Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 691-693

ВВЕДЕНИЕ

Существование “излома” в наблюдаемом спектре космических лучей связывают главным образом с постепенным “вымиранием” протонов, ядер гелия и так далее, по мере роста энергии. Резкое изменение показателя спектра подразумевает увеличение среднего атомного номера первичных частиц, то есть утяжеление химического состава. Прямые измерения, хоть и с большой погрешностью, доходят до энергии в 1 ГэВ. Логарифм среднего массового числа (lnA) в этой области очень мало меняется и равен ~1.5–2.0. При более высоких энергиях изучение космических лучейсегодня возможно только через регистрацию широких атмосферных ливней (ШАЛ). Здесь результаты различных экспериментов заметно расходятся. Для энергии 10¹⁶ эВ эксперименты TUNKA и ЯкуШАЛ приводят оценку lnA = 2, а эксперименты TibetASγ и CASA-MIA – lnA = 3. Другие крупные эксперименты, такие как KASCADE, IceTop и др., приводят результаты внутри указанных значений [1].

При этом важно отметить, что главным источником информации об “изломе” в спектре космических лучей является электромагнитная компонента (включая производимый ею черенковский свет в атмосфере). А главным источником информации об утяжелении массового состава является соотношение числа зарегистрированных электронов и мюонов. Ранее нами был предложен метод одновременной регистрации электромагнитной компоненты ШАЛ и вторичных тепловых нейтронов, производимых адронами ШАЛ при взаимодействии с грунтом под детекторами [2]. Число тепловых нейтронов, регистрируемых в течение 20 мс после прихода фронта ливня, прямо пропорционально числу адронов ливня, попавших на площадь установки. Таким образом, данный метод позволяет регистрировать адронную компоненту ливня по всей площади установки (~10 000 кв. м) в отличие от сравнительно небольшого по площади адронного калориметра (~300 кв. м). Естественно, что число адронов, так же, как и число мюонов, зависит от атомного номера первичной частицы, и отношение числа нейтронов к числу электронов можно использовать для анализа массового состава так же, как и отношение числа мюонов к числу электронов.

УСТАНОВКА

Установка PRISMA-YBJ, состоящая из 4 электронно-нейтронных детекторов (эн-детекторов), работала в экспериментальном зале проекта ARGO-YBJ в Тибете на высоте 4300 м над уровнем моря с 02.2013 по 02.2017 [3]. За это время было зарегистрировано порядка 2 ⋅ 10⁶ событий с энергией в диапазоне от 10¹³ до 10¹⁷ эВ. Средняя энергия зарегистрированных ливней – порядка 500 ТэВ. 3 детектора были расположены в углах равностороннего треугольника и 4-й детектор – в центре, на расстоянии 5 м от остальных. Площадь установки составляла около 75 кв. м.

В основе эн-детектора лежит неорганический сцинтиллятор ZnS(Ag) с добавкой ⁶LiF. При прохождении заряженных частиц фронта ливня через площадь сцинтиллятора мы получаем сигнал, пропорциональный числу частиц в ШАЛ на уровне наблюдения. Вместе с тем адроны ливня, сосредоточенные главным образом в стволе ливня, взаимодействуя с грунтом, рождают испарительные нейтроны, которые термализуются и захватываются на ⁶Li. Импульсы от захвата нейтронов задержаны относительно момента прихода ливня на 0.1–10 мс. При получении совпадений выше порога (порядка пяти частиц на детектор) с 4 детекторов, усиленный и интегрированный сигнал с фотоумножителя оцифровывается в течение 20 мс. Записываются амплитуда первого импульса (от фронта ливня) и число задержанных импульсов (от нейтронов). Подробнее об устройстве и работе эн-детектора можно прочитать в работах [3, 4].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Изучение химического состава космических лучей на установке PRISMA-YBJ возможно благодаря регистрации одновременно электромагнитной и адронной компонент ливня [2]. Из результатов моделирования получено, что при одних и тех же размерах ливня по электромагнитной компоненте (Ne) ливни от легких ядер содержат меньше адронов, чем ливни от тяжелых ядер. Следовательно, можно предположить, что распределение ливней по отношению количества зарегистрированных нейтронов и электронов будет различаться для разных ядер и позволит сделать выводы о массовом составе в ПэВ-ной области на основе экспериментальных данных.

Для анализа было проведено моделирование эксперимента с использованием пакетов CORSIKA7.56 и GEANT4 для ливней от первичных протонов, ядер N, Si, Fe и γ-квантов в диапазоне энергий от 10¹³ до 10¹⁸ эВ. Выяснилось, что при энергиях меньше 700 ТэВ даже в протонных ливнях адроны не доходят до уровня наблюдения. Для более тяжелых ядер требуется еще большая энергия. Таким образом, “бесствольные” ливни, о которых писалось ранее в работе [5], становятся практически неотличимы с точки зрения массового состава по соотношению е/n. В результате для определения массового состава мы использовали ливни с более чем 7 нейтронами, зарегистрированными в установке. Это соответствует средней энергии ливней порядка нескольких ПэВ. На рис. 1 показано нормированное на единицу интегральное распределение экспериментально зарегистрированных ливней и полученных в ходе моделирования по отношению e/n (числа электронов к числу нейтронов). Видно, что распределения сильно различаются по наклону для разных ядер, что позволяет оценить среднее массовое число первичных частиц, ливни от которых зарегистрированы в эксперименте. Видно, что экспериментальная кривая лежит между гелием и азотом. Хвосты распределений хорошо аппроксимируются экспонентами. На рис. 2 показано, как меняется параметр экспонент с увеличением атомного номера. За исключением протонов это изменение пропорционально A^–0.25. Это можно объяснить из следующих соображений (учитывая принцип суперпозиции):

Рис. 1.

Нормированные интегральные распределения ливней, отобранных с lg Ne > 6.5 и числом зарегистрированных нейтронов больше 2, по отношению e/n. Средняя энергия отобранных ливней примерно равна 2 ПэВ. 1 – моделирование для гамма-квантов, 2 – моделирование для протонов, 3 – экспериментальные данные, 4 – моделирование для ядер азота, 5 – моделирование для ядер кремния, 6 – моделирование для ядер железа. “Хвосты” распределений аппроксимированы экспонентами. Параметры экспонент показаны на рис. 2.

Рис. 2.

Зависимость параметров экспонент, аппроксимирующих “хвосты” интегральных распределений ливней по отношению e/n от атомного номера элемента. Результаты моделирования и экспериментальные данные.

Множественность электронов в каскаде растет с первичной энергией на нуклон как степень с показателем 1.2 (см. (1)). Число адронов растет с первичной энергией на нуклон как степень с показателем 0.95 (2). Это было показано в работе [6] и подтверждается результатами нашего моделирования. Следовательно, отношение e/n должно меняться с атомной массой как A^–025 (3).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам измерений на установке PRISMA-YBJ в ходе совместного анализа с результатами моделирования было показано, что соотношение e/n позволяет оценить среднее массовое число зарегистрированных ливней. Для энергии порядка нескольких ПэВ среднее значение lnA равно 1.6 ± 0.1 (немного тяжелее гелия). Это согласуется с результатами других экспериментов в пределах погрешностей. К сожалению, маленький размер установки не позволил получить результат для больших энергий, в то время как эта область представляет наибольший интерес.

В настоящее время мы работаем над проектом PRISMA-LHAASO из 64 (а потом 400) эн-детекторов на Тибете в составе обсерватории LHAASO, строительство которой сейчас идет. Одной из задач установки PRISMA-LHAASO будет оценка массового состава космических лучей в области энергий 10¹⁵–10¹⁷ эВ.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты № 16-29-13067_офи_м, № 18-02-00339) и Программы Президиума РАН “Физика фундаментальных взаимодействий и ядерные технологии”.