Автореферат (Расчеты базы данных для оценивания энергии гигантских атмосферных ливней)

MОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКафедра общей физикиНа правах рукописиФедунин Евгений ЮрьевичРасчеты базы данных для оценивания энергиигигантских атмосферных ливнейСпециальность 01.04.23 – физика высоких энергийАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2004Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.

Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор, Л.Г. ДеденкоОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор, Н.Н. Калмыковкандидат физико-математических наукА.С. ЛидванскийВедущая организация:Институткосмофизическихисследованийиаэрономииим.Ю.Г.Шафера Якутского научного центраСибирского отделения РАНЗащита диссертации состоится «_14_» _октября_ 2004 г. в __15__ час.назаседаниидиссертационногосоветаК-501.001.03вМосковскомгосударственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992,Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19 корп., ауд. 2-15.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.Автореферат разослан «_10_» ___сентября___ 2004 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат физико-математических наукА.К.

Манагадзе2Актуальность темы:Фундаментальнымизадачамифизикикосмическихлучейиастрофизики сверхвысоких энергий являются определение энергии иприроды частиц первичного космического излучения (ПКИ), характеристиквзаимодействий этих частиц с ядрами атомов воздуха, и возможныхмеханизмов их генерации в области энергий E > 1018 эВ . По современнымпредставлениям наряду с традиционными механизмами ускорения в качествеальтернативныхпредлагаютсяпроцессыраспадовгипотетическихтопологических дефектов [1, 2, 3 и 4] и гипотетических сверхтяжелых частицс массами m x ≥ 10 22 ÷ 10 23 эВ [5].Важнейшаяпроблема–этовозможное«обрезание»спектракосмических лучей в области сверхвысоких энергий, предсказанное в 1966году Грейзеном [6], Зацепиным и Кузьминым [7] (эффект ГЗК). Эффектсостоит в следующем.

Первичные протоны, энергия которых превышаетпорог (3 ÷ 5) ⋅ 1019 эВ , теряют энергию в процессах фотоядерного рожденияпионовнафотонахмикроволновогореликтовогоизлучения.Этивзаимодействия должны привести к резкому спаду («обрезанию») вэнергетическом спектре космического излучения при энергии ~ 6 ⋅ 1019 эВ . В тожевремянекоторыесвидетельствуютотом,современныечтотакогоэкспериментальные«обрезания»неданныенаблюдается:зарегистрировано около 11 ливней с энергией > 1020 эВ [8,9,10]. Это можетбыть следствием относительной близости источников.

В случае удаленныхисточниковможнопредположитьслабоенарушениелоренцевскойинвариантности [11,12] или искать другие причины для объясненияотсутствия резкого спада спектра.Решениеэтихэкспериментальныхзадачданных,можетбытьполученныхдостигнутопринарегистрацииосновеширокихатмосферных ливней (ШАЛ).В настоящее время в области сверхвысоких энергий работают Якутскаяустановка ШАЛ и установка HiRes в США, в Аргентине полным ходом идет3строительство Auger Observatory, планируется запуск спутника с телескопомEUSO для регистрации флуоресцентного света от ШАЛ.

Кроме того, начатостроительство установки Telescope Array в США. Эти сложные и дорогиеустановки позволят регистрировать ШАЛ в области сверхвысоких энергий схорошей статистикой.Корректная интерпретация экспериментальных данных, основанная наадекватномпроблемы.моделировании,Поэтомупозволяетразработкарешатьразличныхпоставленныеметодоввышемоделированияактуальна.Например, на Якутской установке ШАЛ процедура оценивания одногоиз основных параметров ливня, его энергии, основана на величине сигнала(отклика, энерговыделения) в детекторе на расстоянии 600 метров от осиливня (классификационный параметр s600 (0o ) или s600 ) для вертикальноголивня. Зарегистрированная в эксперименте величина s600 (θ ) в наклонномливне с углом θ пересчитывается в величину s600 (0o ) путем использованиятак называемых зенитно-угловых зависимостей для этого параметра.Стандартная и простейшая процедура основана на определении пробега λдля поглощения сигнала s600 (θ ) по этим зенитно-угловым зависимостям илипо каскадным кривым, восстановленным методом сечения спектров ливнейлиниями равной интенсивности.

Таким образом, от того, насколькокорректно данный подход позволяет рассчитать пробег для поглощения,зависит точность определения энергии ливня.В настоящее время существует множество методов моделированияШАЛ. Прежде всего, следует выделить прямой метод Монте-Карло. Онпозволяет провести адекватное моделирование ливня, и при достаточнойстатистике, оценить флуктуации тех или иных параметров. Проблемазаключается в том, что применение прямого метода Монте-Карло требуетдля моделирования развития одного ливня от частицы с энергией 1020 эВпримерно 10 лет при использовании компьютера с тактовой частотой 2-3ГГц.

Альтернативной процедурой, является широко распространенный метод4Монте-Карло с весами (предложенный в [13]), который позволяет проводитьмоделирование достаточно быстро, но вводит искусственные флуктуации ине позволяет моделировать индивидуальные каскады.В настоящее время ввиду огромной значимости физических задачпроводятся поиски альтернативных методов моделирования ливней. Так, вработе [14] был предложен гибридный метод, в рамках которого сначалаиспользуется метод Монте-Карло, а затем в области высоких энергиймоделирование ливня осуществляется путем решения одномерных каскадныхуравнений. В области низких энергий снова используется монте-карловскийрасчет,позволяющийпредложеннойсхемыпроследитьявляетсяотдельныето,чточастицы.методомНедостаткомМонте-Карлопрослеживаются все вторичные частицы, что требует много времени.

Крометого, пока не предусмотрен расчет откликов детекторных станций. В работе[15] был разработан другой подход, основанный на гибридном методе,который показал хорошее согласие с результатами расчетов по кодуCORSIKA.В работе [16] была разработана пятиуровневая схема моделированияШАЛ от первичных частиц сверхвысоких энергий, которая позволяетотносительно быстро моделировать каскады частиц и рассчитывать откликидетекторных станций (см. рис. 1). Кратко рассмотрим этапы расчета в рамкахпятиуровневойсхемы.Первичнаячастица(и,возможно,нескольколидирующих частиц) прослеживаются методом Монте-Карло.

Транспортвторичных частиц высоких энергий осуществляется путем решенияодномерных уравнений переноса. Эти уравнения позволяют получитьфункцию источника π 0 -пионов, на основе которой рассчитывается функцияисточника гамма-квантов высоких энергий ( Eγ > 10 ГэВ ). Полученная функцияисточника используется в одномерных уравнениях переноса, которыеописывают развитие электронно-фотонных ливней (ЭФЛ) от гамма-квантоввысоких энергий. Отметим, что в области высоких энергий ( E > 10 ГэВ дляэлектронов и фотонов и E > 104 ГэВ для адронов) одномерное приближение5вполне допустимо, так как характерные углы θ разлета ( < θ 2 >≈ ( Es / E )2 δ t , гдеE s = 21 МэВ , E - энергия электронов, δ t - интервал глубины в каскадныхединицах, а для адронов θ ≈ c ⋅ p⊥ / E , где p⊥ ~ 0.3 ГэВ / c ) малы. Электронно-Рисунок 1. Пятиуровневая схема моделирования ШАЛ.фотонные каскады прослеживаются до энергии Eпорог = 10 ГэВ . Решениетранспортных уравнений для этих каскадов позволяет рассчитать функцииисточников электронов и гамма-квантов низких энергий (0.1–10 ГэВ).6Предварительнорассчитываетсябазаданных(БД),котораяпредставляет собой набор функций пространственного распределения (ФПР)энерговыделений в реальных детекторных станциях от ЭФЛ с энергияминиже пороговой, генерированных в атмосфере.

Так как светосбор всцинтилляционном детекторе пропорционален энерговыделению в нем, то иотклик детектора напрямую связан с энерговыделением. Таким образом, БДвключает в себя набор ФПР откликов детекторов, рассчитанный для ливнейот электронов и гамма-квантов с энергиями Ek в диапазоне 100 ≤ Ek ≤ 104 МэВ ,генерированных на разных глубинахxi (0 ≤ xi ≤ 1020 г / см 2 )в реальнойатмосфере. Ливни рассчитывались по программе, основанной на кодеCORSIKA. Для каждой частицы ливня, дошедшей до уровня наблюдения,вычислялсяеесоответствующемвкладвоткликрасстоянииотосидетектора,ливня,расположенногоспомощьюнаматрицыэнерговыделений в детекторе от частиц разных типов с энергиями E j вдиапазонезенитными100 ≤ Ek ≤ 10 4 МэВ ,угламиθm :падающих на детектор под различными0.1 ≤ cosθ m ≤ 1 .Матрицаэнерговыделенийрассчитывалась при помощи программы, написанной в рамках кодаGEANT4.

На основе функций источника электронов и фотонов низкихэнергий и базы данных проводится расчет ФПР энерговыделений вдетекторных станциях. Вычисленная ФПР может быть использована дляинтерпретации экспериментальных данных в рамках различных моделейвзаимодействия адронов в области сверхвысоких энергий.Цель диссертационной работы:• Моделирование стандартной методики оценивания зенитно-угловойзависимости для сигнала s600 .• Вычисление откликов реальных детекторных станций на прохождениеэлектронов, позитронов, гамма-квантов и мюонов для Якутскойустановки ШАЛ.7• Расчет трехмерных электронно-фотонных ливней от электронов ифотонов в реальной атмосфере, соответствующей якутским условиям.• Расчет базы данных для моделирования индивидуальных ШАЛ отчастиц сверхвысоких энергий в рамках пятиуровневой схемы.• Моделирование основной экспериментальной формулы оцениванияэнергии, используемой на Якутской установке ШАЛ, с помощью БД ипробных функций источника.• Оценивание энергии уникального гигантского атмосферного ливня,зарегистрированного на Якутской установке ШАЛ в 1987 г.

с помощьюрассчитанной базы данных.Научные результаты и новизна работы:Впервыепроведеномоделированиестандартнойпроцедурывосстановления зенитно-угловых зависимостей (каскадных кривых) дляпараметраs600интенсивности.методомБылосеченияспектровпромоделировано105ливнейливней.линиямиравнойПоказано,чтоиспользование стандартной методики может приводить к ошибкам 20-50% иболее в определении энергии в индивидуальных событиях (в основном, всторону занижения).Впервые рассчитана матрица откликов реальных детекторных станцийЯкутской установки ШАЛ на гамма-кванты, электроны, позитроны и мюонына основе моделирования 106 событий.Впервые рассчитана база данных, представляющая собой матрицуотклика детекторных станций для интервала расстояний от 10 до 2000 метровот оси ливня для электронно-фотонных ливней, генерированных наразличных глубинах в реальной атмосфере, на основе моделирования 2 ⋅ 108событий.На основе прямого моделирования методом Монте-Карло полученыпределы применимости расчетов по теории Нишимуры-Каматы [17] вприближении Грейзена [18] и по другим аппроксимационным функциям.8Моделирование основной экспериментальной формулы оцениванияэнергии, используемой на Якутской установке ШАЛ, с помощью базыданных и пробных функций источника показало, что энергии ливней вобласти ~ 1020 эВ недооцениваются.К оригинальным результатам относятся:а)детальноемоделированиеэкспериментальнойметодикивосстановления каскадных кривых;б) расчет откликов детекторных станций Якутской установки ШАЛ наразличные частицы в широком диапазоне энергий и углов падения;в) расчет параметров ливней от первичных электронов и фотонов вшироком диапазоне энергий для всего диапазона глубин в реальнойатмосфере;г) расчет базы данных для интервала расстояний от 10 до 2000 метровдля Якутской установки ШАЛ;д) моделирование основной экспериментальной формулы оцениванияэнергии, используемой на Якутской установке ШАЛ.Практическая и научная ценность работы:Практическая ценность работы состоит в том, что создание базыданных позволяет реализовать пятиуровневую схему моделирования ШАЛсверхвысоких энергий, которая используется для оценивания энергии иприроды частиц ПКИ по экспериментальным данным.Научнаяценностьработысостоитвадекватномрасчетепространственных распределений энерговыделений в реальных детекторахот произвольных функций источника электронов и фотонов в реальнойатмосфере с учетом всех основных физических процессов.Вместе с другими этапами пятиуровневой схемы рассчитанная БДпозволяетпроводитькорректнуюинтерпретациюэкспериментальныхрезультатов и более корректно, чем это делается в рамках стандартнойметодики, оценивать энергию и определять природу частицы ПКИ.9Вклад автора:С использованием программы PRGLPM [19] был разработан комплекспрограммного обеспечения для моделирования экспериментальной методикивосстановления зенитно-угловых зависимостей (каскадных кривых) и наоснове этого комплекса проведено моделирование около 105 ливней.В рамкахпрограммадляпрограммногорасчетакомплекса GEANT былаэнерговыделенийвреальныхразработанадетекторах,используемых на Якутской установке ШАЛ.Был произведен ряд модификаций программного комплекса CORSIKAдля получения наряду с информацией о ФПР заряженных частиц и гаммаквантов, также и данных о ФПР энерговыделений.