CC BY
10
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ УДК 537.591
ИЗМЕНЕНИЕ МАССОВОГО СОСТАВА ПЕРВИЧНОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ СВЕРХВЫСОКИХ
ЭНЕРГИЯХ
H.H. Калмыков, X. Котсоми, В.П. Судаков, Ю.А. Фомин
(.НИИЯФ; кафедра физики космоса) E-mail: [email protected]
Анализируется информация, которую можно извлечь из данных установил ШАЛ МГУ, относительно состава первичного космического излучения (ПКИ) в области энергий выше 1017 эВ. Рассматривается проблема существования компоненты космического излучения, не связанной с традиционным механизмом образования галактического космического излучения, а также оценивается доля гамма-квантов в ПКИ.
Введение
Массовый состав ПКИ в области энергий 1017-1018 эВ был предметом исследования в относительно немногих экспериментах, и полученные данные порой противоречивы (см. работу [1]). Между тем эта область энергий заслуживает тщательного изучения, поскольку именно в ней следует ожидать появления космических лучей иного происхождения по сравнению с теми, которые наблюдаются при более низких энергиях и традиционно связываются со взрывами сверхновых в нашей Галактике. Такое предположение представляется естественным. Действительно, экспериментальные данные [2] показывают, при энергии порядка 1017 эВ, излом в парциальных энергетических спектрах ядер ПКИ достигается уже и для ядер железа. Тем не менее показатель спектра всех частиц сохраняет в области 1017-1018 эВ то же значение, что и при энергиях 1016 — 1017 эВ. Поэтому начиная с энергии порядка 1017 эВ, в потоке ПКИ должен все больше проявляться вклад космических лучей от источников иного происхождения (например экстрагалактических). Окончательных аргументов в пользу такого заключения еще нет, и необходимы дальнейшие экспериментальные исследования в этой области, что является целью проекта Тунка [1], а также ряда других проектов. За время эксплуатации установки ШАЛ МГУ в период с 1982 по 1989 г. было зарегистрировано более 103 ливней с числом частиц Л^^Ю7, что дает возможность исследовать массовый состав ПКИ в интересующей нас области энергий и получить предварительную информацию о дополнительной компоненте ПКИ.
1. Дополнительная компонента ПКИ
Ранее (см. работу [3]) нами было установлено, что экспериментальным спектрам установки ШАЛ МГУ по Ые и Ыц (с энергией выше 10 Гэв) наилучшим образом соответствует энергетический спектр ПКИ, компоненты которого меняют свой показатель с 2.7 на 3.7 при энергии ЕСТ(1) = X • 3 • 1015 эВ. Однако этот состав, оптимальный в области энергий менее 1017 эВ (Л^^Ю7), не позволяет описать спектр по Ые при Ые > 107 (рис. 1). Используя экспериментальные данные и экстраполируя расчетный спектр на область более высоких энергий, можно получить спектр ШАЛ, обусловленный дополнительной компонентой ПКИ.
Этот спектр приближенно дается соотношением (для 107 <Ые< 108)
/¿(ЛУ = (0.50 + 0.20-0.14) • 10^16 х
х л/г-2.36±0.08
Таким образом, показатель спектра оказывается близок к тому, что наблюдается до первого излома (колена). Считая, что дополнительная компонента состоит из протонов, можно найти, что энергетический спектр таких протонов в интервале энергий 5- 1016 — 5 • 1017 эВ при использовании модели (ЗСЭЛЕТ [4] дается формулой
ЫЕ0) = (1.45+0.58-0.41)-£(72'55±009м^2с^1ср^1эВ^1
Существование дополнительной компоненты ПКИ отмечалось и ранее, например в работе [5], где были даны оценки ее интенсивности на основе сравнения данных установки [\ASCADE с данными других установок при более высоких энергиях. Результаты
lg[/(JVe). (]\Ге/105)2-4], CM-VV1
: ^ il
f \ 1
6 7 1 8
Рис. 1. Экспериментальный спектр ШАЛ по числу частиц по данным установки ШАЛ МГУ (•), расчетный спектр ШАЛ и спектр ШАЛ, генерированных дополнительной компонентой ПКИ (х)
настоящей работы методически более корректны, поскольку получены по данным одной установки.
Наличие дополнительной компоненты сказывается на величине <1пЛ> — характеристике, обычно используемой для количественного описания массового состава ПКИ. Согласно нашим результатам, <]пД>«3.2 при <]пД>«2.3 при Ые и 3 • 107, а при Ые и 108 снижается до 1.7.
Данные установки ШАЛ МГУ по мюонной компоненте также согласуются с отмеченной тенденцией.
2. Оценка доли гамма-квантов в составе ПКИ
Наличие в составе установки ШАЛ МГУ детекторов мюонов общей площадью 80 м2 позволяет оценить долю гамма-квантов в потоке ПКИ при энергии выше 1017 эВ. Метод оценки основан на том, что в ШАЛ достаточно большого размера {Ые ^ Ю7) отсутствие попадания хотя бы одного мюона с энергией более 10 ГэВ в подземный детектор является событием маловероятным, если ось ШАЛ лежит в пределах круга радиуса 240 м от мюонного детектора и ливень создан протоном или более тяжелым ядром. В то же время такого рода события вполне совместимы с гипотезой, что ливень создан первичным гамма-квантом, поскольку в таком ливне плотность распределения мюонов существенно снижается по сравнению с обычными ливнями (рис. 2). Так, один из безмюонных ливней, упавший в 128 м от детектора, должен был бы иметь среднюю плотность мюонов 0.61 м^2, если бы относился к «нормальным» ШАЛ. При такой плотности вероятность нулевого показания
lg Рц, M 2
Fe
ï\
\
1.5 2.0 2.5 lgi,M 3.0
Рис. 2. Средние функции пространственного распределения мюонов с энергией более 10 ГэВ в ШАЛ, генерированных первичными ядрами железа, протонами и гамма-квантами с первичной энергией 101' эВ
такой плотности вероятность нулевого показания детектора составляет менее 10^4, тогда как для ливня, созданного гамма-квантом, она возрастает до величины порядка 0.5. Полная статистика включает 1679 ливней, при этом общее число нулей составляет 48, тогда как из проведенных оценок следует, что их число при данной статистике и в предположении отсутствия гамма-квантов в ПКИ должно составлять около 5.
Таким образом, приходим к оценке доли гамма-квантов в ПКИ при энергии 1017 — 1018 эВ, равной (2.5 ±0.4) • 10^2. Однако нельзя исключить возможность недооценки флуктуаций в ливнях от «обычных» космических лучей.
Сравнительно недавно [6] была выполнена оценка верхнего предела доли фотонов по данным Якутской установки ШАЛ в ливнях от частиц предельно высоких энергий, что привело к установлению довольно высокого предела на долю гамма-квантов — 22% при Е0 >4 - 1019 эВ и 12% при Е0 >2 -1019 эВ. Полученная нами оценка не противоречит результатам [6], если учесть, что в [6] рассматривались ливни от более высоких энергий. Следует учесть, что, согласно работе [6], те же данные на доверительном уровне 95% совместимы и с гипотезой об отсутствии фотонов в ПКИ, поэтому вопрос нуждается в дополнительном изучении.
Заключение
Таким образом, проведенный анализ данных установки ШАЛ МГУ при энергиях 1017 — 1018 эВ, позволил оценить содержание как дополнительной
компоненты, так и гамма-квантов в составе ПКИ. Полученные данные хотя и являются предварительными, представляют несомненный интерес и дают основания для проведения дальнейших исследований в этой области энергий.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 08-02-00540).
Литература
1. Буднее Н.М., Вишневски Р., Гресс O.A. и др. // Изв. РАН Сер. физическая. 2005. 69, № 3. С. 347.
2. Antoni Т., Äpel W.D., Badea A.F. et al. // Astropart. Phys. 2005. 24. Р. 1.
3. Калмыков H.H., Куликов Г.В., Сулаков В.П. и др. // Вести. Моск. ун-та. Физ. Астрой. 2006. № 6. С. 29.
4. Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S., Pavlov A.I. // Nucl. Phys.'B (Proc. Suppl.). 1997. 52B. P. 17.
5. Hoerandel J.R. // Astropart. Phys. 2003. 19. P. 193.
6. Glushkov A.V., Gorbunov D.S., Makarov L.T. et al. 11 Pis'ma V ZHETF. 2007. 85, N 3. P. 163.
Поступила в редакцию 03.06.2008
