Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1109-1110

ВВЕДЕНИЕ

Космические лучи ультравысоких энергий (КЛУВЭ) – частицы и ядра с энергиями более 10¹⁸ эВ, приходящие в атмосферу Земли. Несмотря на то, что

космические лучи ультравысоких энергий регистрируются уже многие годы, их происхождение по-прежнему остается неизвестным. Изучение массового состава КЛУВЭ необходимо для понимания механизмов рождения космических лучей в источниках и их распространения.

Эксперимент Telescope Array [1], расположенный в штате Юта, США, разработан для регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ), рождаемых при взаимодействии высокоэнергетичных частиц с атмосферой Земли. Он работает в гибридном режиме: детекторы наземной решетки измеряют поток частиц на земле, а флюоресцентное излучение от ШАЛ измеряется при помощи флюоресцентных телескопов. Наземная решетка состоит из 507 детекторов, распределенных по квадратной решетке с шагом 1.2 км и полной площадью покрытия 700 км². Каждый детектор состоит из двух слоев пластикового сцинтиллятора толщиной 1.2 см площадью 3 м².

МЕТОД

Для изучения химического состава космических лучей был применен один из методов анализа данных, описываемых многими переменными – усиленные деревья решений (Boosted Decision Trees). Данный метод использует набор переменных, получаемых при реконструкции данных, и трансформирует его в одну переменную ξ, которая в дальнейшем применяется для получения средней атомной массы первичной частицы 〈ln A〉 как функции энергии.

В методе использовались следующие переменные:

1. Параметр кривизны фронта Линсли, a [2].

2. Отношение площади сигнала к максимальному значению (AoP) на расстоянии 1200 м.

3. Его наклон β [3].

4. Количество сработавших детекторов.

5. Количество детекторов, исключенных из фитирования фронта ливня в процедуре реконструкции [4].

6. χ²/d. o. f. (d. o. f. – degrees of freedom, число степеней свободы)

7. Параметр S_b = ∑S_ir^b, для b = 3.0 и b = 4.5 [5].

8. Сумма сигналов всех детекторов данного события.

9. Асимметрия сигнала между верхними и нижними слоями детектора.

10. Полное количество пиков во всех аналогово-цифровых преобразователях.

11. Количество пиков в детекторе с наибольшим сигналом.

12. Количество пиков, зарегистрированных только в верхнем слое детекторов.

13. Количество пиков, зарегистрированных только в нижнем слое детекторов.

Дополнительно в данные включены зенитный угол θ и величина S₈₀₀.

ДАННЫЕ

В работе использовались данные наземной решетки эксперимента Telescope Array за девять лет работы установки (2008-05-11–2017-05-10). На данные накладывались следующие критерии:

1. Для данного события сработали семь или более детекторов;

2. Зенитный угол менее 45°;

3. Восстановленное положение центра ливня находится на расстоянии не менее 1200 м от края решетки;

4. χ²/d. o. f. не более 4 для аппроксимации геометрической формы ливня и функции продольного распределения;

5. χ²/d. o. f. не более 5 для одновременной аппроксимации геометрической формы ливня и функции продольного распределения;

6. Направление прихода восстановлено с точностью не менее 5°;

7. Ошибка в определении S₈₀₀ менее 25%.

После наложения критериев итоговый набор содержит 18077 событий.

Монте-Карло моделирования ШАЛ, инициированных первичными протонами и ядрами железа, были выполнены с использованием пакета CORSIKA и адронной модели QGSJETII-03 [6].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Полученный химический состав КЛУВЭ качественно совпадает с результатами измерений флюоресцентных детекторов эксперимента Telescope Array (рис. 1) и данным Обсерватории Пьера Оже (рис. 2).

Рис. 1.

Средняя атомная масса 〈lnA〉, полученная в данной работе (показана крестиками) в сравнении с результатами гибридных измерений эксперимента Telescope Array (показана кружками) [7].

Рис. 2.

Средняя атомная масса 〈ln A〉, полученная в данной работе (показана крестиками) в сравнении с данным Обсерватории Пьера Оже, основанными на измерении X_max мюонов и асимметрии времени прихода (показаны квадратами и треугольниками, соответственно) [8].

В рамках чувствительности метода не наблюдается зависимости химического состава от энергии. Средний логарифм атомной масса первичных частиц составляет 〈ln A〉 = 1.52 ± 0.08_(stat) ± 0.36_(syst).

Данная работа выполнена при поддержке гранта РНФ 17-72-20291 (ИЯИ).