Введение к работе
Актуальность темы. Исследования состава и энергетического спектра первичного космического излучения сверхвысокой (Eq > 1015 эВ) и ультравысокой (Ео > 1019 эВ) энергии, а также характера взаимодействия частиц при этих энергиях, принадлежат к числу наиболее актуальных задач современной астрофизики и физики частиц. Указанные исследования на современном этапе возможны только на основе анализа экспериментальных Данных об инициируемых первичными космическими частицами ядерно-электромагнитных каскадах в атмосфере Земли (широких атмосферных ливнях, ШАЛ) и их сопоставлений с результатами адекватных теоретических расчетов, выполненных с использованием различных моделей адрон-ядерных (ядро-ядерных) взаимодействий.
Важнейшей экспериментальной характеристикой, эффективно измеряемой на больших наземных установках по регистрации ШАЛ, является локальная плотность заряженных частиц (в основном, электронов) в некотором удаленном от оси ливня диапазоне радиальных расстояний. При этом вынужденное раздвижение соседних детекторов в эксперименте на расстояния порядка сотен метров и более, обеспечивающее необходимую для изучения ШАЛ сверхвысоких энергий эффективную площадь регистрации, предъявляет особые требования к надежности используемых для восстановления параметров ШАЛ функций пространственного распределения (ФПР) электронов и мюонов вплоть до нескольких километров от оси ливня. Проведение теоретических расчетов ФПР электронов ШАЛ, характеризующихся высокой точностью на расстояниях порядка тысячи метров от оси и более, представляют собой, таким образом, актуальную задачу. Важное значение имеет также доведение результатов расчетов до отклика, конкретного типа детекторов, используемых на данной установке.
В последние годы активно развиваются все более мощные и сложные программы моделирования каскадных процессов в атмосфере МОССА, CORSIKA, HEMAS, программы Л.Г.Деденко, А.М.Дунаевского, Н.Н.Калмыкова и С.С.Остапченко, реализующие предсказания различных версий модели кварк-глюонных струн, и др., ориентированные на результаты как существующих, так и будущих экспериментальных установок по регистрации широких атмосферных ливней (KASCADE, Якутская установка, AGASA, ШАЛ-1000, Auger Project и др). Вместе с тем, поскольку прямые расчеты методом Монте-Карло всего каскада характеризуются неприемлемыми вычислительными затратами, существует проблема эффективного и одновременно адекватного моделирования различных компонент ШАЛ. Наиболее распространенным подходом является моделирование методом Монте-Карло адронной компоненты, сопровождаемое учетом низкознергетичных каскадов в среднем, и аналитическое описание парциальных электронно-фотонных каскадов (ЭФК) с применением различных модификаций (см., например, Л.Г. Дедеико и др., 1975; А.А. Лагутин и др., 1979; А.В. Пляшепши-ков и др., 1988) теоретического распределения Нишимуры-Каматы-Грейзена, справедливых лишь до расстояний не более нескольких сотен метров от оси. Экстраполяция этих данных на расстояния порядка тысячи метров и далее, очевидно, может привести к серьезным ошибкам.
Экспериментальная проверка расчетных результатов осложняется тем, что данные различных установок по радиальному распределению заряженных частиц на больших расстояниях от оси зачастую противоречат друг другу (М.Н. Дьяконов и др., 1991; Б.Н. Афанасьев и др., 1996). В этой связи необходимо выделить зафиксированные на Якутской комплексной установке ШАЛ нерегулярности электронной и мюонной компонент в области энергий Е0 > 3 1018 эВ (А.В. Глушков и др., 1995; 1997), не находящие объяснения в рамках существующих расчетов и не подтвержденные па сегодняшний день данными других экспериментов. Не-
согласованность экспериментальных данных различных установок, наряду с неоднозначностью выбора модели взаимодействия, а также целый ряд косвенных экспериментальных свидетельств о возможной существенной роли в развитии ШАЛ новых частиц и новых процессов (А.В. Глушков и др., 1995; СИ. Никольский, В.А. Рома-хин, 1999; В.И. Яковлев, 1999), определяют актуальность поиска нечувствительных к условиям и особенностям методики эксперимента модельно-независимых функционалов и скейлинговых свойств, отражающих структуру пространственного распределения частиц ШАЛ.
Не вызывает сомнений важность надежных теоретических предсказаний относительно ФПР электронов ШАЛ на больших расстояниях от оси и для разработки новых крупномасштабных экспериментальных проектов.
Целью настоящей работы является:
проведение теоретических расчетов радиального распределения электронов ШАЛ сверхвысоких энергий на основе оригинального вычислительного комплекса, максимально сохраняющего флуктуации в развитии ШАЛ и использующего современные результаты электромагнитной каскадной теории, полученные для расширенного диапазона радиальных расстояний;
исследование скейлинговых свойств ФПР электронов ШАЛ и их чувствительности к вариациям используемой в расчетах модели адрон-ядерных взаимодействий;
учет влияния на форму экспериментальных ФПР электронов отбора событий в эксперименте по различным классификационным параметрам, отклика сцинтилляционных детекторов, а также (в условиях, характерных для Якутской установки) атмосферного температурного эффекта.
Научная новизна и значимость работы заключаются прежде всего в использовании ранее широко не применявшихся в расчетах ШАЛ новых данных электромагнитной каскадной теории, позволяющих существенно расширить диапазон радиальных расстояний для ФПР электронов, а также в следующих полученных
в работе результатах.
1. Установлено новое скейлинговое свойство функции простран
ственного распределения электронов ШАЛ, аналогичное случаю чи
сто электромагнитных каскадов. Показано, что указанное скейлин
говое свойство и форма инвариантной функции обладают крайне
слабой чувствительностью к вариациям параметров используемой
в расчетах модели адрон-ядерных взаимодействий и не зависят от
способа отбора ливней в эксперименте.
2. Предложено новое масштабно-инвариантное представление
функции радиального распределения электронов ШАЛ, содержащее
единственный параметр — среднеквадратичный радиус, изменение
которого описывает зависимость формы ФПР от первичной энергии,
уровня наблюдения, а также от модели взаимодействия.
-
Впервые проведены расчеты переходного эффекта электронной компоненты в сцинтилляционных детекторах различной толщины на расстояниях до 500 м от оси ШАЛ. Показано, что неучет влияния переходного эффекта в сцинтилляторе приводит к дополнительному уполаживанию ФПР на больших расстояниях от оси.
-
Впервые исследован температурный эффект радиального распределения электронов ШАЛ применительно к Якутской установке. Получены новые количественные данные, позволяющие корректно учесть укручение ФПР электронов, имеющее место при измерениях в типичных для Якутской установки зимних температурных условиях, существенно отличающихся от условий стандартной атмосферы.
Результаты, выносимые на защиту.
-
Скейлинговое свойство функции пространственного распределения электронов ШАЛ.
-
Вывод о слабой чувствительности указанного свойства к вариациям параметров модели адрон-ядерных взаимодействий и методике отбора ливней в эксперименте.
3. Новое масштабно-инвариантное представление радиального
распределения электронов ШАЛ.
4. Новые численные данные о влиянии на форму ФПР электронов
отбора событий в эксперименте по различным классификационным параметрам.
-
Результаты расчетов отклика сцинтилляционных детекторов различной толщины на расстояниях до 500 м от оси ШАЛ.
-
Анализ атмосферного температурного эффекта ФПР электронов ШАЛ в условиях, характерных для Якутской установки.
Практическая значимость. Полученные в работе результаты представляют практическую ценность при решении задач, связанных с обработкой, анализом и физической интерпретацией экспериментальных данных по радиальному распределению заряженных частиц ШАЛ, планированием новых экспериментов, и могут быть использованы на крупнейших существующих и будущих экспериментальных установках по регистрации ШАЛ сверхвысоких энергий: AGASA, Якутской установке, ШАЛ-1000, Auger Project.
Вклад автора. Разработка вычислительного комплекса для расчета характеристик ШАЛ и все расчеты широких атмосферных ливней проведены автором самостоятельно. Автор также принимал участие в постановке задач об описании температурного эффекта ФПР электронов ШАЛ и переходного эффекта в сцинтилляционных детекторах. Лично автором проведен анализ чувствительности скейлингового свойства радиального распределения электронов к вариациям параметров модели адрон-ядерных взаимодействий и способу отбора событий, предложено новое аналитическое представление ФПР электронов ШАЛ. Идея универсального скейлиного-вого описания радиального распределения электронов в атмосферных каскадах принадлежит проф. А.А.Лагутину. Расчеты ЭФК, использованные для исследования температурного эффекта ФПР электронов ШАЛ, были проведены совместно с А.И.Гончаровым и В.В.Мелентьевой.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XXV Международной конференции по космическим лучам (Дурбан, ЮАР, 1997), XXV Российской конференции по космическим лучам (Москва, ФИАН, 1998), X Международном симпозиу-
ме по сильным взаимодействиям в космических лучах (Гран-Сассо, Италия, 1998). Кроме того, работа неоднократно обсуждалась на семинарах объединенной группы Алтайского госуниверситета и Сай-тамского университета (Урава, Япония), а также со специалистами Института космических исследований (Токио, Япония).
Публикации. Основные результаты диссертации представлены в 7 печатных работах в трудах международных конференций, российских и зарубежном научных журналах и препринтах Алтайского госуниверситета и Сайтамского университета (Урава, Япония).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 120 страницах, включает 46 рисунков, 18 таблиц; состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 133 наименований.
