ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2020, том 83, № 3, с. 235-245

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ПОИСК ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ И ОПЕРЕЖАЮЩИХ ЧАСТИЦ

ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ

ЭНЕРГИЙ С АТМОСФЕРОЙ В ПОТОКЕ МЮОНОВ ШАЛ

НА УСТАНОВКЕ ШАЛ МГУ

Поступила в редакцию 05.08.2019 г.; после доработки 23.09.2019 г.; принята к публикации 23.09.2019 г.

Приводятся результаты изучения временных распределений частиц с энергией более 5 ГэВ в широких

атмосферных ливнях с энергиями, превышающими 10¹⁵ эВ, на расстояниях менее 200 м от оси ШАЛ

с целью поиска запаздывающих и опережающих новых частиц, которые могут возникать при взаи-

модействиях первичных космических лучей с атмосферой, на установке ШАЛ МГУ. Исследования

проводились с помощью неэкранированного детектора, расположенного на поверхности земли, и

подземного детектора, экранированного слоем грунта, эквивалентного 20 м водного столба. Показано,

что запаздывающие частицы, имеющие время задержки в интервале от 100 до 300 нс со спадающим

по экспоненте законом временного распределения с показателем, равным 120 нс, обладают большей

ионизационной способностью, чем релятивистские мюоны. Поток таких частиц ослабляется слоем

грунта, разделяющим детекторы, примерно в 30 раз. Отмечено, что частицы, движущиеся впереди

диска ШАЛ, в настоящей работе не обнаружены. Обсуждаются свойства задержанных частиц.

Рассмотрены особенности калибровок и вспомогательных экспериментов, подтверждающие данные

измерений.

DOI: 10.31857/S0044002720020105

ВВЕДЕНИЕ

Частицы ШАЛ движутся компактной группой,

в виде диска, толщина которого в районе оси

Интерес к исследованиям временных распреде-

составляет несколько метров, а разброс времен

лений частиц, возникающих в ШАЛ, вызывается

прихода между частицами такой группы не превы-

тем, что взаимодействия частиц происходят при

шает нескольких наносекунд. Таким образом, с по-

сверхвысоких энергиях, вследствие которых могут

мощью современной аппаратуры с наносекундным

рождаться новые частицы.

временным разрешением на малых расстояниях до

Частицы ШАЛ образуют диск частиц, в ос-

оси ШАЛ можно выделить сигналы от запазды-

новном электронов и мюонов, скорость которого

вающих и опережающих частиц, время отклонения

близка к скорости света.

которых от момента прихода частиц диска ШАЛ

Если в результате взаимодействия первичной

превышает несколько наносекунд.

космической частицы с атмосферой рождаются ча-

На практике задача существенно усложняется,

стицы, скорость которых будет меньше скорости

поскольку, кроме отмеченных выше релятивист-

света, то такие частицы, а также продукты их

ских электронов и мюонов, в обычных ШАЛ об-

взаимодействия с атмосферой придут на уровень

наблюдения с задержкой по времени относительно

разуются в относительно небольших количествах

и нерелятивистские протоны, нейтроны, электроны

частиц диска ШАЛ.

и мюоны, скорость которых значительно меньше

В случае, если при взаимодействии появится

скорости света. Частицы нерелятивистских энер-

частица, способная двигаться со скоростью, пре-

гий отстают от основных частиц диска ШАЛ и име-

вышающей скорость света, то из-за высокой ско-

ют повышенную ионизацию в пластике детектора

рости продукты ее взаимодействия с атмосферой

из-за своей низкой скорости. Сигналы от таких

придут на уровень наблюдения раньше, чем части-

частиц в сцинтилляционном детекторе, которые в

цы ШАЛ.

основном используются для изучения временных

распределений частиц, не различаются ни по ам-

¹⁾Научно-исследовательский институт ядерной физики

плитуде, ни по длительности, ни по времени за-

им. Д.В. Скобельцына Московского государственного

университета им. М.В. Ломоносова, Россия.

держки времени прихода на уровень наблюдения

^*E-mail: ggkmsu@yandex.ru

относительно диска ШАЛ. В силу отмеченных при-

235

236

ГАРИПОВ, СИЛАЕВ

чин, несмотря на многочисленные эксперименталь-

сверхвысоких энергий с атмосферой, в результате

ные работы, непротиворечивого ответа о природе

которого возникает ливень запаздывающих частиц,

задержанных частиц не получено.

отстающих от диска ШАЛ. В этой работе высказы-

Действительно, по поводу таких частиц выска-

ваются два предложения о природе возникновения

зываются самые противоречивые суждения [1-8].

ливня задержанных частиц. Согласно первому они

Например, в работе [2] исследовались времен-

могут образовываться множеством малоэнергич-

ные распределения частиц в ШАЛ при регистра-

ных адронов, возникших при освобождении кварк-

ции осциллограмм сигналов с неэкранированно-

глюонной плазмы. Согласно второму — вследствие

го сцинтилляционного детектора. На некоторых

возникновения тахиона при первом взаимодей-

осциллограммах наблюдались сигналы, время за-

ствии космических лучей с атмосферой.

паздывания которых превышало ожидаемое время

Предположение возникновения в первом взаи-

прихода частиц диска ШАЛ. Авторами этой рабо-

модействии одиночной тяжелой частицы, которая

ты было высказано предположение, что задержан-

может инициировать ливень задержанных частиц,

ные сигналы можно объяснить существованием

авторами этой работы отрицается.

гипотических тяжелых частиц, которые рождаются

Как видно из приведенных примеров, несмотря

при взаимодействии космических лучей с воздухом.

на то что исследования временной структуры ча-

Скорость таких частиц меньше скорости света из-

стиц в ШАЛ проводятся на протяжении несколь-

за большой массы, вследствие чего эти частицы

ких десятилетий, существуют прямо противопо-

либо продукты их взаимодействия с атмосферой

ложные мнения о природе запаздывающих частиц,

достигают поверхности земли с задержкой относи-

что, главным образом, определяется недостатком

тельно более легких релятивистских частиц, обра-

экспериментальных данных, полученных при изу-

зующих ливневой диск.

чении космических лучей, и данных, полученных

Но есть и другие мнения, так, например, в

на ускорителях, а также теоретические работы,

работе [3] измерялись временные интервалы меж-

способствующие выработке однозначного сужде-

ду сигналами, поступающими с сцинтилляционных

ния. Поэтому для выбора правильного ответа тре-

детекторов, находящихся в различных слоях ад-

буются дальнейшие исследования с применением

ронного калориметра при регистрации ШАЛ. В

более совершенных методик, например, методика

этой работе также наблюдались запаздывающие

эксперимента должна исключать влияние нереля-

сигналы, которые, по мнению авторов этой ра-

тивистских протонов и нейтронов малых энергий,

боты, можно объяснить тем, что в эксперименте

возникающих в ШАЛ, на данные наблюдений.

были зарегистрированы нерелятивистские адроны,

Отметим также, что в одной из наиболее ранних

в основном протоны и нейтроны малых энергий.

работ, выполненной на установке Вулкано Ренч,

Такие частицы рождаются в атмосфере и отстают

изучались осциллограммы сигналов сцинтилляци-

от фронта ШАЛ из-за своей скорости, а в сцинтил-

онного детектора на расстояниях более 1 км от

ляционном детекторе вызывают сигналы, похожие

оси ШАЛ [7]. В этой работе также указывается,

на ожидаемые сигналы от новых частиц. Основ-

что задержанные сигналы, вызванные частицами,

ная задача настоящей работы — выявить свойства

отстающими на микросекунды от частиц, образу-

сигналов от запаздывающих частиц, которые от-

ющих диск ШАЛ, можно объяснить тривиально

личаются от свойств частиц, образующих обычные

медленными нейтронами, но амплитуда импуль-

ШАЛ.

са их сигналов в детекторе противоречит такому

Интересно отметить, что при изучении запаз-

объяснению. До настоящего времени однозначного

дывающих частиц на установке ШАЛ МГУ с по-

мощью неэкранированного сцинтилляционного де-

ответа на этот вопрос не существует. Из этой ра-

боты также следует, что полученных амплитудно-

тектора были получены также противоположные

временных данных измерений сигналов в сцин-

выводы. Так, в работе [4] сделано предположение,

тилляционном детекторе недостаточно для оконча-

что ливень запаздывающих частиц вызван первич-

тельных выводов.

ной тяжелой частицей, возникшей при взаимодей-

ствии первичных космических лучей с атмосферой.

Таким образом, несмотря на многолетние ис-

А в работе [5], выполненной несколько позже, де-

следования, до настоящего времени отсутствуют

лается противоположное заключение и утвержда-

экспериментальные данные, позволяющие сделать

ется, что задержанные сигналы можно объяснить

выбор в пользу одного из рассматриваемых пред-

флуктуацией числа нерелятивистских адронов, до-

положений или, по крайней мере, исключить воз-

стигающих уровня наблюдения, скорость которых

можную имитацию сигналов запаздывающих но-

вых частиц нерелятивистскими протонами и ней-

меньше скорости диска ШАЛ.

тронами, образующимися в ШАЛ.

Тем не менее, в более поздней работе [6], вы-

полненной в ФИАН, подтвердились выводы рабо-

В России в разные годы подобные исследования

ты [4] о том, что задержанные сигналы вызваны ча-

проводились на установке ШАЛ МГУ, располо-

стицами, возникшими при взаимодействии частиц

женной на уровне моря, и сотрудниками ФИАН на

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№3

2020

ПОИСК ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ И ОПЕРЕЖАЮЩИХ ЧАСТИЦ

237

Тянь-Шане на высоте гор. Исследования проводи-

опорного генератора преобразователя временных

лись с помощью детекторов, расположенных как на

интервалов.

поверхности земли, так и с помощью детекторов,

В отмеченных выше работах, исходя из данных

расположенных под слоем грунта. На Тянь-Шане

измерений, также не получалось экспериментально

для регистрации сигналов с помощью неэкрани-

исключить имитацию запаздывающих частиц нере-

рованного детектора [6] использовались цифро-

лятивистскими протонами и нейтронами, возника-

вые осциллографы, а для исследования временных

ющими в ШАЛ, хотя данные математического мо-

распределений частиц с помощью экранированно-

делирования эксперимента позволяли утверждать,

го детектора — цифровые измерители временных

что, по крайней мере, регистрация нерелятивист-

интервалов [8]. На установке ШАЛ МГУ в этой

ских нейтронов и протонов маловероятна [9].

работе для синхронной регистрации сигналов с

Основным достоинством данной работы явля-

экранированного и неэкранированного детекторов,

ется то, что распределение времен прихода частиц

установленных в центре установки, использовался

изучалось одновременно с помощью неэкраниро-

двухлучевой аналоговый запоминающий осцилло-

ванного детектора, расположенного на поверхно-

граф, кроме того, с целью повышения временного

сти земли, и детектора, экранированного слоем

разрешения для изучения временных распределе-

грунта, синхронно с помощью двулучевого ана-

ний мюонов в диске ШАЛ временные интерва-

логового осциллографа в реальном времени. В

лы между мюонами регистрировались с помощью

этом случае развертки осциллографа запускались

цифровых измерителей временных интервалов [1].

одновременно, что позволило улучшить точность

Достоинством цифрового метода является то, что

временных измерений и уменьшить уровень шу-

временные интервалы измеряются между фрон-

ма, характерного для цифровой электроники при

тами импульсов сигналов от частиц, попавших в

регистрации сигналов, возникающих случайно во

детектор, что позволяет достичь максимального

времени.

временного разрешения в измерениях.

Также отметим, что в этом эксперименте опере-

Отметим, что временное распределение запаз-

жающих частиц не обнаружено, поэтому в настоя-

дывающих проникающих частиц, полученное в ра-

щей работе, в основном, рассматриваются сигналы

боте [8] на высоте гор, совпадает с временным

в сцинтилляционном детекторе, вызванные задер-

распределением частиц для неэкранированного де-

жанными частицами, но приведено описание ап-

тектора, полученным в работе [1] на уровне моря.

паратуры, которая позволяла регистрировать как

Это указывает на то, что временное распределение

задержанные, так и опережающие частицы.

запаздывающих частиц не зависит от высоты мак-

симума числа частиц в ШАЛ от детектора.

СТАТИСТИКА ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ

Тем не менее, преимущество регистрации сиг-

СОБЫТИЙ ПРИ НАБЛЮДЕНИИ

налов от опережающих и запаздывающих частиц

ЗАДЕРЖАННЫХ ЧАСТИЦ

с помощью осциллографа объясняется тем, что

регистрируется осциллограмма сигнала, что поз-

В рассматриваемом эксперименте за 1000 ч

воляет в исследуемом временном интервале отли-

наблюдений на установке ШАЛ МГУ было заре-

чать полезные сигналы от импульсов, вызванных

гистрировано около 35 × 10³ осциллограмм ШАЛ

помехами. В цифровых измерителях временных

с энергией более 10¹⁵ эВ, в которых регистриро-

интервалов сигналы не распознаются по форме

вались временные распределения частиц в ШАЛ.

импульса. В этом случае временные интервалы

Наблюдения проводились с 1986 г. по 1990 г.

измеряются не только для сигналов, вызванных

сеансами по несколько сотен часов ежегодно, в

частицами с заданными параметрами, но и для

основном в ночное время. При этом в 1.2 × 10³

шумовых сигналов, включая импульсы, вызванные

случаях запаздывающие частицы наблюдались

флуктуациями тока ФЭУ или электромагнитными

с помощью неэкранированного детектора (веро-

помехами. При этом возникают ложные временные

ятность наблюдения P_Δ1 = 1.2 × 10³/35 × 10³ ≈

интервалы, имитирующие регистрацию запаздыва-

≈ 0.034 в случае, если вероятность не зависит от

ющих и опережающих частиц, особенно в случае,

особенностей ШАЛ), а в 36 случаях наблюдались

если частота возникновения шумовых импульсов

проникающие запаздывающие частицы с помо-

сравнима с частотой реальных событий. Что яв-

щью экранированного детектора, энергия которых

ляется источником неопределенности. Кроме это-

превышала 5 ГэВ (вероятность наблюдения P_Δ2 =

го, при таких методах происходит преобразование

сигналов в цифровой код за время более длитель-

= 36/35 × 10³ ≈ 0.001). При этом в пяти случаях

ное, чем интервал измерения, что повышает веро-

запаздывающие частицы наблюдались одновре-

менно и в неэкранированном, и в экранированном

ятность нарушения логики управления цифровой

детекторе во временном интервале длительностью

электроники при случайном следовании сигналов,

поступающих с детектора, время появления ко-

300

нс (вероятность наблюдения P_Δ2 = 5/35 ×

торых не совпадает с импульсами синхронизации

× 10³ ≈ 1.4 × 10-4). Отметим, что в работах [4]

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№3

2020

238

ГАРИПОВ, СИЛАЕВ

50,нс

Рис. 1. Примеры регистрации осциллограмм сигналов временных распределений, в основном электронов (верхний луч)

и мюонов (нижний луч) на расстояниях менее 200 м от оси ШАЛ: а — пример регистрации сигнала от обычного ШАЛ

с параметрами R = 20, ne = 29, Ne = 6.9 × 10⁴; б — пример регистрации задержанных сигналов неэкранированным

детектором и детектором, расположенным под слоем грунта в ШАЛ, с параметрами R ≈ 30, ne ≈ 23, Ne ≈ 4.6 × 10⁴,

первый импульс на развертке — сигнал от частиц диска ШАЛ, второй импульс на развертке — сигнал от задержанной

частицы; в — пример регистрации сигнала от частицы фона космических лучей, попавшей в неэкранированный

детектор перед ШАЛ с параметрами R ≈ 15, ne ≈ 40, Ne ≈ 1.1 × 10⁵; г — шкала экрана осциллографа по вертикали

и горизонтали.

и [5] для этих же ШАЛ наблюдалось 1.1 × 10²

ше цифры в эти соотношения, получим: P_Δ ×

случаев, когда в том же временном интервале

× P_EAS = 1.2 × 10³/35 × 10³ = 3.4 × 10-2; P^2Δ ×

запаздывающие частицы одновременно с неэкра-

× P_EAS = 1.1 × 10²/35 × 10³ = 3.1 × 10-3, решая

нированным детектором регистрировались и в до-

эту систему уравнений, получим P_Δ = 0.034/3.1 ×

полнительном детекторе с площадью, также равной

× 10-3 = 1.1 × 10-3, P_EAS ≈ 1.1 × 10-3/0.034 =

4 м², установленном на поверхности земли на

= 0.3. Таким образом, видно, что примерно в 30%

расстоянии 22.5 м от центра установки ШАЛ МГУ.

ливней, зарегистрированных установкой ШАЛ

Также отметим, что в этих работах была измерена

МГУ, возникали задержанные частицы.

средняя амплитуда сигнала от запаздывающих

частиц в детекторе, которая превышала амплитуду

от одного релятивистского мюона примерно в

ПРИМЕРЫ ОСЦИЛЛОГРАММ СИГНАЛОВ,

1.7 раза. Скорость счета одиночных частиц фона

ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ ДЕТЕКТОРОМ

космических лучей экранированного и неэкрани-

рованных детекторов составляла около 800 Гц, при

Как уже отмечалось, в настоящей работе с

этом ожидается, что число случайных попаданий

целью исключения имитации сигналов запазды-

этих частиц при регистрации ШАЛ за время из-

вающих частиц нерелятивистскими протонами и

нейтронами, а также электронами и мюонами ма-

мерений не превышает семи случаев. Вероятность

наблюдения в одном ШАЛ задержанных частиц с

лых энергий, образующихся в ШАЛ, амплитудные

и временные распределения частиц изучались с

помощью неэкранированного и экранированного

помощью экранированного сцинтилляционного де-

детекторов P_Δ1 × P_Δ2 = 0.34 × 10-4. Вероятность

тектора площадью 5 м², расположенного под слоем

наблюдения этих сигналов в случае их возник-

грунта эквивалентного 20 м водяного столба.

новения из-за фона космических лучей соста-

вит (7/35 × 10³)² ≈ 0.4 × 10-7. Интересно также

Также синхронно с сигналами этого детектора

в тех же временных интервалах регистрировались

отметить, что исходя из статистики наблюдения

сигналы с помощью неэкранированного сцинтил-

задержанных частиц с помощью двух неэкраниро-

ванных детекторов, можно оценить и вероятность

ляционного детектора площадью 4 м², располо-

появления ШАЛ, в которых можно наблюдать

женного на поверхности земли. Толщина пластика

задержанные частицы. Действительно, пусть ве-

детекторов составляла 5 см. Амплитуда сигнала от

роятность попадания задержанной частицы в один

одной частицы с детектора соответствовала иони-

детектор равна P_Δ, а вероятность появления ШАЛ,

зационным потерям частицы, равным приблизи-

в которых возникают задержанные частицы, —

тельно 10 МэВ. Оба детектора располагались в

P_EAS. Тогда вероятность зарегистрировать с по-

центре установки ШАЛ МГУ.

мощью установки ШАЛ задержанные частицы

Сигналы на фотопленку фотографировались с

одним детектором равна P_Δ × P_EAS, вероятность

экрана двулучевого запоминающего аналогового

в этом же ШАЛ зарегистрировать задержанную

осциллографа С8-14. На рис. 1а приведен пример

частицу с помощью дополнительного детектора

осциллограммы сигнала при регистрации типич-

равна P^2Δ × P_EAS. Подставляя приведенные вы-

ного ШАЛ. Для удобства сигнал отрицательной

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№3

2020

ПОИСК ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ И ОПЕРЕЖАЮЩИХ ЧАСТИЦ

239

полярности с неэкранированного детектора реги-

временном интервале наблюдать сигналы от опе-

стрировался с помощью луча, расположенного в

режающих частиц. В оставшемся временном ин-

верхней части экрана осциллографа. Синхронно с

тервале длительностью около 300 нс наблюдались

ним сигнал с экранированного детектора положи-

запаздывающие частицы, следующие за сигналом

тельной полярности регистрировался с помощью

от частиц диска ШАЛ. Вместе с осциллограммой

нижнего луча. Длина развертки обоих лучей поз-

сигнала на фотопленку фотографировалось циф-

воляла наблюдать распределение частиц в интер-

ровое табло с информацией, содержащей номер

вале около 500 нс при регистрации события на

события, дату и время, включенное параллельно с

установке ШАЛ МГУ. Причем технические ха-

информационным табло установки ШАЛ МГУ.

рактеристики были выбраны так, что для неэкра-

В рассмотренном выше примере представлена

нированного детектора в начале развертки луча

типичная осциллограмма сигнала, подобные им-

осциллографа во временном интервале длитель-

пульсы на установке ШАЛ МГУ регистрировались

ностью примерно 100 нс можно было наблюдать

в большинстве случаев. Как видно из рисунка, в

опережающие частицы, затем в течение 300 нс

большинстве ШАЛ на малых расстояниях от оси

запаздывающие частицы относительно импульса,

осциллограммы для экранированного и неэкра-

вызванного частицами диска ШАЛ. Соответствен-

нированного детекторов выглядят в виде одиноч-

но при запуске развертки осциллографа синхронно

ных импульсов, длительность которых существен-

с экранированного детектора в начале развертки

но меньше длительности развертки.

луча осциллографа в интервале 200 нс можно было

На рис. 1б приведен пример наблюдения запаз-

наблюдать опережающие проникающие частицы,

дывающих частиц одновременно на двух разверт-

затем в течение примерно 300 нс запаздывающие

ках осциллографа, первый импульс на верхней и

проникающие частицы.

нижней развертках — это сигнал от частиц диска

ШАЛ, второй импульс — от запаздывающей ча-

Запуск развертки осциллографа осуществлялся

стицы, причем времена задержки частиц относи-

от ШАЛ при четырехкратных совпадениях сиг-

тельно первого импульса совпадают по времени. В

налов с четырех равных частей площадью 1 м²

этом редком случае задержанный сигнал отстает

неэкранированного детектора. При этом частота

относительно диска ШАЛ на время около 120 нс

запуска осциллографа составляла примерно 4 раза

и для неэкранированного детектора, и для экрани-

в минуту. Частота совпадений импульсов запус-

рованного детектора.

ка осциллографа и импульсов запуска установки

На рис. 1в представлен пример наблюдения сиг-

ШАЛ МГУ около 35 раз в час. После запуска

нала одиночной частицы фона космических лучей

развертки осциллографа осциллограмма сигнала

(первый импульс на верхней развертке), попавшей

запоминалась на полсекунды на экране осцил-

в детектор, имитирующей сигнал от опережающей

лографа на время, достаточное для фотографи-

частицы при регистрации ШАЛ (второй импульс на

рования изображения осциллограммы с помощью

верхней развертке).

фоторегистратора, который запускался при сов-

Точность измерений временных интервалов в

падении запуска развертки осциллографа и им-

приведенных примерах определяется толщиной лу-

пульса запуска установки ШАЛ МГУ. С целью

ча развертки осциллографа, временем нарастания

возможности наблюдения сигналов опережающих

сигнала и составляет около 10 нс. Над осцилло-

частиц сигналы с детекторов на вход осцилло-

граммами расположены числа цифрового табло,

графа подавались через кабель связи с временем

указывающие дату, номер события, зарегистриро-

задержки 180 нс. Для экранированного детектора,

ванного установкой ШАЛ МГУ, и московское вре-

находящегося в подземном помещении, возникала

мя. На рис. 1г показана цена делений шкалы экра-

еще дополнительная задержка длительностью око-

на осциллографа. В подписи к рисунку для каждой

ло 70 нс, вызванная подлетным временем мюонов

осциллограммы указано расстояние до оси — R,

к экранированному детектору относительно по-

полное число частиц в ШАЛ — N_e и число частиц,

верхности земли. Время задержки синхроимпуль-

попавших в верхний детектор — n_e.

са осциллографа относительно момента появления

Разрешение детектора позволяло наблюдать

ШАЛ определялось временем выработки импуль-

тонкую структуру временного распределения ча-

са совпадения сигналов в четырех равных частях

стиц в диске ШАЛ на расстояниях более 200 м

неэкранированного детектора, не превышало 50 нс.

до его оси. На расстояниях менее

200

м от

Таким образом, развертка осциллографа запуска-

оси временное разрешение детектора было недо-

лась раньше момента времени прихода сигнала с

статочным для наблюдения тонкой временной

детектора примерно на 100 нс относительно по-

структуры частиц ШАЛ, которая сливалась в один

явления сигнала с неэкранированного детектора и

импульс без видимой структуры. Тем не менее,

примерно на 200 нс раньше появления сигнала с

и в этом случае можно определять число частиц

экранированного детектора, что позволяло в этом

в импульсе, расстояния до оси и число частиц в

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№3

2020

240

ГАРИПОВ, СИЛАЕВ

50,нс

Рис. 2. Примеры осциллограмм регистрации сигналов частиц диска ШАЛ (верхний луч) и мюонов (нижний луч) на

расстояниях более 200 м от оси ШАЛ. Видно, что временное распределение мюонов значительно уже, чем частиц ШАЛ,

достигших уровня наблюдения. Примеры осциллограммы ШАЛ с параметрами: а — R = 442, ne = 22, Ne = 8.2 × 10⁷;

б —R = 275, ne = 30, Ne = 6.2 × 10⁶; в— R = 220; ne =

28; Ne = 1.7 × 10⁸. г — Шкала экрана осциллографа по

вертикали и горизонтали.

ливне, поскольку длительность сигнала связана с

неэкранированного детектора соответствовала на

расстоянием до оси, а площадь под импульсом с

экране осциллографа 6 мВ. Число частиц, попав-

числом частиц, попавших в детектор, и энергией

ших в неэкранированный сцинтилляционный де-

ШАЛ. На рис. 2 приведены примеры регистрации

тектор, определялось по числу сработавших счет-

временных распределений на расстояниях более

чиков Гейгера-Мюллера, уклонение измеренной

200 м от оси ШАЛ.

величины от среднего в этом случае определялось

Как видно из рисунка, временное распределе-

статистическими флуктуациями числа зарегистри-

ние частиц, образующих диск ливня, значительно

рованных в детекторе частиц.

шире, чем мюонов, сигналы от которых видны

Для мюонов, зарегистрированных в ШАЛ с по-

на нижней развертке. Более широкое распреде-

мощью экранированного детектора, было получе-

ление времен прихода частиц ливня объясняется

но, что амплитуда сигнала от одной релятивистской

рассеиванием траекторий движения электронов в

частицы равна 30 ± 15 мВ. При этом отметим, одно

атмосфере. В отличие от электронов, мюоны в

деление осциллографа в приведенных рисунках по

атмосфере движутся практически прямолинейно

горизонтали равно 50 нс, по вертикали — 50 мВ, за

и поэтому имеют существенно меньший разброс

исключением осциллограмм, зарегистрированных

времен прихода на уровень наблюдения.

во вспомогательных экспериментах, где амплитуда

сигнала измерялась в относительных единицах.

КАЛИБРОВКА ДЕТЕКТОРОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Калибровка сцинтилляционных детекторов

Случайные импульсные помехи могут искажать

производилась при регистрации широких атмо-

данные измерений в случаях, если частота появ-

сферных ливней установкой ШАЛ МГУ. При реги-

ления таких сигналов соизмерима с частотой по-

страции ШАЛ импульсы от мюонов наблюдались

лезного сигнала, поскольку их сложно выделить

менее чем на одной третьей части осциллограмм.

за счет увеличения статистики. В частности, при

В этом случае, в основном, регистрировались

изучении запаздывающих частиц в ШАЛ реги-

сигналы от одиночных мюонов, поскольку веро-

стрируются редкие события, поэтому источником

ятность попадания в детектор двух мюонов от

неопределенности может быть имитация их сигна-

ШАЛ не превышала 10%. Это позволяло измерять

лов нерелятивистскими протонами и нейтронами,

амплитуду сигнала, вызванного ионизацией от

возникающими в ШАЛ, а также после-импульсами

одной релятивистской однозарядной частицы, и

ФЭУ и электрическими помехами. Ниже рассмат-

контролировать стабильность работы детектора

риваются методические эксперименты, подтвер-

непосредственно во время эксперимента.

ждающие данные измерений.

Калибровка и измерение числа частиц, попав-

ших в неэкранированный детектор, производилась

ПРОВЕРКА РЕГИСТРАЦИИ

с помощью счетчиков Гейгера-Мюллера, располо-

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ

женных в центре установки ШАЛ МГУ.

При регистрации сигналов с помощью осцилло-

При этом были получены следующие величи-

графа импульсные электрические помехи отфиль-

ны. Средняя амплитуда сигнала от одного реля-

тровываются при визуальной обработке осцилло-

тивистского электрона при регистрации сигнала с

грамм, поскольку сигналы с детектора от частиц

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№3

2020

ПОИСК ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ И ОПЕРЕЖАЮЩИХ ЧАСТИЦ

241

50,нс

Рис. 3. Примеры осциллограмм регистрации сигналов с одного пластика сцинтилляционного детектора с помощью

двух ФЭУ. Верхний луч — сигнал с первого ФЭУ, нижний луч — сигнал со второго ФЭУ. а — Пример регистрации

временного распределения частиц на расстоянии более 200 м от оси ШАЛ. б и в — Примеры регистрации сигналов

запаздывающих частиц на расстоянии менее 200 м от оси ШАЛ. Первый импульс на развертках осциллографа — сигнал,

вызванный диском частиц ШАЛ, второй импульс — сигнал от запаздывающей частицы; г — шкала экрана осциллографа

по вертикали и горизонтали.

ШАЛ имеют характерную форму, которая отлича-

ПРОВЕРКА СУЩЕСТВОВАНИЯ

ется от импульсов, вызванных электромагнитными

ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ ЧАСТИЦ

наводками на аналоговую электронику детектора

В этом эксперименте во всех ШАЛ, в которых

от цепей цифровой электроники либо помехами

наблюдались запаздывающие частицы во вспо-

от электрической сети, возникающими при комму-

могательном детекторе, соответствующие им им-

тации электрических приборов. Отбраковка таких

пульсы наблюдались в двух ФЭУ и имели рав-

помех на фотопленке не вызывает особых трудно-

ные времена задержки относительно фронта лив-

стей.

ня. Осциллограмм с запаздывающими сигналами,

зарегистрированными только одним ФЭУ, обна-

ПРОВЕРКА ИМИТАЦИИ

ружено не было. Это означает, что задержанные

ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ ЧАСТИЦ

сигналы возникают в пластике сцинтилляционного

ПОСЛЕ-ИМПУЛЬСАМИ ФЭУ

детектора, а не в ФЭУ, которые использовались в

Одной из проблем, связанной с работой аппара-

эксперименте.

туры, предназначенной для исследования запазды-

На осциллограммах, показанных на рис. 3б и

вающих частиц, отмеченной, например в работе [7],

3в, приведены примеры регистрации задержанных

являются после-импульсы, которые возникают в

сигналов с помощью двух ФЭУ с одного пласти-

некоторых моделях ФЭУ. Такие сигналы по форме

ка детектора, где видно, что задержанный сигнал

импульса не отличаются от сигналов, вызванных

регистрируется одновременно двумя ФЭУ. Разница

запаздывающими и опережающими частицами, и

по амплитуде задержанных сигналов в ФЭУ опре-

могут вносить существенные искажения в дан-

деляется местом попадания запаздывающей части-

ные исследований, если частота появления после-

цы в пластик детектора. Также на этом рисунке

импульсов либо сравнима, либо превосходит ча-

слева показана осциллограмма сигнала временной

стоту регистрации полезного сигнала.

структуры диска на большом расстоянии от оси

В настоящей работе имитация запаздывающих

ШАЛ, зарегистрированного с помощью двух ФЭУ

частиц после-импульсами ФЭУ исследовалась в

с одного и того же сцинтилляционного пластика.

двух вспомогательных экспериментах. В первом

На этой осциллограмме отчетливо видно, что сиг-

эксперименте для случайной выборки ФЭУ типа

налы ФЭУ на обеих развертках осциллографа сов-

ФЭУ-110, используемых в детекторах, проводи-

падают с точностью до уровня флуктуаций сигнала

лась регистрация сигналов от светодиода. В этом

по амплитуде, что также зависит от места попада-

случае на аноде ФЭУ наблюдались импульсы от

ния частиц в детектор, а по времени совпадают с

вспышек света светодиода, но после-импульсов

точностью не хуже толщины луча.

ФЭУ зарегистрировано не было. Во втором случае

сигналы с одного и того же сцинтилляционного

ПРОВЕРКА ПОВЫШЕННОЙ

пластика регистрировались с помощью двух ФЭУ.

ИОНИЗАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ

Сигнал с каждого ФЭУ подавался на свою раз-

И ОБРАЗОВАНИЯ МИКРОЛИВНЕЙ

вертку осциллографа. В этом случае задержанные

ЗАПАЗДЫВАЮЩИМИ ЧАСТИЦАМИ

импульсы наблюдались синхронно на выходе обоих

ФЭУ. Результаты этого эксперимента обсуждают-

Как уже отмечалось выше, особенностью за-

ся в следующем разделе.

держанных сигналов является то, что их импульсы

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№3

2020

242

ГАРИПОВ, СИЛАЕВ

50,нс

Рис. 4. а, б, в — Примеры осциллограмм сигналов с двух неэкранированных сцинтилляционных детекторов, располо-

женных в одной плоскости, зазор между пластиками которых менее 5 см. Верхний луч — сигнал с первого детектора,

нижний луч — сигнал со второго детектора. Первый импульс на осциллограммах— сигнал от частиц диска ШАЛ, второй

импульс — сигнал от запаздывающей частицы. г — Шкала экрана осциллографа по вертикали и горизонтали.

не имеют временной структуры, а их амплитуда

часть задержанных сигналов, зарегистрированных

значительно превышает сигнал от одной реляти-

в детекторе, вызвана одиночными частицами, име-

вистской частицы. В этой связи возникает вопрос,

ющими повышенную ионизационную способность

чем вызван этот сигнал, попаданием в детектор

по сравнению с обычными релятивистскими части-

одной или нескольких запаздывающих частиц? Для

цами, и что запаздывающие частицы имеют низ-

изучения этого вопроса временные распределения

кую вероятность образовывать лавины вторичных

частиц в ШАЛ регистрировались с помощью двух

запаздывающих частиц и не испытывают ядерных

неэкранированных сцинтилляционных детекторов,

взаимодействий.

разделенных щелевым промежутком шириной ме-

нее 5 см и длиной 1 м, каждый из которых имел

ПРИМЕРЫ РЕГИСТРАЦИИ

площадь 0.5 м². Детекторы располагались в одной

ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ ПРОНИКАЮЩИХ

плоскости в центре установки ШАЛ МГУ. Сигнал с

ЧАСТИЦ С ПОВЫШЕННОЙ

каждого детектора подавался на свой луч разверт-

ИОНИЗАЦИОННОЙ СПОСОБНОСТЬЮ С

ки осциллографа.

ЭНЕРГИЕЙ БОЛЕЕ 5 ГэВ

На рис. 4 приведены примеры осциллограмм

сигналов, зарегистрированных в этом эксперимен-

На рис. 5 приведены примеры регистрации про-

те. Первый импульс на развертках осциллогра-

никающих задержанных частиц, сигналы от кото-

фа — это сигнал от частиц диска ШАЛ, второй

рых показывают их повышенную ионизационную

импульс — сигнал от запаздывающих частиц. Раз-

способность. На осциллограмме рис. 5а приведен

брос амплитуды сигнала первого импульса вызван

пример регистрации проникающей запаздывающей

флуктуациями числа частиц диска ливня, попавших

частицы. Первый импульс на нижней развертке —

в детектор. Как видно из приведенных примеров,

сигнал от одного мюона диска ШАЛ, второй им-

амплитуда задержанного сигнала превышает сиг-

пульс — сигнал от запаздывающей частицы. Из

нал от нескольких релятивистских частиц, но ре-

рисунка видно, что запаздывающая частица отста-

гистрируется только одним детектором. Действи-

ет от частиц диска ливня на время около 100 нс, а ее

тельно, по данным счетчиков Гейгера-Мюллера,

ионизационные потери в этом случае более чем в 5

исходя из порога срабатывания установки ШАЛ

раз превышают потери от одного мюона. На рис. 5б

МГУ, можно определить, что амплитуда первого

видно, что запаздывающие частицы наблюдаются в

импульса соответствует как минимум 4 ± 2 части-

двух детекторах с различной временной задержкой.

цам, попавшим в детектор, а амплитуда задер-

Причем на верхней развертке наблюдается сигнал,

жанного импульса, которая значительно больше

превышающий сигнал от одной релятивистской ча-

по величине, соответствует как минимум 7 ре-

стицы примерно в 2 раза, на нижней развертке —

лятивистским частицам. Наиболее вероятно, что

более чем в 5 раз. Этот пример интересен еще и

этот сигнал вызван попаданием одной частицы в

тем, что видно, что разброс временных интерва-

детектор, поскольку если бы задержанный сигнал

лов между запаздывающими частицами превышает

был сигналом от локального ливня, возникшего в

70 нс, что заведомо больше разброса временных

атмосфере, то его частицы рассеялись бы в атмо-

интервалов между частицами, образующими диск

сфере, сигналы от которых наблюдались бы в двух

ШАЛ на расстояниях менее 200 м от оси. На

детекторах одновременно.

рис. 5в приведен еще один пример регистрации

Таким образом, исходя из данных этого экс-

запаздывающей частицы, сигнал от которой также

перимента можно утверждать, что преобладающая

примерно в 5 раз превышает сигнал от одного

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№3

2020

ПОИСК ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ И ОПЕРЕЖАЮЩИХ ЧАСТИЦ

243

50,нс

Рис. 5. а, б, в — Примеры регистрации проникающих запаздывающих частиц с энергией более 5 ГэВ, сигнал которых

превышает ионизирующую способность одной релятивистской частицы. Верхний луч — сигнал с неэкранированного

детектора. Нижний луч — сигнал с детектора, находящегося под слоем грунта. г — Шкала экрана осциллографа по

вертикали и горизонтали.

мюона. Таким образом, из приведенных примеров

h ≈ τγ²/1667 [км]; v = c(1 - 1/γ²)1/2;

видно, что проникающие запаздывающие частицы,

наблюдающиеся в интервалах от 50 до 300 нс,

где v — скорость запаздывающей частицы, c —

имеют повышенную ионизационную способность.

скорость света в вакууме, h — высота (км) гене-

рации частицы в ШАЛ. Из этого следует, что при

известных τ > 160 нс и γ > 50 минимальная высо-

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

та генерации таких частиц составит более 250 км.

На таких высотах практически отсутствует атмо-

В настоящем эксперименте за 1000 ч наблюде-

сфера и поэтому данные измерений трудно объ-

ний на установке ШАЛ МГУ было зарегистриро-

яснить запаздывающими мюонами, возникающими

вано около 35 × 10³ осциллограмм ШАЛ с энер-

в ШАЛ. То, что это не мюоны, также указыва-

гией более 10¹⁵ эВ, в которых регистрировались

ет и амплитуда сигнала запаздывающей частицы,

временные распределения частиц в ШАЛ. При

которая в приведенных примерах превышает сиг-

этом в 1.2 × 10³ случаях запаздывающие частицы

нал от одного релятивистского мюона более чем

наблюдались с помощью неэкранированного де-

в 1.5 раза. Также из данных этого эксперимента

тектора, а в 36 случаях наблюдались проникаю-

запаздывающие частицы трудно объяснить и про-

щие запаздывающие частицы с помощью экрани-

тонами, и нейтронами. В самом деле, при массе

рованного детектора, энергия которых превышала

частицы около 1 ГэВ лоренц-фактор для частиц с

5 ГэВ. Из приведенных данных видно, что поток

энергией более 5 ГэВ будет не менее 5. При вре-

задержанных частиц ослабляется слоем грунта,

мени запаздывания около 160 нс это соответствует

эквивалентным 20 м водяного столба почти в 30 ±

длине пробега более 2.5 км, что не противоречит

± 6 раз. Время задержки этих частиц превышает

длине свободного пробега адронов в атмосфере.

ожидаемое время прихода электронов и мюонов на

Но с одной стороны, протоны и нейтроны таких

уровень наблюдения и находилось во временном

энергий эффективно поглощаются слоем грунта,

интервале от 50 до 300 нс, а амплитуда сигнала

экранирующего детектор. С другой стороны, такие

от запаздывающих частиц превышает амплитуду

частицы имеют достаточную энергию для обра-

сигнала от одной релятивистской частицы.

зования запаздывающих микроливней, что также

противоречит данным наблюдений, поскольку не

были обнаружены задержанные микроливни. Если

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОЙ ВЫСОТЫ ТОЧКИ

предположить, что задержанные частицы возникли

ГЕНЕРАЦИИ ПРОНИКАЮЩИХ

в ШАЛ на высоте 10 км, то в этом случае можно

ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ ЧАСТИЦ

ожидать, что масса этих частиц в 2 раза превышает

массу мюона. В случае, если сигналы возникли

Оценим расстояние, которое пролетела реля-

от протонов или нейтронов, возникших в ШАЛ,

тивистская частица, в данном случае мюон, име-

которые не испытывают ядерного взаимодействия,

ющая время задержки 160 нс, как показано на

то их энергия должна быть меньше 50 МэВ. Заря-

рис. 5в, энергия которой превышает 5 ГэВ. При

женные частицы таких энергий могут вызывать в

массе покоя мюона 105 МэВ лоренц-фактор такого

пластике вспышки в неэкранированном детекторе

мюона γ ≥ 50. Известно, например, [10], что время

с амплитудой импульса, превышающей сигнал от

задержки релятивистской частицы τ равно:

одной релятивистской частицы. Но протоны та-

τ = h/v - h/c ≈ 1667 × h/γ² [нс];

ких энергий из-за ионизационных потерь погло-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№3

2020

244

ГАРИПОВ, СИЛАЕВ

щаются слоем грунта, экранирующим детекторы.

потока задержанных частиц энергия первичной за-

Также исключаются и нейтроны таких энергий,

держанной частицы по современным представле-

поскольку согласно расчетам [9] в грунте такой

ниям должна превышать 10¹³ эВ. Действительно,

толщины их поток ослабляется более чем в 10⁵

энергия первичной задержанной частицы для полу-

раз, что значительно больше измеренного ослаб-

чения задержанного ливня с таким числом частиц

ления потока запаздывающих частиц, который по

должна превышать E ≥ (1-2)N_Δ ГэВ, где N_Δ —

данным настоящей работы ослабляется менее чем в

число запаздывающих частиц. При числе частиц

30 ± 6 раз.

в задержанном ливне более нескольких десятков

тысяч частиц соответствуют энергии первичных

задержанных частиц, образовавшей ливень, более

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

10¹³

эВ. Возникновение частиц с такой энерги-

ей в первичном взаимодействии космических лу-

Таким образом, существование запаздывающих

чей с атмосферой представляется маловероятным,

частиц и их повышенная ионизационная способ-

что, возможно, указывает на существование новых

ность подтверждаются во вспомогательных экспе-

явлений при взаимодействии частиц сверхвысо-

риментах. Кроме того, проникающие запаздываю-

ких энергий, способствующих возникновению пер-

щие частицы не могут имитироваться мюонами с

вичных запаздывающих частиц таких энергий [6].

энергией более 5 ГэВ, поскольку ионизационная

Вместе с тем очевидно, что известные частицы

способность запаздывающих частиц существенно

ШАЛ с такой энергией не отстают от частиц диска

больше, чем у мюонов таких энергий. Также по-

ШАЛ и, следовательно, не могут рассматривать-

лучена оценка возможной высоты генерации за-

ся как источник запаздывающих частиц. Также

держанных частиц, которая превышает 250 км для

отметим, что за указанное время наблюдений не

случая, если масса запаздывающих частиц соот-

было зарегистрировано частиц, опережающих диск

ветствует массе мюона, что противоречит суще-

ШАЛ. В эксперименте было зарегистрировано два

ствующим представлениям о высоте начала разви-

сигнала, опережающих сигнал от частиц диска

тия ШАЛ. Отметим, что полученная оценка высоты

ШАЛ с помощью неэкранированного детектора,

генерации запаздывающих частиц содержит указа-

регистрацию которых можно объяснить случайным

ние и на то, что задержанные частицы, возможно,

попаданием в детектор частиц фона космических

возникают вне атмосферы, что требует отдельного

лучей. Что позволяет определить вероятность на-

рассмотрения в дальнейших работах.

блюдения опережающих частиц, которая заведомо

Вместе с тем экспериментально не обнаружено

меньше, чем 2/35 × 10³ ≈ 0.6 × 10-4.

задержанных микроливней, которые могли бы воз-

никнуть в атмосфере при ядерных взаимодействи-

ях запаздывающих частиц, либо способности за-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

паздывающих частиц вызывать электромагнитные

Из эксперимента следует, что:

каскады.

1. Энергия запаздывающих частиц превышает

Также получено, что поток запаздывающих ча-

5 ГэВ.

стиц, дошедший до уровня наблюдения, ослабля-

2. Задержанные частицы не образуют микро-

ется слоем грунта, эквивалентным 20 м водяного

ливней и теряют свою энергию в основном на

столба, в 30 ± 6 раз, что существенно отличается от

ионизацию.

ослабления таким слоем грунта потоков электро-

3. Ионизационная способность задержанных

нов, мюонов и адронов, образующихся в ШАЛ.

частиц превышает ионизацию от одной однозаряд-

Отметим, что в работе [4] запаздывающие ча-

ной релятивистской частицы.

стицы исследовались с помощью двух детекторов,

4. Поток задержанных частиц ослабляется сло-

разнесенных на 22.5 м и расположенных в одной

ем грунта, эквивалентным 20 м водного столба,

плоскости на поверхности земли. При этом было

примерно в 30 раз.

получено, что частота совпадений регистрации за-

паздывающих частиц в двух детекторах соответ-

5. Суммарная энергия потока запаздывающих

ствует тому, что в некоторых ШАЛ наблюдается

частиц, дошедших до уровня наблюдения в ШАЛ,

диск запаздывающих частиц, средняя величина за-

превышает сотни ГэВ.

держки которых на расстояниях менее 200 м до оси

Таким образом, данные измерений, выполнен-

ШАЛ не изменяется и составляет около 120 нс.

ных в настоящей работе, показывают, что сигна-

При этом в круге радиусом 200 м, превышающем

лы от задержанных частиц в сцинтилляционном

площадь детекторов в несколько тысяч раз, мож-

детекторе отличаются от сигналов обычных реля-

но ожидать, что число запаздывающих частиц в

тивистских частиц, таких как протоны, нейтроны,

ШАЛ может достигать как минимум нескольких

мюоны и электроны, образующихся в ШАЛ. Но

десятков тысяч частиц. Для возникновения такого

измеренных параметров недостаточно для ответа

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№3

2020

ПОИСК ЗАПАЗДЫВАЮЩИХ И ОПЕРЕЖАЮЩИХ ЧАСТИЦ

245

на вопрос о существовании новых частиц в ШАЛ

3. S. C. Tonwar and V. B. Sreekantan, J. Phys. A 4, 868

или новых типов взаимодействий частиц при сверх-

(1971).

высоких энергиях. Для решения этой задачи тре-

4. G. B. Khristiansen et al., in Proceedings of the 21th

буются более подробные исследования свойств за-

ICRC, Adelaida, 1990, Vol. 9, p. 150.

паздывающих частиц и процессов, происходящих

5. V. B. Atrashkevich, G. K. Garipov, N. N. Kalmykov, et

при взаимодействии космических лучей сверхвы-

al., in Proceedings of the 22th ICRC, Dublin, 1991,

соких энергий, с целью выработки обоснованного

Vol. 4, p. 319.

суждения.

6. В. И. Яковлев, М. И. Вильданова, Н. Г. Вильданов,

Авторы выражают благодарность своим колле-

Письма в ЖЭТФ 85, 111 (2007) [JETP Lett. 85, 101

гам за помощь при создании и эксплуатации осцил-

(2007)].

лографической установки, обработке эксперимен-

7. J. Linsley, in Proceedings of the 19th ICRC, La

тальных данных, а также за участие в обсуждениях

Jolla, United States, 1985, Vol. 7, p. 355.

результатов этой работы.

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

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

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

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

9. Ю. Н. Вавилов, Л. Г. Деденко, Краткие сообщения

1. V. B. Atrashkevich, R. I. Chernykh, Yu. A. Fomin,

по физике ФИАН, № 9 (2009).

G. K. Garipov, et al., in Proceedings of the 20th

ICRC, Moscow, 1987, Vol. 6, p. 63.

10. A. Mincer, H. Freudenreich, J. A. Goodman,

S. C. Tonwar, G. B. Yodh, R. W. Ellsworth, and

2. I. M. Yoshida, Y. Toyoda, and T. Maeda, J. Phys. Soc.

Jpn. 53, 1983 (1984).

D. Berley, Phys. Rev. D 32, 541 (1985).

SEARCH FOR DELAYED AND ADVANCED PARTICLES

IN THE INTERACTION OF COSMIC RAYS OF ULTRA-HIGH ENERGIES

IN THE ATMOSPHERE IN THE FLOW OF EAS MSU SET-UP

G. K. Garipov¹⁾, A. A. Silaev¹⁾

¹⁾Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University, Russia

The results of the study of time distributions of particles with energy greater than 5 GeV in extensive

air showers (EAS) with energies exceeding 10¹⁵ eV at distances less than 200 m from the EAS axis are

presented in order to search for delayed and advanced new particles that can occur in interactions of primary

cosmic rays with the atmosphere at the EAS MSU array. The studies were carried out using an unshielded

detector located on the surface of the earth and an underground detector shielded by a layer of ground

equivalent to 20 m of water column. It is shown that delayed particles, which can be caused by heavy

long-lived particles and have a delay time in the range from 100 to 300 ns with exponentially decreasing

distribution law the index being equal to 120 ns, have greater ionization ability than relativistic muons. The

flow of such particles arising in EAS is attenuated by a layer of ground between shielded and unshielded

detector by about 30 times. The mass of such particles is estimated as more than two times greater than

the mass of the muon. It is noted that particles moving in front of the EAS disk, are not detected. Possible

sources of delayed signals are discussed. The features of calibrations and auxiliary tests confirming the

measurement data are also considered.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№3

2020