CC BY
19
УДК 537.591.15
ЗАВИСИМОСТЬ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННО-ФОТОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ОТ ЧИСЛА ЭЛЕКТРОНОВ В ШАЛ
НА УРОВНЕ ТЯНЬ-ШАНЯ И ЯДЕРНЫЙ СОСТАВ ПКИ ПРИ ЭНЕРГИЯХ 1-50 ПэВ
Н. М. Нестерова, Н. М. Никольская, В. П. Павлюченко
Приводятся полученные на Тянъ-Шанъской установке АДРОН экспериментальные данные о зависимости параметра "возраста" 5 в широких атмосферных ливнях космических лучей от числа электронов - величины, пропорциональной энергии первичных частиц Ео. Параметр 5 определяет крутизну пространственного распределения электронно-фотонной компоненты и отражает продольное развитие каскада в атмосфере, что позволяет сделать вывод об изменении ядерного состава первичных частиц с ростом Ео.
На Тянь-Шаньской комплексной установке АДРОН (690 г/см2) [1] были получены экспериментальные данные о функциях пространственного распределения электронно фотонной компоненты (ФПРЭ) в широких атмосферных ливнях (ШАЛ) в нескольких интервалах по числу электронов Ае от 5.6 - 105 до 3.2 • 10'. Величина зависит от энергии частиц первичного космического излучения (ПКИ) Ео в первом приближении как Ае ¡=а Е$ 9. ФПРЭ на уровне наблюдения отражает стадию продольного развития (возраст) каскада, которая зависит от массового числа ядра ПКИ и характеристик его взаимодействия с ядрами атомов воздуха, что используется в сочетании с характеристиками других компонент ШАЛ в ряде современных работ для оценки состава ПКИ.
Поперечные, как и продольные, распределения электронов ШАЛ принято аппроксимировать функциями Нишимуры - Каматы - Грейзена (NKG) с различными параметрами возраста S в зависимости от крутизны их спада с увеличением расстояния от оси ливня. В работе [2] было показано, что по экспериментальным данным поперечные ФПРЭ на разных уровнях наблюдения соответствуют меньшим S, чем расчетные продольные по NKG. Результаты дальнейших расчетов ФПРЛ приблизились к эксперименту [3]. Так что 5 по NKG используется нами как формальный параметр при сравнении с другими данными для описания ФПР электронно-фотонной компоненты ШАЛ на расстояниях до 120 м от оси, в пределах зенитных углов 0 - 30° (и 720 г/см2) от вертикали.
Следует отметить, что при обработке данных эксперимента АДРОН определение S проводилось путем аппроксимации пространственных распределений, полученных по показаниям сцинтилляционных детекторов (СЦ) - 5еч в каждом ливне. Здесь, в отличие от наших предыдущих данных, не исключался вклад фотонов, регистрируемых СЦ. Если учесть этот вклад, то 5 = 5СЧ + (0.15 ± 0.03). Основные параметры ШАЛ: X, У положение оси, зенитный и азимутальный углы, S и Ne были определены по программе "Space" [4].
Рис. 1. Распределения по параметру "возраста" 5СЧ ШАЛ в пяти интервалах по числу электронов Ne на уровне 720 г!см2.
Распределения по SC4 для ШАЛ получены в пяти интервалах по Ne. На рис. 1а Ne = (5.6 - 10.0) • 105, Ne = (10.1 - 17.8) • 10s, Ne = (56 - 100) • 105, а на рис. 16 - Ne = (56 - 100) • 105 (повторение рис. la для сравнения), Ne = (100 - 178) • 105, Ne = (178 — 316) ■ 10s (ошибки на рис. 1 - статистические).
Как видно из рисунков, с увеличением Ме от 5.6-105 до 1.8-107 происходит постоянное увеличение доли ШАЛ с малыми 5 ("молодых" ШАЛ). Так, вклад ШАЛ с 5СЧ < 0.6 (или 5 < 0.75) возрастает от 15% до 45%, тогда как вклад ШАЛ с 5еч > 0.8 (5 > 0.95) падает с 29% до 5% в этом диапазоне Ne. Доля "старых" ШАЛ с 5 > 1.2 очень мала. Недостаточная статистическая точность в обработанном массиве данных для интервала Л^ = (1.8 — 3.2) • 107 не позволяет сделать вывод о сохранении или прекращении этой тенденции.
Однако, обработка ШАЛ сверхвысоких энергий [5] с > 3 • 108 по другим алгоритмам показала, что около 100% таких ливней имеют ¿'с, < 0.6. Из-за малой статистики ШАЛ в [5] (в отличие от данной работы) рассматривались в области больших зенитных углов и расстояний от центра установки.
0.8
0.7
сл
0.6
F
.s„
Л S„
0.95
сл
0.80
0.17
0.12
о ст
• ст, л ст„
ехр
А »
i 1
osl.............I06S 0.07
5.75 6.00 6.25 6.50 6.75 7.00 7.25 7.50 5.75 6.00 6.25 6.50 6.75 7.00 7.25 7.50
log Ne log Ne
Рис. 2. а) Зависимость средних величин S: Scv и S от logNe для ШАЛ с надежно определенным S (точки) и менее надежно (треугольники), б) Значения среднего квадратичного отклонения распределений по 5СЦ от logNe: абсолютные значения без поправок на ошибки эксперимента (черные кружки) и с поправками (белые кружки); относительные значения с поправками (треугольники).
На рис. 2а представлена зависимость от Ne среднего значения 5: (левая шкала) и £ (правая шкала). Точки на этом рисунке соответствуют ШАЛ с надежно определенными параметрами, треугольники - с менее надежными; число последних увеличивается с ростом Ne, но не превышает 10%. Как видно из рис. 2а, с ростом Ne среднее значение 5 систематически уменьшается, но при Ne > 3.2-106 это изменение несколько замедляется.
Заметим, что соответствующее уменьшение S наблюдалось на старой Тянь-Шаньской установке в ШАЛ с Ne > 1.3 • 105 [6].
На рис. 26 дана зависимость средней ширины распределений по SC4 от Ne:crs. Черные точки - экспериментальные данные о as ЭКСп, белые - те же данные за вычетом ошибок измерения S: as — \Jo2 эксп — а2 оши6, треугольники - относительная ширина - ct3/S. Рис. 26 показывает, что относительная ширина распределений несколько увеличивается с ростом Ne в основном за счет роста доли "молодых" ШАЛ.
Надо отметить, что результаты разных серий измерений на Тянь-Шаньской установке АДРОН, обработанные по другим алгоритмам с аппроксимациями по NKG (Q100 Шаулов [7] и Nelder-Mid Чубенко), дали близкие значения сгззкеп, хотя по алгоритму Q100 распределения при SC4 = 0.5 — 1.0 смещены на +0.05.
10"
я
§1 Ч
§ю"2
10
-з
0.10--.
'^--.0.08
S>1.2
5.75 6.00 6.25 6.50 6.75 7.00 7.25 7.50
logNe
Рис. 3. Зависимости доли "молодых" с S < 0.6 и "старых" с S > 1.2 ШАЛ от logNe и экспериментальных ошибок (указаны возле каждой кривой). Кривые - из расчетов [8], точки - данный эксперимент (S < 0.6 - сплошные кривые и белые кружки, S > 1.2 - пунктир и черные кружки).
На рис. 3 на график из расчетной работы [8] нанесены наши экспериментальные результаты. На графике, как и в [8], показан набор кривых зависимости доли ШАЛ от Ме на уровне Тянь-Шаня с малыми и большими Б. Различные кривые соответствуют разным значениям экспериментальных ошибок в Я. Эти значения указаны возле каждой кривой: сплошные кривые для $ < 0.6, пунктирные - для $ > 1.2. Расчетные данные получены по модели С^БЛЕТ и диффузионной модели распространения ПКИ в Галактике. Ядерный состав ПКИ изменялся согласно [9] от достаточно "легкого" (60% Р и
20% Н + УН) при энергии ПКИ несколько ПэВ до "тяжелого" (40% Р и 40% Я + УН) при десятках ПэВ.
На рис. 3 белые кружки соответствуют экспериментальным ШАЛ с 5 < 0.6, черные - 5 > 1.2. По нашим оценкам экспериментальные ошибки составляют 0.11 при Л^ =
5 • 105 и несколько уменьшаются с ростом ЛГе.
Как видно из рис. 3, ШАЛ с 5 > 1.2 составляют не более 1% от полного числа и изменение их доли с Ne находится в пределах ошибок эксперимента. Доля "молодых" ШАЛ растет с ростом Ае, причем этот рост существенно превышает возможные ошибки измерения. Из-за разных продольных распределений электронно-фотонной компоненты ШАЛ в атмосфере от легких и тяжелых ядер должны различаться их поперечные распределения при стандартных предположениях о характере взаимодействия ПКИ. Причем, "молодые" ШАЛ генерируются в основном первичными протонами, хотя из-за значительных флуктуаций имеют достаточно широкое распределение по 5, тогда как "старые" генерируются тяжелыми ядрами из-за более быстрого развития каскада в атмосфере.
Известно, что при Аге = (1 — 2) • 106 (Е0 ~ 3 ПэВ) наблюдается "излом" (увеличение показателя) спектра ШАЛ по числу электронов. В работах [8, 9] "излом" объясняется изменением ядерного состава ПКИ таким образом, что при энергиях в несколько ПэВ начинают выбывать сначала протоны, затем легкие, средние и т.д. ядра, что приводит к существенному увеличению доли тяжелых ядер (Н + УН) при энергиях в несколько десятков ПэВ (при взаимодействии ПКИ с ядрами атомов воздуха по модели С^СБЛЕТ). Столь сильное увеличение доли ядер Н + УН: как в [9, 10], противоречит нашим экспериментальным данным о зависимости Б от АГе. Последние свидетельствуют о систематическом росте крутизны средней функции пространственного распределения электронно-фотонной компоненты ШАЛ (уменьшении 5) при изменении Л^ от 5 • Ю5 до 2 • 107 (Е0 кз 1.0 — 50 ПэВ), и скорее указывают на увеличение доли легких ядер, в основном протонов, в области энергий за "изломом".
Надо отметить, что до "излома" (при Ne = 5-105), где в расчетах [8] предполагается достаточно легкий состав ПКИ, наши экспериментальные данные хорошо совпадают с С^СБ^Т, что еще раз подтверждает наши выводы об отсутствии увеличения доли тяжелых ядер с ростом энергии ПКИ.
Однако, более основательные выводы можно делать при анализе результатов измерений нескольких компонент ШАЛ на основе расчетов с экстраполяцией измеренных на ускорителях характеристик ядерных взаимодействий и с учетом ядерного состава
ПКИ.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 98-02-16942.
ЛИТЕРАТУРА
[1] A d a m о V D. S., Afanasiev В. N., А г a b k i п V. V., et al. Ргос. 20th ICRC, Moscow, 5, 460 (1987).
[2] D anilo va T. V., Kabanova N. V., Nesterova N. M., S t a m e п о v J. N., et al. Proc. 15th ICRC, Plovdiv, 8, 129 (1977).
[3] Г о h ч a p о в A. И., Конопелько A. К., Пляшешников А. В. и др. Известия АН СССР, сер. физ., 53, 329 (1989).
[4] А с е й к и н В. С., Никольская H. М., Павлюченко В. П. Препринт ФИАН N 31, М., 1987.
[5] N e s t е г о v а N. M., Chubenko А. P., D j a t 1 о v P. A., et al. Ргос. 24th ICRC, Roma, 2, 748 (1995).
[6] Никольский С. И., Ромахин В. А. Ядерная физика, в печати (2000).
[7] A d a m о v D. S., А г a b k i n V. V., В e s s h а р о v S. P., et al. Proc. 24th ICRC Invited, Rapporteur, Highlight papers, Il Nuovo Cimento, 19, 999 (1996).
[8] К a 1 m y к о v N. N., Khristiansen G. В., О s t a p с h e п к о S. S., et al. Proc. 25th ICRC, Durban, 6, 277 (1997).
[9] S w о r d y S. Proc. 23rd ICRC Invited, Rapporteur, Highlight papers, 243 (1994); Proc. 24th ICRC, Roma, 2, 697 (1995).
[10] F о m i n Yu., Kalmykov N. N., Khristiansen G. В., et al. Proc. 25th ICRC, Durban, 4, 17 (1997).
Поступила в редакцию 29 марта 2000 г.
