CC BY
17
УДК 537.591.15
7-СЕМЕЙСТВА С "ГАЛО" ПРИ НАБЛЮДЕНИИ ШАЛ В РЭК И ОЦЕНКА ДОЛИ р + Не В ПКЛ ПРИ Е0 = 1-100 ПЭВ
Р. А. Мухамедшин1, В. С. Пучков2, С. Е. Пятовский2, С. Б. Шаулов2
В статье описаны экспериментальные 7-семейства, полученные в рентгеноэмульсионных камерах (РЭК) эксперимента ПАМИР, в которых зарегистрированы события, названные "гало". Природа гало объяснена в рамках стандартной модели ядерных взаимодействий. На основании событий с гало получена оценка доли р+Не в первичных космических лучах (ПКЛ). Показано, что массовый состав ПКЛ остается смешанным в диапазоне Е0 = 1-100 ПэВ.
Ключевые слова: рентгеноэмульсионная камера, широкий атмосферный ливень, космические лучи, массовый состав, гало.
Для исследования стволов ШАЛ в КЛ широко применяется метод РЭК. Схема установки РЭК ПАМИР представлена на рис. 1. Высокоэнергичная компонента стволов ШАЛ (Е7 > 2 ТэВ) регистрируется на рентгенографической пленке, расположенной между слоями РЬ, как отдельные пятна потемнений. Высокая разрешающая способность рентгенографической пленки и высокий порог регистрации 7-квантов позволяют регистрировать в РЭК узкие коллимированные пучки высокоэнергичных частиц в виде групп пятен потемнения, генетически связанных с индивидуальными ШАЛ и называемых 7-семействами.
Применение рентгенографической пленки с двухсторонним слоем эмульсии, разделенной пластической подложкой толщиной ~200 позволяет определять координаты, зенитный и азимутальный углы электронно-фотонной компоненты (ЭФК) ШАЛ с точностью ~100 3° и 15°, соответственно.
Плотность потемнения на рентгенографической пленке пропорциональна количеству 7-квантов и е± (далее - 7-кванты) в ЭФК, инициированной в РЬ, то есть пропор-
1 ИЯИ РАН, 117312 Россия, Москва, пр-т 60-летия Октября, 7а.
2 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: sep@lebedev.ru.
Рис. 1: Схема РЭК эксперимента ПАМИР.
циональна энергии 7-кванта Е1, вызвавшего электромагнитный каскад в РЬ. Точность определения энергии при фотометрировании а(Е7)/Е7 = 0.2-0.3.
С ростом энергии первичной частицы отдельные пятна от 7-квантов начинают перекрываться, создавая области повышенной оптической плотности. Такие семейства называются 7-семействами с гало.
Для анализа 7-семейств с гало использована МСО-модель [1], близкая к модели QGSJ и хорошо описывающая характеристики экспериментальных данных, полученных с помощью РЭК. Анализ экспериментальных данных РЭК ПАМИР с использованием МСО показал, что более 90% зарегистрированных 7-семейств образованы р+Не компонентой ПКЛ, и могут быть использованы для оценки доли протонов и ядер гелия (р+Не) в ПКЛ.
7-семейства с гало. События с гало наблюдаются в экспериментальных 7-семействах, начиная с Е0 ~ 3 — 5 ПэВ. Впервые событие с гало наблюдалось в японо-бразильском эксперименте на г. Чакалтая (Боливия), получившее название "Андромеда". Гало "Андромеда" было отнесено к экзотическим событиям в ядерных взаимодействиях.
В дальнейшем события с гало наблюдались в других экспериментах с РЭК, в т.ч. в РЭК ПАМИР. Статистика РЭК ПАМИР включает 61 7-семейство с гало при суммарной экспозиции 3000 м2-год-ср. Крупнейшими по площади стали гало "ФИАНИТ" (рис. 2) и "Таджикистан".
Для изучения явления гало, по модели МС0 разыграны 7-семейства в диапазоне Е0 = 0.3-3000 ПэВ со следующими критериями:
- минимальная энергия семейств на уровне наблюдения 100 ТэВ;
- минимальное количество частиц в семействах = 3;
- ПКЛ представлены частицами 9 групп ядер: р, Не, С, К, О, М^, Б1, V, Ре;
- глубина уровня наблюдения 594 г/см2 для РЭК ПАМИР [2, 3] и 695 г/см2 для ШАЛ+РЭК эксперимента АДРОН (Тянь-Шань) [4];
- порог учета частиц по энергии 100 ГэВ для 7-квантов и стабильных адронов, приходящих в РЭК из атмосферы;
- зенитный угол прихода ядер ПКЛ в диапазоне от 0 до 0.9 рад.
Расчет гало выполнен с использованием разыгранных по модели МС0 7-семейств методом Монте-Карло с применением алгоритма "шахматная доска". Предварительный отбор 7-семейств соответствует обработке экспериментальных данных в РЭК ПАМИР:
- отбор 7-квантов;
- 7-семейства с £Е7 > 100 ТэВ (Е7 > 4 ТэВ) и 7-кванты с расстоянием до энергетически взвешенного центра тяжести 7-семейства Я < 15 см.
В использованном в расчете гало алгоритме "шахматная доска" применены функции пространственного распределения (ФПР) 7-квантов в РЬ, которые были рассчитаны для конфигурации РЭК ПАМИР. ФПР алгоритма "шахматная доска" учитывают расстояние 7-квантов до оси ШАЛ (Я), глубину развития каскада в РЬ, энергию 7-квантов и вероятность того, что первое взаимодействие происходит в глубине РЭК. ФПР согласованы друг с другом в осевом приближении и приближении больших Я и учитывают эффект Ландау-Померанчука-Мигдала.
Условия отбора 7-семейств с гало в РЭК ПАМИР и для расчетов по модели МС0:
- £Е7 > 500 ТэВ;
- площадь гало £^=0.5 внутри изоденсы с оптической плотностью О = 0.5 £^=0.5 > 4 мм2 - для гало с одним центром;
однако в ряде случаев гало может содержать несколько центров; в этом случае гало называется "многоцентровым", а его суммарная площадь:
^6ш=0.5 > 4 мм2, если 6ш=0.5 > 1 мм2.
В 7-семействах с £Е7 > 500 ТэВ (Е7 > 4 ТэВ) каскады от высокоэнергичных 7-квантов в РЬ РЭК перекрываются, образуя на рентгенографической пленке области с высокой оптической плотностью. Расчеты по алгоритму "шахматная доска" с применением ФПР позволили получить гало, аналогичные экспериментальным. На рис. 2 представлены экспериментальное гало "ФИАНИТ" (слева) и расчетное гало, образованное первичным р (Ер = 420 ПэВ) (справа) с площадями, $ьа1о, 1020 мм2 и 2100 мм2, соответственно. Как следует из рис. 2, механизм образования 7-семейств с гало хорошо описывается в рамках стандартной модели ядерных взаимодействий.
Рис. 2: Скан гало "ФИАНИТ" (оценка Е0 по энерговыделению в РЭК ~400 ПэВ, $ьа1о = 1020 мм2) (слева); расчетное гало, образованное первичным р (Ер = 420 ПэВ, 5ъа1о = 2100 мм2) (справа).
Расчеты показали, что регистрируемые в РЭК 7-семейства без гало с ХЕ7 = 100400 ТэВ (Е7 > 4 ТэВ) в основном образованы первичными р с Е0 = 1-10 ПэВ, в то время как 7-семейства с гало с £Е7 > 500 ТэВ (Е7 > 4 ТэВ) в основном образованы первичными р+Не с Е0 > 10 ПэВ. Наблюдаемое в РЭК ПАМИР большое количество 7-семейств с гало указывает на значительную долю р+Не в спектре ПКЛ вплоть до Е0 ~ 100 ПэВ.
Таким образом, гало, наблюдаемые в РЭК, в основном образованы р+Не (> 90%), механизм образования гало описывается в рамках стандартной модели ядерных взаимодействий, что позволяет использовать 7-семейства с гало для оценки доли р+Не в ПКЛ.
Вероятности образования 7-семейств с гало ядрами ПКЛ. Массовый состав ПКЛ в расчетах по МС0 представлен в табл. 1. Расчеты показали, что 83% всех 7-семейств с гало образованы первичными р, 13% - ядрами Не, и < 4% - тяжелыми ядрами (рис. 3). Данные расчеты позволяют получить оценку доли р+Не в массовом составе ПКЛ в диапазоне Е0 = 1-100 ПэВ.
Таблица 1
Массовый состав ПКЛ в расчетах по модели МС0
Е, ПэВ 1 10 100
Р, % 33 26 20
Не, % 22 17 15
Расчеты по МС0 показывают, что в случае, когда ПКЛ состоят только из р, вместо 61 гало, зарегистрированных в РЭК ПАМИР, количество наблюдаемых гало должно быть 140, а в случаях чистого Не и тяжелых ядер 34 и 5, соответственно. Из сказанного следует, что, с учетом ошибки (61 ± 8 экспериментально зарегистрированных гало), доля р+Не и ядер > Не в массовом составе ПКЛ при Е0 = 10 ПэВ должна быть > 33%.
Рис. 3: Зависимость потока 7-семейств с гало от энергии и относительные доли ядер ПКЛ, образующих данные семейства.
Доля ^-семейств с многоцентровыми гало. В ряде случаев гало состоит из нескольких центров. Доля многоцентровых гало - параметр, сильно зависящий от типа ядра ПКЛ (табл. 2), т.е. многоцентровость - параметр, чувствительный к доле р+Не в ПКЛ.
Из табл. 2 следует, что 7-семейства с гало в основном образуют первичные р с возможно небольшой долей Не. Данный вывод подтверждают вероятности образования 7-семейств с гало от ядер ПКЛ с Е0 > 5 ПэВ (табл. 3).
Таблица 2
Доля ^-семейств с многоцентровыми гало, образованными различными ядрами
p He C Fe MC0 ПАМИР
0.25 0.45 0.59 0.70 0.28 0.23
±0.03 ±0.09 ±0.11 ±0.03 ±0.03 ±0.07
Таблица 3
Вероятности образования гало
P He > He
1.76% 0.44% 0.13%
Расчеты показывают (табл. 3), что при E0 > 5 ПэВ эффективность образования Y-семейств с гало первичными р в четыре раза выше, чем ядрами He. Данное обстоятельство объясняет преимущественную регистрацию в РЭК Y-семейств с гало, образованных р.
Возраст ШАЛ для оценки массового состава ПКЛ. По данным эксперимента АД-РОН [4], проведенного на Тянь-Шане на высоте 3330 м н.у.м. (695 г/см2), проанализировано ~800000 ШАЛ и установлена тенденция массового состава ПКЛ становиться более тяжелым с ростом E0 - от р к тяжелым ядрам в диапазоне E0 = 1-100 ПэВ (рис. 4).
Горизонтальное развитие ШАЛ определено с применением NKG-функции:
p(Ne, r, S) = C(S)Ne ■ (r/ro)S-2(1 + r/ro)^5,
где p - плотность e± на расстоянии r от оси ШАЛ, Ne - количество e± в ШАЛ, S -возраст ШАЛ на уровне наблюдения, r0 - радиус Мольера. Параметр S характеризует крутизну спада ФПР.
Результаты расчета зависимости среднего значения возраста ШАЛ, (S), от Ne (количество заряженных частиц) для уровня эксперимента АДРОН в сравнении с экспериментальными данными ШАЛ+РЭК (АДРОН) и ШАЛ (KASCADE, Karlsruhe), для которого проанализировано 1 млн. событий, представлены на рис. 4. Данные ШАЛ (KASCADE, Karlsruhe) приведены к уровню эксперимента АДРОН в предположении линейной зависимости S(Ne). Расчетные для АДРОН границы значений S для р, He, C и Fe показаны на рис. 4 пунктирными линиями: с ростом E0 максимум развития ШАЛ смещается в глубь атмосферы, и S уменьшается.
Рис. 4: Зависимость возраста Б ШАЛ от Ые. Зависимость для ШАЛ, образованных первичными р, С, Не и Ее (расчет по МС0 для АДРОН), пунктирные линии; данные АДРОН [4, 7] (ромбики и полые треугольники), КАБСАБЕ [8] (залитые кружки).
Утяжеление среднего массового состава ПКЛ в диапазоне энергий E0 = 5-50 ПэВ соответствует данным АДРОН. Однако в соответствии с данными АДРОН массовый состав ПКЛ остается смешанным со значительной долей p+He до E0 = 50 ПэВ, в то время как данные KASCADE показывают, что при E0 = 50 ПэВ средний возраст ШАЛ соответствует преобладающей доле Fe в массовом составе ПКЛ.
Анализ параметра S, полученный на основании данных АДРОН, показывает, что массовый состав ПКЛ остается смешанным до E0 = 100 ПэВ.
Доля p+He в соответствии с экспериментальными данными ARGO, CREAM и РЭК ПАМИР. Доля p+He в зависимости от E0 в соответствии с данными экспериментов ARGO, CREAM и РЭК ПАМИР представлены на рис. 5.
В соответствии с данными ARGO доля p+He измерена до E0 ~ 3 ПэВ и начинает быстро уменьшаться при E0 ~ 1 ПэВ. Доля p+He представлена на рис. 5 сплошной линией [6]. В то же время в соответствии с данными РЭК ПАМИР доля p+He при тех же E0 существенна и не может быть меньше 33%.
Рис. 5: Зависимости потока p+He от E0 по данным экспериментов ARGO и CREAM в соответствии с [5] (левая ось) и доли p+He от E0 по данным ARGO [6] и РЭК ПАМИР (черная линия, правая ось).
Аналогичные результаты следуют из анализа возраста ШАЛ в соответствии с данными АДРОН. Массовый состав ПКЛ остается смешанным с тенденцией к утяжелению при Е0 = 1-100 ПэВ.
Выводы. Выполненные расчеты объяснили природу 7-семейств с гало в рамках стандартной модели ядерных взаимодействий, которая дает хорошее описание экспериментальных данных РЭК ПАМИР:
1. Явление гало в 7-семействах не является экзотическим событием, но представляет собой перекрытие отдельных пятен потемнения на рентгенографической пленке;
2. Оценка доли р+Не в массовом составе ПКЛ при Е0 = 10 ПэВ, основанная на сравнении экспериментально определенного количества 7-семейств с гало и известных вероятностей образования гало первичными р и Не, соответствует > 33%;
3. При Е0 = 1-100 ПэВ массовый состав ПКЛ остается смешанным с тенденцией к утяжелению.
ЛИТЕРАТУРА
[1] R. A. Mukhamedshin, Eur. Phys. J. C 60, 345 (2009); DOI: 10.1140/epjc/s10052-009-0945-y.
[2] В. С. Пучков, А. С. Борисов, А. С. Гусев и др., Известия Российской академии наук. Сер. Физическая 75(3), 421 (2011).
[3] A. S. Borisov, Z. M. Guseva, V. G. Denisova, et al., EPJ Web of Conferences 52, 04007 (2013). DOI: 10.1051/epjconf/20125204007.
[4] S. P. Besshapov, K. V. Cherdintseva, A. P. Chubenko, et al., Nuclear Physics B-Proceedings Supplements 196, 118 (2009). DOI: 10.1016/j.nuclphysbps.2009.09.021.
[5] I. De Mitri on behalf of the ARGO-YBJ collaboration. EPJ Web of Conferences 99, 08003 (2015). DOI: 10.1051/epjconf/20159908003.
[6] S. S. Zhang and Z. Cao for the LHAASO and ARGO-YBJ Collaboration. in: Proc. of the 34 th Interactional Cosmic Ray Conference, Hague, Netherlands, 2015 PoS(ICRC2015) 261. URL: http://pos.sissa.it/236/261/pdf.
[7] В. С. Асейкин, Н. Г. Вильданов и др., Препринт ФИАН № 178 (М., ФИАН, 1981).
[8] Проект KCDC (KASCADE Cosmic Ray Data Centre). URL: https://kcdc.ikp.kit.edu.
Поступила в редакцию 29 декабря 2016 г.
