научная статья по теме ПРОВЕРКА МОДЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, ГЕНЕРИРОВАННЫХ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ АДРОНОВ, ПО ПОТОКАМ АТМОСФЕРНЫХ МЮОНОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ПРОВЕРКА МОДЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, ГЕНЕРИРОВАННЫХ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ АДРОНОВ, ПО ПОТОКАМ АТМОСФЕРНЫХ МЮОНОВ»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 10, с. 894-902

= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ПРОВЕРКА МОДЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, ГЕНЕРИРОВАННЫХ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ АДРОНОВ, ПО ПОТОКАМ АТМОСФЕРНЫХ МЮОНОВ

© 2015 г. Л. Г. Деденко1),2)*, Т. М. Роганова2), Г. Ф. Федорова2)

Поступила в редакцию 24.12.2014 г.; после доработки 16.02.2015 г.

Предложен оригинальный метод расчета спектра атмосферных мюонов с помощью пакета CORSIKA 7.4 и численного интегрирования. Сначала вычисляются распределения мюонов по энергии для различных фиксированных значений энергии частиц первичного космического излучения и нескольких выбранных моделей взаимодействия адронов, включенных в пакет CORSIKA 7.4. Затем спектр атмосферных мюонов рассчитывается как результат интегрирования этих плотностей по выбранному спектру частиц первичного космического излучения. Рассчитанные в рамках моделей SIBYLL 2.1, QGSJET01 и QGSJET II-04 интенсивности потока атмосферных мюонов превышают предсказания известной аппроксимации Гайссера для этого спектра в 1.5—1.8 раза в области энергий мюонов ~103— 104 ГэВ. В предположении, что в области самых высоких энергий мюонов основной вклад в поток мюонов вносят 1—2 поколения заряженных - и ^±-мезонов, расчетная генерация этих мезонов завышена в ^ 1.3—1.5 раза. Этот вывод подтверждается экспериментами LHCf и TOTEM.

DOI: 10.7868/S0044002715090081

1. ВВЕДЕНИЕ

Наблюденные в детекторах сигналы от частиц широких атмосферных ливней (ШАЛ) интерпретируются в рамках различных моделей взаимодействия адронов [1—6]. Обычно эти модели тестируются в области малых значений псевдобыстроты П [7]. Очевидно, модели необходимо тестировать в наиболее важной для космических лучей области энергий вторичных частиц при самых больших значениях псевдобыстроты. Продольное развитие ШАЛ, а следовательно, глубина его максимума Хмакс и значения параметров ливня на уровне наблюдения (сигналов в наземных детекторах) зависят от темпа дробления энергии E частицы первичного космического излучения (ПКИ). Этот темп зависит как от сечений взаимодействия различных частиц, образующих ливень, так и от энергетических спектров вторичных частиц, рожденных во взаимодействиях адронов. Из-за круто спадающего спектра частиц ПКИ и флуктуаций в развитии ШАЛ определяющий вклад в значения наблюденных параметров ливня, как будет показано ниже,

!)Кафедра общей физики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия.

2)Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия.

E-mail: ddn@dec1.sinp.msu.ru

вносит область энергетического спектра вторичных частиц ^(0.01— 0.6)Е, где Е — энергия налетающей частицы. Таким образом, для космических лучей представляет интерес область спектра со значениями фейнмановской переменной x = Ев/Е, где Ев — энергия вторичной частицы, в интервале ~0.01 —0.6 в лабораторной системе координат (л.с.к.). В ускорительном эксперименте LHCf [8] по спектрам вторичных частиц, похожим на гамма-кванты, протестированы модели [2, 4] и [5] для значений фейнмановской переменной x в интервале ^0.03—0.8 и энергии 7 ТэВ в системе центра масс (с.ц.м.). В эксперименте TOTEM [9] наблюденные данные сравниваются с предсказаниями моделей [3] и [4] для распределений по псевдобыстроте П заряженных частиц при значениях x ~ 0.004 в с.ц.м.

Исследования энергетических спектров вторичных частиц в области максимальных энергий (при больших значениях фейнмановской переменной x) прежде всего важны для понимания физики генерации частиц с такими энергиями. Кроме того, эти исследования необходимы для корректной интерпретации данных по ШАЛ, в частности, для определения состава частиц ПКИ при сверхвысоких энергиях. Например, в работе [10] показано, что интерпретация данных Якутской установки по доле мюонов, наблюденных на расстоянии 600 м от оси

ливня, в рамках модели [2] приводит к "тяжелому" составу, тогда как учет погрешностей модели [2] для спектров генерации вторичных частиц — к "легкому".

В настоящей работе реализована проверка спектров генерации вторичных частиц во взаимодействиях адронов для значений фейнмановской переменной x в интервале 0.01—0.6 и моделей QGSJET01 [1], QGSJET II-04 [3] и SIBYLL 2.1 [4] по спектрам атмосферных мюонов [11]. Рассматривается оригинальный метод вычислений энергетического спектра атмосферных мюонов с использованием пакета CORSIKA 7.4 [12]. Предлагаемый метод обладает тем преимуществом перед другими [13], что результаты громоздкого моделирования каскадов с использованием [12] можно независимо интегрировать с разными спектрами частиц ПКИ, т.е. не требуется повторных вычислений каскадов в атмосфере для каждого выбранного спектра частиц ПКИ. По результатам тестирования определяется область энергии частиц ПКИ, которая вносит максимальный вклад в заданную область спектра мюонов, т.е. по существу область значений фейнмановской переменной x в л.с.к. Приводятся результаты сравнения вычисленных спектров атмосферных мюонов с известной аппроксимацией Гайссера [11] этих спектров.

Обычно энергетические спектры атмосферных мюонов либо вычисляют методом Монте-Карло (см., например, [14—17]), либо определяют как решение соответствующих уравнений переноса (см., например, [18—21]). В настоящей работе предлагается оригинальный метод.

2. МЕТОД РАСЧЕТА

Энергетические спектры D(Eр)dEр атмосферных вертикальных мюонов вычисляются в рамках моделей взаимодействия адронов QGSJET01 [1],

QGSJET II-04 [3] и SIBYLL 2.1 [4] в интервале энергий ~102—105 ГэВ. Этот энергетический интервал разбивается на 60 одинаковых в логарифмической шкале бинов (ширина бина h = 0.05). Средняя энергия (Ep(i)) мюона в бине с номером i определяется по среднему значению логарифма в этом бине: (Ep(i)) = 102+^"°-5) [ГэВ]. Например, средние энергии мюонов для 1-, 21- и 41-го бинов равны (E„(1)) = 1.059 х 102 ГэВ, (E^(21)) = = 1.059 х 103 ГэВ и (Eр(41)) = 1.059 х 104 ГэВ соответственно.

Для расчетов спектров мюонов необходимо использовать спектр частиц ПКИ. Из-за круто спадающего спектра этих частиц достаточно учитывать только спектр dIp/dE первичных протонов

и спектр dlHe/dE ядер гелия, поскольку для вычислений спектров мюонов важна энергия частицы, приходящаяся на нуклон. В качестве варианта энергетического спектра частиц ПКИ нами выбраны аппроксимации Гайссера—Хонды [22] (dIp/dE)gH и (dIHe/dE)gH для первичных протонов и ядер гелия в области энергий до Ei = = 3 х 1015 эВ. В области энергий E > E1 эти аппроксимации умножались на множитель (E1 /E)0'5 [23]. Сравнение с различными данными по спектру частиц ПКИ показало, что принятое представление для спектров частиц ПКИ хорошо согласуется с данными разных экспериментов [24—32].

Для вычислений каскадов в атмосфере от различных частиц ПКИ использовался пакет CORSIKA 7.4 [12]. С помощью этого пакета вычислялись плотности Sp(Eß,E) и SHe(Eß,E) распределений мюонов по энергии Eß от первичных протонов и ядер гелия соответственно для разных фиксированных значений энергии E первичных частиц. Для мюонов, достигших уровня наблюдения, вычислялись распределения по энергии в том же интервале ~102—105 ГэВ, указанном выше для спектров D(E^)dEß. Величина бина в логарифмической шкале и число бинов разбиения также совпадали с указанными выше. В таблице приведены значения энергии E первичных протонов и ядер гелия, для которых проводились расчеты. Там же указана статистика событий для моделей [1, 3] и [4].

Важно отметить, что предлагаемый алгоритм вычисления распределений Si(E^,E)dEß мюонов по энергии при фиксированном значении типа i и энергии E первичной частицы обладает несомненным преимуществом перед моделированием с использованием энергетического спектра частиц ПКИ. А именно, результаты моделирования распределений на втором этапе предлагаемого алгоритма можно интегрировать по энергии E частиц ПКИ и суммировать результаты по всем типам i первичных частиц последовательно для любых вариантов выбранного спектра этих частиц, не повторяя каждый раз громоздкого моделирования. Кроме того, результаты моделирования именно распределений Si(Eß,E)dEß мюонов по энергии можно сопоставлять с данными по спектрам генерации вторичных частиц, которые получают в экспериментах LHCf [8] и TOTEM [9]. Это позволяет дополнительно анализировать механизмы генерации вторичных частиц в области самых высоких энергий их генерации.

Итак, согласно предлагаемому алгоритму, на втором этапе вычислений распределения мюонов по энергии Sp(Eß,E)dEß и SHe(EM,E)dEß интегрируются по спектру частиц ПКИ и вычисляются спектры атмосферных мюонов Dp(Eß)dEß и

(Ep E)

102

100

10

1—2

10

1—4

±li_I........I_I........I_I........I

102 103 104

105

E^SHe(E^ E) 104

102

106 107

E, ГэВ

100

10

i-2

10

i-4

I I I I I I ll_I_I I I I I I ll_I_I I I I I I ll_I_I I I I I I ll_I_I I I I I I ll_I_

105 106 107

E, ГэВ

103 104

Рис. 1. Плотности Бр(Ем, Е) и БНе(Ем, Е) как функции энергии Е первичных частиц для модели БШУЬЬ 2.1 [4]. Значения энергии Ем мюонов: ■ — 1.059 х 102 ГэВ, • — 1.059 х 103 ГэВ, ▲ — 1.059 х 104 ГэВ. а — Первичные протоны; б — первичные ядра гелия.

a

DHe(Ep)dEpот первичных протонов и ядер гелия: Dp(Ep)dEp = J dE • Sp(Ep, E) • (1)

• dIp (E)/dE • dEp,

DHe(-Ep)dEp = J dE • SHe(-Ep, E) • (2)

• dIHe (E)/dE • dEp.

Спектрами мюонов от более тяжелых ядер пре-небрегалось, поскольку, как было сказано выше, важна энергия на нуклон. Очевидно, искомый спектр D(Ep)dEp мюонов есть сумма спектров (1) и (2):

D E )dEp = (Dp (Ep) + DHe (Ep ))dEp. (3)

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИИ

Как было сказано, интервал энергий ~102-105 ГэВ мюонов разбивался на 60 одинаковых в логарифмической шкале по энергии бинов. Распределения 8Р(Ер,Е)йЕр и $Не(Ер,Е)йЕр мюонов по энергии вычислялись для разных фиксированных значений энергии Е первичных частиц. Однако в первую очередь представляет интерес зависимость плотностей Бр (Ер ,Е) и $Не (Ер ,Е) этих распределений от энергии Е частицы ПКИ при фиксированном значении энергии Ер мюонов. Для бинов с номерами 1, 21 и 41 зависимости плотностей Бр«Ер(1)),Е), Бр(Е(21)),Е), (Е(41)), Е) и £не(Е(1)),Е), £не(Е(21)), Е),

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.

Показать целиком