ПРОДОЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ ШИРОКОГО АТМОСФЕРНОГО ЛИВНЯ № 39442 ОТ 29 НОЯБРЯ 2013 ГОДА Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 3837

Мохначевская Валентина Петровна Mokhnachevskaya Valentina Petrovna

Младший научный сотрудник Junior researcher Кнуренко Станислав Петрович Knurenko Stanislav Petrovich

Старший научный сотрудник Senior Researcher

Институт космофизических исследований и аэрономии

им. Ю. Г. Шафера СО РАН Yu. G. Shafer Institute of cosmophysical research and aeronomy SB RAS

ПРОДОЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ ШИРОКОГО АТМОСФЕРНОГО ЛИВНЯ № 39442 ОТ 29 НОЯБРЯ 2013 ГОДА

LONGITUDINAL DEVELOPMENT OF AIR SHOWER №39442 OF

NOVEMBER 29, 2013

Аннотация. В работе представлены результаты обработки и анализа ливневого события №39442 от 29 ноября 2013 года, зарегистрированного одновременно тремя черенковскими дифференциальными детекторами на основе камеры-обскура. Сигналы от детекторов позволили определить количество фотонов, приходящих с определенной высоты в атмосфере, и, таким образом, восстановить продольное развитие ливня - каскадную кривую ливня и ее параметры, включая Хмах.

Abstract: The paper presents the results of processing and analysis of shower event №39442 of November 29, 2013, recorded simultaneously by three differential Cherenkov detectors based on a pinhole camera. The signals from the detectors made it possible to determine the number of photons arriving from a certain height in the atmosphere, and, thus, to reconstruct the longitudinal development of the shower - the shower cascade curve and its parameters, including Xmax.

Ключевые слова. космические лучи, черенковское излучение, черенковский дифференциальный детектор

Key words: cosmic rays, Cherenkov radiation, differential Cherenkov detector.

13

X Международная научно-практическая конференция

Изучение космических лучей сверхвысоких энергий является актуальной задачей в исследовании процессов, имеющих место в космическом пространстве, а также в физике элементарных частиц. В частности, в результате взаимодействия первичных ядер с атмосферой образуется большое число вторичных элементарных частиц, которые покрывают большую площадь на уровне моря. Потоки релятивистских частиц в физике называются широкими атмосферными ливнями (ШАЛ). На Якутской установке ШАЛ реализовано одновременное измерение почти всех основных главных компонент ливня: мюонов, электронов, фотонов, черенковского и радио излучения ШАЛ. Черенковское излучение на Якутской установке регистрируется вот уже более 50 - лет. Для этого используются интегральные и дифференциальные черенковские детекторы. Интегральные детекторы установлены на 19-ти станциях наблюдения и равномерно распределены в круге радиусом 1км.

На расстоянии 0,5км от центра установки находятся три

черенковских дифференциальных детектора на основе камеры-обскура

[1,2]. Эти детекторы предназначены для изучения продольного

развития ливня. Черенковские дифференциальные детекторы состоят

из темной камеры, линейки фотоумножителей (ФЭУ), чувствительных

в области длин волн 350 - 750нм. Электронной системы согласования

всех приемных устройств с центральным регистратором,

принимающим сигналы от трех пунктов наблюдения. Центральный

регистратор имеет специальное программное обеспечение, которое

считывает сигналы с каждого ФЭУ, преобразовывает их в цифровую

форму и отображает в виде графической информации на дисплее

компьютера. Все пункты наблюдения обскура1, обскура2, обскураЗ и

центральный регистратор большой установки синхронизованы по

времени с помощью GPS методики. Поэтому характеристики ливня

14

«Научные исследования и инновации» определенные по данным большой установки привязаны к оптическим событиям ШАЛ.

Вся первичная и вторичная (обработанная) информация в табличном и графическом виде записывалась в базу данных устройства. Вся аппаратная и программная часть регистратора, предназначенная для предварительного просмотра и регистрации сигналов от черенковских детекторов, была подробно описана в работах [3,4,5].

Для демонстрации методики обработки и анализа данных эксперимента было отобрано индивидуальное событие №39442, которое было зарегистрировано в темную, ясную ночь 29 ноября 2013 года в Т=01:11:23. В первом пункте наблюдения обскура1 сработало 6 ФЭУ мозаики, во втором - обскура2 сработало 8 ФЭУ мозаики, в третьем - обскура3 сработало 7 ФЭУ мозаики.

Рис. 1. Распечатка ливневого события: а) обскура1, б) обскура2, в)

обскураЭ

X Международная научно-практическая конференция На рис.1. показано графическое отображение сигналов от трех пунктов наблюдения. Основные сигналы локализуются в левой части развертки, справа расположен сигнал от "мастера" большой установки. Передний фронт сигнала от "мастера" большой установки служит репером для определения временных задержек между сигналами от приемников света.

Так как сигналы от обскур синхронизованы с "мастером" большой установки, то все характеристики ливня, которые определяются по показаниям участвовавших в регистрации ШАЛ станций наблюдения Якутской установки приписываются оптическому ливню. Это координаты пересечения оси ливня с плоскостью установки хо=-259м, уо=204м, энергия ливня Ео=4.26*1017эВ, углы прихода ливня зенитный 6=20.4о и азимутальный ф=110°.

Для обработки временных сигналов от обскур1,2,3 была создана специальная программа, которая в трехмерном виде учитывала проекцию движения фронта и ствола ливня. Это было необходимо для определения средней, в обозреваемом интервале высот, геометрической Н-высоты (в метрах), откуда пришли черенковские фотоны на каждый ФЭУ соответствующей мозаики. Далее высота, определенная в метрах пересчиты -валась на глубину атмосферы Х в г/см2 (рисунок 2).

Рис. 2. Оценка Н-высоты каждого фотоумножителя мозаики для трех черенковских дифференциальных детекторов ливневого

события №39442

Рис3. Зависимость числа фотонов N(x) в каждом фотоумножителе мозаики от глубины X: а) обскура1, б) обскура2, в) обскура 3,

г) обскура1,2,3

X Международная научно-практическая конференция

Сигналы от каждого ФЭУ калибровались согласно показаниям полного числа заряженных частиц на уровне наблюдения LogNs(х)=8.09. Значение №(х) было определено интегрированием функции пространственного распределения заряженных частиц настоящего ливня и соответствовала точке на каскадной кривой на уровне наблюдения равном Х=1088г/см2. Таким образом, было рассчитано число частиц ^х) в каждом ФЭУ мозаики для трех черенковских дифференциальных детекторов. Точки, полученные, таким способом, далее использовались для восстановления каскадной кривой развития ШАЛ и определения Хтах.

На рисунке 3 показано, что максимум развития данного ШАЛ, найденный путем прямого измерения каскадной кривой ливня с энергией Е0=4.26-1017эВ, находится на глубине атмосферы Хтах=664±10.33г/см2.

Рис. 4. Зависимость глубины максимума развития ливня от энергии

Экспериментом на Якутской установке было доказано, что благодаря наблюдениям черенковского света ШАЛ, с использованием трех черенковских дифференциальных детекторов, можно прямым способом восстановить стерео картину продольного развития события ШАЛ в области сверхвысоких энергий.

Сравнение полученного Xmax с расчетами по модели QGSJETII-04, выполненными для первичного протона и ядра железа (рисунок 4), показали, что величина Хмах=664±10.33г/см2 согласно модели, не противоречат выводу о том, что ливень образован ядром средней массы, типа CNO.

Библиографический список:

1. Garipov G.K., Grigoryev V.M., Efremov N.N. et al. // Proc. 27th ICRC. Hamburg. 2001. P. S885

2. Григорьев В.М. Новый метода исследования продольного развития широких атмосферных ливней // Наука и техника в Якутии, Якутск. 2007. С28

3. EgorovY.A., PetrovZ.E., KnurenkoS.P. // Proc. PoS 35thICRC. Busan. 2017. P. S462

4. MokhnachevskayaV.P., EgorovYu.A., KnurenkoS.P. etal. // Proc. PoS 35thICRC. Busan. 2017. P. S341

5. Мохначевская В.П., Слепцов И.Е., Кнуренко С.П., Сабуров А.В., Егоров Ю.А., Петров З.Е. Глубина максимума развития ШАЛ с энергиями выше 1016 эВ по измерениям в индивидуальных событиях трековыми черенковскими детекторами. Журнал Известия Российской Академии Наук. Серия Физическая, 2019, T.83, №8, С1134-1136 DOI 10.1134/S0367676519080295