Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 594-597

ВВЕДЕНИЕ

Одной из актуальных проблем в физике космических лучей сверхвысоких энергий является избыток многомюонных событий по сравнению с расчетом, получивший название “мюонная загадка”. Избыток мюонов проявляется в области энергий широких атмосферных ливней (ШАЛ) больше 10¹⁷ эВ. Международная рабочая группа объединила результаты по исследованию избытка мюонов, включающие данные различных экспериментов [1, 2], в том числе эксперимента НЕВОД-ДЕКОР, в котором впервые была измерена зависимость избытка мюонов от энергии первичных частиц (от 10¹⁵ до 10¹⁸ эВ и выше) [3, 4], и показано, что выше 10¹⁷ эВ избыток мюонов не может быть описан в рамках существующих представлений о ядерных взаимодействиях, даже при предельно тяжелом (ядра железа) составе первичных космических лучей.

Поскольку различные механизмы появления избытка многомюонных событий (космофизической либо ядерно-физической природы) должны по-разному сказываться на энергии мюонов, одним из возможных подходов к решению проблемы является исследование энергетических характеристик мюонной компоненты ШАЛ [5]. Средние энергетические потери мюонов в веществе практически линейно зависят от энергии мюонов. Если появляется избыток мюонов сверхвысоких энергий, то это должно отразиться в зависимости средней энергии мюонов от энергии первичных частиц. В настоящее время такой эксперимент может быть проведен только на комплексе НЕВОД-ДЕКОР. Этот эксперимент ведется с 2012 г. Предыдущие результаты исследований представлены в статьях [6, 7], в которых были измерены энерговыделения групп мюонов. В зависимости среднего удельного энерговыделения групп от локальной плотности мюонов для фиксированных интервалов зенитных углов было обнаружено увеличение энерговыделения для энергий первичных частиц выше 10¹⁷ эВ. Цель данной работы – оценить среднюю энергию мюонов в группах и ее изменение с увеличением локальной плотности мюонов и, соответственно, энергии первичных частиц.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ДАННЫЕ

Установка включает в себя черенковский водный калориметр (ЧВК) НЕВОД [8, 9] объемом 2000 м³ и координатно-трековый детектор ДЕКОР [10] площадью 70 м². Измерительная система ЧВК НЕВОД представляет собой пространственную решетку из 91 квазисферического модуля (КСМ), каждый из которых включает 6 фотоумножителей ФЭУ-200 с плоским фотокатодом диаметром 15 см, направленных по осям ортогональной системы координат. Динамический диапазон регистрируемых сигналов составляет от 1 до 10⁵ фотоэлектронов (ф. э.) для каждого ФЭУ. Координатно-трековый детектор ДЕКОР состоит из 8 супермодулей (СМ), расположенных в галереях здания с трех сторон водного объема детектора НЕВОД. Угловая и пространственная точности реконструкции мюонных треков, пересекающих СМ, лучше 1 градуса и 1 см, соответственно.

Представлены результаты исследований, основанные на данных трех серий измерений, проведенных на комплексе НЕВОД-ДЕКОР в период с июля 2013 по май 2020 г. за 46 901 час “живого” времени наблюдений. Отобрано 80 078 событий с группами мюонов с множественностью не менее 5 частиц и зенитными углами более 55 градусов. Поскольку при умеренных зенитных углах (θ < 55°) в отклике калориметра, расположенного на поверхности Земли, наблюдается остаточный вклад электромагнитной и адронной компонент ШАЛ [11], для анализа энерговыделения групп отбирались только события с зенитными углами более 55°, где остаются практически чистые мюоны. Координатно-трековый детектор позволяет определить локальную плотность мюонов в группах и направление их прихода, и, соответственно, по этим данным оценить энергии первичных частиц. Энерговыделение групп мюонов восстанавливается по отклику черенковского калориметра НЕВОД (как сумма сигналов всех ФЭУ Σ в единицах ф. э.).

Плотность мюонов в событиях оценивается по числу треков (m) в ДЕКОР с учетом эффективной площади супермодулей (S_дет) для измеренного направления прихода группы и c учетом наклона спектров локальной плотности мюонов β ≈ 2.1 [3]:

Поскольку в первом приближении суммарное энерговыделение пропорционально плотности мюонов в событии, в дальнейшем анализе используется удельное энерговыделение (суммарное число фотоэлектронов, деленное на оценку плотности мюонов в событии).

Проведено моделирование энерговыделения групп мюонов с фиксированными энергиями мюонов 100 ГэВ на установках НЕВОД-ДЕКОР. События с группами разыгрывались по спектру локальной плотности мюонов с наклоном, близким к экспериментальному. В моделировании учтены физические особенности установок и условия аппаратного, программного и операторского отбора событий с группами мюонов. Для событий, удовлетворяющих условиям отбора, рассчитывался отклик черенковского водного калориметра НЕВОД с помощью пакета Geant4 [12, 13]. Модель ЧВК НЕВОД была проверена и откалибрована по отклику на одиночные окологоризонтальные мюоны.

АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

На рис. 1 приведена зависимость среднего удельного энерговыделения от зенитного угла. Черные квадраты – экспериментальные данные, серые кружки – моделированное удельное энерговыделение групп мюонов с фиксированными энергиями мюонов 100 ГэВ. Как видно из рисунка, наблюдается увеличение среднего удельного энерговыделения с ростом зенитного угла (как для эксперимента, так и для результатов моделирования). Однако экспериментальные точки находятся заметно выше результатов моделирования, что связано с вкладом различных энергий мюонов в группах, причем средняя энергия мюонов в группах выше 100 ГэВ.

Рис. 1.

Зависимость среднего удельного энерговыделения групп мюонов от зенитного угла. Черные квадраты – экспериментальные данные, серые кружки – результаты моделирования для фиксированной энергии мюонов 100 ГэВ.

Осуществлен переход от средних удельных энерговыделений в воде к энергии мюонов в группах. Для этого рассчитано отношение экспериментальных значений средних удельных энерговыделений к моделированным для фиксированных энергий мюонов 100 ГэВ. Затем, используя интерполяцию полученных значений по табличным данным средних удельных потерь мюонов [14], нормированных на потери при энергии 100 ГэВ, вычислялись средние энергии мюонов в калориметре и статистические погрешности. На рис. 2а приведена впервые полученная зависимость средней энергии мюонов в группах от зенитного угла. Стрелками обозначены расчетные среднелогарифмические энергии первичных частиц. Сплошная и штриховая кривые получены в результате моделирования ШАЛ в программе CORSIKA [15] для протонов и ядер железа в качестве первичных частиц. В качестве модели адронных взаимодействий использовалась QGSJET-II-04 [16, 17]. Для зенитных углов θ = 55°–65° наблюдается превышение полученных данных над ожиданием, что, возможно, связано с остаточным вкладом сопровождения от электронно-фотонной и адронной компонент ШАЛ. При больших зенитных углах наблюдается хорошее согласие с ожиданием.

Рис. 2.

Зависимость средней энергии мюонов в группах мюонов от зенитного угла (а) и локальной плотности мюонов для зенитных углов θ = 65°–75°(б). Точки – полученные данные; кривые − ожидаемые зависимости для групп мюонов ШАЛ, образованных первичными протонами (сплошная) и ядрами железа (штриховая). Cтрелками указаны характерные энергии первичных частиц космических лучей.

На рис. 2б представлена полученная зависимость средней энергии мюонов от локальной плотности мюонов для интервала зенитных углов 65° ≤ θ < 75°. Обозначение кривых и стрелок такое же, как на рис. 2а. Кривые на рисунке получены на основе моделирования ШАЛ для первичных протонов и ядер железа для фиксированного зенитного угла θ = 69°. Как видно из рисунка, данные указывают на увеличение средней энергии мюонов в группах при больших плотностях мюонов, что соответствует энергиям первичных частиц более 10¹⁷ эВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В эксперименте НЕВОД-ДЕКОР впервые получены оценки средней энергии мюонов в группах при разных зенитных углах и локальной плотности, которые соответствуют энергиям первичных частиц 10¹⁶–10¹⁸ эВ. Для первичных энергий более 10¹⁷ эВ наблюдается рост средней энергии мюонов в группах.

Работа выполнена на уникальной научной установке “Экспериментальный комплекс НЕВОД” при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект по теме государственного задания № 0723-2020-0040), а также РФФИ (проект № 18-02-00971-а). Моделирование проводилось с использованием ресурсов высокопроизводительного вычислительного центра НИЯУ МИФИ.