CC BY
38
УДК 537.591.15
ЯДЕРНЫЙ СОСТАВ ПКИ ПРИ ЭНЕРГИЯХ 1-10 ПэВ, ОПРЕДЕЛЕННЫЙ ПО ПРОСТРАНСТВЕННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЭЛЕКТРОННО-ФОТОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ШАЛ, СОПРОВОЖДАЮЩИХ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫЕ ГАММА-КВАНТЫ В РЭК НА
УРОВНЕ ТЯНЬ-ШАНЯ
Н. М. Нестерова. С. Б. Шаулов
Приводятся данные Тянь-Шаньской установки "Адрон" об изменении пространственных распределений электронно-фотонной компоненты ШАЛ (параметра "возраста" Б) в широких атмосферных ливнях космических лучей, сопровождающих высокоэнергичные гамма-кванты и адроны в рентгеноэмулъсионных камерах, в зависимости от числа электронов — величины, характеризующей энергию первичного ядря Ео- Такие события генерируются преимущественно протонами и позволяют судить об их роли в ПКИ при различных Ео. Результаты показывают, что в области энергий ПКИ за "изломом" спектра ШАЛ по 7Уе при ]\Ге > 106 доля легких ядер не уменьшается до 10', либо увеличивается доля частиц, проникающих в глубь атмосферы.
Одной из основных проблем космических лучей в диапазоне первичных энергий 0.1 - 100 ПэВ является выяснение причин изменения вида спектров различных компонент широких атмосферных ливней (ШАЛ), т.н. "излом" спектров (изменение показателя при аппроксимации степенным законом), в первую очередь, "излом" спектра ШАЛ по числу электронов, зарегистрированный многими установками [1 - 5] и др. (см. [6]). Он наблюдается при пересчете к энергии первичного космического излучения (ПКИ) по стандартным моделям в области Ео = 3 — 5 ПэВ. В ряде работ, например, в [7, 8] и
др. "излом" объясняется изменением ядерного состава. Представленность различных ядер ПКИ согласно диффузионной модели изменяется таким образом, что при энергиях в несколько ПэВ начинают выбывать из его состава сначала протоны, а затем по мере увеличения энергии (в соответствии с магнитной жесткостью) и другие ядра. Это должно приводить к значительному увеличению доли тяжелых ядер при энерги ях более 10 ПэВ. Анализ экспериментальных данных по ШАЛ, зарегистрированных разными установками, с целью определить как изменяется ядерный состав ПКИ после "излома" пока не дал определенного результата. Другое объяснение изменения спектра предполагает дополнительный вклад в ПКИ от близкого космического источника [6|. В работе [9] наличие "излома" объясняется не изменением состава ПКИ, а изменением характера его взаимодействия с ядрами атомов воздуха.
На комплексной установке "Адрон", расположенной на Тянь-Шане (690 г/см2) [2, 3], получены экспериментальные данные о зарегистрированных в рентгеноэмульсионных камерах (РЭК) высокоэнергичных гамма-квантах и ядронах в ШАЛ от ПКИ с энергией Ео до 20 ПэВ [10], которые при этих энергиях согласно модельным расчетам [11, 12] эффективно генерируются преимущественно протонами и легкими ядрами.
Для событий в РЭК были определены энергия и координаты, после чего они по показаниям ионизационных камер, прослоенных РЭК, были сопоставлены с определенными ШАЛ [13].
Полное число электронов Ые в ШАЛ, по которому была проведенная классификация событий, примерно пропорционально Ечто позволяет судить об изменениях процессов с ростом энергии ПКИ Е0. Пространственные распределения электронно-фотонной компоненты (ФПРэ) в ШАЛ отражают продольное развитие каскада в ат мосфере, которое зависит от заряда ядра ПКИ и характеристик его взаимодействия с ядрами атомов воздуха. Из-за разных продольных распределений электронно-фотонной, компоненты ШАЛ в атмосфере от легких и тяжелых ядер должны различаться их по перечные распределения (при стандартных предположениях о взаимодействии).
Как продольные, так и поперечные распределения принято характеризовать параме тром каскадной теории 5. Причем, "молодые" ШАЛ с малыми 5" генерируются в основном первичными протонами, хотя последние из-за значительных флуктуаций должны иметь достаточно широкое распределение по Я, тогда как "старые" с большими 5' генерируются тяжелыми ядрами из-за более быстрого развития каскада в атмосфере
Параметры электронно-фотонной компоненты (X. У - координаты оси, зенитный и азимутальный углы ее наклона, Ne, 5) определялись по показаниям сцинтилляцион
ных детекторов (СЦ). При основной обработке данных они были найдены по программе "Space" [14], где значения S ограничивались: для ШАЛ с S < 0.35 принималось S = 0.35. Затем при анализе материала с событиями в РЭК были также использованы алгоритмы определения параметров ШАЛ по программе "Q100" [15] без ограничения по S. Пространственные распределения электронов ШАЛ аппроксимировались функциями Нишимуры-Каматы-Грейзена (NKG) с различными параметрами "возраста" S в зависимости от их крутизны на расстояниях до 120 м от оси в пределах зенитных углов 0 - 30°, где реальные средние ФПРэ хорошо совпадают с NKG. Современные расчеты отличаются от NKG, поэтому значение S по NKG применялось нами как формальный параметр для сравнения с другими данными, использующими его. Надо отметить, что значение S при обработке данных эксперимента "Адрон" определялось путем аппроксимации ФПРэ, полученных по показаниям СЦ - SC4 в каждом ливне. Здесь, в отличие от прежних данных Тянь-Шаньской установки [2, 9], при определении S не исключался вклад фотонов, регистрируемых СЦ. Если учесть этот вклад, то 5СЧ < 5" и
S = 5СЧ + (0.15±0.03) по "Space" или S ~ 5СЧ±0.1 по "Q100". Эта поправка учитывалась затем при определении Ne.
Распределения по S (SC4) были получены в разных интервалах по Ne как для событий с гамма-квантами и адронами в РЭК, так и для всех ШАЛ по программам "Space" и "Q100", которые дали близкие распределения по SC4, но по "Q100" с несколько большими "хвостами" и при SC4 = 0.5 — 0.8 смещенные примерно на +0.05. На рис. 1 представлены распределения по SC4 для интервалов по Ne: (5.6 —10.0) • 105, (18 —32)-10°, (56 — 100) • 105 для ШАЛ, сопровождающих гамма-кванты и адроны в РЭК с суммарной энергией семейств адронов > 4 ТэВ, и гамма-квантов > 10 ТэВ когда энергии отдельных частиц Eh и Ед > 2 ТэВ при числе частиц в семействе тг > 1 (толстые линии). Для сравнения аналогичные распределения представлены и для всех ШАЛ (тонкие линии). Данные получены при обработке ШАЛ по программе "Q100" (ошибки на рис. 1 - статистические).
Как видно из этого рисунка, с увеличением Ne от 5.6-105 до 5.6-106 происходит постоянное увеличение доли ШАЛ с малыми S ("молодых" ШАЛ), при этом максимум распределений смещается примерно на —0.1. Аналогичные распределения, полученные по программе "Space" при отборе ШАЛ, сопровождающих более высокоэнергичные гамма-кванты с Ед > 16 ТэВ и Ед > 4 ТэВ при п > 1, дали аналогичные результаты, где эта тенденция выражена более ярко.
На рис. 2а представлена зависимость от Ne доли "молодых" ШАЛ с SC4 < 0.5
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 IgNe=6.75-7.00
0.0 0.2 0.4 0.6
CNO+H+VH^
Рис. 1. Распределения по параметру 5СЧ для разных интервалов по Ne (по алгоритму Q100) Толстые линии (квадраты) - для ШАЛ с гамма-квантами и адронами, тонкие (кресты) для всех ШАЛ. Значения log Ne указаны возле каждого отдельного рисунка.
Рис. 2. Зависимость от Ne доли ШАЛ с гамма-квантами и адронами от полного числа таких ШАЛ. а) Эксперимент - ШАЛ с S < 0.6 (Scv < 0.5) - черные квадраты, S > 0.85 (SC4 > 0.7b) - косые кресты (по алгоритму Q100). б) Расчет по MQ1 ШАЛ от ядер ПК И Р + а - сплошная кривая, CNO+H+VH - пунктирная кривая.
(S < 0.60) и несколько более "старых" с > 0.75 (S > 0.85) в событиях ШАЛ с семействами в РЭК, распределения которых представлены на рис. 1. Данные рис. 2а имеют по программе "Space" качественно такие же закономерности. Как видно из рис. 2а, в диапазоне Ne = (1.0 - 5.6) • 106 (Е0 = 2 - ЮПэВ) доля "молодых" ШАЛ растет с ростом Ne (Ео), тогда как доля более "старых" уменьшается. При Ne > 5.6 • 106 намечается окончание этого роста, но здесь для определенного вывода мала статистика событий. Кроме того, по расчетам в этой области уже становится заметным вклад бо лее тяжелых ядер ПКИ при образовании высокоэнергичных гамма-квантов и адронов в
ШАЛ.
В работе [16] был проведен аналогичный анализ для всех ШАЛ и сделан такой же вывод. Таким образом, экспериментальные данные о ШАЛ, сопровождаемых высокоэнергичными гамма-квантами и адронами, так же как данные о всех ШАЛ, свидетельствуют о систематическом росте крутизны (уменьшении S) функции пространственного распределения электронно-фотонной компоненты ШАЛ при изменении Ne от 106 до 5.6-106. Если считать, что с увеличением энергии ПК И характер взаимодействия не изменяется и соответствует современным моделям, основанным на экстраполяции данных ускорителей в область энергий ШАЛ, то можно ожидать некоторого "омоложения" ШАЛ в связи со смещением максимума развития ШАЛ в глубь атмосферы при неизменном составе ПКИ, обогащение же его тяжелыми ядрами ведет к обратному процессу.
В нашей работе [15] экспериментальное отношение доли "молодых" событий с S < 0.6 во всех ШАЛ к доле событий со средними S = 0.6 — 0.8 сравнивается с расчетами по модели QGSJET и диффузионной модели [16], где учтено смещение с Ео максимума ШАЛ в атмосфере. Результат сравнения указывает на существенное противоречие с предположением, что ядерный состав в диапазоне Ne = (1—5)-106 (до энергий ~ 10 ПэВ) может обогащаться тяжелыми ядрами.
Как уже упоминалось, по расчетам эффективность генерации ШАЛ, сопровождаемых высокоэнергичными гамма-квантами и адронами, при этих Ne значительно выше для первичных протонов и легких ядер, чем для более тяжелых. Поэтому наши данные о пространственных распределениях электронно-фотонной компоненты в этих ШАЛ подтверждают, что в области энергий ПКИ за "изломом" спектра ШАЛ по числу электронов на уровне Тянь-Шаня, доля легких ядер не уменьшается и, возможно, растет; либо увеличивается доля частиц, проникающих в глубь атмосферы.
Такой же вывод был сделан нами в работе [18] при сравнении спектров по Ne для ШАЛ, сопровождаемых высокоэнергичными гамма-квантами, с расчетами по модели MQ1.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 98-02-16942.
ЛИТЕРАТУРА
[1] F о ш i п Yu. A., Khristiansen G. В., К u 1 i к о v G. V. et al. Ргос. 22nd ICRC, Dublin, 2, 85 (1991).
[2] A d а ш о v D. S., Afanasiev В. N., Arabkin V. V. et al. Ргос. 20th ICRC, Moscow, 5, 460 (1987).
[3] N e s t e г о v a N. M., С h u b e n к о A. P., D j a t 1 о v P. A. et al. Proc. 24th ICRC, Roma, 2, 748 (1995).
[4] Nagano M., T e s к i m a M., M a t s u b а г a Y. et al. Proc. 22nd ICRC, 2, 89.
[5] EAS-TOP coll., Proc. 24th ICRC, Roma, 2, 732 (1995).
[6] Erlykin A. D., Wolfendale A. W. J. Phys. G, Nucl. Part, 23, 979 (1997).
[7] S w о r d у S. Proc. 23rd ICRC, 1996, Invited, Rapporteur, Highlight papers, 243, Proc. 24th ICRC, Roma, 2, 697.
[8] F о m i n Yu. А., К a 1 m у к о v N. N., К h r i s t i a n s e n G. B. et al. Proc. 25th ICRC, Durban, 4, 17 (1997).
[9] Никольский С. И., Ромахин В. А. Ядерная физика, 11 (2000), в печати.
[10] A d a m о v D. S., Arabkin V. V., В а г k а 1 о v К. V. et al. Proc. 20th ICRC, Moscow, 6, 144 (1987).
[11] D u n a e v s к у A. M. et al. ICR on UHE CRI, API 1995, Conf. Proc. 276, 136.
[12] Крутикова H. П., Шаулов С. Б. Препринт ФИАН N 7, М., 1998.
[13] Shaulov S. В. Preprint FIAN N 31, Moscow, 1987.
[14] Асейкин В. С., Никольская Н. М., Павлюченко В. 11. Препринт ФИАН N 31, М., 1987.
[15] Adamov D. S., Arabkin V. V., В е s s h а р о v S. P. et al. Proc. 24th ICR, Roma, 1996, Invited, Rapporteur, Highlight papers, II Nuovo Cimento, 19, 999
[16] Нестерова H. M., Никольская H. M., Павлюченко В. II. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 6, 17 ().
[17] Kalmykov N. N., Khristiansen G. В., Ostapchenko S. S. et al. Proc. 25th ICRC, Durban, 6, 277 (1997).
[18] Арабкин В. В., Баркалов К. В., Вильданов Н. Г. и др. Известия РАН, сер. физ., 63, N 3, 517 (1999).
Поступила в редакцию 8 декабря 2000 г.
