CC BY
24
УДК 523.165
О СПЕКТРЕ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ОБЛАСТИ
ЭНЕРГИЙ 1011 - 1013эВ
Ю. И. Стожков, Н. Л. Григоров1
Проведен детальный анализ энергетических спектров всех частиц галактических космических лучей «/(£), измеренных прибором АТ1С и опубликованных в [7 — 9]. Показано, что в представлении Т(Е) ■ Е7 в интервале энергий (0.1 — 10) ТэВ все три спектра, представленные в этих работах, имеют вид "ступеньки". Вместе с ранее опубликованными данными, полученными в экспериментах на ИСЗ "Протон" и в баллонном полете прибора ТИК, результаты работ [7 — 9] исключают описание, спектра всех частиц степенным законом в интервале энергий (0.1 — 10) ТэВ.
Вопрос о форме энергетического спектра галактических космических лучей (ГКЛ) имеет первостепенное значение, т.к. напрямую связан с проблемой происхождения космических лучей и их распространения в межзвездной среде. В области энергий частиц Ео > Ю11 эВ, где солнечная модуляция практически отсутствует, обычно отмечают две особенности в энергетическом спектре ГКЛ. Первая: при энергии частиц Е0 = (3 — 5) ■ 1015 эВ спектральный индекс меняется с (7 + 1) = 2.6 до (7 + 1) ~ 3.2, при этом в спектре образуется "колено" [1]. Вторая: возможное обрезание спектра ГКЛ при Е0 ~ 5-1019 эВ в результате их взаимодействия с реликтовыми и звездными фотонами. Экспериментально существование такого обрезания пока не доказано [2].
Мы утверждаем, что существует и третья особенность в спектре ГКЛ, выражающаяся в увеличении 7 на ~ 0.2 в области энергий Е0 ~ (1 — 10) • 1012 эВ по сравнению
Научно-исследовательский институт им. Д. В. Скобельцына, МГУ, Москва.
с его значением вне этой области. Эта особенность имеет принципиальное значение в связи с двумя обстоятельствами. Во-первых, она противоречит представлению о чисто степенном виде спектра ГКЛ в области энергий от Е0 « 1011 эВ до Е0 « 1015 эВ [3, 4]. Во-вторых, сведения о показателе спектра и составе ГКЛ в этой области энергий будут крайне необходимы для решения проблемы "колена", когда появятся прямые измерения в области энергий Е0 и (1 - 10) • 1015 эВ.
Этих причин достаточно, чтобы попытаться понять, что же происходит со спектром всех частиц в ТэВ-ной области энергий.
Прямые измерения спектра всех частиц в области энергий Е = (0.1 — 100) ГэВ. Впервые прямые измерения спектра всех космических лучей в ТэВ-иоп области энергий были проведены на ИСЗ "Протон" в 1965 - 1968 гг. с помощью приборов СЭЗ-14 и СЭЗ-15 [5]. В этих приборах измерялось энерговыделение в ионизационных калориметрах (ИК) частицами космических лучей, падающих изотропно на прибор. При этом оказалось, что спектральный индекс (7+1) потока всех частиц J(Eo) равен ~ 2.6 в областях энергий частиц Е0 < 1 ТэВ и Е0 > (5 — 10) ТэВ, а в области 1 < Е0 < (5 — 10) ТэВ он равен 7 + 1 = (2.9 — 3.0). Если величину «/(¿'о) умножить на то эта функция будет выглядеть как ступенька (см. рис. 1).
Измерения на ИСЗ "Протон", выполненные в 1965 - 1968 гг., оставались единственными в течение 25 лет(!). В 1996 г. на баллонах были проведены измерения энерговыделений всех частиц в тонком ионизационном калориметре (прибор ТИК) [6]. Из рис. 1 видно, что данные прибора ТИК показывают ту же самую нерегулярность в спектре всех частиц, что и данные спутниковых экспериментов.
Недавно (в 2001 и 2003 гг.) были опубликованы предварительные данные о спектрах всех частиц, измеренных прибором АТ1С в 2-х экспериментах на баллонах [7 9]. Прибор АТ1С включал в себя ионизационный калориметр (ИК), выполненный из тяжелых сцинтилляторов ВвО. Измерялось энерговыделение всех частиц в ИК, которое сопровождалось сигналом в верхнем сцинтилляторе. Верхний сцинтиллятор находился под детектором заряда, и это обстоятельство за счет частиц обратного тока могло несколько повлиять на величину измеряемого спектрального индекса всего потока ГКЛ.
В работах [7, 8] спектры всех частиц представлены зависимостями темпа счета ¿Ы^^Е) от выделенной в ИК энергии Е. Энергетические интервалы были выбраны достаточно малыми, так что соседние точки сливались в сплошную линию. Т.к. статистическая точность-каждой точки была невелика, это привело к тому, что, уже начиная с Е ~ 1 ТэВ, статистические ошибки полностью завуалировали небольшие изменения
о-)
0.3 т
М
л
^ 0.25 {
I
а,
0
0.21:
гч
1
25
-¿0.151 и
• Протон - 1,2,3 о Протон-4 х ТИК
,7.40 т Я 7.35 1
® 7.30
§7.20 §7.15 •:
в7.пй
.8 в
3 0.1 0.01
■"1-
0.1
1
10
100 1000 Ео, ТЭВ
7.05
* ® в 9
• ЭДйЫ е1.а1. 2001
• Wefel й.аЬ 2003 ° АЬп еЫ. 2003
в о б
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
(выделенная энергия, ГэВ)
Рис. 1. Дифференциальный энергетический спектр всех частиц космических лучей умноженный на Е$ 62 (значения приведены в относительных единицах). Данные получены в экспериментах на спутниках "Протон-1,2,3,4" и на высотном аэростате (прибор ТИК) ошибки данных составляют 5 — 10%. Данные прибора ТИК приведены в зависимости от энергии, выделенной частицей в ионизационном калориметре, умноженной на постоянный множитель. Прямые линии показывают поведение спектра в различных интервалах энергий частиц.
Рис. 2. Значения Е*< • ¿ТУ/д(1дЕ) для всех частиц в зависимости от энергии Е, выделенной частицей в калориметре прибора АТ1С. Эти значения даны в относительных единицах и получены из данных экспериментов 2001 и 2003 гг.: • - Иге/е1 е£ а1., 2001 г., 7 = 1.59 [7]; о \Vefel е1 а1., 2003 г., 7 = 1.50 [8]/ □ - АНп еЬ а!., 2003 г., 7 = 1.51 [9].
наклона спектра в разных энергетических интервалах и создали иллюзию существования чисто степенного спектра всех частиц в области энерговыделений Е > 0.1 ТэВ.
Чтобы выяснить истинный вид спектра, приведенного в [7, 8], необходимо было существенно увеличить статистику числа частиц в каждом энергетическом интервале, т.е. расширить энергетические интервалы. Для этого кривые, отображающие спектры всех частиц и приведенные на рис. 5 и 4 в работах [7] и [8] соответственно, были оцифрованы, т.е. получено число частиц в достаточно узких энергетических интервалах. После этого энергетические интервалы были увеличены путем суммирования числа событий в нескольких соседних интервалах. Таким образом, статистическая точность была увеличена в несколько раз. Полученные значения dN/d{\gE) были умножены на величину Е1 и значения Е1 ■ dN/д^Е) как функция выделенной энергии изображены на рис. 2.
Спектр всех частиц также приведен в работе [9], в которой на рис. 2в он представлен в виде точек. После оцифровки точек этот спектр, умноженный на Еу, показан на рис. 2
(светлые квадраты).
Значения 7 приведены в подписи к рис. 2 и относятся к интервалу энергий Е < 1012 эВ. Для удобства сравнения значения Е7 • <1М/(1^Е) были нормированы таким образом, чтобы в диапазоне Е < 800 ГэВ они совпадали с данными работы [7].
Обсуждение результатов. Как видно из рис. 2, у всех трех спектров наблюдается одна и та же особенность: до энерговыделений Е < 1 ТэВ спектр всех частиц степенной с показателем 7 + 1 2.5. В узком интервале энерговыделений в окрестности (1 — 2) ТэВ происходит изменение показателя степени на величину Д7, практически одинаковую во всех спектрах. Значения Д7 были найдены для каждого спектра и приведены в таблице. По данным прибора АТ1С среднее значение Д7 равно (Д7)ср. = 0.21 ± 0.04.
Таблица
Величина изменения показателя спектра всех частиц Д7, полученная из данных разных экспериментов
Прибор Д7* Ссылка
СЭЗ-14 + СЭЗ-15 0.3 И
ТИК 0.09 [6]
АТ1С-2001 0.28 [7]
АТ1С-2003 (а) 0.15 [8]
АТ1С-2003 (б) 0.20 [9]
*) ошибка определения Д7 в разных спектрах составляет ~ (0.05 — 0.07)
Спектры всех частиц, представленные на рис. 2, как качественно, так и по количественным характеристикам совпадают и имеют характерную закономерность, которая заключается в следующем:
1) Спектр всех частиц имеет степенной вид со спектральным индексом 7 + 1 и 2.5 при Е < 1 ТэВ и Е > 10 ТэВ, а в промежутке 1 < Е < 10 ТэВ спектральный индекс на (0.21 ± 0.04) больше и равен 7 + 1 и 2.7.
2) Спектр всех частиц в представлении Е1 • Т(Е) имеет вид "ступеньки", высота которой около 1.5. Причем, величина Е1 •</(£) является постоянной при Е < 1 ТэВ (сл: рис. 1 и 2) и при Е > (5 — 10) ТэВ (см. рис. 1). Иными словами, во всем энергетическом интервале от 1011 до 1014 эВ спектр не является чисто степенным.
ЛИТЕРАТУРА
[1] К у л и к о в Г. В., X р и с т и а н с е н Г. Б. ЖЭТФ, 35, вып. 3(9), 635 (1958).
[2] Takeda М., N а у a s h i d a N., К о n d о К., et al., Phys. Rev. Lett., 81, 1163 (1998).
[3] S h i b a t a T. Cosmic ray spectrum and composition; direct observations. Rapporteur paper, in: Proc. 24th ICRC, Rome, 1995, p. 713.
[4] Y о s h i d a S. Rapporteur paper, in: Proc. 26 ICRC, Salt Lake City, 1999.
[5] Grigorov N. L. et al. Study of energy spectra of primary cosmic rays at very high energies on the "Proton" series satellites, in: Space Research, XII, Akademie-Verlag, Berlin, 1972, p. 1617.
[6] Адаме Дж. и др. Изв. АН СССР, сер. физ., 61, 1181 (1997).
[7] W е f е 1 J. P. for ATIC collaboration. The ATIC experiment: first balloon flight, in: Proc. of 27th ICRC, Germany, Hamburg, OG, 2001, p. 2111.
[8] W e f e 1 J. P. for ATIC collaboration. The ATIC science flight in 2002 - 2003; Description and preliminary results, in: Proc. of 28th ICRC, Japan, Tsukuba, OG, 2003, p. 1849.
[9] Ahn H. S. et al. for ATIC collaboration. ATIC experiment: preliminary results from the flight in 2002, in: Proc. of 28th ICRC, Japan, Tsukuba, OG, 2003, p. 1853.
Поступила в редакцию 5 февраля 2004 г.
