ВКР: Оценка энергии широких атмосферных ливней по сигналам в сцинтилляционных детекторах

Введение
В 1966 г. К. Грейзен [1] и независимо Г.Т. Зацепин и В.А. Кузьмин [2] предсказали возможное «обрезание» (эффект ГЗК) спектра первичного космического излучения (ПКИ) при энергиях свыше ~3×1019 эВ. Интенсивность космических лучей (КЛ) в данной области спектра чрезвычайно мала. На площадь в 1 км2 частица ПКИ с энергией ~1020 эВ падает раз в сто лет. Для изучения энергетического спектра и состава частиц ПКИ по широким атмосферным ливням (ШАЛ) построены установки с огромной площадью: 3000 км 2 в Аргентине (установка Pierre Auger Observatory (PAO)) и 700 км2 в США (установка Telescope Array (TA)). Более 40 лет продолжает свою работу Якутская комплексная установка ШАЛ (ЯКУШАЛ). В настоящее время ее площадь составляет около 8 км2 . Последние полученные данные о спектре частиц ПКИ [3–5] могут быть интерпретированы как ГЗК обрезание. Однако возможны и другие варианты интерпретации данных экспериментов [6]. В данной дипломной работе рассмотрены методы получения оценок энергии ШАЛ по сигналам в наземных детекторах ЯКУШАЛ от частиц ливня. В главе 2 с помощью пакета GEANT4 [7] приведены результаты расчетов детальных таблиц сигналов в сцинтилляционных детекторах ЯКУШАЛ от γ-квантов, позитронов, электронов и мюонов. Таблицы получены для наземных детекторов, эксплуатируемых в летних (п.2.1) и зимних (п.2.2) условиях, а также для подземных детекторов, расположенных на глубине 2 м (п.2.3). Для наземных и подземных детекторов приведены результаты моделирования их калибровки по сигналам от одиночных атмосферных вертикальных мюонов (п.2.4). В главе 3 приведены оценки энергии вертикальных (п.3.1) и наклонных (п.3.2) ШАЛ, полученные по сигналам в наземных детекторах с использованием рассчитанных ранее таблиц и пакета CORSIKA [8]. В (п.3.3) изучена зависимость сигналов от азимута расположения детектора. В (п.3.4) приведены результаты влияния флуктуаций сигналов в наземных детекторах на оценки энергии индивидуальных ШАЛ. В Главе 4 приведены основные выводы по результатам данной дипломной работы.
Целью работы является построение возможно более точного энергетического спектра частиц ПКИ, полученного на ЯКУШАЛ в области энергий 1017÷1020 эВ. Для достижения этой цели решается задача разработки и реализации методов оценивания энергий ШАЛ по средним и индивидуальным сигналам в наземных детекторах ЯКУШАЛ.

Глава 1 Космические лучи

В 1900 г. Ч. Вильсон открыл явление возникновения спонтанного тока в газе под действием электрического поля. Это явление пытались объяснить ионизацией, возникающей от радиоактивности пород на поверхности Земли. В 1911-1912 гг. проводились опыты по измерению зависимости скорости разряжения электроскопа от высоты наблюдения. В. Гесс с сотрудниками обнаружили, что ионизационный ток до высоты 2 км немного падает, а затем начинает резко возрастать. Стала очевидна космическая природа излучения, так в 1912 г. были открыты КЛ. В 1927 г. Д.В. Скобельцын в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле с напряженностью 1200 э, наблюдал частицы, траектории которых имели малую кривизну. Их импульс во много раз превышал импульсы частиц любых радиоактивных веществ, что свидетельствовало о внеземной природе этих частиц. В 1937 г. П. Ожэ и сотрудники по одновременному срабатыванию разнесенных счетчиков Гейгера открыли ШАЛ [9]. До появления ускорителей частиц КЛ были единственным источником частиц высоких энергий, а для частиц с энергией больше 1017 эВ им нет альтернативы и сейчас. Космическими лучами называют поток частиц, приходящих на Землю из космического пространства. Частицами КЛ преимущественно являются протоны и различные атомные ядра. Существенно меньшим является поток позитронов, электронов и γ-квантов. По доле энергии на нуклон протонов около 90%, ядер гелия ~10%, а всех остальных ядер ~1%. КЛ по происхождению разделяют на солнечные, галактические и внегалактические. Из-за малой интенсивности потока частицы КЛ с энергией больше 1015 эВ не могут регистрироваться напрямую и изучаются косвенно по генерированным ими в атмосфере Земли каскадам различных частиц – ШАЛ. Принято считать, что ШАЛ генерируются частицами в области сверхвысоких энергий [9]
1.1. Структура широких атмосферных ливней
Толща межзвездного вещества, пройденного частицами ПКИ до попадания в земную атмосферу, оценивается в 5 г·см-2 . Из-за ядерных реакций в этом межзвездном веществе генерируются потоки вторичных ядер, позитронов, электронов и γ-квантов [10]. Толща вещества, на которой адрон может испытать в среднем одно ядерное взаимодействие, определяется пробегом в ~100 г·см-2 . Толща атмосферы до уровня