Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1034-1037

ВВЕДЕНИЕ

На детекторах ALEPH [1] и DELPHI [2] ускорителя LEP в CERN обнаружен избыток событий с большой множественностью мюонов по сравнению с моделированием. Анализ данных ДЕКОР [3–5] по группам мюонов с высокой множественностью при больших зенитных углах показал, что измеренная интенсивность событий не может быть объяснена в рамках существующих моделей взаимодействия адронов даже в предположении тяжелого массового состава (ядра железа) при первичных энергиях вблизи 10¹⁸ эВ. Измерения в обсерватории Пьер Оже [6, 7] также подтвердили избыточное количество мюонов в наклонных широких атмосферных ливнях (ШАЛ) в диапазоне энергий порядка 10¹⁹ эВ по сравнению с расчетами. Анализ данных установки ШАЛ-МГУ [8] по мюонам с энергиями ≥10 ГэВ в околовертикальных ливнях не выявил избытка наблюдаемых мюонов. Но этот вывод был основан на изучении ШАЛ с энергиями >10¹⁷ эВ. Также избытка мюонов не обнаружили и на детекторе ALICE [9] в CERN, в котором проводился эксперимент по исследованию групп мюонов при энергиях первичных частиц >10¹⁶ эВ. В данных ДЕКОР для энергии 10¹⁷ эВ избыток также не обнаруживается [4, 5]. Совокупность этих результатов указывает, что избыток мюонов появляется только при ультравысоких энергиях первичных частиц и увеличивается с их энергией.

Для решения проблемы обнаруженного избытка мюонов (так называемой “мюонной загадки”) необходимо исследование энергетических характеристик мюонов в группах [10]. Возможным подходом является измерение энерговыделения групп мюонов в веществе детектора. Средние энергетические потери мюонов практически линейно зависят от их энергии: dE_μ/dX ~ a + bE_μ, и если появляется избыточный поток высокоэнергичных мюонов, то это должно отразиться в зависимости среднего энерговыделения мюонных групп от энергии первичных частиц.

Исследование энергетических характеристик групп мюонов проводится на экспериментальном комплексе НЕВОД, начиная с 2012 г. Предшествующие результаты исследования энерговыделения групп мюонов представлены в [11]. В настоящей статье представлены результаты, основанные на данных, накопленных за период с июля 2013 по февраль 2018 г.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ДАННЫЕ

Экспериментальный комплекс включает в себя черенковский водный калориметр (ЧВК) НЕВОД [12, 13] и координатно-трековый детектор ДЕКОР [14]. Регистрация групп мюонов в широком диапазоне множественности и зенитного угла дает возможность изучения широкого интервала первичных энергий в рамках одного эксперимента [4]. ЧВК НЕВОД объемом 2000 м³ содержит в себе пространственную решетку квазисферических модулей (КСМ). Каждый КСМ включает 6 фотоумножителей ФЭУ-200 с плоским фотокатодом диаметром 15 см, направленных по осям ортогональной системы координат. Всего в черенковском детекторе находится 91 КСМ (546 ФЭУ), размещенных в вертикальных струнах (по 3 или 4 КСМ в каждой) с расстояниями 2.5 м вдоль оси бассейна и 2.0 м поперек него и по глубине. Координатно-трековый детектор ДЕКОР общей площадью около 70 м² включает восемь супермодулей (СМ), размещенных в галереях здания НЕВОД с трех сторон от водного резервуара. Чувствительная площадь каждого супермодуля составляет 8.4 м². Супермодули состоят из восьми вертикальных плоскостей пластиковых стримерных трубок с резистивным катодом и внешней двухкоординатной системой считывающих стрипов. Пространственная и угловая точность реконструкции треков мюонов в СМ лучше 1 см и 1° соответственно.

В качестве меры энерговыделения групп мюонов в НЕВОД используется сумма сигналов Σ всех ФЭУ ЧВК (в единицах фотоэлектронов, ФЭ). Локальная плотность мюонов D (м^–2) в событии оценивается на основе числа зарегистрированных мюонов и эффективной площади S_det шести экранированных водным объемом СМ для измеренного направления прихода группы.

В первой экспериментальной серии отбирались группы с зенитными углами более 40°. При умеренных зенитных углах в отклике неэкранированного калориметра, расположенного на поверхности Земли, наблюдается остаточный вклад электромагнитной и адронной компонент ШАЛ. Этот вклад экспоненциально убывает с наклонной глубиной атмосферы [15]. При зенитных углах более 55° в событиях с группами остаются практически чистые мюоны. Поэтому в следующих сериях отбирались только события с зенитными углами более 55°. Анализ данных первой серии показал, что полное энерговыделение почти пропорционально локальной плотности мюонов. Поэтому далее мы рассматриваем удельное энерговыделение Σ/D, т.е. отклик черенковского калориметра, нормированный на оценку локальной плотности мюонов в событии.

Весной 2013 г. была проведена модернизация системы водоподготовки ЧВК, и новые данные были набраны в период с июля 2013 по февраль 2018 г. (измерения в настоящее время продолжаются). Полное живое время наблюдений составило 30 688 ч, зарегистровано 52 141 событие с группами мюонов с множественностью не менее 5 и зенитными углами больше 55°.

Преимуществом новой системы водоподготовки стало увеличение длины поглощения черенковского света, которая достигла величины ~10 м (больше, чем поперечный размер бассейна ЧВК). В результате этого число зарегистрированных фотоэлектронов для одиночных мюонов и групп увеличилось более чем вдвое. В то же время проявились такие эффекты как вклад света, отраженного от поверхности воды.

2. РЕЗУЛЬТЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СЕРИЙ ИЗМЕРЕНИЙ

На рис. 1 приведена зависимость удельного энерговыделения групп мюонов от зенитного угла. Экспериментальные точки скорректированы на вклад света, отраженного от поверхности воды (на основе моделирования в программном пакете Geant4 [16, 17]). Стрелки показывают средние логарифмические значения энергий первичных частиц. Увеличение энерговыделения с зенитным углом отражает увеличение средней энергии мюонов в группах. Кривые представляют ожидаемые зависимости среднего удельного энерговыделения мюонов в группах от зенитного угла. Эти кривые получены на основе моделирования ШАЛ с помощью программного пакета CORSIKA [18] для протонов и ядер железа в качестве первичных частиц. Для моделирования использовалась комбинация моделей взаимодействия SIBYLL-2.3 [19] и FLUKA [20] для адронов с энергией выше и ниже 80 ГэВ соответственно. Расчетная кривая для первичных протонов нормирована по результатам измерений в интервале зенитных углов 55°−65°. Измеренная зависимость среднего удельного энерговыделения от зенитного угла подтверждает рост средней энергии мюонов в группах и достаточно хорошо согласуется с ожидаемой.

Рис. 1.

Зависимость среднего удельного энерговыделения от зенитного угла прихода группы. Точки – экспериментальные данные; кривые − ожидаемые зависимости для групп мюонов ШАЛ, образованных первичными протонами (p) и ядрами железа (Fe). Стрелками указаны характерные энергии первичных частиц космических лучей.

На рис. 2a и 2б приведены зависимости среднего удельного энерговыделения от локальной плотности мюонов для групп в интервалах зенитных углов 55° ≤ θ < 65° и 65° ≤ θ < 75°. Фактически подобное рассмотрение для фиксированного зенитно-углового интервала позволяет прослеживать возможные изменения отклика детектора (и, соответственно, средней энергии мюонов в группах) с возрастанием первичной энергии. Кривые на рисунках получены на основе моделирования для первичных протонов и ядер железа для фиксированных зенитных углов θ = 59° и θ = 69° соответственно; применен тот же коэффициент нормировки, что и на рис. 1. Как видно из рисунков, результаты моделирования показывают тенденцию к медленному снижению энергии мюонов в группах с увеличением первичной энергии. В то же время данные указывают на некоторое увеличение среднего удельного энерговыделения при больших плотностях мюонов, соответствующих эффективным энергиям первичных частиц более 10¹⁷ эВ. Важно отметить, при переходе к бо́льшим зенитным углам одинаковым плотностям мюонов будут соответствовать события с бо́льшей энергией первичных частиц.

Рис. 2.

Зависимость среднего удельного энерговыделения мюонных групп от локальной плотности мюонов для интервалов зенитных углов θ = 55°−65° (а) и θ = 65°−75°(б). Точки – экспериментальные данные; кривые − ожидаемые зависимости для групп мюонов ШАЛ, образованных первичными протонами (p) и ядрами железа (Fe). Cтрелками указаны характерные энергии первичных частиц космических лучей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На комплексе НЕВОД-ДЕКОР проводятся измерения энергетических характеристик групп мюонов, генерируемых первичными частицами космических лучей в области энергий 10¹⁶−10¹⁸ эВ. Выявлена заметная зависимость среднего удельного энергетического энерговыделения (нормированного на плотность мюонов) от зенитного угла. Эта зависимость находится в хорошем согласии с результатами моделирования, выполненного на основе программы CORSIKA. Обнаружено указание на увеличение средней энергии мюонов в группах по сравнению с ожиданием при первичных энергиях между 10¹⁷ и 10¹⁸ эВ. Это отклонение может свидетельствовать о включении нового механизма генерации высокоэнергичных мюонов при ультравысоких энергиях первичных частиц.

Работа выполнена на уникальной научной установке “Экспериментальный комплекс НЕВОД” при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Программа повышения конкурентоспособности НИЯУ МИФИ, проект 02.а03.21.0005, и государственное задание), а также РФФИ (грант № 18-02-00971-а). Моделирование проводилось с использованием ресурсов высокопроизводительного вычислительного центра МИФИ.