CC BY
36
НАБЛЮДЕНИЕ ДВОЙНЫХ ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ
ЛИВНЕЙ
В. И. Яковлев
Двойные широкие атмосферные ливни ■исследовались на Тянь-Ша,некой высокогорной научной станции ФИАН с помощью двух различны,х установок. Одна установка регистрировала электронно-фотонную компоненту ливня, другая, излучение Вавилова Черепкова. На обеих установках были зарегистрированы, двойные ливни, разделенные временным промежутком ~100 не. В настоящей работе проанализирована частота появления, таких ливней в каждой из установок, и показа,но, что при наблюдении вертикальных ливней (зенитный угол, д < 60°) эти частоты, совпадают.
Ключевые слова: двойные атмосферные ЛИВНИ.
Двойные широкие атмосферные ливни (Д-ШАЛ) были впервые зарегистрированы в 1984 году японскими физиками М. Yoshida. Y. Toyoda. Т. Maeda [1]. В этой работе ливни, задержанные на время порядка 100 не относительно основного ливня, были зарегистрированы одновременно в нескольких разнесенных сцинтилляционных детекто~ pax. Позднее Д-ШАЛ были зарегистрированы и другими авторами [2 3], однако только авторы [1] пришли к заключению, что задержанные ливни образуются тяжелыми частицами с массой в несколько десятков ГэВ и временем жизни ~ (5 • 10-7 — 2 • 10-6) с. Другие авторы воздерживались от таких оценок.
В 2005 г. с помощью четьтрехканального цифрового осциллографа TDS-2014 на Тянь-Шанской станции ФИАН также были начаты исследования Д-ШАЛ [4 5]. Де-те кто р представлял собой ФЭУ-49, на фотокатод которого помещался сцинтиллятор. толщиной 5 см и диаметром 15 см. Управляющая система отбирала шестикратные совпадения между центральным и пятью периферийными детекторами, расположенными
по окружности радиусом ~65 м. За время ~5000 часов установка зарегистрировала 2117
107
ИЗ них в 98 событиях был зарегистрирован ливень, "запаздывающий" на время от 40 до 600 не с плотностью потока частиц р > 283 м-2. В 14 случаях "запаздывающие" сигналы были зарегистрированы в двух и более детек-
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53.
торах, в шести случаях - в трех и более детекторах, и в трех случаях - в четырех детекторах. Пример регистрации запаздывающего ливня в 4-х детекторах приведен на рис. 1.
J_I_1_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_
О 100 200 300 400 500 Время не
Рис. 1: Д-ШАЛ в 4-х сцинтилляционных детекторах.
Если предположить, что запаздывающий ливень является результатом случайного совпадения с небольшим локальным ливнем, или с любым другим случайным совпадением, то вероятность регистрации такого "Д-ШАЛ" одним детектором равна: 98 : 2117 = 0.0469 (±0.00568). Ожидаемое число таких случайных "Д-ШАЛ", регистрируемых одновременно двумя детекторами, составит (0.046)2 х 2117 = 4.36, в сравнении с 14 зарегистрированными (4.4а). Ожидаемое число событий, регистрируемых тремя детекторами одновременно, составляет 0.21 по сравнению с 6 наблюдаемыми. Наконец, ожидаемое число событий, зарегистрированных одновременно четырьмя детекторами, равно 0.0097 в сравнении с 3 зарегистрированными (30а). В работах [4-5] показано, что масса тяжелой частицы, образующей запаздывающий ливень, должна быть ^105 ГэВ. Такая оценка была получена на основе двух надежно измеряемых параметров: (1) скорости запаздывающего ливня (используя экспериментально измеренное среднее время задержки между двумя ливнями, равное 109 ± 6 не, и длину пути ливня в атмосфере), а отсюда и лоренцфактор 7 ^ 15 и (2) энергии Е запаздывающего ливня (по числу частиц N ~ 107 в запаздывающем ливне). Оцененная масса частицы оказалась слишком большой, в связи с чем было высказано 2 гипотезы о природе таких запаздывающих ливней. Согласно первой, такие ливни могут образовываться множеством малоэнергичных адронов, рожденных, например, при высвобождении кварк-глюонной плазмы. Вторая гипотеза предполагает, что запаздывающий ливень образуется обычными адронами,
движущимися со скоростью света, а опережающий ливень образуется тахионом, рожденным во взаимодействии первичной частицы, и имеющим скорость, превышающую скорость света. Теряя энергию, тахион испытывает ускорение, и ливень, образованный им, опережает ливень, образованный обычными адронами. В соответствии с работой Т. Альвагера [6] заряженный тахион быстро теряет практически всю свою энергию на излучение Вавилова Черенкова. Из классической работы Тамма и Франка [7] следует, что потери на это излучение на единицу пути составляют
dE/ds = -4n2Z2e2(J(1 - с2/v2v2)vdv)/с2.
Отсюда видно, что с ростом скорости тахиона темп потерь его энергии возрастает, и это приводит к появлению опережающего ливня. В этом случае естественно предположить, что ливень, образованный заряженным тахионом, не будет содержать мюонов. Обнаружение таких безмюонных опережающих ливней было бы убедительным свидетельством тахионного происхождения опережающих ливней.
В другом эксперименте, в котором изучались двойные ливни на Тянь-Шане, ливни регистрировались с помощью фотоумножителя, помещенного в фокусе параболического зеркала диаметром 150 см [8]. Под различными зенитными углами регистрировались вспышки излучения Вавилова Черенкова. Было проведено несколько сеансов таких наблюдений (вплоть до углов 80°), в которых и были зарегистрированы двойные ливни (и даже один тройной), с задержкой между ливнями в 100 и более не. Примеры таких ливней показаны на рис. 2 3. Анализ частоты появления Д-ШАЛ в обеих установках показал, что при регистрации вертикальных ливней (д < 60°) эти частоты совпадают (см. рис. 4, где кружками показаны данные по излучению Вавилова Черенкова, а звездочкой по сцинтилляционной установке). При увеличении зенитного угла доля двойных ливнеи достаточно быстро растет, что может быть связано с увеличением этой доли с ростом энергии взаимодействия. Однако статистика таких событий пока мала.
Первоначально в этом эксперименте отсутствовали детекторы, регистрирующие ливневое сопровождение. В 2008 году по предложению автора статьи установка, регистрирующая излучение Вавилова Черенкова, была дополнена двумя сцинтилляци-
Сцинтилляторы помещались на расстоянии 10 м от зеркала и были ° совместные измерения. В части событий, при регистрации под углами свыше 70° зарегистрированы одновременно излучение Вавилова Черенкова и заряженные частицы. Из-за большой глубины наблюдения (> 1991 г/см2) можно с высокой степенью вероятности считать, что эти заряженные частицы являются мюонами.
Рис. 2: Д-ШАЛ в черепковском свете $ = 70о.
Время ^ не
Рис. 3: Д-ШАЛ в черепковском свете $ = 80°.
В настоящее время теорией, претендующей на исчерпывающее объяснение всех явлений в физике элементарных частиц, является теория струн [9-10]. В частности, тахион вполне вписывается в бозонную теорию струн. Эта теория предполагает, что бозонные струны имеют пространственно-временную размерность, равную 26. Однако, этот вариант теории не описывает фермионы. Теории, описывающие одновременно, как бозоны, так и фермионы, называются теориями суперструн. Таких теорий в настоящее время насчитывается пять. Применение принципа дуальности позволяет установить, что эти теории можно согласовать друг с другом. Они являются различными предельными случаями единой фундаментальной теории, получившей название М-теории. Все пять
0.20
0.10
0.15
0.05 -
35
50 65
80
Зенитный угол Э
Рис. 4: Доля Д-ШАЛ в зависимости от зенитного угла 9.
теорий имеют размерности, равные 10, и исключают существование тахиона вне вакуума1. По этой причине мы попытались объяснить природу Д-ШАЛ с других позиций.
Когда мы "выбиваем" один кварк или глюон, он пытается вылететь, но не может этого сделать, поскольку тянет за собой "струну", которая содержит мешок виртуальных частиц. Эта "струна" натягивается между наблюдаемым вылетевшим объектом и остатком протона. После разрыва струны обе ее части получают одинаковый, но противоположный по знаку импульс. При этом возникает также эффект пращи. Вероятно, это и является причиной того, почему оба ливня из пары Д-ШАЛ летят со слегка различными скоростями2. Необходимо подчеркнуть, что Д-ШАЛ не наблюдались при энергиях Е < 1016 эВ. При таких энергиях не наблюдалось также явление выстроенно-сти наиболее энергичных частиц, образуемых при взаимодействии первичных частиц космического излучения. Это явление было обнаружено в большом эксперименте с рент-геноэмульсионными камерами, выполненном коллаборацией "ПАМИР" [11], а также в некоторых других экспериментах [12-13].
Можно с высокой степенью надёжности предположить, что два явления, обнаруживаемые при одинаковых энергиях, имеют общую природу [14]. Изучение их природы является одной из первоочередных задач исследования роли адронной компоненты в формировании и развитии Д-ШАЛ и выстроенных событий при ультравысоких энергиях.
1 Физический вакуум - это море виртуальных частиц.
2При запаздывании на 100 не скорость запаздывающего ливня составляет 0.997 с [14].
ЛИТЕРАТУРА
[1] М. Yoshida, Y. Toyoda, and Т. Maeda, J. Phys. Soc. Jpn. 53, 1983 (1984).
[2] О. В. Веденеев. К). А. Нечин, К). А. Фомин. Г. Б. Христиансен, ВАНиТ. Сер: Техника физического эксперимента, вып. 3(29), 47, (1986).
[3] М. Ambrosio, С. Aramo, L. Colesanti and A. D. Erlykin, Nuclear Phys. В Proc. Suppl. 52B, 234 (1997).
[4] В. И. Яковлев. М. И. Вильданова, Н. Г. Вильданов, Письма в ЖЭТФ 85. 111 (2007).
[5] В. И. Яковлев. М. И. Вильданова. Н. Г. Вильданов. А. В. Степанов. ЯФ 73. 816 (2010).
Т. Alvager, and М. N. Kreisler, Phys. Rev. 171, 1357 (1968).
[7] I. E. Tamm and I. M. Frank, Dokl. Akad. Nauk SSSR 14, 109 (1937).
[8] P. У. Бейсембаев, К). H. Вавилов, М. И. Вильданова, и др.. Изв. РАН, сер. Физ., 75(3), 383 (2011).
[9] М. Ivaku, Introduction to Superstrings. (Springer-Verlag, Berlin, 1990).
[10] B. Greene, The elegant Universe. (Vintage Books, New York, 1999).
[11] Pamir collaboration, Proc. of IV-th ISVHECRI, Beijin (1986).
[12] L, Xue et al., Proc. of 26th ICRC, Salt Lake City, 1, 127 (1999).
[13] A. V. Apanasenko et al., Proc. of 17th ICRC, Plovdiv 7, 220 (1977).
[14] В. И. Яковлев, ЯФ 75, 1 (2012).
Поступила в редакцию 7 февраля 2012 г.
