ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 5, с. 983-1005
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
МОГУТ ЛИ ПЕРВИЧНЫЕ ЧАСТИЦЫ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
БЫТЬ НЕЙТРАЛЬНЫМИ?
© 2004 г. А. В. Глушков*
Институт космофизических исследований и аэрономии Якутского научного центра СО РАН
Поступила в редакцию 15.12.2002 г.; после доработки 03.07.2003 г.
Приведены результаты анализа ядерно-физических и астрофизических характеристик широких атмосферных ливней с энергиями Е0 > 1015 эВ, зарегистрированных на Якутской и других мировых установках. Показано, что при некоторых значениях Е0 в разных данных наблюдаются коррелированные по энергии локальные нерегулярности, которые интерпретируются как проявление нейтральных частиц внегалактического происхождения. Направления их прихода указывают на плоскость Сверхгалактики (местного сверхскопления галактик).
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследование состава первичного космического излучения (ПКИ) сверхвысоких энергий (E0 > > 1015 эВ) является одной из самых трудных задач астрофизики. С тех пор как группой МГУ более 40 лет назад был обнаружен излом в спектре широких атмосферных ливней (ШАЛ) при Eo w w 3 х 1015 эВ [1], было проведено большое количество экспериментов, но до настоящего времени нет однозначного понимания этого явления. Выявление его природы во многом способствует решению проблемы происхождения космических лучей сверхвысоких энергий, вплоть до ~1020 эВ.
Существует мнение, что при энергиях 3 х 1015 < < E0 < 1017 эВ состав ПКИ заметно обогащается тяжелыми ядрами (см., например, [2, 3]), а в области 1017 < E0 < 1018 эВ он вновь быстро меняется — растет доля протонов [4]. Пик утяжеления состава приходится на Eo w 1017 эВ. Такая картина находит объяснение в рамках диффузионной модели [5], обеспечивающей также согласие с формой энергетического спектра ПКИ в области указанного выше излома.
Важная информация о происхождении космических лучей заключена в их анизотропии. Одним из основных методов для оценки анизотропии глобального потока ПКИ является гармонический анализ распределения направлений прихода ШАЛ по прямому восхождению [6]. Этим методом на установке "Хавера Парк" [7] была обнаружена при E0 w 1017 эВ статистически значимая анизотропия, которая вначале была подтверждена на Якутской установке [8], но позже опровергнута [9]. В работе
E-mail: a.v.glushkov@ikfia.ysn.ru
[10] группа AGASA (Akeno Giant Air Shower Array) нашла при E0 w (8—20) х 1017 эВ значимую анизотропию (с амплитудой первой гармоники w(4 ± ± 0.06)%). Данная анизотропия обусловлена повышенным потоком ПКИ из области, расположенной рядом с центром Галактики. Этот результат подтвердила и уточнила австралийская группа на установке SUGAR (Sydney University Giant Air Shower Recorder) [11].
Перечисленные выше (и многие другие) результаты основаны на предположении о том, что ПКИ сверхвысоких энергий состоит в основном из заряженных частиц — протонов и ядер различных химических элементов. Они сильно перемешиваются магнитным полем Галактики и имеют почти изотропное распределение на небесной сфере. В этих условиях трудно обнаружить локальные источники ПКИ.
Однако такое представление не является бесспорным, поскольку прямые измерения состава ПКИ сверхвысоких энергий пока отсутствуют, а выводы из данных по ШАЛ неоднозначны и противоречивы. Ранее мы сообщали [12, 13], что в направлениях прихода ПКИ с E0 > 4 х 1017 эВ наблюдается значительное количество групп ливней в узких телесных углах. Их распределение на небесной сфере имеет мелкомасштабную упорядоченную структуру, которую нельзя объяснить случайными статистическими процессами. По мнению автора, это может быть связано с распределением внегалактических точечных источников ПКИ, генерирующих нейтральные частицы. Недавно в работах автора [14—20] эта гипотеза получила дополнительное подтверждение. Ниже приведены новые экспериментальные результаты в пользу такой точки зрения.
800
700
о
, 600
500
400
90
80
о
70
& 60 о
50
40
15
16
17
^Е0 [эВ]
18
19
Рис. 1. Зависимости средней глубины максимума ливней (а) и ее флуктуаций (б) от первичной энергии. Точки: о — обобщенные экспериментальные результаты [21], ▲ — данные [4], • — оценки а(Хт) из соотношения (3) для смешанного состава из протонов и ядер железа с использованием полученных нами значений (1пЛ) (см. далее рис. 2а). Сплошные линии — расчеты [23] для первичных протонов (р) и ядер железа ^е) по модели QGSJET [24]; штриховые линии — экстраполяция расчетов.
2. ГЛУБИНА МАКСИМУМА ЛИВНЯ Хт И ЕЕ ФЛУКТУАЦИИ
Рассмотрим вначале традиционный путь оценок состава ПКИ из характеристик пространственного развития ШАЛ. Одним из наиболее чувствительных к составу космических лучей параметров ШАЛ является глубина максимума развития ливня Хт:
Хт = Хт + ЕЕ(1п Е0 - 1п Л) = (1)
= Хт - ЕЕ 1п Л [г/см2],
где Л — атомный вес первичных частиц; ЕЕ = = дХт/д 1п Е0; Хт и Хт — глубины максимумов ливней соответственно от первичных ядер и протонов; Х0 — константа (зависит от модели развития ШАЛ).
Из соотношения (1) можно найти 1п Л, при смешанном составе: (1п Л) = ^ Щ 1п Лi (где — доля ядер с атомным весом Лг). Поскольку параметр Х0 известен недостаточно хорошо, оценки 1п Л из экспериментально измеренных значений Х0 во многом неопределенны. Более точны оценки отно-
сительного изменения состава первичных частиц в зависимости от E0:
дln A/дlnEo = 1 - (1/ER)(dXm/дlnEo). (2)
На рис. 1а светлыми кружками показаны глубины максимума ливней в широком диапазоне первичных энергий, полученные в работе [21] путем усреднения Xm, измеренных на разных мировых установках (107 величин). Эти данные были дополнены 132 величинами Xm, найденными в [21] методом модельно независимых параметров [22] из пространственных распределений заряженных частиц и из доли мюонов от полного числа заряженных частиц (электронов и мюонов) по разным мировым данным. Обе совокупности данных (107 и 132) согласуются между собой.
Темными треугольниками на рис. 1а приведены экспериментальные данные [4]. Они получены на гибридной установке, состоящей из High Resolution Fly's Eye Air Fluorescence Detector (HiRes) и the Michigan Muon Array (MIA). HiRes регистрирует ионизационное свечение ШАЛ вблизи максимума каскадной кривой и "видит" непосредственно Xm, а MIA используется для повышения точности определения этого параметра. Эти данные согласуются с рассмотренными выше, особенно при увеличении E0 в эксперименте HiRes/MIA в 1.5 раза (о нормировке по E0 см. далее разд. 3).
Сплошными линиями на рис. 1 показаны зависимости Xm(E0) для первичных протонов (p) и ядер железа (Fe) [23], найденные по модели QGSJET [24]. Они соответствуют скорости смещения максимума ливня dXm/dlgE0 = 58 г/см2. Штриховыми линиями изображена экстраполяция расчетов в область меньших первичных энергий.
Видно, что экспериментальная зависимость Xm(E0) имеет сложный характер. В отдельных местах наблюдаются локальные нерегулярности, особенно заметные при энергиях E0 & 5 х 1015, 7 х 1016 и выше 3 х 1018 эВ. В целом состав ПКИ с ростом энергии постепенно становится более легким. Если воспользоваться соотношением (1) для модели QGSJET и данными рис. 1а, то можно оценить (ln A). Полученные значения приведены на рис. 2а.
Рассмотрим флуктуации глубины максимума ливней a(Xm). Светлыми кружками на рис. 16 показаны средние значения, полученные в [21] усреднением многих мировых данных. Они включают в себя также значения a(Xm), найденные дополнительно в [21] из флуктуаций пространственных распределений электронов и мюонов методом модельно независимых параметров по данным разных мировых установок.
Вблизи отмеченных нерегулярностей флуктуации глубины максимума ливней меньше, чем в соседних по энергии участках. Из соотношения [25]
a2(Xm) = (ар(1 - n(ln A)))2 + (3) + (<r(ln A))2((Wp )2 + ER2),
где ap — флуктуации глубины максимума ливней от первичных протонов; (a(ln A))2 = ^ Wj(ln Aj)2 — — (ln A)2; n = 0-1—0.2 (зависит от модели развития ШАЛ), следует, что малые флуктуации a(Xm) при чистом составе (a(ln A) = 0) возможны для ядер с A ^ 1, а при A = 1 они достигаются за счет уменьшения ap (например, в результате увеличения сечения неупругих ядерных взаимодействий в воздухе).
Воспользуемся соотношением (3) и моделью QGSJET, чтобы оценить возможные флуктуации a(Xm) из полученных нами, см. рис. 2а, значений (ln A). Рассмотрим для простоты вариант смешанного состава из протонов и ядер железа. В этом случае из соотношения
(ln A) = Wi ln(1)+ W2 ln(56) (4)
имеем весовые функции W1 = 1 — W2 (для p) и W2 = (ln A)/ ln(56) (для Fe), показанные на рис. 2б соответственно светлыми и темными кружками. Если примем коэффициент n = 0.15, то получим значения a(Xm), показанные на рис. 1б темными кружками.
Видно, что флуктуации глубины максимума ливней a(Xm), вытекающие из зависимости Xm(E0) для двухкомпонентного смешанного состава (p + + Fe) и непосредственно измеренные, в пределах ошибок согласуются между собой. Более того, в этих двух независимых результатах согласуются также локальные нерегулярности при E0 & (6—8) х х 1015 и (6—8) х 1016 эВ, которые свидетельствуют, скорее всего, о неслучайном характере их появления.
Темными квадратами на рис. 2а изображены данные [3], полученные в эксперименте KASKADE. Эти данные явно противоречат нашим оценкам и результату [4].
3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ПКИ
Рассмотрим энергетический спектр космических лучей сверхвысоких энергий, который может пролить дополнительный свет на проблему состава ПКИ. На рис. 3 светлыми кружками показан дифференциальный энергетический спектр ШАЛ, полученный на Якутской установке [26]. В него вошли только события с зенитными углами в < 45°, отобранные мастерными треугольниками с расстояниями между станциями 500 м. Крестиками
<1п Л)
^Ео [эВ]
Рис.2. а — Зависимость среднего атомного числа для смешанного состава первичных частиц от их энергии: о — значения (1пЛ), полученные из данных рис. 1а и соотношения (1); ■ и а — данные [3] и [4] соответственно. б — Оценка доли протонов (р) и ядер железа ^е) для двухкомпонентного состава ПКИ с использованием значений (1п Л) (точки о на рис. 2а) и соотношения (4).
изобр
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.