

15. Radio Detection of Cosmic Rays with LOPES / T. Huege [et al.] // Nucl.Phys.Proc.Suppl. B. - 2007. - Vol. 165. - P. 341-348.

16. Lecacheux, A. The Nancay Decameter Array: A Useful Step Towards Giant, New Generation Radio Telescopes for Long Wavelength Radio Astronomy / A. Lecacheux // Geophys. Monograph Ser. - 2000. - Vol. 119. - P. 321.

17. Status of the Yakutsk Air Shower Array and Future Plans / A. K. Alekseev [et al.] // Phys. Atom. Nucl. - 2021. - Vol. 84. - P. 893-906.

18. The Pierre Auger Cosmic Ray Observatory / A. Aab [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. - 2015. - Vol. 798. - P. 172.

19. LOFAR: The LOw-Frequency ARray / M. P. van Haarlem [et al.] // Astronom. & Astrophys. - 2013. - Vol. 556. - A2.

20. Measurement of cosmic-ray air showers with the Tunka Radio Extension (Tunka-Rex) / P. A. Bezyazeekov [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. -2015. - Vol. 802. - P. 89.

21. Филоненко, А. Д. Радиоизлучение широких атмосферных ливней / А. Д. Филоненко // УФН. — 2015. — Т. 185, № 7. — С. 673.

22. Кнуренко, С. П. Радиоизлучения широких атмосферных ливней с энергией Е0 ^ 1019 эВ по данным регистрации на Якутской комплексной установке / С. П. Кнуренко, И. С. Петров // Письма в ЖЭТФ. - 2016. - Т. 104, № 5. - С. 305-309.

23. Knurenko, S. P. Radio emission of air showers with extremely high energy measured by the Yakutsk Radio Array / S. P. Knurenko, Z. E. Petrov, I. S. Petrov // NIM A. - 2017. - Vol. 866. - P. 230-241.

24. Knurenko, S. P. Characteristics of air showers with energy more than 1017 eV reconstructed by the Yakutsk array radio emission measurements / S. P. Knurenko, I. S. Petrov // EPJ Web Conf. - 2019. - Vol. 208. -P. 08017.

25. Petrov, I. S. Ultra-High Energy Cosmic Ray Study Results by Radio Emission Technique at Yakutsk Array / I. S. Petrov, S. P. Knurenko, Z. E. Petrov // Phys. Atom. Nucl. - 2019. - Vol. 82, no. 6. - P. 795-799.

26. Кнуренко, С. П. Корреляция радиосигнала на частоте 32 МГц с характеристиками широких атмосферных ливней по данным измерений на Якутской установке ШАЛ / С. П. Кнуренко, И. С. Петров // Известия РАН. Сер. физ. - 2015. - Т. 79, № 3. - С. 446-448.

27. Радиоэмиссия на частоте 32 Мгц от ШАЛ с энергией выше 5 • 1018 эВ по измерениям на Якутской установке / С. П. Кнуренко [и др.] // Известия РАН. Сер. физ. - 2017. - Т. 81, № 4. - С. 559-561.

28. Кнуренко, С. Флуктуации глубины максимума развития ШАЛ с энергией выше 1017 эВ по измерениям радиоизлучения на частотах 30-35 МГц / С. Кнуренко, И. Петров // Известия РАН. Сер. физ. - 2019. - Т. 83, № 8. -С. 1111-1113.

29. Кнуренко, С. Исследование характеристик космических лучей предельных энергий радиометодом на частоте 30-35 МГц на Якутской установке / С. Кнуренко, И. Петров // Известия РАН. Сер. физ. - 2021. - Т. 85, № 8. -С. 1169-1172.

30. Petrov, I. S. Study of Cosmic Rays with Energies above 5 EeV Using Radio Method / I. S. Petrov, S. P. Knurenko // Phys. Atom. Nucl. - 2024. -Vol. 87, no. 2. - P. 77-85.

31. Исследование радиоизлучения на частоте 32 МГц на Якутской установке широких атмосферных ливней / И. С. Петров [и др.] // Вестник СВФУ. — 2011. — Т. 8. — С. 5—10.

32. Результаты регистрации радиоизлучения на частоте 32 МГц на Якутской установке ШАЛ / И. С. Петров [и др.] // Наука и образование. — 2012. — Т. 65.— С. 7—11.

33. Extensive air showers radio emission spatial distribution at 32 MHz frequency from measurements of Yakutsk Array / D. S. Borschevsky [et al.] // Proc. SPIE. - 2012. - Vol. 8696. - 86960P.

34. On maximum amplitude of radio pulse correlation and energy of primary particles producing extensive air showers / D. S. Borschevsky [et al.] // Proc. SPIE. - 2012. - Vol. 8696. - 86960Q.

35. Кнуренко, С. П. Алгоритм регистрации радиоизлучения ШАЛ и математической обработки ливней с радиосигналом на Якутской комплексной установке ШАЛ / С. П. Кнуренко, З. Е. Петров, И. С. Петров // Материалы докладов XIX Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Томск, Россия). — Томск : ИОА СО РАН, 2013. — Д-247-Д—250.

36. Результаты измерения радиоизлучения на частоте 32 МГц, полученные на Якутской комплексной установке ШАЛ в интервале энергии 3 1016—51018 эВ / С. П. Кнуренко [и др.] // Материалы докладов XIX Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Томск, Россия). — Томск : ИОА СО РАН, 2013. — Д-243-Д—246.

37. Knurenko, S. Lateral distribution of radio signal measured in showers with energy 3 • 1016 — 5 • 1018 eV at the Yakutsk EAS array / S. Knurenko, I. Petrov //

Proceedings of 33rd International Cosmic Ray Conference (ICRC 13) (Rio de Janeiro, Brazil). - Rio de Janeiro, 07/2013. - P. 0054.

38. Knurenko, S. Yakutsk array radio emission registration results in the energy range of 3 • 1016 — 5 • 1018 eV / S. Knurenko, I. Petrov // Proceedings of 33rd International Cosmic Ray Conference (ICRC 13) (Rio de Janeiro, Brazil). -Rio de Janeiro, 07/2013. - P. 0181.

39. Petrov, I. Air shower registration algorithm and mathematical processing of showers with radio signal at the Yakutsk array / I. Petrov, S. Knurenko, Z. Petrov // Proceedings of 33rd International Cosmic Ray Conference (ICRC 13) (Rio de Janeiro, Brazil). - Rio de Janeiro, 07/2013. - P. 0182.

40. Registration results of Yakutsk array radio emission in the energy range of 3 • 1016 — 5 • 1018 eV /1. Petrov [и др.] // Международная молодежная научная школа по фундаментальной физике. XIII конференция молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом». (Иркутск, Россия). -Иркутск, 2013. - С. 95-96.

41. Knurenko, S. P. Radio signal correlation at frequency 32 MHz with extensive air showers parameters using Yakutsk array data / S. P. Knurenko, I. S. Petrov // Proc. SPIE. - 2014. - Vol. 9292. - 92925N.

42. Knurenko, S. P. Radio Signal Correlation at 32 MHz with Extensive Air Showers Parameters / S. P. Knurenko, I. S. Petrov // J. Phys.: Conf. Ser. -2015. - Vol. 632. - P. 012100.

43. Кнуренко, С. П. Глубина максимума развития широких атмосферных ливней по данным регистрации радиоизлучения на Якутской установке ШАЛ / С. П. Кнуренко, З. Е. Петров, И. С. Петров // Материалы докладов XXI Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Томск, Россия). - Томск : ИОА СО РАН, 2015. - С. 349-352.

44. Knurenko, S. Depth of maximum development of extensive air showers by radio emission data at Yakutsk EAS array / S. Knurenko, I. Petrov, Z. Petrov // Proc. of Science. - 2016. - Vol. 236. - P. 255.

45. Кнуренко, С. П. Радиоизлучение широких атмосферных ливней с энергией E0 ^ 1019 эВ по данным регистрации на Якутской комплексной установке / С. П. Кнуренко, З. Е. Петров, И. С. Петров // Материалы докладов XXII Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Томск, Россия). — Томск : ИОА СО РАН, 2016. — С. 276—280.

46. Кнуренко, С. П. Оценка атомного веса первичных частиц космического излучения по данным измерений радиоизлучения ШАЛ в области 1017 —1018 эВ / С. П. Кнуренко, И. С. Петров // Физика окружающей среды. Материалы XII Международной Школы молодых ученых им. А.Г. Колесника. — 2016. — С. 92—97.

47. Кнуренко, С. П. Результаты измерения радиоизлучения широких атмосферных ливней сверхвысокой энергии по данным Якутской установки / С. П. Кнуренко, И. С. Петров, З. Е. Петров // Физика окружающей среды. Материалы XII Международной Школы молодых ученых им. А.Г. Колесника. — 2016. — С. 102—106.

48. Petrov, I. Primary particles of cosmic rays energy determination by measurements of Cherenkov and radio emissions of air showers / I. Petrov, S. Knurenko, Z. Petrov // Proc. of Science. - 2018. - Vol. 301. -P. 334.

49. Petrov, I. Radio emission of air showers with energy E ^ 1019 eV registration results at frequency 30-35 MHz by the Yakutsk array data / I. Petrov, S. Knurenko // Proc. of Science. - 2018. - Vol. 301. - P. 335.

50. Knurenko, S. P. Results of Ultra-high Energy Cosmic Ray Study by Radio Technique at Yakutsk Array / S. P. Knurenko, I. S. Petrov // Proc. of Science. - 2021. - Vol. 358. - P. 385.

51. Knurenko, S. P. Estimation of depth of maximum by relative muon content in air showers with energy greater than 5 EeV measured by the Yakutsk array / S. P. Knurenko, I. S. Petrov // Proc. Of Science. - 2022. - Vol. 395. -P. 289.

52. Свидетельство о регистрации программы в фонде алгоритмов и программ СО РАН. Регистрация радиоизлучения и вариации фона. Radio Registration and Background Monitoring / И. С. Петров, Д. С. Бор-щевский, З. Е. Петров ; И. космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера. - № PR12001 ; заявл. 26.01.2012 ; опубл. 26.01.2012, PR12001 (Россия).

53. Hess, V. Über Beobachtungen der durchdringenden Strahlung bei sieben Freiballonfahrten / V. Hess // Phys. Z. - 1912. - Vol. 13. - P. 1084-1091.

54. Haungs, A. Energy spectrum and mass composition of high-energy cosmic rays / A. Haungs, H. Rebel, M. Roth // Rep. Prog. Phys. - 2003. -Vol. 66. - P. 1145.

55. Kamata, K. The Lateral and the Angular Structure Functions of Electron Showers / K. Kamata, J. Nishimura // Progress of Theoretical Physics Supplement. - 1958. - Vol. 6. - P. 93-155.

56. Нестерова, Н. М. О наблюдении черенковского излучения, сопровождающего широкие атмосферные ливни космических лучей / Н. М. Нестерова, А. Е. Чудаков // ЖЭТФ. - 1955. - Т. 28. - С. 384.

57. Mass composition of ultrahigh-energy cosmic rays with the Telescope Array Surface Detector data / R. Ü. Abbasi [et al.] // Phys. Rev. D. - 2019. -Vol. 99. - P. 022002.

58. Engel, R. Extensive air showers and hadronic interactions at high energy / R. Engel, D. Heck, T. Pierog // Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. - 2011. -Vol. 61. - P. 467-489.

59. Schröder, F. G. Radio detection of Cosmic-Ray Air showers and High-Energy Neutrinos / F. G. Schroder // Prog. Part. Nucl. Phys. - 2017. - Vol. 93. -P. 1-68.

60. Huege, T. Dependence of geosynchrotron radio emission on the energy and depth of maximum of cosmic ray showers / T. Huege, R. Ulrich, R. Engel // Astropart. Phys. - 2008. - Vol. 30, no. 2. - P. 96-104.

61. Константинов, А. А. Радиоизлучение широких атмосферных ливней как метод регистрации космических лучей сверхвысоких энергий: дис. ... к-да физ.-мат. наук: 01.04.23 / А. А. Константинов. — Москва, 2009. — 135 с.

62. Galbraith, W. Light Pulses from the Night Sky associated with Cosmic Rays / W. Galbraith, J. Jelley // Nature. - 1953. - Vol. 171. - P. 349-350.

63. Аскарьян, Г. А. Когерентное излучение от космических ливней в воздухе и плотных средах / Г. А. Аскарьян // ЖЭТФ. — 1965. — Т. 48. — С. 988.

64. Measurement of the circular polarization in radio emission from extensive air showers confirms emission mechanisms / O. Scholten [et al.] // Phys. Rev. D. - 2016. - Vol. 94. - P. 103010.

65. Interferometric Radio Measurements of Air Showers with LOPES: Final Results / F. G. Schroder [et al.] // Proc. Of Science. - 2018. - Vol. 301. -P. 458.

66. LOPES-3D, an antenna array for full signal detection of air-shower radio emission / W. D. Apel [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. - 2012. -Vol. 696. - P. 100-109.

67. From the Observation of UHECR Radio Signal in [1-200] MHz to the Composition: CODALEMA and EXTASIS Status Report / A. Escudie [et al.] // Proc. of Science. - 2019. - Vol. 358. - P. 246.

68. Energy estimation of cosmic rays with the Engineering Radio Array of the Pierre Auger Observatory / A. Aab [et al.] // Phys. Rev. D. - 2016. -June. - Vol. 93, issue 12. - P. 122005.

69. Recent Results of the Auger Engineering Radio Array (AERA) / A. Aab [et al.] // Proc. of Science. - 2018. - Vol. 301. - P. 492.

70. Method for high precision reconstruction of air shower Xmax using two-dimensional radio intensity profiles / S. Buitink [et al.] // Phys. Rev. D. -

2014. - Oct. - Vol. 90, issue 8. - P. 082003.

71. Measuring a Cherenkov ring in the radio emission from air showers at 110-190 MHz with LOFAR / A. Nelles [et al.] // Astropart. Phys. - 2015. - Vol. 65. -P. 11-21.

72. Results from Tunka-133 (5 years observation) and from the Tunka-HiSCORE prototype / V. V. Prosin [et al.] // EPJ Web Conf. - 2016. - Vol. 121. -P. 03004.

73. Казарина, Ю. А. Исследование структуры радиоизлучеия каскадного ливня от космических лучей высоких энергий в Тункинском эксперименте : дис. ... к-да физ.-мат. наук : 01.04.03, 01.04.16 / Ю. А. Казарина. - Иркутск,

2015. - 104 с.

74. Radio measurements of the energy and the depth of the shower maximum of cosmic-ray air showers by Tunka-Rex / P. Bezyazeekov [et al.] // JCAP. -

2016. - Vol. 01. - P. 052.

75. Seven years of Tunka-Rex operation / D. Kostunin [et al.] // Proc. of Science. - 2021. - Vol. 358. - P. 319.

76. A large radio array at the Pierre Auger Observatory / Horandel [et al.] // EPJ Web Of Conferences. - 2019. - Vol. 216. - P. 01010.

77. The Giant Radio Array for Neutrino Detection / O. Martineau-Hyunh [et al.] // EPJ Web Of Conferences. - 2017. - Vol. 135. - P. 02001.

78. High-precision measurements of extensive air showers with the SKA / T. Huege [et al.] // Proc. of Science. - 2015. - Vol. 236. - P. 309.

79. Search for PeVatrons at the Galactic Center using a radio air-shower array at the South Pole / V. A. Balagopal [et al.] // Eur. Phys. J. C. - 2018. -Vol. 78. - P. 111.

80. Acceleration of petaelectronvolt protons in the Galactic Centre / A. Abramowski [et al.] // Nature. - 2016. - Vol. 531. - P. 476-479.

81. Современное состояние и перспективы Якутской комплексной установки ШАЛ / В. П. Артамонов [и др.] // Известия РАН. Сер. физ. — 1994. — Т. 58, № 12. — С. 92—97.

82. Сцинтилляционный детектор с оптоволоконным съёмом информации / Н. В. Ампилогов [и др.] // 30-я Всероссийская конференция по космическим лучам (30-ая ВККЛ) (Санкт-Петербург, Россия). — Санкт-Петербург, 2008. — С. 1—4.

83. The use of Cherenkov detectors at the Yakutsk cosmic ray extensive air shower array / M. N. Dyakonov [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. - 1986. -Vol. 248. - P. 224.

84. 32 MHz radio measurements at the Yakutsk EAS array / S. Knurenko [et al.] // Proceedings of 22nd European Cosmic Rays Symposium (22nd ECRS) (Turku, Finland). - Turku, 2010. - P. 262.

85. Linsley, J. Evidence for a Primary Cosmic-Ray Particle with Energy 1020 eV / J. Linsley // Phys. Rev. Lett. - 1963. - Vol. 10. - P. 146-148.

86. О природе формирования радиосигнала на частоте 32 МГц от ШАЛ сверхвысоких энергий / В. И. Козлов [и др.] // XVII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы»: Сборник трудов (Томск, Россия). — Томск : ИОА СО РАН, 2011. — С. D1—D4.

87. Ellingson, S. Design and evaluation of an active antenna for a 29-47 MHz radio telescope array / S. Ellingson, J. Simonetti, C. Patterson // IEEE Trans. Antennas and Propag. - 2007. - Vol. 55, no. 3. - P. 826-831.

88. On noise treatment in radio measurements of cosmic ray air showers / F. G. Schroder [et al.] // Nucl. Instrum. Meth. A. - 2012. - Vol. 662. -S238-S241.

89. ЛА-н10м8РС!-100 Быстродействующая плата аналого-цифрового преобразования для IBM PC/AT-совместимых компьютеров на шину PCI / ЗАО "Руднев-Шиляев". - Москва. - Техническое описание и руководство пользователя.

90. Фаронов, В. В. Delphi. Программирование на языке высокого уровня : Учебник для вузов / В. В. Фаронов. - Санкт-Петербург : Питер, 2008. -640 с.

91. Иванов, А. А. Определение энергии первичных частиц космических лучей по полному потоку излучения Вавилова-Черенкова, измеренному на Якутской установке ШАЛ / А. А. Иванов, С. П. Кнуренко, И. Е. Слепцов // ЖЭТФ. - 2007. - Т. 131, № 6. - С. 1001-1007.

92. Оценка энергии электронно-фотонной компоненты космических лучей по измерению черенковского света широких атмосферных ливней сверхвысоких энергий / С. П. Кнуренко [и др.] // Письма в ЖЭТФ. - 2006. - Т. 83, № 11. - С. 563-567.

93. Knurenko, S. Mass composition of cosmic rays above 0.1 EeV by the Yakutsk array data / S. Knurenko, I. Petrov // Adv. Space Res. - 2019. - Vol. 64. -P. 2570-2577.

94. Depth of shower maximum and mass composition of cosmic rays from 50 PeV to 2 EeV measured with the LOFAR radio telescope / A. Corstanje [et al.] // Phys. Rev. D. - 2021. - Vol. 103. - P. 102006.

95. Безъязыков, П. А. Восстановление глубины максимума ШАЛ по данным установки Tunka-Rex: дис. ... к-да физ.-мат. наук : 1.3.4 / П. А. Безъязыков. - Иркутск, 2022. - 106 с.

96. Cerenkov radiation of cosmic ray extensive air showers. Part 1. Lateral distribution in the energy region of 1015 — 1017 eV / S. Knurenko [et al.] // Proceedings of the 27th ICRC (Hamburg, Germany). - Hamburg, 2001. -P. 157-160.

97. Huege, T. Simulating radio emission from air showers with CoREAS / T. Huege, M. Ludwig, C. James // AIP Conf. Proc. - 2013. - Vol. 1535. -P. 128.

98. Operation of LOPES-30 for Polarization Measurements of the Radio Emission of Cosmic Ray Air Showers / P.G. Isar [et al.] // Proceedings of 30th International Cosmic Ray Conference (ICRC 07) (Merida, Mexico). — Mexico city : Universidad Nacional Autonoma de Mexico, 07/2008. — P. 1093—1096.

99. Polarized radio emission from extensive air showers measured with LOFAR / P. Schellart [et al.] // JCAP. — 2014. — Vol. 10. — P. 014.

100. Primary Particle Energy Calibration of the EAS Radio Pulse Height / A. Horneffer [et al.] // Proceedings of 30th International Cosmic Ray Conference (ICRC 07) (Merida, Mexico). — Mexico city : Universidad Nacional Autonoma de Mexico, 07/2008. — P. 83—86.

101. Huege, T. Radio detection of cosmic ray air showers in the digital era / T. Huege // Physics Reports. — 2016. — Vol. 620. — P. 1—52.

102. Overview on the Tunka-Rex antenna array for cosmic-ray air showers / F. G. Schroder [et al.] // Proc. Of Science. — 2018. — Vol. 301. — P. 459.

103. Demonstrating Agreement between Radio and Fluorescence Measurements of the Depth of Maximum of Extensive Air Showers at the Pierre Auger Observatory / A. Halim [et al.] // Phys. Rev. Lett. — 2024. — Vol. 132. — P. 021001.

104. Reconstruction of cosmic ray air showers with Tunka-Rex data using template fitting of radio pulses / P. Bezyazeekov [et al.] // Phys. Rev. D. — 2018. — Vol. 97. — P. 122004.

105. Glushkov, A. Estimation of the cosmic ray mass composition at energy above 1017 eV according to scintillation detectors of the Yakutsk array / A. Glushkov, A. Sabourov // Phys. At. Nucl. — 2020. — Vol. 82. — P. 674.

106. Depth of maximum of air-shower profiles at the Pierre Auger Observatory: Measurements above 10172 eV and Composition Implications / J. Bellido [et al.] // Proc. of Science. - 2018. - Vol. 301. - P. 506.

107. Johannes Schulz. Cosmic Radiation. Reconstruction of Cosmic-ray Properties from Radio Emission of Extensive Air Showers: Ph. D. thesis. — Radboud University / Johannes Schulz. — Nijmegen, 2016. — 218 p.

108. Ostapchenko, S. Monte Carlo treatment of hadronic interactions in enhanced Pomeron scheme: QGSJET-II model / S. Ostapchenko // Phys. Rev. D. — 2011. — Vol. 83. — P. 014018.

109. A new version of the event generator sibyl / F. Riehn [et al.] // Proc. of Science. — 2016. — Vol. 236. — P. 558.

110. EPOS LHC: Test of collective hadronization with data measured at the CERN Large Hadron Collider / T. Pierog [et al.] // Phys. Rev. C. — 2015. — Vol. 92. — P. 034906.

Список рисунков

1.1 Развитие ШАЛ в атмосфере......................... 13

1.2 Антенны LOPES [15]: а) одна из антенн на установке KASCADE-Grande; б) Трипольная антенна.................20

1.3 Средний Хтах определенный по данным LOPES с данными других установок. График взят с работы [65]....................21

1.4 Трипольная антенна установки CODALEMA...............22

1.5 Уровень галактических шумов в зависимости от времени суток по данным CODALEMA для частоты 50 МГц (левый верхний) и для

частоты 150 МГц (левый нижний). Сопоставление энергии частицы генерирующей ШАЛ определенной по радиоизлучению установки CODALEMA и по сцинтилляционным детекторам (правый верхний). Сравнение глубины максимума (Хтах) с данными других

установок (правый нижний). График взят из работы [67].........23

1.6 Радиоустановка AERA 2 фаза: антенна для беспроводной передачи данных, две антенны типа «бабочка» для измерения радиоизлучения

(одна направлена восток-запад и одна север-юг), металлическая коробка для электроники, солнечная панель, батарея источника питания и забор от крупного рогатого скота [18].............25

1.7 Слева: сопоставление энергии радиоизлучения с энергией частицы генерирующей ШАЛ, определенной по наземным детекторам установки Оже [68]. Справа: расстояние на котором измеряется

сигнал от ШАЛ как функция от зенитного угла [69]...........26

1.8 НЧ антенны в центральной части установки LOFAR [19]........27

1.9 Слева: Сравнение измерений антенн LOFAR (кружки) с моделированием (закрашенный фон) [70]; по центру: одномерный ФПР радиоизлучения [70]; справа: ФПР радиоизлучения на частоте 110-250 МГц [71]...............................28

1.10 Антенна для регистрации радиоизлучения на установке Тунка.....29

1.11 Слева: сопоставление энергии частицы генерирующей ШАЛ определенной по данным черенковских детекторов и по данным радио антенн; справа: сопоставление Хтах определенной по данным черенковских детекторов и по данным радио антенн. График взят с работы [74]..................................30

1.12 Модернизированный детектор обсерватории Пьера Оже. Красным нарисована предполагаемая антенна радиоизлучения ШАЛ.......31

1.13 Расположение антенн на установке SKA. Каждый кружок — это станция с 256 антеннами, которые представляют собой два скрещенных диполя [78]...........................33

2.1 План расположения детекторов на Якутской установке [81].......36

2.2 Схема триггера-500, Якутской установки. В кружках — номера станций, в квадратах — мастерные треугольники.............37

2.3 Размещение детекторов заряженных частиц, черенковского света и радиоантенн на МЧУ, расположенной в центре Якутской комплексной установки ШАЛ........................39

2.4 Уровень радиошумов.............................40

2.5 Амплитудный спектр в диапазоне 10-50 МГц в районе Якутской установки. Спектроанализатор ASA-2332. ................ 41

2.6 Спектр радиошумов, измеренный на выходе предусилителя антенны. . 43

2.7 Приемная антенна регистрации радиоизлучения ШАЛ. а) конструкция приемной антенны: 1 — полуволновой диполь, 2 — изоляция, 3 — термостабилизированный контейнер, 4 — монтажная стойка, 5 — изолирующая сетка. б) внешний вид приемной антенны

на Якутской установке............................44

2.8 Блок-схема одного канала регистратора..................45

2.9 Функциональная схема платы ЛА-н10м8PCI-100 [89]...........46

2.10 Внешний вид платы ЛА-н10м8Pa-100 [89]................46

2.11 Блок-схема работы платы с внешним запуском..............50

2.12 Блок-схема программы............................52

2.13 Рабочее окно программы...........................53

3.1 Рабочее окно программы для анализа и просмотра. Данное событие ШАЛ было зарегистрировано 27.01.2014 г., в 23:38:25 по местному времени (GMT+09:00)............................ 61

3.2 Алгоритм поиска радиоимпульсов ШАЛ. Х\ — заданный отсчет первого канала, Х'2 — заданный отсчет второго канала. А — пороговый уровень равный 3 а........................63

4.1 Интегральные спектры за дневное и ночное время суток. 14-26

октября 2010 г................................. 67

4.2 Интенсивность шумов на частоте 30-35 МГц за трое суток наблюдений с 15 по 17 октября 2010 г...................68

4.3 Фоновый шум на Якутской установке...................69

4.4 Событие ШАЛ, энергия первичной частицы сгенерировавшей ливень Е0 = 2,63 • 1018 эВ, зенитный угол 6 = 54°, азимутальный

угол ф = 343°, ось ливня находилась на расстоянии 250 м от антенны. 69

4.5 Отношение амплитуд сигналов с антенн ориентированными по направлениям В-З (А1) и С-Ю (А2).....................71

4.6 Распределение, сработавших антенн по расстояниям от оси ШАЛ. . . 73

4.7 Распределение событий ШАЛ по косинусу зенитного угла........73

4.8 Распределение событий по энергии частиц генерирующих ШАЛ. ... 74

4.9 Зависимость эффективной амплитуды радиоизлучения от зенитного угла. Неопределенность аппроксимации показана затемнененной областью.................................... 75

4.10 Зависимость амплитуды радиоизлучения от энергии частицы образующей ливень. Неопределенность аппроксимации показана затемнененной областью........................... 75

4.11 Зависимость амплитуды радиосигнала от энергии частицы генерирующей ливень по данным установки LOPES [100]........77

4.12 Комбинированные функции пространственного распределения радиоизлучения в ливнях для трех диапазонов энергий: а) без учета вклада шумов; б) с учетом вклада шумов.................79

4.13 ФПР радиоизлучения ШАЛ измеренных на других установках. а)

ФПР LOPES [65]; б) ФПР Тунка [102]...................80

4.14 Корреляция глубины максимума Хтах с отношением амплитуд радиоизлучения P на разных расстояниях. Неопределенность аппроксимации показана затемнененной областью............81

4.15 Распределение эффективных амплитуд радиосигналов по расстояниям до оси ШАЛ. Точки приведены к средней энергии (Е0) = 1,5 • 1019 эВ и среднему зенитному углу (6) = 43°. Красные треугольники — эффективные амплитуды сигналов, зарегистрированные в ливнях образованных частицами с энергией

- 1020 эВ.................................... 83

4.16 Зависимость Хтах определенный по радиоизлучению ШАЛ от энергии первичных частиц образующих ливень. а) в сравнении с данными радиоустановок LOFAR [94], AERA [103], CODALEMA [67], Тунка [104]; б) в сравнении с данными черенковских детекторов Якутской установки [93], сцинтилляционных детекторов Якутской установки [105], Telescope Array [57], обсерватории Пьера Оже [106] и черенковских

детекторов установки Тунка [72]......................86

4.17 Зависимость (ln Ä) от энергии частицы образующей ШАЛ по данным измерения радиоизлучения Якутской установки (красные точки): а) в сравнении с данными других радиоустановок: LOFAR [94], AERA [103], CODALEMA [67], Тунка [104]; б) в сравнении с данными черенковских измерений [93], сцинтилляционных измерений [105] Якутской установки, Telescope Array [57], обсерватории Пьера Оже [106] и черенковских

детекторов установки Тунка [72]. ..................... 89

Список таблиц

1 Частота регистрации радиоизлучения на мировых установках.....41

2 Статистика ШАЛ зарегистрированных на Якутской установке в 2009-2016 гг..................................59

3 Список ливней с радиоизлучением от ШАЛ генерированных частицами с энергией выше 1019 эВ, зарегистрированных на установке в Якутске: Дата — дата регистрации ливня, 6 — зенитный угол (град.), ф — азимутальный угол(град.), Е0 — энергия первичной частицы (эВ), Ау — амплитуда радиосигнала (мкВ • м-1 • МГц-1), Я

— расстояние от оси ливня до антенн (м).................84