Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Л.Г. Деденко, Г.Ф. Федорова, Т.М. Роганова А.В. (НИИЯФ МГУ), Глушков, С.П. Кнуренко,А.К. Макаров, Л.Т.Макаров, М.И. Правдин,А.А. Сабуров, И.Е. Слепцов (ИКФИА СО РАН ) "Исследование состава частиц ПКИ в области сверхвысоких энергий по результатам измерения доли мюонов на Якутской установке"

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН ПАМЯТИ Георгия Тимофеевича ЗАЦЕПИНА

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Г.Т. Зацепин, Роль флуктуаций в развитии атмосферных ливней. Труды 6-ой Международной конференции по космическим лучам. М. Изд-во АН СССР. Т. 2. Стр Разработана теория флуктуаций ливней.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Л.Г. Деденко, Г.Т. Зацепин, Расчет некоторых характеристик атмосферных ливней с учетом флуктуаций. Труды 6-ой Международной конференции по космическим лучам. М. Изд-во АН СССР. Т. 2. Стр ) Предложен и реализован алгоритм вычислений какой-либо одной ливневой характеристики при фиксировании любой другой. 2) Показано, что учет флуктуаций уменьшает интенсивность первичных частиц в 1.5 раза. 3) Предложена модель суперпозиции для взаимодействия ядер.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Н.Н. Горюнов, Л.Г. Деденко, Г.Т. Зацепин, Природа первичной компоненты космических лучей в области высоких энергий и широкие атмосферные ливни. Изв. АН СССР. Сер. физ. Т , Стр Gorunov N.N., Dedenko L.G., Zatsepin G.T. Nature of primary component of cosmic rays and fluctuation character of EAS J. Phys. Soc. Jap. Suppl. A-III, v. 17, p , Предложены методы исследования состава частиц первичного космического излучения на основе распределений ливневых характеристик.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН ПРИМЕНЕНИЯ теории Физический институт им. П.Н. Лебедева Й.Н. СТАМЕНОВ Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Был определен состав первичного космического излучения по данным Тянь-Шаньской установки

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Вопрос На совещании в ЖЕНЕВЕ в феврале 2012 г. Пьерог представил результаты расчетов и данные эксперимента по измерениям глубины максимума ШАЛ

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН До LHC

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН После LHC

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Вопрос Angela Olinte do we have pure protons anywhere???

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Наш ответ ДА

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН 1) Природа (атомный номер А) и 2) энергия Е частицы ПКИ, генерирующей в атмосфере ШАЛ, а также 3) параметры, характеризующие взаимодействие этой частицы с ядрами атомов в атмосфере в области сверхвысоких энергий (модель взаимодействия), неизвестны.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Изучение химического состава первичного космического излучения (ПКИ) в области сверхвысоких энергий представляет исключительный интерес.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН В случае состава частиц ПКИ из протонов при энергиях выше ~3×10 19 эВ Грейзеном [1] и Зацепиным и Кузьминым [2] было предсказано резкое уменьшение потока частиц ПКИ из-за взаимодействий первичных протонов с фотонами микроволнового реликтового излучения (эффект ГЗК). Энергия протонов из-за этих взаимодействий расходуется на генерацию пионов, и поэтому протоны с большими энергиями не могут достигать Земли от удаленных источников.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН В случае модели равномерно распределенных источников со степенным спектром генерации [3,4] поток протонов должен сначала уменьшаться (dip модель Березинского), потом увеличиваться (bump), а затем резко падать (эффект ГЗК).

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН В случае же состава частиц ПКИ из тяжелых ядер, например, железа, уменьшение потока, если оно имеет место, уже нельзя объяснить эффектом ГЗК и необходимо искать другие причины, например, объяснять низкой величиной максимальной энергии Е макс генерации частиц в источниках.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Другой интересный момент – исследование доли фотонов среди частиц ПКИ в этой области сверхвысоких энергий. Присутствие таких фотонов могло бы решить проблему происхождения космических лучей через распады гипотетических сверхмассивных частиц. Поиски фотонов привели пока только к ограничениям на их потоки при разных энергиях.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Исследования химического состава частиц ПКИ в области сверхвысоких энергий возможны в настоящее время на основе изучения зависимостей 1) глубины Х макс максимума широкого атмосферного ливня (ШАЛ) или 2) доли мюонов в сигнале относительно других частиц ливня от энергии Е первичной частицы.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Глубина максимума ШАЛ как индикатор состава

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Важно: ФЛУКТУАЦИИ ГЛУБИНЫ МАКСИМУМА ЛИВНЯ ~ 50 г/см 2

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Доля мюонов: важно, что это АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН С увеличением энергии Е частицы ПКИ роль процессов распада в развитии каскадов вторичных частиц в атмосфере уменьшается.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Поэтому какой-либо параметр ШАЛ, связанный с мюонами, например, плотность мюонов с энергией выше некоторого порога Е п на расстоянии 600 м от оси ливня зависит от энергии Е первичной частицы следующим образом: где a и b – постоянные, причем b < 1.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Это означает, что в аналогичной зависимости для первичного ядра с атомным номером А в рамках гипотезы суперпозиции появляется дополнительный множитель А 1-b.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН В случае точного учета взаимодействий ядро-ядро показатель степени c в зависимости A c может отличаться от показателя (1-b), но все равно будет выполняться неравенство c > 0

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН. Значение плотности мюонов для первичных ядер будет выше аналогичной величины для первичных протонов при той же энергии Е первичной частицы в А 1-b или (А с ) раз.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Метод расчета Расчеты развития каскадов всех вторичных частиц в атмосфере в индивидуальных ШАЛ выполнялись с помощью пакета CORSIKA в рамках моделей QGSJET2 и Gheisha 2002 с параметром веса (thinning) ε=10 -8

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Метод расчета Для оценки сигналов от частиц ШАЛ в наземных и подземных сцинтилляционных детекторах использовался пакет GEANT4.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Detector model

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Signals in scintillation detector Signals E in MeV in detectors as functions of 1) energy E and 2) the zenith angle θ (cos( θ )) of various incoming particles:

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Electrons

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Positrons

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Gammas

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Muons

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными по мюонной компоненте широких атмосферных ливней, полученными на Якутской установке, в области энергий – 3×10 19 эВ.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Метод расчета В случае подземных детекторов с помощью этого пакета учитывалось распространение частиц ливня, упавших на грунт из атмосферы, через толщу этого грунта, которая для разных детекторов варьировалась от 2.3 м до 3.2 м. Учитывался также химический состав и удельный вес грунта.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Метод расчета С помощью пакета CORSIKA для первичных протонов с энергиями в интервале – эВ рассчитывались 1) средние значения плотности мюонов с пороговой энергией выше 1 ГэВ в кольце с радиусами м и 2) энергетические спектры мюонов в интервале энергий 0.3 – 100 ГэВ на расстоянии 600 м от оси вертикального ливня (в кольце с радиусами 550 и 650 м).

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Нормированные распределения сигналов в подземном детекторе от мюонов с разными энергиями, падающих на грунт толщины h=3.2 м из атмосферы: а – Е=1.05 ГэВ, б – Е=1.5 ГэВ, в – Е=10 ГэВ.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН 1. Энергия E ШАЛ на ЯУ определяется на основе сигнала s(600) : E=a·s(600) a=4.6·10 17 эВ. 2. Моделирование сигнала a=3·10 17 эВ 3. Новый альтернативный метод оценки энергии.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Метод расчета Зависимость расчетного сигнала s(600) от энергии E: s(600)=ΔE(E/3*10 17 эВ) Данные Якутской установки: s(600)=ΔE як (E/4.6*10 17 эВ) Величина сигнала от одного мюона принималась равной ΔE =10.5 МэВ Расчетный сигнал в 1.6 раз больше!

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Метод расчета По значениям плотности мюонов ρ μ (600) и сигнала s(600) определяется их отношение (доля мюонов) α=kΔEρ μ (600)/s(600) коэффициент k позволяет учесть отличие реального сигнала от принятого из-за изменения пороговой энергии и вклада вторичных частиц в сигнал в подземном детекторе. Расчетная доля в 1.6 раз меньше (сигнал больше)

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Результаты расчета В зависимости ρ μ ~ E b показатель b= В рамках гипотезы суперпозиции это означает, что для первичных ядер железа доля α будет выше вычисленной величины для протонов в А = 1.53 раз. В случае учета реальных взаимодействий ядро-ядро величина этого коэффициента может быть и несколько меньше этого значения.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Результаты расчета Наши расчеты сигнала в подземных детекторах показали, что коэффициент k=1.3.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Расчетные сигналы в подземных детекторах Для толщи грунта h = 2.5 м ниже приведены расчетные сигналы в подземных детекторах от мюонов, упавших на грунт вертикально (кружки) Ожидаемые сигналы показаны сплошной (для угла 0 о ) линией. Хорошо видны как изменения фактического порога (0.65 – 0.7 ГэВ вместо ожидаемого 1 ГэВ), так и превышения величины сигнала над ожидаемым значением 10.5 МэВ.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Dependence of the signal ΔE u (600) on an energy E μ of the vertical muons.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Dependence of the signal ΔEu(600) on an energy Eμ of the vertical muons in interval 0 – 2 GeV.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Результат

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН The fraction α of muons in EAS calculated in terms of the QGSJETII and Gheisha-2002d models for the primary protons (solid line) and the primary iron nuclei (dashed line) and observed at the YaA (dots with error bars) vs. the signal ΔE s (600).

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Вопрос Где протоны?

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Другой вопрос Верны ли модели?

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН QGSJET2?

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН

Ratio R1 of the observed intensities (Δ [21], - [22], [23], [24], [25], + [26]) of the vertical muons to the calculated muon intensity in terms of the QGSJET-II model vs. an impulse p of muons.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН

Вывод Различие увеличивается с энергией выше коэффициента 1.5

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН GHEISHA?

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio R2 of muon densities calculated in terms of the FLUCA model to the intensty calculated with the Gheisha-2002d model vs. a distance r from a shower axis.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ответ GHEISHA занижает на 10%

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН The fraction α of muons in EAS calculated in terms of the QGSJETII and Gheisha-2002d models for the primary protons (solid line) and the primary iron nuclei (dashed line) and observed at the YaA [18] (dots with error bars) vs. the signal ΔE s (600), corrected due to results [19, 21-27, 29]

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Есть протоны!

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Dependence of the atomic number on the energy E for YaA [12].

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Dependence of the atomic number on the energy E for various experiments: [12], [9], [33], [32].

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Вопрос Можно ли еще увеличить расчетный сигнал s(600), чтобы уменьшить долю мюонов?

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Standard AGASA approach Like AGASA: 1. The CIC method to estimate s(600) for the vertical EAS from data for the inclined EAS. 2. Calculation s(600) for the vertical EAS with energy E: 3. E=3·10 17 ·s(600), eV

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Spectrum Energy spectra are different for these approaches

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН points Yakutsk data, stars PAO circles Yakutsk like AGASA

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio of intensities of the PCR observed at the YaA [12] estimated with help of (3) (solid circles) and with help of (4) (open circles) to the intensity observed at the HiRes [14] (solid line)

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ответ Нельзя, интенсивность упадет ниже РАО Скорее, надо уменьшить сигнал, т.е. увеличить долю мюонов: еще больше протонов!

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Заключение ПРОТОНЫ в интервале энергий – эВ

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio of intensities of the PCR observed at the YaA [12] estimated with help of (3) (solid circles) and with help of (4) (open circles) to the intensity observed at the HiRes [14] (solid line)

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Горюнов Н.Н., Деденко Л.Г., Зацепин Г.Т. «Природа первичной компоненты космических лучей в области высоких энергий и широкие атмосферные ливни» Изв. АН СССР, сер. физ., т. 26, 5, с , Gorunov N.N., Dedenko L.G., Zatsepin G.T. Nature of primary component of cosmic rays and fluctuation character of EAS J. Phys. Soc. Jap. Suppl. A-III, v. 17, p , 1962.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio R1 of the observed intensities (Δ [24], [25], [26], [27], [28], line [29]) of the vertical muons to the calculated vertical intensity of muons [22] in terms of the QGSJET-II model versus an impulse p of muons.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio R2 of muon densities calculated in terms of the FLUKA model to the muon density with the Gheisha-2002d model versus a distance r from a shower axis.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Dependence of the atomic number on the energy E for various experiments: [12], [9], [33], [32].

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio R1 of the observed intensities ( [25], grey line [26]) of the vertical muons to the calculated vertical intensity of muons [19] in terms of the QGSJET-II model versus an impulse p of muons.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН The fraction α of muons corrected due to results of [19, 21-26, 27, 29].

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio of intensities of the PCR observed at the YaA [12] estimated with help of (3) (solid circles) and with help of (4) (open circles) to the intensity observed at the HiRes [14] (solid line)

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Dependence of the atomic number on the energy E for YaA [12].

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Горюнов Н.Н., Деденко Л.Г., Зацепин Г.Т. «Природа первичной компоненты космических лучей в области высоких энергий и широкие атмосферные ливни» Изв. АН СССР, сер. физ., т. 26, 5, с , Gorunov N.N., Dedenko L.G., Zatsepin G.T. Nature of primary component of cosmic rays and fluctuation character of EAS J. Phys. Soc. Jap. Suppl. A-III, v. 17, p , 1962.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Dependence of the signal ΔEu on an energy Eμ of the vertical muons.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН The fraction α of muons in EAS calculated in terms of the QGSJET-II and Gheisha-2002d models for the primary protons (solid line) and the primary iron nuclei (dashed line) and observed at the YaA [12] (dots with error bars) versus the energy E.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio R1 of the observed intensities (Δ [24], [25], [26], [27], [28], line [29]) of the vertical muons to the calculated vertical intensity of muons [22] in terms of the QGSJET-II model versus an impulse p of muons.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio R2 of muon densities calculated in terms of the FLUKA model to the muon density with the Gheisha-2002d model versus a distance r from a shower axis.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Dependence of the atomic number on the energy E for various experiments: [12], [9], [33], [32].

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Dependence of the signal ΔEu on an energy Eμ of the vertical muons.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio R1 of the observed intensities ( [25], grey line [26]) of the vertical muons to the calculated vertical intensity of muons [19] in terms of the QGSJET-II model versus an impulse p of muons.

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН The fraction α of muons corrected due to results of [19, 21-26, 27, 29].

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Ratio of intensities of the PCR observed at the YaA [12] estimated with help of (3) (solid circles) and with help of (4) (open circles) to the intensity observed at the HiRes [14] (solid line)

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН Dependence of the atomic number on the energy E for YaA [12].

Зацепинские чтения 25 мая 2012 ИЯИ РАН

Нормированные дифференциальные энергетические спектры мюонов на расстоянии 600 м от оси ливня для разных энергий Е первичного протона.1 – 10^17 эВ, 2 – 10^18 эВ, 3 – 10^19 эВ, 4 – 10^20 эВ.