ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2019, том 82, № 6, с. 495-499

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

НЕОБЫЧНАЯ ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА

ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ

ПРИ ЭНЕРГИЯХ ВЫШЕ 10¹⁷ эВ

В. Д. Мосунов¹⁾, В. А. Рябов^1)*, С. Б. Шаулов¹⁾, М. И. Вильданова¹⁾,

В. В. Жуков¹⁾, К. А. Байгарин²⁾, Д. Безноско³⁾, Т. Х. Садыков⁴⁾

Поступила в редакцию 21.03.2019 г.; после доработки 21.03.2019 г.; принята к публикации 21.03.2019 г.

На экспериментальной установке Горизонт-Т, которая расположена на Тянь-Шанской высокогорной

научной станции ФИАН на высоте 3346 м над уровнем моря, зарегистрированы широкие атмосферные

ливни, характеризующиеся наличием многокомпонентной временной структуры. Такая структура

обнаружена в ливнях, энергии которых превышают 10¹⁷ эВ, и свидетельствует о том, что, в отличие

от стандартного механизма развития ядерно-электромагнитного каскада, частицы ливня пересекают

уровень наблюдения в составе нескольких ливневых дисков.

DOI: 10.1134/S0044002719060035

ВВЕДЕНИЕ

стоящей работе мы представляем результаты ана-

лиза ШАЛ с необычными временными характери-

Измерение энергетического спектра и массо-

стиками, зарегистрированными в период с 15 фев-

вого состава космических лучей, а также поиск

раля по 12 мая 2018 г.

анизотропии в направлениях их прихода являются

главными задачами многочисленных астрофизиче-

ских экспериментов [1]. Большое значение для по-

УСТАНОВКА ГОРИЗОНТ-Т

нимания природы космических лучей имеет и изу-

чение необычных явлений, наблюдаемых при ре-

ТШВНС ФИАН расположена в горах Север-

гистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ).

ного Тянь-Шаня на высоте 3340 м над уровнем

Таким явлением оказалось наблюдение запазды-

моря, где глубина атмосферы составляет 690 г/см².

вающих частиц в ШАЛ, исследование которых

На станции работает установка Горизонт-Т, пред-

берет начало от работы Джелли, опубликованной в

назначенная для детального изучения простран-

1953 г. [2]. Затем в ряде независимых эксперимен-

ственных и временных характеристик заряженных

тов регистрировались отдельные события ШАЛ с

частиц в индивидуальных ШАЛ. Установка, схема

необычной временной структурой [3-7]. Основным

которой представлена на рис. 1, имеет десять пунк-

выводом этих исследований было утверждение о

тов регистрации заряженных частиц.

том, что известные физические процессы развития

электронно-ядерных каскадов не объясняют про-

В каждом из десяти пунктов размещены сцин-

исхождение ливней с нестандартными временными

тилляционные детекторы (СЦ-детекторы) на ос-

характеристиками.

нове пластин полистирола площадью 1 м² и тол-

Для детального изучения временной структу-

щиной 5 см. Сцинтилляционный свет регистриру-

ры ШАЛ на Тянь-Шанской высокогорной науч-

ется ФЭУ Hamamatsu R7723 (в пунктах 1-8) и

ной станции (ТШВНС) была создана установка

Hamamatsu RA3168 (в пунктах 9 и 10). Времен-

Горизонт-Т [8-10], которая регистрирует прохож-

ное разрешение СЦ-детектора составляет 7.16 ±

дение ШАЛ с наносекундными точностями. В на-

± 0.40 нс [10].

Аналоговые импульсы со всех детекторов уста-

¹⁾Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва,

новки поступают по кабельным трассам на пункт

Россия.

²⁾ Назарбаев Университет, Астана, Казахстан.

1, где размещены аналого-цифровые преобразова-

³⁾Бард Колледж, Новый Орлеан, США.

тели и компьютер, который управляет установкой

⁴⁾Физико-технический институт, Алматы, Казахстан.

и сохраняет информацию о каждом ШАЛ в своей

^*E-mail: ryabov@x4u.lebedev.ru

памяти.

495

496

БЕЙСЕМБАЕВ и др.

Север

393 м

1000 м

155 м

367 м

194 м

Восток

133 м

148 м

594 м

454 м

Рис. 1. Схема расположения десяти пунктов регистрации установки Горизонт-Т. Показаны расстояния от пунктов

регистрации до центра установки, который находится в пункте 1.

Таблица 1. Светосила и интенсивность регистрации ливней для различных энергий

E₀ [эВ]

10¹⁶

2 × 10¹⁶

5 × 10¹⁶

10¹⁷

2 × 10¹⁷

10¹⁸

Γ [км² ср]

0.38

0.72

0.97

1.52

2.72

6.31

N/t [соб./ч]

25.60

7.98

2.25

1.04

0.52

0.06

При одновременном прохождении заряженных

Здесь мы представляем результаты обработки

частиц через пункты 5 и 6 вырабатывается триг-

и анализа 217 ливней, в которых были зареги-

гер, который запускает установку. Пороги для вы-

стрированы импульсы с двухкомпонентной вре-

работки триггера выбраны таким образом, что-

менной структурой в СЦ-детекторе, расположен-

бы интенсивность регистрации ливней составля-

ном в пункте 9. Пример события с двумя импульса-

ла около 15 соб./ч. При таком пороге установ-

ми, зарегистрированными в СЦ-детекторе от про-

ка регистрирует ШАЛ с энергиями выше E₀ =

хождения ливня с энергией 2 × 10¹⁷ эВ, показан

= 2 × 10¹⁶ эВ. В табл. 1 даны светосила уста-

на рис. 2. Для отобранных 217 ливней времена

t₁₂ запаздываний второго импульса относительно

новки Г и ожидаемая интенсивность регистрации

первого в зависимости от расстояния R от пункта

электронно-ядерных ливней N/t в зависимости от

9 до оси ШАЛ представлены на рис. 3. В 37 лив-

энергии первичной частицы E₀.

нях времена запаздываний t₁₂ оказались меньше

100 нс, а в 33 ливнях - оказались больше 1000 нс.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 4 представлены распределения длитель-

ностей первого и второго импульсов τ₁ и τ₂. Левая

За 1896 ч на установке Горизонт-Т было за-

и правая гистограммы на рис. 3 показывают, что

регистрировано 26940 событий с интенсивностью

в пределах флуктуаций первые и вторые импульсы

14.2 соб./ч и порогом регистрации 2 × 10¹⁶ эВ.

не отличаются друг от друга. Это указывает на то,

Среди этих событий найдено 962 события с энер-

что ШАЛ с запаздывающими частицами состоит из

равноправных ливневых дисков.

гией выше 10¹⁷ эВ, в которых зарегистрированы

импульсы с многокомпонентной временной струк-

Для 217 зарегистрированных ливней построено

турой.

поле точек с координатами (R, τ), которое показано

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№6

2019

НЕОБЫЧНАЯ ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА

497

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

5300

5400

5500

5600

5700

5800

5900

6000

6100

6200

6300

6400 t, нс

Рис. 2. Пример ШАЛ с энергией 2 × 10¹⁷ эВ и двумя импульсами, соответствующими прохождению двух ливневых

дисков через детектор, расположенный в пункте 9 на расстоянии R = 465 м от оси ливня. Первый импульс имеет

длительность τ1 = 28 нс, второй - τ2 = 31 нс. Время запаздывания второго импульса относительно первого составляет

t12 = 292 нс.

t₁₂, нс

10 000

1000

100

200

300

400

500

600

700

800

R, м

Рис. 3. Времена запаздываний t12 в зависимости от расстояния до оси ливня R.

на рис. 4. Здесь τ - длительности импульсов,

ся от 20 до 650 нс. Таким образом, обнаруженная

R - расстояние до оси ливня. Кривые на рис. 5

в эксперименте Горизонт-Т двухкомпонентная вре-

показывают зависимость длительностей импульсов

менная структура импульсов с необычно малыми

от расстояния до оси ШАЛ для трех ливней с

длительностями на расстояниях до 900 м от оси

ливня противоречит механизму развития ядерно-

энергиями 5 × 10¹⁷ эВ. Эти ливни разыграны с ис-

электромагнитных ливней.

пользованием программного пакета CORSIKA, в

котором реализованы стандартные представления

о развитии ядерно-электромагнитных ливней.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ экспериментального распределения по-

На установке Горизонт-Т обнаружены ШАЛ с

ля точек (R, τ) приводит к неожиданному резуль-

многокомпонентной временной структурой. Такие

тату. В зарегистрированных событиях ШАЛ с дву-

ливни имеют энергию выше 10¹⁷ эВ и характе-

мя импульсами длительности первых импульсов

ризуются несколькими разделенными во времени

на любых расстояниях от оси ливня остаются в

импульсами. На любых расстояниях (от 50 до

пределах (29.28 ± 6.61) нс, длительности вторых

900 м) от оси в 217 ливнях СЦ-детектором пунк-

импульсов остаются в пределах (28.41 ± 5.04) нс.

та 9 были зарегистрированы по два импульса с

Как следует из модельных расчетов по стан-

практически одинаковой длительностью ∼28 нс.

дартной теории, в ядерно-электромагнитных лив-

В расчетах электронно-ядерных ливней по модели

нях при изменении расстояний до оси ливня от 50

CORSIKA эта длительность импульсов на указан-

до 900 м длительности импульсов должны менять-

ных расстояниях должна меняться от 20 до 650 нс.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№6

2019

498

БЕЙСЕМБАЕВ и др.

50 τ₁, нс

τ₂, нс

Рис. 4. Длительности первого (слева) и второго (справа) импульсов в СЦ-детекторе. В каждом бине указано количество

событий в соответствующем интервале длительностей.

τ, нс

700

600

500

400

300

200

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000 R, м

Рис. 5. Длительности импульсов τ в зависимости от расстояний до оси ливня R.

Такое явное противоречие означает, что в наблюда-

3. J. Linsley and L. Scarsi, Phys. Rev. 128, 2384 (1962).

емых ШАЛ с двухкомпонентной временной струк-

4. H. Sakuyama, N. Suzuki, and K. Watanabe, Nuovo

турой уровень наблюдения установки пересекают

Cimento A 78, 147 (1983).

две группы частиц в составе двух равноправных

5. Н. М. Буднев, Р. Вишневский, О. А. Гресс, А. В. За-

ливневых дисков. Наблюдаемую необычную вре-

болоцкий, А. В. Загородников, Н. Н. Калмыков,

менную структуру ШАЛ невозможно объяснить в

В. А. Кожин, Е. Е. Коростелева, Л. А. Кузьмичев,

рамках стандартного механизма развития ядерно-

Б. К. Лубсандоржиев, Д. Наварра, Р. Р. Миргазов,

электромагнитных ливней. Необходимы дальней-

М. И. Панасюк, Л. В. Паньков, В. В. Просин,

шие исследования в этом направлении.

В. С. Птускин и др., Изв. РАН. Сер. физ. 73, 627

(2009) [Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 73, 588 (2009)].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

6. Р. У. Бейсембаев, Ю. Н. Вавилов, Н. Г. Вильданов,

1. A. A. Watson, Rep. Prog. Phys. 77, 036901 (2014).

А. В. Круглов, А. В. Степанов, Ж. С. Такибаев, ЯФ

72, 1913 (2009) [Phys. At. Nucl. 72, 1852 (2009)].

2. J. V. Jelly and W. J. Whitehouse, Proc. Phys. Soc. A

66, 454 (1953).

7. G. Marsela, EPJ Web Conf. 99, 13003 (2015).

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№6

2019

НЕОБЫЧНАЯ ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА

499

8. R. U. Beisembaev, Yu. N. Vavilov, M. I. Vildanova,

S. Shaulov, A. Stepanov, M. Vildanova, N. Vildanov,

N. G. Vildanov, O. D. Dalkarov, V. V. Zhukov,

and V. Zhukov, EPJ Web Conf. 145, 11004 (2017).

S. K. Machavariani, R. A. Nam, V. P. Pavlyuchenko,

V. A. Ryabov, N. O. Saduev, T. H. Sadykov, and

10. D. Beznosko, R. Beisembaev, K. Baigarin, E. Bei-

Zh. S. Takibaev, J. Phys.: Conf. Ser. 409, 012127

sembaeva, O. Dalkarov, V. Ryabov, T. Sadykov,

(2013).

S. Shaulov, A. Stepanov, M. Vildanova, N. Vildanov,

9. D. Beznosko, R. Beisembaev, K. Baigarin, E. Bei-

sembaeva, O. Dalkarov, V. Ryabov, T. Sadykov,

and V. Zhukov, EPJ Web Conf. 145, 14001 (2017).

UNUSUAL TIME STRUCTURE OF EXTENSIVE AIR SHOWERS

AT ENERGIES EXCEEDING 10¹⁷ eV

R. U. Beisembaev¹⁾, E. A. Beisembaeva¹⁾, M. I. Vildanova¹⁾, O. D. Dalkarov¹⁾, V. V. Zhukov¹⁾,

V. D. Mosunov¹⁾, V. A. Ryabov¹⁾, S. B. Shaulov¹⁾, K. A. Baigarin²⁾, D. Beznosko³⁾,

T. Kh. Sadykov⁴⁾

¹⁾Lebedev Physical Institute, Moscow, Russia

²⁾ Nazarbayev University, Astana, Kazakhstan

³⁾Bard College, New Orleans, USA

⁴⁾ Institute for Physics and Technology, Almaty, Kazakhstan

Extensive Atmospheric Showers characterized by multicomponent time structure were detected at the

experimental setup (Horizon-T) located at the Lebedev Physical Institute (FIAN) Tien-Shan high altitude

science station at 3346 m over the sea level. The multicomponent time structure is found in the showers

with energies higher than 10¹⁷ eV and is an evidence that, unlike the standard mechanism of the nuclear-

electromagnetic cascade development, the shower particles cross the observation level as parts of several

shower discs.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№6

2019