ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 4, с. 545-547
УДК 537.591.15
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ НАБЛЮДЕНИЕ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ НА МЮОННУЮ КОМПОНЕНТУ ШАЛ
© 2007 г. А. Г. Богданов, Р. П. Кокоулин, А. А. Петрухин, В. В. Шутенко, И. И. Яшин
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
E-mail: RPKokoulin@mephi.ru
Анализируется зависимость интенсивности групп мюонов, регистрируемых в координатно-треко-вом детекторе ДЕКОР, от угла между направлением прихода группы и вектором магнитного поля Земли для нескольких интервалов зенитных углов. Обнаружено, что интенсивность групп уменьшается с увеличением поперечной составляющей вектора магнитного поля по сравнению с расчетом, выполненным в предположении азимутальной симметрии потока. Наблюдается также эффект компланарности треков частиц в плоскости, определяемой осью ШАЛ и вектором силы Лоренца.
ВВЕДЕНИЕ
Эффекты влияния магнитного поля Земли (МПЗ) на характеристики потока мюонов на поверхности Земли хорошо известны. Так, наблюдается азимутальная асимметрия потока малоэнергичных мюонов, связанная с геомагнитным обрезанием потока первичных частиц [1]. Влияние магнитного поля на траектории вторичных частиц (мюонов) изменяет величину их зарядового отношения вблизи горизонта; эффект наиболее значителен для восточно-западного направления в низких геомагнитных широтах [2].
Значительно меньше изучено влияние МПЗ на характеристики многомюонных событий, хотя теоретически этот вопрос рассматривался, например, в недавних работах испанской группы [3]. В эксперименте по регистрации гигантских ливней получены указания на нарушение аксиальной симметрии функции пространственного распределения (ФПР) мюонов в наклонных ШАЛ [4]. Однако количественные экспериментальные данные по влиянию МПЗ на мюонную компоненту ШАЛ отсутствуют.
В данной работе представлены первые результаты анализа влияния МПЗ на характеристики групп мюонов, регистрируемых в координатно-трековом детекторе ДЕКОР [5]. Установка расположена в Москве. Абсолютная величина постоянной составляющей МПЗ для периода наблюдений В0 = 52 мкТл [6], восточное склонение 9°, наклонение 71° (т.е. зенитный угол вектора магнитного поля Земли 0 = 19°).
УГЛОВАЯ ЗАВИСИМОСТЬ
ИНТЕНСИВНОСТИ ГРУПП МЮОНОВ
Как показано в [3], в приближении малых углов смещение мюонов в плоскости, перпендикулярной оси ливня, пропорционально поперечной составляющей вектора магнитной индукции, обратно пропорционально импульсу и прямо пропорционально
квадрату длины пути частицы, т.е. примерно пропорционально квадрату секанса зенитного угла 0. В результате малоэнергичные мюоны "выметаются" на периферию ливня, частицы сепарируются по импульсу и знаку заряда, ФПР мюонов теряет аксиальную симметрию и при больших зенитных углах приобретает форму "восьмерки", главная ось которой параллельна вектору силы Лоренца. Плотность частиц в центральной области ливня при этом значительно уменьшается.
Из-за падающего характера спектра первичных частиц при регистрации мюонных групп детектором небольших размеров (много меньших характерных размеров ФПР), частота регистрируемых событий определяется главным образом плотностью мюонов в центральной области ливня [7]. В этом случае влияние МПЗ должно приводить к уменьшению частоты наблюдаемых мюонных групп. Если вектор магнитного поля Земли в точке расположения детектора наклонен относительно вертикали, то при одинаковых зенитных углах прихода групп должна появиться зависимость их интенсивности от азимута.
Для экспериментальной проверки этого эффекта использовались данные по мюонным группам, полученные с помощью координатно-треко-вого детектора ДЕКОР в серии измерений 2004— 2005 гг. (около 4200 часов "живого" времени регистрации). Боковая часть установки ДЕКОР состоит из восьми супермодулей суммарной площадью около 70 м2, каждый из которых включает восемь вертикально расположенных плоскостей стример-ных трубок. Супермодуль регистрирует прохождение заряженных частиц в двух взаимноперпенди-кулярных проекциях, по которым определяется пространственное положение трека частицы. Для обеспечения достаточно большой статистики были отобраны события с количеством мюонов в группе, равным 3; требовалось, чтобы каждая ча-
546
БОГДАНОВ и др.
N /N
1 у эксп/1 v расч
1.4 1.2 1.0
0.8 0.6
1.4
s п
1.2
1.4 1.2 1.0
0.8 0.6
1.4 1.2 1.0
0.8 0.6
1.4 1.2 1.0
0.8 0.6
Yi
1.4 1.2
1.0
0.8
J_i_I_i_I_i_I_i_I_i_I_i_I_i_3
í и l
% 5 /i Jííiiiiííi^ _l_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
0° 90° 180° 270° 360° 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Ф sin y
Рис. 1. Зависимость отношения наблюдаемого количества групп Л^эксп к ожидаемому А^асч от азимутального угла (а) и синуса угла между направлением прихода группы и вектором магнитного поля (б). Сверху вниз: 8 = 35°-45°, 45°-55°, 55°-65°, 65°-75°. Сплошные кривые соединяют точки, рассчитанные с помощью CORSIKA.
стица была зарегистрирована в отдельном супермодуле. Группой считалось событие, в котором направления треков частиц совпадали с погрешностью не хуже 5°. Так как в событиях помимо мюонов возможно наличие и частиц сопровождения, также дающих треки, отбор проводился как программно, так и визуально. Было отобрано около 150 тыс. событий в четырех интервалах зенитных углов: 35°-45°, 45°-55°, 55°-65°, 65°-75°.
Расчет ожидаемой интенсивности групп проводился с учетом пуассоновских флуктуаций числа частиц, попавших в детектор, зависимости эффективной площади установки от углов, условий регистрации и отбора. В расчете предполагалась степенная зависимость потока падающих на установку мюонных групп с локальной плотностью мюонов О [7]: dF|dD ~ О4^ + 1)cosa0, причем параметры а и в были предварительно определены с помощью аппроксимации наблюдаемых распределений отобранных групп с кратностью мюонов от 3 и выше в интервале зенитных углов 30°-60°. Предполагалась азимутальная симметрия исходного потока; полное число событий нормирова-
лось к наблюдаемому для каждого интервала зенитных углов.
На рис. 1а представлено отношение измеренной и ожидаемой интенсивностей групп в зависимости от азимутального угла ф прихода группы в лабораторной системе координат (направлению на географический юг соответствует ф = 34.7°). Как видно из рисунка, наблюдаемое отношение сильно отличается от константы. На рис. 16 это отношение приведено как функция синуса угла Y между направлением группы и вектором магнитного поля Земли. В этом случае зависимость приобретает регулярный монотонный характер: интенсивность групп убывает с ростом sin y, причем наклон зависимости увеличивается с увеличением зенитного угла.
Сплошными кривыми на рис. 16 представлены результаты расчета ожидаемой зависимости интенсивности мюонных групп от угла Y, полученные на основе ФПР мюонов в ШАЛ, моделированных с помощью программы CORSIKA [8] для набора зенитных углов и разных значений поперечной составляющей вектора МПЗ (50sinY). Как видно из
а
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 4 2007
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ НАБЛЮДЕНИЕ
сравнения экспериментальных и расчетных данных, наблюдаемая зависимость интенсивности групп от угла качественно (и удовлетворительно количественно) объясняется изменением ФПР мю-онов в ШАЛ вследствие влияния магнитного поля.
КОМПЛАНАРНОСТЬ ТРЕКОВ МЮОНОВ В ГРУППАХ
В отличие от стохастических процессов отклонения мюонов от направления движения первичной частицы, связанных с поперечным импульсом в адронных взаимодействиях, кинематикой распада мезонов, многократным рассеянием в атмосфере, МПЗ приводит к появлению регулярной поперечной составляющей в векторах импульсов мюонов на уровне наблюдения. Соответствующий поперечный импульс может быть оценен как рмагн = 0.3Д^туН^ес9. Здесь Н0 - эффективная высота генерации мюонов; используется обычная система единиц: ГэВ • с-1, Тл, м. Характерное значение этого импульса для условий данного эксперимента при зенитном угле 60° составляет 0.3-0.5 ГэВ • с-1; вклад многократного рассеяния заметно меньше.
В группах, регистрируемых установкой небольших размеров, содержатся мюоны, изначально испущенные в разных направлениях, траектории которых изогнуты магнитным полем. Вследствие этого в направлениях попавших в детектор частиц должна появляться выстроенность (компланарность) в плоскости, определяемой осью ШАЛ и вектором силы Лоренца. Отметим, что для направлений прихода ливней, близких к магнитному меридиану, направление силы Лоренца горизонтально; для групп, приходящих с востока или запада, регулярная составляющая поперечных импульсов наклонена по отношению к горизонту.
Для проверки наличия компланарности треков в группах были отобраны события, содержащие четыре (и только четыре) квазипараллельных частицы, зарегистрированные в четырех разных супермодулях ДЕКОР. Последнее условие было необходимо для однозначной реконструкции индивидуальных мюонных треков в пространстве. Анализировались события с зенитными углами 55°-65° в четырех интервалах азимутальных углов, примерно симметричных с точки зрения их регистрации и геометрической реконструкции в установке, но по-разному ориентированных относительно магнитного меридиана.
На рис. 2 показаны диаграммы отклонений треков индивидуальных мюонов (точки) от среднего направления группы по азимутальному и зенитному углам (Дф, Д9). Как видно из рисунка, в полученных распределениях относительных направлений треков мюонов в группах на фоне погрешностей измерения и других случайных факторов проявляется регулярная составляющая, параллельная направлению силы Лоренца.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71
ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ 547 АЭ, градусы
-41 " 1
г.................... ....................
-41 • •■ 1
—5 г.................... г....................
-4 -2 0 2 4 -4 -2 0 2 4
Дф, градусы
Рис. 2. Диаграммы относительных отклонений направлений прихода мюонов в группах. Эллипсами отображены 2о-контуры двумерного распределения Гаусса; штриховые прямые - направления больших осей эллипсов; сплошные прямые - направления действия силы Лоренца. Интервалы азимутальных углов: а - 25°-45°; б - 115°-135°; в - 205°-225°; г - 295°-315°.
ЗАКЛЮЧЕНИ
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.