ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 398-400
УДК 524.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУПП МЮОНОВ В НАКЛОННЫХ ШАЛ
© 2015 г. Р. П. Кокоулин1, А. Г. Богданов1, Л. И. Душкин1, В. В. Киндин1, Е. А. Ковыляева1, Дж. Маннокки2, А. А. Петрухин1, О. Сааведра3, Дж. Тринкеро2, В. А. Хомяков1, С. С. Хохлов1, В. В. Шутенко1, И. И. Яшин1
E-mail: RPKokoulin@mephi.ru
Представлены первые результаты исследования энерговыделения наклонных групп мюонов в че-ренковском водном детекторе на поверхности Земли. В качестве меры энерговыделения (пропорционального потерям энергии мюонов в веществе детектора) используется суммарный отклик ФЭУ черенковского калориметра НЕВОД, а локальная плотность мюонов в точке наблюдения оценивается по данным координатно-трекового детектора ДЕКОР. Найдено, что удельное энерговыделение (нормированное на плотность мюонов) существенно зависит от зенитного угла. Сравнение с результатами моделирования мюонной компоненты ШАЛ, выполненного на основе программного пакета CORSIKA, показывает, что средняя энергия мюонов, регистрируемых в составе групп, быстро увеличивается с ростом зенитного угла и вблизи горизонта достигает ~500 ГэВ.
DOI: 10.7868/S036767651503031X
ВВЕДЕНИЕ
В ряде экспериментов, выполненных в космических лучах при сверхвысоких энергиях, наблюдается избыток многомюонных событий (число мюонов в ШАЛ, группы мюонов) по сравнению с результатами моделирования в рамках широко распространенных моделей адронного взаимодействия [1—4]. В принципе, этот избыток может быть вызван как космофизическими (изменение состава первичного потока космических лучей), так и ядерно-физическими причинами (изменение характеристик взаимодействия адронов и ядер с ядрами атомов атмосферы). Однако при энергиях порядка 1018 эВ и выше избыток мюонов не удается объяснить с помощью существующих моделей даже в предположении предельно тяжелого первичного состава (ядра железа) [3, 4], что указывает на необходимость пересмотра моделей развития адронного каскада в атмосфере. Ключом к решению этой проблемы, получившей в последнее время название "мюонной загадки" ('muon puzzle'), могут стать исследования энергетических характеристик мюонной компоненты ШАЛ и их изменений с энергией первичных частиц.
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва.
2 Институт физики межпланетного пространства, Турин, Италия.
3 Отделение физики Туринского университета, Турин, Италия.
Один их возможных методов таких исследований — измерение энерговыделения в веществе детектора при прохождении через него мюонных групп. Средние потери энергии мюонов практически линейно зависят от их энергии, и появление в составе групп избыточного потока высокоэнергичных мюонов должно сказаться на зависимости среднего энерговыделения от энергии первичной частицы. Такой эксперимент начат на экспериментальном комплексе НЕВОД-ДЕКОР, включающем черенковский водный детектор (ЧВД) большого объема и координатно-трековый детектор, позволяющий надежно идентифицировать многомюонные события. Одновременная регистрация групп различной множественности при разных зенитных углах (вплоть до горизонта) позволяет исследовать в рамках одного эксперимента рекордно широкий интервал первичных энергий (от области "излома" спектра до 1018 эВ и выше). В данной статье приведены первые результаты измерения среднего энерговыделения наклонных групп мюонов и их сравнение с результатами моделирования, выполненного на основе программного пакета СОЯ81КЛ.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Регистрирующая система черенковского водного детектора НЕВОД [5] представляет собой пространственную решетку квазисферических оптических модулей (КСМ), каждый из которых включает шесть фотоумножителей (ФЭУ-200) с плоским фотокатодом. Всего в установке 91 КСМ (546 ФЭУ), размещенных с шагом 2.5 м вдоль бас-
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУПП МЮОНОВ
399
сейна и 2.0 м поперек бассейна и по его глубине. После недавней модернизации электронная система позволяет измерять сигналы в широком динамическом диапазоне (от 1 до 105 ф. э. для каждого ФЭУ) [6], что обеспечивает возможность исследования каскадных ливней и энерговыделения групп мюонов калориметрическим способом. Ко-ординатно-трековый детектор ДЕКОР [7] включает восемь супермодулей (СМ), расположенных в галереях здания НЕВОД с трех сторон от ЧВД. Чувствительная площадь каждого СМ составляет 8.4 м2; супермодули состоят из восьми вертикальных плоскостей стримерных трубок и обеспечивают пространственную и угловую погрешность локализации трека мюона менее 1 см и 1° соответственно.
В настоящем анализе используются данные двух серий измерений: с мая 2012 по март 2013 г. и с июля 2013 по февраль 2014 г. суммарной продолжительностью 9673 ч "живого" времени наблюдений. Отбирались группы с кратностью мюонов т > 5 и зенитными углами прихода 9 > 55° (16416 событий). Дополнительно из части экспериментального материала (за 3253 ч измерений) отобраны группы при меньших зенитных углах (40° < 9 < 55°, 15084 события). В качестве меры энерговыделения используется сумма Е сигналов всех сработавших ФЭУ ЧВД (в единицах фотоэлектронов, ф. э.). Плотность мюонов В в событии (с учетом смещения оценки из-за падающего спектра плотности и пуассоновских флуктуаций числа частиц, попавших в детектор) оценивается по данным ДЕКОР как
В = (т -в)/Sдет, (1)
где 5дет — суммарная площадь супермодулей координатного детектора для данного направления прихода группы (кв. м), в = 2.1 — показатель наклона интегрального спектра локальной плотности мюонов в рассматриваемой области [3].
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Предварительный анализ данных показал, что, как и следовало ожидать, в первом приближении суммарное энерговыделение групп в детекторе пропорционально плотности мюонов, поэтому в дальнейшем мы рассматриваем среднее удельное энерговыделение (Е/В, нормированное на плотность мюонов в событиях. Результаты измерения зенитно-угловой зависимости среднего удельного энерговыделения представлены точками на рис. 1.
Стрелками на рисунке указаны характерные энергии первичных частиц, дающих вклад в формирование мюонных групп при разных углах (расчетные среднелогарифмические значения). При малых зенитных углах (9 < 55°, светлые кружки на рисунке) наблюдается быстрый спад измеренного энерговыделения с ростом угла, что
(Z/D), 103 ф. э. м2 60 г
50 40
30
20
10
1016 эВ
1017 эВ 1018 эВ
40
50
60
70
80 90 0, град
Рис. 1. Зависимость среднего удельного энерговыделения от зенитного угла прихода группы. Точки — экспериментальные данные; сплошная кривая — ожидаемая зависимость для групп мюонов в ШАЛ; штриховая кривая — результат фитирования функцией (2) в области малых углов.
объясняется уменьшающимся с толщиной атмосферы остаточным вкладом электронно-фотонной и адронной компонент ШАЛ в отклик не-экранированного детектора, расположенного на поверхности Земли. На этом участке зависимость хорошо аппроксимируется отрицательной экспо-нентой от толщины атмосферы (штриховая кривая на рис. 1):
(Е/В) - exp(-X0 sec 0/А) + const, (2)
где X0 = 1014 г • см-2 — средняя за период измерений толщина атмосферы в точке наблюдений в вертикальном направлении (соответствующая атмосферному давлению 746 мм рт. ст.), Л = 134 ± ±15 г • см-2 — длина ослабления, близкая к известному пробегу поглощения нуклонной компоненты в атмосфере.
При регистрации групп с зенитными углами более 55°—60° остается практически чистая мюон-ная компонента. В этой области наблюдается возрастание удельного энерговыделения с ростом зенитного угла (темные кружки на рис. 1). Сплошной кривой на рис. 1 представлена ожидаемая зенитно-угловая зависимость, полученная на основе результатов моделирования мюонной компоненты ШАЛ с помощью программного пакета CORSIKA [8]. При моделировании использовалось сочетание моделей адронных взаимодействий SIBYLL (для энергий адронов выше 80 ГэВ) и FLUKA (при меньших энергиях). Расчетное значение средней энергии мюонов, регистрируемых в составе групп, быстро растет при больших зенитных углах и вблизи го-
0
400
КОКОУЛИН и др.
d/D>, 103 ф. э. м2 32
30 28 26 24 22 20 18
1016 эВ
1017 эВ
0.1
D, м
-2
Рис. 2. Зависимость среднего удельного энерговыделения мюонных групп от локальной плотности мюонов. Точки — экспериментальные данные для групп с зенитным углом 0 > 55°; штриховая линия — средневзвешенное значение.
ризонта достигает ~500 ГэВ. Измеренная в настоящем эксперименте зависимость удельного энерговыделения групп от зенитного угла подтверждает наличие указанного возрастания средней энергии мюонов.
На рис. 2 экспериментальные значения среднего удельного отклика ЧВД для групп мюонов в интервале зенитных углов 9 > 55°, где остаточный вклад электронно-фотонной и адронной компонент мал, представлены как функция локальной плотности мюонов. Фактически, подобный анализ для фиксированного интервала зенитных углов позволяет проследить изменение отклика (и соответственно средней энергии мюонов в группах) в зависимости от энергии первичных частиц, характерные значения которой указаны стрелками в нижней части рисунка. На данный момент в пределах статистических погрешностей измерений говорить о какой-либо явной зависимости удельного энерговыделения от первичной энергии, по-видимому, преждевременно. Для более детального анализа (в частности, в разных, более
узких интервалах зенитных углов) необходимо увеличение статистики.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На экспериментальном комплексе НЕВОД-ДЕКОР проводится эксперимент по исследованию энергетических характеристик групп мюонов в наклонных ШАЛ, образованных первичными частицами в диапазоне энергий 1016—1018 эВ, с целью выявления возможной причины формирования избыточного потока многомюонных событий в космических лучах ультравысоких энергий. Первые результаты измерения зенитно-угловой зависимости среднего удельного энерговыделения мюонных групп в черенковском водном детекторе удовлетворительно согласуются с результатами моделирования, выполненного
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.