Главная » 2014 » Июнь » 29 » Скачать Развитие широких атмосферных ливней и массовый состав первичного космического излучения в интервале энергий 1017-1019 эВ. бесплатно
03:37
Скачать Развитие широких атмосферных ливней и массовый состав первичного космического излучения в интервале энергий 1017-1019 эВ. бесплатно
Развитие широких атмосферных ливней и массовый состав первичного космического излучения в интервале энергий 1017-1019 эВ
Диссертация
Автор: Кнуренко, Станислав Петрович
Название: Развитие широких атмосферных ливней и массовый состав первичного космического излучения в интервале энергий 1017-1019 эВ
Справка: Кнуренко, Станислав Петрович. Развитие широких атмосферных ливней и массовый состав первичного космического излучения в интервале энергий 1017-1019 эВ : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.16 Якутск, 2003 153 c. : 61 03-1/1075-6
Объем: 153 стр.
Информация: Якутск, 2003
Содержание:
Глава 1 Якутская комплексная установка ШАЛ и измерение излучения Вавилова Черепкова образованного частицами ливня в атмосфере
11 Этапы модернизации и основные параметры установки
111 Детекторы для измерения черенковского света ШАЛ
112 Сбор и обработка информации
12 Полное математическое моделирование измерений на установке
121 Процедура моделирования
122 Систематические и случайные ошибки измерений параметров ШАЛ
123 Распределения параметров ШАЛ
13 Оптические условия измерений черенковского света ШАЛ
Глава 2 Измерение характеристик черенковского света ШАЛ
21 Периоды наблюдений и статистика накопленного материала
22 Плотность потока черенковского света ШАЛ на фиксированном расстоянии от оси ливня (классификационный параметр)
221 Связь классификационного параметра с энергией первичной частицы
222 Корреляция между полным числом частиц в ливне и классификационным параметром
23 Средняя функция пространственного распределения черенковского света (ФПРЧС) ШАЛ
231 Критерий отбора ливневых событий
232 Классификация ливневых событий
233 Методика построения ФПРЧС
234 Аппроксимация ФПРЧС
24 Флуктуации ФПРЧС и плотности потока черенковского света на разных расстояниях от оси ливня
25, Полный поток черепковского света ШАЛ
26 Угловое распределение частиц в ливне
Глава 3 Каскадная кривая продольного развития ШАЛ по данным измерений их черенковского света
31 Чувствительность формы ФПРЧС к каскадной кривой развития ШАЛ
311 Формирование ФПРЧС
312 Связь ФПРЧС и глубины максимума развития ШАЛ
32 Пробег поглощения частиц в ливне
33 Точность определения глубины максимума ливня
34 Скорость смещения глубины максимума ливня в зависимости от энергии первичной частицы
Глава 4 Обсуждение результатов относительно развития ШАЛ и массового состава частиц первичного космического излучения
41 Модели адронных взаимодействий на основе КХД для описания развития ШАЛ сверхвысоких энергий
42 Расчеты развития ШАЛ по различным моделям и для разного массового состава ПКИ
43 Сравнение результатов измерений и расчетов по продольному развитию ШАЛ
431 Форма каскадной кривой развития ШАЛ
432 Глубина максимума развития ШАЛ и ее флуктуации
44Оценка массового состава ПКИ в рамках КГС модели развития ШАЛ
441 Зависимость глубины максимума развития ШАЛ от энергии первичной частицы для разного массового состава ПКИ
442 Флуктуации глубины максимума развития ШАЛ и состав ПКИ Залючение
Введение:
Актуальность темы: Исследование продольного развития широких атмосферных ливней (ШАЛ) и массового состава первичных космических лучей относится к фундаментальным проблемам физики космических лучей предельных энергий (Ео> Ю'^ эВ). Во - первых, знание взаимодействия первичных ядер с ядрами атомов воздуха при энергиях сталкивающихся частиц более 5 ТэВ в системе центра масс не известно и экстраполяция ускорительных данных на эту область энергий может быть не совсем оправданной. Во - вторых, знание массового состава первичных частиц очень важно для выяснения происхождения космических лучей и их распространения в межзвездном пространстве.1 П Исследование первичного космического излучения с энергией выше 10 эВ возможно только методом изучения широких атмосферных ливней (ШАЛ).Наиболее перспективным в этом плане является изучение продольного развития ШАЛ, т.к. оно чувствительно к параметрам модели взаимодействия адронов с атомными ядрами воздуха и массового состава первичных частиц космического излучения. При этом без знания модели развития ливня в атмосфере практически не возможно заниматься проблемой исследования массового состава первичных космических лучей. Оба вопроса тесно связаны, поэтому изучение продольного развития и массового состава ПКИ на установках ШАЛ ведутся одновременно. Для этих целей лучше использовать комплексный подход, когда на уровне наблюдения измеряется одновременно электроны, мюоны, адроны, черепковское и ионизационное излучения.Вопросу изучения продольного развития ШАЛ космических лучей сверхвысоких и предельных энергий всегда уделялось большое внимание.Интенсивными исследованиями космического излучения в конце 50-х годов было установлено, что на развитие ШАЛ оказывают влияние флуктуации точки первого взаимодействия, передача энергии лидирующей частицы вторичным частицам, сечение неупругого взаимодействия. Флуктуации первого взаимодействия и флуктуации взаимодействия и распада последующих поколений вторичных частиц (в основном адронов) ливня сильно сказываются на наблюдаемые на уровне моря характеристики ШАЛ [1]. Оказалось, что наиболее чувствительным к этим параметрам является продольное развитие ШАЛ. Эта методика эффективна для установок, расположенных на уровне гор, когда удается проследить развитие ШАЛ, начиная от максимума ливня и до уровня моря. Для установок, расположенных на уровне моря этот метод позволяет исследовать только хвост каскадной кривой. Кроме того, как показали расчеты [2], эта методика зависит от флуктуации в развитии ШАЛ. Как показали расчеты [3] и первые экспериментальные работы [4], более эффективной методикой исследования каскадной кривой оказалось измерение ионизационного и черепковского излучений, которые образуются при прохождении лавины релятивистских частиц через атмосферу. Первые результаты о глубине максимума развития ШАЛ были получены из измерений пространственного распределения черепковского света ШАЛ Q(R) в широком интервале расстояний [5] и из измерений формы импульса черепковского света на расстоянии от оси ливня R > 200 м по методике, предложенной в работе [6].Прямые измерения каскадной кривой были проведены в начале 80-х годов на установке Fly's Eye в США методом регистрации ионизационного свечения азота, вызванного прохождением потока частиц ливня в атмосфере [7].Метод пространственного распределения плотности потока черенковского света. В теоретической работе [3], в так называемом приближении равновесного спектра, была дана связь каскадной кривой ШАЛ с пространственным распределением черенковского света: хо Q(R)=lG(R,x)N(x)dx, (1) о где 0(К,х)-функция, зависящая в основном от углового распределения и энергетического спектра частиц электромагнитных субкаскадов, а Хо - уровень наблюдения. Такое приближение, как показали в последующем точные расчеты, очень хорошо работает именно для вычисления Q(R) ШАЛ, состоящего из суперпозиции множества электромагнитных субкаскадов. В первых же работах о черепковском излучении ШАЛ было высказано предположение о том, что это явление в перспективе может быть использовано и для определения характера развития ливней в атмосфере. Эта идея получила мощный импульс для своего развития в связи с созданием в Якутске гигантской установки ШАЛ, включающей регистрацию черенковского света. Первая же работа [8] обнаружила связь наклона функции Q(R) на средних расстояниях от оси ливня (200 Ю'^ эВ измеряла и измеряет по настоящее время только Якутская установка ШАЛ. Надо полагать, что имеющийся на Якутской установке банк ливней с данными о его черепковском излучении, сформированный за более чем 30-ю 1 7 историю непрерывных наблюдений ШАЛ с Ео> 10 эВ, и их анализ позволит ответить на поставленные выше вопросы.Цель диссертационной работы: Провести статистический анализ функции пространственного распределения черепковского света ШАЛ и ее флуктуации в зависимости от первичной энергии EQ.По форме экспериментально измеренной ФПРЧС и расчета черепковского света ШАЛ получить данные о глубине максимума развития ливня и ф лукту ациях Хмах в интервале энергий 10 ч-3-lO эВ. По данным измерений черепковского излучения и заряженных частиц ШАЛ, наблюдаемых при разных зенитных углах, восстановить каскадную кривую развития ливня.С помощью X теста провести в рамках выбранной модели анализ средних характеристик продольного развития ШАЛ и флуктуации Хмах, оценить массовый состав первичных космических лучей (ПКЛ) в интервале энергий 10'ЧЗ-10'%В. Впервые рассмотрены корреляции измеряемых параметров ШАЛ Ng - Q(400), Ps(300) - Q(400), ps(600) - Q(400) при фиксированном потоке черепковского света ШАЛ и для разных зенитных углов Э. С помощью этой методики определены пробеги поглощения X числа частиц в ливне Ns и меры плотности Ps на расстоянии R=300 и 600 м от оси ливня. Установлено заметное увеличение пробегов поглощения А-э и А.р от Xo-sec9, что не согласуется с моделью QGSJET. В интервале глубин 1020 ч- 1320 г/см они равны 187±12 г/см^, а в области 1320 -ь 1620 г/см^ соответственно 202 ± 20 г/см^ для энергии IO'SB.Практическая и научная ценность работы: Якутская комплексная установка ШАЛ единственная в мире, на которой вот уже 30 лет непрерывно ведутся исследования ШАЛ, в том числе с помощью регистрации черенковского света ШАЛ. С конца 1995 г область контроля по энергии этих измерений расширена и составляет 4,5 порядка - от 10^^ эВ и до 5-10'^ эВ. В этом состоит преимуш,ество Якутской установки перед другими существующими установками и в первую очередь AGASA, Мушиный Глаз.Измерение черенковского света ШАЛ дает возможность, во - первых, независимым от модельных представлений о развитии ШАЛ методом определить энергию первичной частицы, образующей ШАЛ и, во - вторых, исследовать каскадную кривую ШАЛ, так как черепковские фотоны образуются на всем пути следования лавины релятивистских частиц в атмосфере и слабо поглощаются в чистой атмосфере. В третьих, регистрируя черепковский свет можно определить спектр ШАЛ по энергии, растраченной частицами в атмосфере. Кроме того, детекторы черенковского света позволяют организовать атмосферный мониторинг в периоды оптических измерений, включая и прозрачность атмосферы, что повышает качество определяемых параметров ШАЛ. Получены уникальные данные (более 10^ ливней с одновременной регистрацией черенковского света, заряженных частиц, мюонов с Епор. ^ 1 ГэВ), которые охватывают область энергий от первого излома в спектре при (3 -ь 1С 1 о 5)-10 эВ и до второго излома при (8 ^10)-10 эВ. Анализ этих данных несомненно поможет в выборе модели адронных взаимодействий и интерпретации наблюдаемой формы энергетического спектра ПКЛ. Результаты по массовому составу при Ео > 10 эВ очень важны для понимания природы происхождения космических лучей и механизма распространения их в космическом пространстве.Личный вклад автора: Автор внес значительный вклад в развитие оптических наблюдений на Якутской установке ШАЛ. Является одним из соавторов создания второй очереди Якутской комплексной установки ШАЛ. При его участии создано и эксплуатируется новое поколение черепковских детекторов (суммарная площадь фотокатода одного детектора составляет 530 см ) и доведено число станций, измеряющих черепковский свет ШАЛ, до 50.Проведено уточнение методики абсолютной калибровки черепковских детекторов.Осуществлен перевод регистрации черепковского излучения ШАЛ с машины СМ - 3 на новый тип ЭВМ - PC 486.Автор внес определяющий вклад в создание в 1995 г и в организацию эксплуатации автономной черепковской установки, отбирающей ливни по потоку черепковского света ШАЛ в интервале энергий 10 -^ 10 эВ па площади 0,8 км^. Под его руководством создан комплекс программ по регистрации черепковского излучения автономной черепковской установкой и обработке данных ШАЛ с Ео > Ю'^ эВ. Автоматизирован процесс сбора и обработки данных атмосферного мониторинга в периоды проведения черепковских наблюдений.С 1977 г и по 1997 г автор являлся ответственным исполнителем по Якутской установке за программу проведения оптических измерений, обработку и анализ черепковских данных.Публикации: Основные результаты исследований опубликованы в 22 работах и стали предметом одного изобретения.Структура работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 79 рисунков и 38 таблиц. Список литературы включает 105 наименований. Объем диссертации составляет 153 страницы.
