Содержание

1. Частицы первичного космического излучения, генерирующие в атмосфере широкие атмосферные ливни с энергией выше 1020 эВ. • Л.Г. Деденко1, А.В. Глушков2, С.П. Кнуренко2, И.Т. Макаров2, М.И. Правдин2, Д.А. Подгрудков1, И.Е. Слепцов2, Т.М. Роганова1, Г.Ф. Федорова1, Е.Ю. Федунин1 • 1 Институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова • 2 Институт космофизических исследований и аэрономии имени Ю.Г. Шафера СО РАН

2. Содержание • 1. Введение. • 2. Новый метод определения энергии ШАЛ. • 2. Представление энергетических спектров частиц ПКИ. • 3. Результаты расчета спектра для ЯУ. • 4. Выводы.

3. Введение • 1. Энергия E • ШАЛ на ЯУ определяется s(600) на основе сигнала : • E=a·s(600) • a=4.8·1017 эВ. • 2. Моделирование сигнала • a=3·1017 эВ • 3. Новый альтернативный метод оценки энергии.

4. 1)Природа (атомный номерА) и 2) энергия Е частицы ПКИ, генерирующей в атмосфере ШАЛ, а также 3) параметры, характеризующие взаимодействие этой частицы с ядрами атомов в атмосфере в области сверхвысоких энергий(модель взаимодействия), неизвестны.

5. Кроме того, из-за флуктуаций в продольном и поперечном развитии ШАЛ, генерированные даже частицами одного и того же типа и с одной и той же энергией, характеризуется разными пространственными распределениями вторичных частиц ливня, достигших уровня наблюдения. Это приводит к разным распределениям сигналов в детекторах на уровне наблюденияв этих ШАЛ.

6. Для интерпретации сигналов от каждогонаблюденного ливня необходимо иметь набор рассчитанных в рамках разных моделей сигналов от нескольких десятков индивидуальных ливней, генерированных разными частицами с различными энергиями.

7. Сравнивая сигналы для такой совокупности разыгранных ливней с данными для одногонаблюденного ШАЛ, на основе критерия минимума функции χ2 можно определить наилучшие оценки энергии Е и типа частицы ПКИ, а также наиболее адекватно учесть развитие наблюденного ливня в атмосфере и модель взаимодействия.

8. Развитие индивидуальных ливней в атмосфере с учетом магнитного поля Земли рассчитывалось с помощью пакета CORSIKA 6.616 в рамках моделей QGSJET2 , GHEISHA 2002d и SIBYLL 2.1 c параметром веса ε=10-8.

9. Для вычислений сигналов в наземных сцинтилляционных детекторах от различных частиц ливня, достигших уровня наблюдения, использовался пакет GEANT4. Сначала с помощью этого пакета был рассчитан банк (база данных) сигналов в сцинтилляционных детекторах.

10. Сигналы рассчитывались от электронов, позитронов и гамма квантов с энергиями в интервале 0.001 − 10 ГэВ и от мюонов с энергиями в интервале 0.3 − 1000 ГэВ. Зенитный угол, под которым все эти частицы попадали в детектор, варьировался в интервале 0 − 60о. Этот банк использовался для расчета сигналов в детекторе, когда в него попадала частица ливня с известной энергией и углом падения.

11. Результаты расчета сигнала для электронов (а), позитронов (б), гамма-квантов (в) и мюонов (г).

12. Площадка в плоскости детекторов размером 5х5 км2 подразделялась на 201х201 квадратов со стороной 25 м. Пакет CORSIKA 6.616 позволял рассчитать файл с параметрами частиц в плоскости детекторов для каждого индивидуального ливня, а банк откликов−сигналы в каждом из квадратов, которые рассматривались как детекторы.

13. Энергия E0 каждой первичной частицы принималась равной экспериментальной величине. Однако при интерпретации данных это значение E0 и все сигналы s0iумножались на коэффициент C: E=C·E0, si=C·s0i, где s0i− рассчитанные сигналы для ШАЛ с энергией E0 . Величина коэффициента Cварьировалась от 0.1 до 4.5 с шагом 0.1.

14. Таким образом, предполагалось, что отклики в детекторах пропорциональны энергии ливня в некотором небольшом интервале.

15. Минимум функции χ2искался в квадрате со стороной 400м с центром в точке положения оси ливня,определенной экспериментально, и шагом 1м.

16. В результате получались новые оценки энергии ливня(величина коэффициента C), новые координаты x и y оси ливня и значения самой функцииχ21на одну степень свободы для ШАЛ, генерированных разными первичными частицами (с разными A).

17. Ядро № s(600,Θ) C x, m y, m χ21 P 1 27.48 2.04 941 -374 0.88 2 29.64 2.00 965 -406 0.945 3 32.18 1.805 948 -425 1.019 4 27.77 2.27 1011 -421 1.03 He 1 25.11 2.37 956 -408 0.895 2 33.56 1.755 947 -421 0.996 3 27.88 2.085 942 -389 0.949 4 31.33 1.93 955 -439 1. O 1 30.73 1.78 909 -363 0.97 2 31.03 1.86 943 -387 0.942 3 29.90 1.94 940 -393 0.904 4 31.66 1.75 912 -428 0.997 Fe 1 34.12 1.6 905 -353 1.081 2 36.23 1.66 969 -429 1.042 3 33.05 1.745 935 -437 1.051 4 35.02 1.69 975 -389 1.01 Якутск 53.88 1.1 1055 -406

18. Зависимость значений функцииχ21 на 1 степень свободы от величины коэффициента C для 4 индивидуальных ливней от различных частиц ПКИ: a -- протоны, b -- ядра гелия, c -- ядра кислорода, d -- ядра железа

19. ОЦЕНКИ ЭНЕРГИИ Энергия, эВ Год Установка 1020 1962 J.L. L.S. 1.1· 1020 1989 Якутск 2.4 · 1020 1991 AGASA 3.2 · 1020 1994 Fly’s Eye 1.1· 1020 2000 Hi Res 2.· 1020 2004 PAO

20. Аппроксимация спектра J(E)=A·E-3.25 A=7.16·1028 м-2с-1стер-1 эВ2.25 , (основана на данных установки HiRes). Эта аппроксимация получена для интервала энергий 2·1017− 4.5·1018 эВ, но мы будем ее использовать в более широком интервале энергий 1017− 2·1020 эВ.

21. Определим переменную y=lg (E/1 эВ) и четыре выбранных интервала энергии 17.<y<18.65, 18.65<y<19.75, 19.75<y<20.01 и y>20.01

22. В этих интервалах энергии спектр Jr(E) определим следующими степенными функциями: J1(E)=A · E-3.25, J2(E)=C · E-2.81 , J3(E)=D · E-5.1, J4(E)=J1(E)=A · E-3.25

23. Кроме последнего интервала этот спектр Jr(E) cовпадает с данными HiRes.

24. Энергетический спектр для ЯУ • 1. Спектр на основе моделирования основнойформулы для оценки энергии по сигналу s(600). • 2. Спектр на основе нового метода оценки энергии по сигналам во всех детекторах.

25. Энергетический спектр частиц ПКИ в представлении lg (J(E)/A· E-3.25: ЯУ − темные кружки; расчетный спектр − светлые кружки; PAO− звездочки

26. Результаты расчета lgz=lg(J(E)/J1 (E)), полученные на разных установках: (а) − HiRes2 (полые кружки) , HiRes1 (сплошные кружки), (б)PAO− (сплошные кружки), (в) −AGASA (треугольники), (г) − ЯУ (пятиугольники). Все данные представлены на фоне реперного спектра J_r(E) (сплошная линия).

27. Данные экспериментов [40] (кружки), [41] (квадраты) и [42](треугольники, если при построении спектра использовались числа заряженных частиц и мюонов, и перевернутые треугольники, если использовался параметр s(500)), реперный спектр J_r(E) (сплошная линия).

28. Выводы • 1. В рамках модельных расчетов наблюдаются ШАЛ с энергиями порядка • 2·1020 эВ. • 2. Интенсивности ливней с такими энергиями, наблюденные на установках AGASA и ЯУ, совпадают. • 3. ШАЛ с такими энергиями наблюдались на установках PAO и FLY’s EYE. • 4. Возможно существуют переменные источники, генерирующие частицы ПКИ с такими энергиями.

29. БЛАГОДАРНОСТИ • Работа выполнена при поддержке Российского фонда поддержки фундаментальных исследований (грант 07-02-01212), • Федерального агентства по науке и инновациям (госконтракт номер 02.740.11.5092), и • ВНШ Г.Т. Зацепина ( грант 959.2008.2).

30. The Highest Energy Event by AGASA 2.5 x 1020 eV on 10 May 2001 M. Teshima

34. Events “in the energy spectrum” passed quality and fiducial cuts … Did any interesting events “get away” ? Oh, yes …

35. Event 737165 19 Apr 2004 Coihueco FD SD stations: ID VEM 259 2.6 253 4.2 261 4.8 254 59.0 251 5.2 5 SD hits Event Core at or beyond edge of SD So: NOT included in spectrum

37. Ливень PAO

38. Summary •All energies are based on fluorescence data and are therefore model-independent. •The highest energy events look “normal” and have been reconstructed well. •Event(s) above 1020 eV exist.