УДК 524.7
ПЕРЕМЕННАЯ АНИЗОТРОПИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С Е0 ^ 1018 эВ ПО ДАННЫМ ЯКУТСКОЙ УСТАНОВКИ ШАЛ
© 2013 г. А. В. Глушков*, М. И. Правдин
Институт космофизических исследований и аэрономии Якутского научного центра СО РАН
Поступила в редакцию 04.03.2012 г.
Приведены результаты гармонического анализа направлений прихода первичных частиц с энергией Е0 ^ 1017 эВ и зенитными углами в ^ 45°, зарегистрированных на Якутской установке за 29 лет ее непрерывной работы (1983—2012 гг.). Показано, что эти события в разных интервалах времени имеют разную глобальную анизотропию: фаза первой гармоники <р1 = 119° ± 18° и ее амплитуда А1 = 0.030 ± 0.014 в выборках 1983-1994 гг. сменились в 1998-2010 гг. на величины ^ = 284° ± 13° и А1 = 0.033 ± 0.010. Все это могло быть вызвано существенно возросшим потоком тяжелых ядер со стороны выхода Местного рукава Галактики после 1996 г.
Ключевые слова: космические лучи сверхвысоких энергий, энергетический спектр, анизотропия, нестационарные процессы.
DOI: 10.7868/80320010813020034
ВВЕДЕНИЕ
Космические лучи (КЛ) сверхвысоких энергий (Е0 ^ 1017 эВ) все еще остаются загадочными, хотя исследуются во всем мире на установках широких атмосферных ливней (ШАЛ) более 50 лет. Первичные частицы таких энергий изучены совсем плохо из-за очень низкого потока. До сих пор точно не известен их химический состав, без знания которого трудно понять характер ядерных взаимодействий в этой области энергий. По данным Глушкова и др. (1998, 2000а,б), при Ео ^ (3-5) х 1018 эВ имеют место какие-то новые процессы развития ШАЛ. Обнаружение источников КЛ сверхвысоких энергий может помочь решению этой проблемы, хотя здесь тоже много трудностей. Широкое развитие получила идея о том, что остатки сверхновых (ОСН) генерируют основную долю наблюдаемых КЛ вплоть до Е0 = 1017 эВ (Бережко и др., 2007). Она находит свое некоторое количественное согласие с наблюдаемым энергетическим спектром и составом КЛ (Бережко, Волк, 2007; Бережко и др., 2011). Имеются также указания, что источниками КЛ могут быть пульсары (Михайлов, 1999) или даже квазары (Глушков, 2004)
В настоящее время Якутская установка является единственной в мире, которая работает в штатном режиме непрерывно с 1974 г. (Артамонов и др., 1975). За это время на ней зарегистрировано
E-mail:a.v.glushkov@ikfia.ysn.ru
более 2 млн ШАЛ. Недавно Глушков и Правдин (2012) показали, что энергетический спектр КЛ и доля мюонов с порогом 1.0 х sec в ГэВ (в — зенитный угол) от полного числа заряженных частиц в ШАЛ с энергией E0 ^ 1017 эВ заметно отличаются между собой в разные периоды времени. До 1996 г. интегральная интенсивность спектра при E0 = 1017 эВ варьировалась возле одного устойчивого положения, а затем начала расти. За 7 лет она увеличилась на (45 ± 5)%, после чего начала падать. Все это сопровождалось аналогичным изменением доли мюонов и могло быть вызвано существенным утяжелением химического состава КЛ после 1996 г. по сравнению с предыдущими годами. В этой работе представлены новые экспериментальные результаты, связанные с этой уникальной ситуацией. Они проливают дополнительный свет на проблему происхождения КЛ сверхвысоких энергий.
ЭКСПЕРИМЕНТ Якутская установка ШАЛ расположена в долине реки Лены, в 50 км южнее Якутска (61.661° N, 129.367° E), на высоте ^100 м над уровнем моря (1020 г/см2). В 1974 г. заработала первая очередь установки из 35 однотипных станций наблюдения на площади более 17 км2. Они образовывали сетку из равносторонних треугольников со сторонами 1000 м. Лишь в центре шести станций расположены в вершинах правильных треугольников
со сторонами 500 м. На станциях находятся 2 х х 2 м2 пластических сцинтилляционных детектора и регистрирующая электроника. Одновременное срабатывание обоих детекторов заряженных частиц является локальным триггером для обработки информации на станции. Сигналы от детекторов преобразуются в цифровой код и запоминаются в буферной памяти. Вся информация о прохождении ливня передается по линиям связи в центр. Для калориметрирования энергии КЛ на станциях были установлены детекторы, измеряющие поток черен-ковского излучения ШАЛ в атмосфере. В 1978— 1979 гг. вступили в строй два мюонных сцинтилляционных детектора с суммарной площадью 72 м2 и порогом 1.0 х sec в ГэВ на удалении от центра 350— 530 м. В 1986 г. были запущены еще три мюонных детектора (площадь каждого 20 м2) с аналогичным порогом в центральном круге установки с радиусом 1 км.
При реконструкции в 1990—1992 гг. из-за демонтажа самых удаленных (3 км) станций наблюдения общая площадь их размещения уменьшилась до 11 км2, но количество возросло почти в 1.5 раза. Сейчас в отборе событий участвуют 49 станций, расположенных в круге с радиусом 2 км. На большей части площади расстояние между соседними станциями равно 500 м. Они образуют 63 ма-стерные треугольника (триггер-500). Триггер-1000 включает в себя оставшиеся 19 станций первой очереди. Он независимо отбирает ШАЛ, хотя на большей части установки его дублирует триггер-500. Для определения направления прихода первичной частицы в каждой станции с точностью 100 нс измеряется отрезок времени с момента регистрации первой частицы из всех прошедших через счетчики до очередного синхроимпульса установки. Синхронизирующие сигналы непрерывно подаются установленным в центре радиопередатчиком с периодом 100 мкс. Обычная точность угловых измерений составляет 2°—3°.
Сцинтилляционные детекторы на Якутской установке калибруются и контролируются с помощью амплитудных спектров плотностей от фоновых космических частиц(Глушков и др., 1974). При этом используются интегральные спектры двух видов. Первый из них — спектр от одного из детекторов, который управляется соседним детектором, находящимся на той же станции (спектр двойных совпадений с частотой 3 с-1). Второй — спектр без управления с частотой -300 с-1. Он используется для калибровки мюонных детекторов. Оба спектра имеют степенной вид
F(>р) - р-п - U-п,
где п = 1-7 и 3.1 в первом и во втором случаях, и — отклик детектора, р = и/и1 — плотность частиц в единицах отклика и1 эталонного детектора от вертикальных релятивистских космических мюонов. Процедура калибровки и контроля заключается в постоянном наблюдении за величиной и1 всех детекторов путем периодических измерений их спектров плотностей. Делается это 1 раз за двое суток. При этом спектры двойных совпадений снимаются 2 ч, а спектры без управления — 30 мин. Кроме того, 4 раза в день проводится тестовая проверка электроники всей установки путем имитации искусственных ливней. Это обеспечило надежный контроль за стабильной работой установки на протяжении всех лет.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Ниже рассмотрены ШАЛ с энергией Ео ^ ^ 1017 эВ и зенитными углами в ^ 45°, зарегистрированные на Якутской установке за период 1983—2012 гг. Раняя регистрация ШАЛ велась на бумажную перфоленту, качество которой сейчас вызывает некоторые сомнения. Поэтому мы ограничились указанным выше периодом времени, когда стали использоваться магнитные носители информации. Энергия первичных частиц находилась из соотношений:
Ео = (4.8 ± 1-6) х 1017 х (1)
х (р5,боо(0°))1-0±0'02 [эВ],
р«,600(0°) = Рв,боо(в) х (2)
х exp[(sec в - 1)1020/Ар] [м"2],
\р = (450 ± 44) + (32 ± 15) х (3)
х ^(р«,600(0°)) [г/см2],
где рв,600(в) — плотность заряженных частиц, измеряемая наземными сцинтилляционными детекторами на расстоянии К = 600 м от оси ливня. Мы взяли только те ливни, оси которых попали в центральный круг установки с радиусом К ^ 500 м. Логика электронного отбора ШАЛ этой частью установки никогда не менялась, а сами станции работали наиболее стабильно. Ливни регистрировались с эффективностью ~1. Это обеспечивалось требованием, чтобы хотя бы один мастерный треугольник включал в себя три станции с суммарными откликами двух детекторов, эквивалентными зарегистрированными ими ^8 частиц. Реально в таких ливнях срабатывало от 6 до 11 станций. Они все участвовали в определении основных параметров: направления прихода, координат оси, рв,600(в). Точность определения координат оси была не хуже 20 м. При Ео ^ 2 х 1018 эВ использовалась вся
360 300 240 £180 120 60
0[ 1980
:oL Г ! о :
1990
2000 Годы
2010
Рис. 1. Фаза первой гармоники (4) глобального распределения направлений прихода КЛ с Е0 > 1017 эВ выборки событий, вошедших в годовые спектры Глушкова и Правдина (2012), в экваториальных координатах. Кривые линии — сплайны по пяти соседним точкам.
площадь установки. Ливни регистрировались с 5— 10 сентября до 15—20 июня. Летом установка из-за опасности повреждения во время гроз и для профилактических работ выключалась.
Мы исследовали глобальное распределение направлений прихода КЛ с Е0 ^ 1017 эВ, вошедших в выборки годовых спектров Глушкова и Правдина (2012), на небесной сфере в экваториальных координатах. Для этого воспользовались методом гармонического анализа (Линсли, 1975), суть которого заключается в выборе наилучших значений амплитуды А1 и фазы функции
/(а) = /о[1 + А1 ео8(а - <р1)],
путем минимизации величины
*2 = £(fi " N)2 /¡г,
i=1
где Ni — число ливней в г-ом секторе (Да)^ fo = Ijr Nj /n = N/n
(4)
(5)
по пяти соседним точкам, из которого видно, что градиент избыточного потока КЛ с Е0 ^ 1017 эВ вначале менялся от 180° до 90°, а после 1996 г. почти скачком перешел на направление выхода Местного рукава Галактики. На рис. 2 темными и светлыми кружками показаны зависимости фазы первой гармоники от энергии КЛ для суммарного числа событий с N(^Е0), вошедших в интегральные спектры 1983-1994 и 1998-2010 гг. соответственно. Число событий в обеих выборках примерно одинаково. Они существенно различаются между собой. В первом случае фаза быстро меняется около значения ^120°, а во втором при Е0 ^ 1.6 х х 1018 эВ имеет устойчивую величину ^285°.
Рассмотрим теперь амплитуду первой гармоники А1. Ее сравнивают с амплитудой ДА1 для изотропного потока, у которого число событий
N = £ Ni
i=1
vi=1
А1 = (/тах — /ш1п)/(/шах + /ш1п).(6) (6)
Периоды выключения установки учитывались путем умножения числа ливней Ni в секторах (Да)г на соответствующие нормировочные коэфф
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.