1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 8, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1111-1113

Флуктуации глубины максимума развития ШАЛ с энергией выше 1017 эВ по измерениям радиоизлучения на частотах 30–35 МГц

С. П. Кнуренко 1, И. С. Петров 1, *

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение “Институт космофизических исследований и аэрономии имени Ю.Г. Шафера Сибирского отделения Российской академии наук”
Якутск, Россия

* E-mail: igor.petrov@ikfia.ysn.ru

Поступила в редакцию 10.10.2018
После доработки 20.02.2019
Принята к публикации 26.04.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

В работе представлены результаты по продольному развитию широких атмосферных ливней (ШАЛ) сверхвысоких энергий, полученные из наблюдений радиоизлучения на Якутской установке за период 1986–1989 и 2009–2014 гг. А, именно, определена глубина максимума индивидуальных ливней и проведен статистический анализ Xmax, с целью оценки флуктуаций развития ШАЛ σ (Xmax) в области энергий 1017–1018 эВ. Показано, что σ (Xmax) в области энергий 1017–1018 эВ имеют величину равную 50–60 г ∙ см2, что не противоречит смешанному составу космических лучей – протонам и ядрам гелия. На это указывают и данные о зависимости величины Xmax от энергии.

ВВЕДЕНИЕ

Метод регистрации радиоизлучения является еще одним методом для исследования космических лучей (КЛ) [1]. Антенны радиоизлучения регистрируют ту же компоненту ливня, что и оптические детекторы – электромагнитную. В отличие от оптических детекторов, регистрация антеннами не зависит от времени суток, мало зависит от прозрачности атмосферы и от погодных условий (кроме гроз [2–4]). На данный момент метод радиоизлучения является идеальным дополнительным методом регистрации ШАЛ для увеличения получаемой информации для существующих установок с детекторами заряженных частиц. В данной работе представлены результаты анализа флуктуации σ(Xmax) ливней предельно высоких энергий, а также восстановление параметров ливня по данным радиоизлучения. Широко известно, что величина σ(Xmax) и форма распределения Xmax на заданной энергии чувствительна к массовому составу частиц, которые инициируют ШАЛ. Следовательно, анализируя флуктуации Xmax можно подойти к изучению природы галактической и метагалактической компонент КЛ.

СВЯЗЬ ФОРМЫ ФУНКЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ (ФПР) С Xmax РАЗВИТИЯ ШАЛ

В расчетах была показана чувствительность наклона функции пространственного распределения радиосигнала ШАЛ (Р = А1/А2) к глубине максимума развития ливня (Хmax). Связь параметра Р и Хmax носит экспоненциальный характер и может быть описана следующей формулой:

(1)
${{{X}_{{max}}} = {\text{856}}{\text{.1}} \cdot {\text{ln}}{{{\left( {{\text{0}}{\text{.3149}}\frac{{{{A}_{{{\text{175}}}}}}}{{{{A}_{{{\text{725}}}}}}}} \right)}}^{{{\text{0}}{\text{.434}}}}}},\,\,\,\,({\text{г}} \cdot {\text{с}}{{{\text{м}}}^{{ - 2}}}),$
где A175 – амплитуда радиосигнала на расстоянии 175 м, A725 – амплитуда радиосигнала на расстоянии 725 м.

На Якутской установке связь Р = А(R1)/А(R2) с Хmax была получена эмпирически, используя синхронные измерения радио и черенковского излучений [5]:

(2)
${{{X}_{{max}}} = {\text{(660}} \pm {\text{15)}} + {\text{(100}} \pm {\text{5)}}\frac{{P - {\text{11}}{\text{.5}}}}{{\text{3}}}},\,\,({\text{г}} \cdot {\text{с}}{{{\text{м}}}^{{ - 2}}}).$

Формула (2) с достаточной точностью справедлива для интервала глубин ΔХmax = 600–800 г · см–2, ниже этих глубин ошибки определения Хmax возрастают.

Используя формулу (2) по форме ФПР радиоизлучения ШАЛ, была получена оценка Хmax при разных первичных энергиях (рис. 1).

Рис. 1.

Зависимость Xmax от энергии, полученная по данным наблюдений черенковского излучения за период 1974–2014 и 1994–2010 гг. на Якутской установке ШАЛ. Сравнение с Xmax полученной на радио установке и с модельными расчетами. Точки – данные Якутской установки, полученные из измерений черенковского света, квадраты – данные Якутской установки, полученные по радиоизлучению ШАЛ, открытые квадраты – результаты установок Auger, черные треугольники – HiRes.

ЗАВИСИМОСТЬ Xmax ОТ ЭНЕРГИИ ЛИВНЯ. СРАВНЕНИЕ С МОДЕЛЬНЫМИ РАСЧЕТАМИ

Данные Якутской установки, полученные из измерений черенковского света (точки) и радиоизлучения ШАЛ (квадраты) вместе с данными установок Auger (открытые квадраты) и HiRes (черные треугольники), показаны на рис. 1. Видно, что экспериментальные данные всех установок в пределах достигнутых точностей хорошо согласуются между собой и указывают на неравномерное продвижение Хmax вглубь атмосферы. Если рассмотреть разные интервалы по энергии, то видим, что ER имеет следующие значения 48 ± 6, 78 ± 5, 63 ± 6, 50 ± 7. Такое продвижение Хmax скорее всего означает, что атомный вес первичных частиц изменяется при переходе от одного интервала по энергии к другому и связано это с процессами происходящими в источниках и взаимодействием частиц в процессе дрейфа в магнитных полях космического пространства. Также на рис. 1 нанесены и расчеты по моделям адронных взаимодействий QGJSjet-01 [6], QGSjetII-04 [7] и EPOSv1.99 для протона и ядра железа Сравнение с данными Auger [8] и HiRes [9, 10]. Рис. 1 указывает на переменный массовый состав первичных частиц. В области энергий 1016–1017 эВ состав скорее имеет больше тяжелых ядер, при энергиях 1017–1018 эВ – состав преимущественно состоит из протонов и легких ядер, выше 1019 эВ состав обогащается тяжелыми ядрами. Этому не противоречит и анализ скорости смещения Хmax в широкой области энергий.

ФЛУКТУАЦИИ σ (Xmax). СРАВНЕНИЕ С РАСЧЕТАМИ ДЛЯ РАЗНЫХ ЯДЕР

Для анализа флуктуаций Xmax была использована база данных по черенковскому свету ШАЛ за период с 1970 по 2015 гг. Так как статистика ливней позволяла, массив данных был разбит на мелкие интервалы по энергии с шагом 1.5 и в каждом интервале найдена величина σ(Хmax). Результаты Якутской установки приведены на рис. 2. Там же нанесены данные других установок и расчеты по современным моделям адронных взаимодействий (рис. 2) для первичного протона, ядер CNO и ядра железа. Экспериментальные данные всех установок в пределах статистических ошибок согласуются между собой, поэтому можно говорить, что полученная зависимость флуктуаций Хmax обусловлена вероятно изменяющимся с энергией массовым составом первичных частиц. В интервале энергий 1016–1017 эВ флуктуации Xmax составляют 50–60 г · см–2 и имеют тенденцию к росту. В области энергий 1017–1018 эВ они почти постоянные и выше 1018 эВ заметно уменьшаются, достигая значений 50–40 г · см–2. Сравнивая экспериментальные данные σ (Xmax) с модельными расчетами для разных ядер, можно сказать, что эксперимент указывает на изменение массового состава.

Рис. 2.

Флуктуации глубины максимума развития ШАЛ в области энергий 3 ∙ 1016–1020 эВ. Линии расчеты по моделям QGSjet-01, QGSjetII-04 и EPOSv1.99 для первичного протона, ядер CNO (модели QGSjet-01, QGSjetII-04) и ядра железа. Сравнение с данными Auger и HiRes.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Якутская комплексная установка более 45 лет работает в непрерывном режиме, измеряя электроны, мюоны и черенковский свет ШАЛ. При этом зарегистрировано более 5 · 106 ливней в области энергий выше 1015 эВ. С 2009 г. в непрерывном режиме на установке ведется регистрация радиоизлучения от частиц ШАЛ на частоте 30–35 МГц. Полученные данные по радиоизлучению расширяют возможности экспериментального изучения характеристик ливней и сравнения их с характеристиками, полученными по другим компонентам ШАЛ. Как видно из рис. 1 и 2, эти результаты хорошо согласуются с данными других экспериментов. Используя большую базу экспериментальных данных, нами проанализирована черенковская компонента ШАЛ, по которой было восстановлено продольное развитие ливней в области энергий 1016–1020 эВ и выявлена зависимость Xmax и σ(Xmax) от энергии. Показано, что продвижение Xmax с ростом энергии имеет неравномерный ход. Скорость смещения Xmax на декаду по энергии E. R. принимает значения 48 ± 6, 78 ± 5, 63 ± 6, 50 ± 7 в интервалах, указанных выше в тексте. Как видно, точки перегиба приходятся на энергию ~1017 и ~8 · 1018 эВ, т.е. на область “second knee” и “bump–deep”. Из этого можно предположить, что такой характер продвижения Xmax к уровню моря связан с изменением массового состава космических лучей. Сравнивая экспериментальные данные σ(Xmax) с модельными расчетами для разных ядер, можно сказать, что эксперимент в Якутске указывает на изменение массового состава. При энергии 1017–1018 эВ доля протонов достигает максимума и составляет 60–80%, далее постепенно уменьшается и в области энергий 1019–1020 эВ космические лучи состоят из ядер гелия, CNO и более тяжелых элементов.

Работы выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-29-13019-офи_м.

Список литературы

  1. Schröder F. // Progr. Part. Nucl. Phys. 2017. V. 93. P. 1.

  2. Buitink S., Apel W.D., Asch T. et al. // Astron. Astrophys. 2007. V. 467. P. 385.

  3. Apel W.D., Arteaga J.C, Bähren L. et al. // Adv. Space Res. 2011. V. 48. P. 1295.

  4. Schellart P., Trinh T.N.G, Buitink S. et al. // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. Art. № 165001.

  5. Ellingson S., Simonetti J., Patterson C. // IEEE Trans. Anten. Propag. 2007. V. 55. P. 826.

  6. Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S. // Phys. Atom. Nucl. 1993. V. 56. P. 346.

  7. Ostapchenko S. // Nucl. Phys. B. 2006. V. 151. P. 143.

  8. Abraham J., Abreu P., Aglietta M. et al. // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 104. Art. № 091101.

  9. Cazon L., Ulrich R. // Astropart. Phys. 2012. V. 38. P. 41.

  10. Abbasi R., Abu-Zayyad T., Al-Seady M. et al. // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 104. Art. № 161101.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал