Введение к работе
Актуальность темы
В конце 50-х годов прошлого столетия были начаты исследования потока космических лучей сверхвысоких энергий (КЛСВЭ). Однако до настоящего времени не решены еще некоторые проблемы. Это касается природы частиц -протоны, ядра, другие частицы; происхождения частиц - галактическое, внегалактическое; источников излучения и механизмов ускорения частиц. Остается нерешенной также проблема обрыва интенсивности спектра - обрезание Грей-зена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК).
В настоящее время зарегистрировано несколько событий с энергией час-
тиц чуть выше 10 эВ. Например, 11 событий эксперимента AGASA (Ео>10 эВ), существование которых можно объяснить другой компонентой КЛСВЭ, вероятно, связанной с новой физикой. Возможно, это сверхтяжелая темная материя, новые частицы, подобные сильнодействующим нейтрино, нарушение Лоренц-инвариантности. Кроме этого, установкой Fly's Eye зарегистрировано
одно событие с энергией Ео ~ 3-Ю'" эВ, одно событие в эксперименте HiRes
с Ео ~ 1,8-10 эВ. Три события зарегистрированы Якутской установкой с Ео ~ 1-1020эВ.
Казалось бы, можно говорить об отсутствии обрезания спектра. Однако, из-за небольшой статистики и ошибок в определении энергии достоверность такого вывода невысока. Кроме того, на установке HiRes спектр обрезается выше (3-5)-10 эВ. В новом эксперименте Auger ливней с энергией выше 10 эВ не зарегистрировано, хотя интенсивность достигнута уже выше, чем в AGASA.
Для исследования первичного энергетического спектра существует несколько подходов, одним их которых является метод измерения первичного энергетического спектра по спектру плотностей излучения Вавалова-Черенкова, генерируемого в атмосфере релятивистскими частицами широких атмосферных ливней (ШАЛ). Оказывается, что спектр плотностей черенковско-го излучения ШАЛ достаточно хорошо отражает первичный энергетический спектр. Это связаео с двумя обстоятельствами. Во-первых, поток черенковского излучения на уровне моря пропорционален первичной энергии ШАЛ. Во-вторых, функция пространственного распределения черенковских фотонов сравнительно слабо падает с расстояние от оси ливня.
Поиск наиболее эффективных методов регистрации космических лучей предельно высоких энергий привел к исследованию ионизационного свечения
ШАЛ, как методу, который позволил бы получить информацию о развитии сверхмощного каскада в атмосфере и обеспечить доступным методом достаточно большую площадь контроля установки.
Естественно, что при исследовании ШАЛ оптическими методами, весьма актуальной является информация о состоянии атмосферы в момент регистрации. В частности, корректные выводы о величине потока черенковского излучения ШАЛ возможны только при наличии контроля прозрачности атмосферы в течение всего периода регистрации. Этот контроль дает возможность корректировать полный поток черенковского излучения ШАЛ а, следовательно, и первичный энергетический спектр в интервале энергий 10 - 10 эВ.
В настоящее время все большее внимание исследователей привлекает очень низкочастотный диапазон радиоизлучения (ОНЧ электромагнитные колебания в диапазоне единиц килогерц). Это связано с тем, что комплекс Земля-ионосфера представляет из себя прекрасный сферический волновод, в котором с очень малым затуханием распространяются КНЧ-ОНЧ радиоволны. Следовательно, их можно принять на очень больших расстояниях от источника излучения. В настоящей работе на базе экспериментальных данных по исследованию потока радиоимпульсов в ОНЧ диапазоне идентифицирован энергетический спектр в диапазоне 10 - 10 эВ.
Показана возможность измерения энергетического спектра космических лучей предельно высоких энергий достаточно простым и надежным способом. Зри этом площадью регистрации детектора ШАЛ становится вся поверхность Земли.
Таким образом, весьма актуальными направлениями исследований являются:
1) исследования энергетического спектра в диапазоне энергий выше
10 эВ по интегральноду потоку черенковского излучения ШАЛ;
-
исследование области излома спектра в диапазоне 10 - 10 эВ;
-
разработка новых перспективных методов исследования по потоку электромагнитных вспышек в видимом диапазоне и в ОНЧ радио-диапазоне, позволяющих получить достоверные данные в области обрыва спектра.
Цель работы В настоящей работе имеют место следующие направления: 1) С помощью разработанного автором весьма чувствительного детектора черенковского излучения по интегральному потоку черенковских вспышек ис-следовать энергетический спектр в диапазоне энергий 10 - 10 эВ. При этом по изменению интегральной интенсивности потока черенковских вспышек измерить величину ослабления излучений от ШАЛ в атмосфере.
-
Исследование области излома спектра в диапазоне 10 - 10 эВ.
-
По потоку очень низко-частотного излучения от ШАЛ идентифицировать первичный спектр в диапазоне 10 - 10 эВ.
Новизна работы.
1) Впервые измерена плотность потока черенковского излучения в интервале
2 - 1480 фотон/см эВ с изломом в области 60-100 фотон/см эВ.
Спектр плотностей черенковского излучения ШАЛ впервые измерен в широком диапазоне плотностей, надежно охватывающем область излома спектра, с экспозицией, позволяющей с точностью 2 % измерить величину показателя спектра.
-
Впервые по вариации интегральной интенсивности пятнадцатиминутных спектров плотностей получена величина относительного ослабления потока че-ренковских фотонов в атмосфере по отношению к ослаблению при наилучших условиях видимости, а также среднее ослабление в период регистрации. Дается связь уровня интегральной интенсивности спектра плотностей черенковского излучения ШАЛ с дальностьц видимости (по измерению другими методами), что позволило измерить прозрачность атмосферы над Якутской и Самаркандской установками ШАЛ в наиболее ясные ночи с точностью < 10%.
-
В настоящей работе новым независимым методом по плотности
потока черенковского излучения измерен первичный спектр космических лучей в интервале энергий 1015 - 1017 эВ с изломом в области (3 - 5) 1015 эВ.
4) Впервые в 1973 г. на Денверской конференции по космическим лучам был
доложен метод исследования сверхмощных ШАЛ по ионизационному излуче
нию на базе линзы Френеля диаметром 5 м и мозаики из 127 фотоумножителей
в фокальной плоскости линзы. В настоящей работе проведены расчеты воз
можных измерений различных участков каскадных кривых в диапазоне энергий
1Я 90
10 -10 эВ. Разработана конструкция детектора.
-
Измерен спектр плотностей напряженностей электрического поля ОНЧ волны в восьми частотных каналах.
-
Впервые по интегральному потоку ОНЧ сигналов идентифицирован энергетический спектр космических лучей в интервале энергий 10 -10 эВ.
Научная и практическая ценность.
1) С помощью разработанного и созданного автором большого оптического
детектора (БОД) измерен поток черенковского излучения в атмосфере в интер-
вале плотностей 17 - 1480 фотон см" эВ" .
2) Получен излом в спектре плотностей черенковского излучения в области
60-100 фотон см"2 эВ"1.
-
Для корректного измерения светового потока был разработан и внедрен способ оперативного контроля прозрачности атмосферы адекватным методом, почти на два порядка превышающим диапазон измерения дальности видимости стандартными методами.
-
По потоку черенковских вспышек измерен энергетический спектр частиц с энергиями с изломом в области (3-5) 10 эВ.
-
Измерен спектр плотностей импульсов радиоизлучения в очень низкочастотном (ОНЧ) диапазоне в восьми частотных каналах.
-
Исследована связь потока первичных частиц с потоком ОНЧ радиоимпульсов.
По потоку ОНЧ сигналов идентифицирован первичный спектр космических лучей в диапазоне 310 эВ-310 эВ.
С помощью разработанного и изготовленного макета детектора проведены пробные измерения потока ионизационного излучения ШАЛ в атмосфере.
Разработан и доложен на конференции по космическим лучам в Дзнвере (США) проект детектора ионизационного излучения на базе линзы Френеля диаметром 5 м.
Разработан проект комплексной установки ШАЛ 500 с применением детекторов ОНЧ излучения с раздвижением 1 км и 10 км, позволяющий решать вопросы, связанные с исследованием как природных, так и искусственных источников излучения.
Проведено математическое моделирование распределения источников излучения частиц сверхвысоких энергий в масштабе Вселенной.
Рассчитана интенсивность потока первичных частиц в диапазоне 101ЭэВ-1020эВ.
Личный вклад автора состоит:
-
В создании чувствительного светосильного детектора черенковского излу-чения ШАЛ с площадью светосбора 0.26 м , электроники и регистратора.
-
Измерена плотность потока черенковского излучения в интервале 2 - 1480
фотон/см эВ с изломом в области 60-100 фотон/см эВ.
-
Измерена прозрачность атмосферы по вариациям интенсивности спектров плотностей черенковского излучения ШАЛ над Якутской и Самаркандской установками ШАЛ.
-
Новым независимым методом по плотности потока черенковского излучения измерен первичный спектр космических лучей в интервале энергий 1015-1017 эВ с изломом в области (3 - 5) 1015эВ.
5. Разработан метод исследования сверхмощных ШАЛ по ионизационному излучению на базе линзы Френеля диаметром 5 м и мозаики из 127 фотоумножителей в фокальной плоскости линзы. В настоящей работе проведены расчеты возможных измерений различных участков каскадных кривых в диапа-зоне энергий 10 -10 эВ. Разработана конструкция детектора.
-
Проведены измерения интегрального потока ОНЧ радиоизлучения.
-
По интегральному потоку ОНЧ сигналов идентифицирован энергетический спектр космических лучей в интервале энергий 10 -10 эВ.
-
Разработаны перспективные проекты исследования космических лучей
в области энергий более 10"иэВ. Апробации
Результаты настоящей работы неоднократно докладывались на семинарах в ИКФИА АН СССР, НИИЯФ МГУ, ФИАЛ СССР, ИЛИ РАН, СВКНИИ АН СССР, ТРТУ, ТГПИ, на Всесоюзных конференциях в Ереване, Мурманске, Якутске, Таганроге, Грозном, Саранске, Донецке, Ульяновске, Омске; на международных симпозиумах в Киле, Риме; на международных конференциях по космическим лучам в Денвере, Мюнхене, Пловдиве, Киото, Париже, Бонголо-ре; опубликованы в отдельных научных сборниках и статьях; в монографиях автора: Сокуров В.Ф. Энергетический спектр частиц с энергией более 10 эВ и поток электромагнитных вспышек в приземном слое. Монография. Ростов н/Д.: Изд-во РГУ. 2006, 265 с; Сокуров В.Ф. Экспериментальные исследования радиационных процессов в атмосфере Земли. Монография. (Проект поддержан РФФИ, № 08-05-07001-д). Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ. 2008, 239с; Сокуров В.Ф."Проблемы физики сверхвысоких энергий" объемом 385 с. М.: ВИНИТИ, 1993; Сокуров В.Ф. Поток электромагнитных вспышек в приземном слое. М.: ВИНИТИ, 2002, 262 с; Сокуров В.Ф. Физика космических лучей: космическая радиация. Ростов н/Д.: Феникс. 2005, 185 с.
Всего опубликовано 92 научных труда.
Результаты исследований внедрены в Институте космофизических исследований и аэрономии ЯФ СО АН СССР, г. Якутск; в Самаркандском государственном университете, г. Самарканд, Узбекистан.
