Автореферат (Расчеты базы данных для оценивания энергии гигантских атмосферных ливней), страница 2

По модифицированнойпрограмме было насчитано около 2 ⋅ 108 ЭФЛ.На основе рассчитанной базы данных был разработан алгоритмвычисления ФПР откликов детекторных станций от произвольных функцийисточника гамма-квантов, электронов и мюонов.Апробация работы:Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и опубликованыв трудах Международных конференций по космическим лучам (Солт ЛейкСити, 1999; Гамбург, 2001; Женева, 2002; Цукуба, 2003), Международнойконференциипокомпьютернымметодамфизики(Аахен,2001),Всероссийских конференциях по космическим лучам (Дубна, 2000; Москва,2002; Москва, 2004) и представлены в статьях в журналах (Ядерная Физика;Письма в ЖЭТФ; Известия РАН, Сер.

Физ.; Nucl. Phys. B; Computer PhysicsCommunication).На защиту выносятся:Результатымоделированияпроцедурывосстановлениязенитно-угловых зависимостей (каскадных кривых) методом сечения спектров ливнейлиниями равной интенсивности.10Результаты расчетов откликов детекторных станций от электронов,позитронов, фотонов и мюонов в детекторах, применяемых на Якутскойустановке ШАЛ, и параметров ~ 2 ⋅ 108 ЭФЛ в реальной атмосфере вдиапазоне энергий от 100 до 104 МэВ и в диапазоне глубин от 0 до 1020 г/см2.Созданнаярасчетнаябазаданныхдляинтерпретацииэкспериментальных результатов.Результаты моделирования основной экспериментальной формулыоценивания энергии, используемой на Якутской установке ШАЛ.Оценкаэнергииуникальногогигантскогоатмосферноголивня,зарегистрированного на Якутской установке ШАЛ в 1987 г., котораясоставляет величину 3⋅ 1020 эВ .Публикации:По материалам диссертации опубликовано 5 статей в журналах и 8статей в трудах конференций.Структура диссертации:Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, приложения исписка литературы.

Содержит 57 рисунков и 5 таблиц; список литературывключает 121 наименований. Объем диссертации: 117 страниц.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обосновывается актуальность темы, излагается цельработы и приводится структура диссертации. Указан личный вклад автора вработу, кратко изложены основные результаты, новизна, научная ипрактическая ценность работы.В первой главе рассмотрены основные методы регистрации ШАЛсверхвысоких энергий и процедуры обработки экспериментальных данныхна крупнейших установках ШАЛ.11Рисунок 2.

Восстановление зенитно-угловых зависимостей методом сеченияспектров ливней с заданным значением сигнала s600 линиями равнойинтенсивности. Сплошные линии – спектры ливней для различных зенитныхуглов θi. Пунктирная горизонтальная линия – линия равной интенсивности,пунктирные вертикальные линии указывают значения параметраs600 для спектров с различными углами θi.Рисунок 3. Восстановленная зенитно-угловая зависимость и ееаппроксимация убывающей экспонентой.Во второй главе излагается процедура определения пробега дляпоглощения сигнала s600 методом сечения спектра ливней с этим значениемпараметра линиями равной интенсивности (см. рис. 2 и 3). Эта процедураиспользуется экспериментаторами для оценивания энергии ливня.

Далее,приводится методика, позволяющая провести моделирование стандартной12процедуры. Результаты такого моделирования показывают, что применениестандартной процедуры может приводить к ошибкам в определении энергиина 20-50% и более (в основном, в сторону занижения).В третьей главе излагаются основные положения пятиуровневойсхемы моделирования гигантских атмосферных ливней (см. рис. 1).В четвертой главе изложена процедура расчета матрицы откликовдетекторных станций Якутской установки ШАЛ на различные падающиечастицы.

Для расчета этой матрицы используется программа, написанная врамках кода GEANT4 [20]. Вычисления проводились для слоистой моделиреального детектора (см. рис. 4), который используется на Якутскойустановке ШАЛ.Рисунок 4. Слоистая модель детектора.При помощи упомянутой выше программы были проведены расчетыдля электронов, позитронов, гамма-квантов и мюонов различных энергий,падающих на детектор под различными углами. Например, для мюоновполучилась зависимость, представленная на рисунке 5.В пятой главе излагается процедура расчета параметров ЭФЛ иоткликов детекторных станций Якутской установки ШАЛ на ливни отэлектронов и фотонов, генерированных на различных глубинах.

При этомиспользовался модифицированный код CORSIKA [21] и рассчитанные ранее(см. главу 4) матрицы энерговыделений в детекторах. Это позволяетполучить набор ФПР энерговыделений на уровне наблюдения для13Рисунок 5. Зависимость энерговыделения в детектореот зенитного угла и энергии падающего мюона.расстояний от 10 до 2000 метров от оси ЭФЛ, генерированных электронами ифотонаминаразличныхглубинахсразличнымиэнергиями.Рисунок 6.

Набор ФПР энерговыделений для первичного гамма-кванта с энергией 3ГэВ, генерированного на глубинах 0, 200, 400, 600, 800 и 1000 г/см2.14ЭнерговыделениевычислялосьвединицахВЭМ(вертикальныйэквивалентный мюон), которая была выбрана равной 10.5 МэВ. Типичныйнабор ФПР энерговыделений представлен на рисунке 6. Отметим, что этиФПРоткликовдетекторныхстанцийисоставляютбазуданных,используемую при моделировании ШАЛ в рамках 5-ти уровневой схемы.ДляЭФЛотпервичногогамма-квантасэнергией10ГэВ,генерированного на глубине 800 г/см2 (возраст ливня S=1.15), в целяхсравненияпроводилисьрасчетыкаксиспользованиемкодовCORSIKA+GEANT, так и в соответствии с теорией Нишимуры-Каматы вприближении Грейзена (НКГ), а также с использованием модифицированнойфункции НКГ с мольеровским радиусом Rm ≈ 43 м и, наконец, формулы дляФПР,предложеннойА.А.Лагутинымвработе[22].Результатысопоставления приведены на рисунке 7, который ясно демонстрируетотличие сигнала (пустые квадратики) от плотности заряженных частиц(сплошные квадратики).Рисунок 7.

Сравнение различных ФПР заряженных частиц и энерговыделений.15В шестой главе приведены результаты моделирования основнойэкспериментальной калориметрической формулы, используемой на Якутскойустановке ШАЛ для оценивания энергии ливня, полученные с помощьюпробных функций источника F ( E , x ) dx dE = f ( E )dE ⋅ K ( x )dx , где функции f (E ) и⎞⎛( x − C )2⎟ (см. рис. 8).K (x ) имеют вид f ( E ) = f 0 / E −γ , K ( x ) = K 0 exp⎜⎜ −2 ⎟⎝ A( x − C ) + 2 ⋅ B ⎠Рисунок 8. Пробная функция источника гамма-квантов.Рисунок 9. Зависимость энергии первичной частицы от плотностиэнерговыделения в детекторной станции на 600 метрах от оси ливня.16Показано, что экспериментальная зависимость для показателя степениγ=2 близка расчетной в области энергий 1018 эВ (см.

рис. 9). В то же время,показатель степени b в основной формуле E = a ⋅ (s600 ) b для расчетнойзависимости больше единицы (а не меньше единицы, как в Якутскойформуле). Это позволяет сделать вывод, что использование стандартнойформулы может приводить к недооценке энергии примерно на 40% в областиэнергий ~1020 эВ.В конце главы для значения энергии E = 1018 эВ приводятся результатысравнения расчетных ФПР с экспериментальной, которая используется наЯкутской установке ШАЛ [23] (см. рис.

10).Рисунок 10. Сопоставление расчетных ФПР с функцией, которая используетсяна Якутской установке ШАЛ для обработки массовой статистики [23].Такжеприводитсяоценкаэнергииуникальногогигантскогоатмосферного ливня, зарегистрированного на Якутской установке ШАЛ в1989 г., равная 3⋅ 1020 эВ , которая получена с помощью рассчитанной базыданных с учетом отклонений мюонов магнитным полем Земли.Взаключенииприведеныосновныерезультатыивыводыдиссертационной работы:171.Моделированиепроцедурывосстановлениясигналаs600длявертикального ливня по его измеренному значению в наклонном ливнеметодом сечения спектров ливней линиями равной интенсивностипоказало, что эта процедура приводит, в основном, к занижениюоценокэнергиичастицпервичногокосмическогоизлучения(систематические ошибки составляют ~20-50%).2.

Впервые проведено моделирование откликов (энерговыделений,сигналов) детекторных станцийЯкутской установки ШАЛ наэлектроны, позитроны, гамма-кванты и мюоны с энергиями винтервале от 1 до 104 МэВ и углами падения на детектор θ в диапазоне0.05 ≤ cos θ ≤ 1.3. Впервые для уровня наблюдения x0 = 1020 г / см 2 и расстояний от 10 до2000 метров от оси ливня вычислены матрица параметров длявертикальныхэлектронно-фотонныхливней,генерированныхэлектронами и гамма-квантами с энергиями от 0.1 до 10 ГэВ вдиапазоне глубин от 0 до 1020 г/см2, и матрица откликов детекторныхстанций на эти ливни, то есть база данных для оценивания энергиигигантских атмосферных ливней.4.

Показано,чтомодифицированнаяфункцияНишимуры-Каматы-Грейзена аппроксимирует сигнал s(r ) с погрешностью 10-20% нарасстояниях 500-1000 м от оси.5. Показано, что вычисленная с использованием рассчитанной базыданных и пробных функций источника ФПР сигнала s(r ) совпадает сэкспериментальной с погрешностью <25% на расстояниях свыше 600м от оси ливня.6. С помощью рассчитанной базы данных и пробных функций источникапоказано, что применение основной экспериментальной формулы,котораяиспользуетсядляоцениванияэнергиигигантскихатмосферных ливней на Якутской установке ШАЛ, приводит кнедооценке энергии на ~40% в области энергии ~ 1020 эВ .187.

В рамках модели кварк-глюонных струн и 5-ти уровневой схемы сучетом отклонения мюонов геомагнитным полем показано, что оценкаэнергииуникальногогигантскогоатмосферноголивня,зарегистрированного на Якутской установке ШАЛ в 1987 г.,составляет 3⋅ 1020 эВ .Основные результаты диссертации опубликованы в следующихработах:1. A.V.