Исследование спектра мюонов космических лучей высоких энергий методом кратных взаимодействий по данным БПСТ

• Автор: Богданов, Алексей Георгиевич
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 108 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Комплекс установок БПСТ-“Андырчи” и экспериментальные данные
1.1. БПСТ и предварительный отбор данных
1.2. Временной статистический анализ данных БПСТ
1.3. Ливневая установка “Андырчи” и предварительный отбор данных
1.4. Совместность событий БПСТ и “Андырчи”
Глава 2. Моделирование отклика телескопа на прохождение мюонов
2.1. Проверка реализации мюонных взаимодействий в ОЕАМТ4
2.2. Тестирование взаимодействий мюонов в программе СОЛБИСА
2.3. Программный комплекс для моделирования отклика телескопа
2.4. Моделирование отклика телескопа на одиночные мюоны
2.5. Моделирование мюонной компоненты ШАЛ
Глава 3. Метод кратных взаимодействий применительно к БПСТ
3.1. Феноменологические характеристики метода кратных взаимодействий
3.2. Каскадные кривые в телескопе
3.3. Чувствительность метода кратных взаимодействий
Глава 4. Анализ экспериментальных данных БПСТ по “одиночным” мюонам
4.1. Особенности обработки экспериментальных данных
4.2. Критерии отбора событий
4.3. Сопоставление экспериментальных данных с расчетами
4.4. Энергетический спектр мюонов
Глава 5. Анализ экспериментальных данных по мюонам в составе ШАЛ
5.1. Стволы ШАЛ в БПСТ
5.2. Данные БПСТ-“Андырчи”
5.3. Оценка верхнего предела на число УНЕ мюонов в составе ШАЛ
Заключение
Список литературы

Введение
Мюоны играют одну из ключевых ролей в физике космических лучей. Поток мюонов формируется в результате распадов заряженных мезонов (большей частью пионов и каонов), образующихся при взаимодействии частиц первичных космических лучей с ядрами атомов воздуха и последующем развитии ядерно-электромагнитных каскадов (широких атмосферных ливней). Исследования энергетических, пространственных и угловых характеристик мюонной компоненты дают уникальную информацию о спектре и массовом составе первичного космического излучения, а также о характеристиках адронных взаимодействий при очень высоких энергиях (пока недоступных ускорителям). Интерес к мюонам высоких энергий обусловлен и быстрым прогрессом нейтринной астрономии, поскольку для интерпретации данных крупномасштабных глубоководных (подледных) детекторов: ЫТ-200+ (оз. Байкал), 1сеСиЬе(Антарктида), ANTARES, NEMO, NESTOR (Средиземное море), регистрирующих космические нейтрино, необходимо надежное знание фоновых потоков атмосферных мюонов и нейтрино.
Традиционно изучение высокоэнергичной мюонной компоненты космических лучей проводится в двух основных типах экспериментов — это измерение инклюзивного энергетического спектра одиночных мюонов и регистрация мюонов в составе ШАЛ.
Сопоставление результатов измерений энергетического спектра мюонов с расчетами позволяет получать независимые оценки спектра и состава первичных частиц космических лучей при известных механизмах генерации, либо искать новые физические процессы (проверять модели адронных взаимодействий), задаваясь определенным спектром и составом первичных частиц космического излучения. При энергиях Etl менее 10 ТэВ спектр мюонов измерен в большом числе экспериментов, данные которых находятся в разумном (» 10-20%) согласии друг с другом и с теоретическими расчетами (см., например, обзоры [1-4]). Однако при более высоких энергиях Ец > 10 ТэВ сложилась менее однозначная ситуация: эта область изучена заметно слабее, данные подчас противоречат друг другу, а в нескольких экспериментах обнаружен, избыток мюонов по сравнению с ожидаемым потоком от “обычного” механизма их генерации в результате п, АГ-распадов в атмосфере. Наблюдаемое уположение спектра мюонов может быть вызвано как физическими, так и методическими причинами.
До настоящего времени для изучения инклюзивного энергетического спектра мюонов космических лучей в области выше 10 ТэВ использовались следующие три метода: прямой

магнитный спектрометр и косвенные - калориметрический, кривая поглощения (глубина-интенсивность). Ниже приведен краткий обзор этих экспериментов.
Магнитные спектрометры
С помощью магнитных спектрометров осуществляется измерение импульса каждого мюона по отклонению его траектории в магнитном поле. Спектрометры отличаются друг от друга типом магнитов и детекторами отклонений частиц. Использование сплошных магнитов позволяет создать достаточно сильное и однородное магнитное поле, а также идентифицировать мюоны, поскольку электроны и адроны поглощаются в веществе магнита. Точность измерения импульса в таких спектрометрах ограничивается влиянием многократного рассеяния и электромагнитного сопровождения, но, увеличивая толщину магнита, можно уменьшить относительный вклад погрешностей до приемлемой величины. Важнейшей характеристикой магнитных спектрометров является “максимальный измеримый импульс” (mdm), т.е. значение импульса, при котором магнитное отклонение равно погрешности его измерения.
Только большой магнитный спектрометр MUTRON обладал величиной mdm, превышающей 10 ТэВ/с (номинальное значение - 22 ТэВ/с), с его помощью проводились измерения спектра мюонов космических лучей в диапазоне зенитных углов 86-90° и энергий от 100 ГэВ до 20 ТэВ. В других экспериментах, выполненных с применением магнитных спектрометров при различных зенитных углах, значение mdm не превосходило 1-5 ТэВ/с.
Кривая поглощения (интенсивность-глубина)
Одним из важных источников информации об энергетическом спектре мюонов на поверхности Земли служит изучение потока мюонов на больших глубинах грунта (воды). При этом измеряемая на установке интенсивность потока мюонов в зависимости от глубины и зенитного угла сопоставляется с расчетами при определенных предположениях о спектре мюонов, механизмах их генерации; сечениях взаимодействий. Для удобства сравнения зависимости интенсивность-глубина обычно пересчитываются к стандартному грунту.
Такой метод, называемый кривой поглощения, использовался для исследования спектра мюонов с энергиями более 10 ТэВ как в экспериментах, первоначально предназначавшихся для поиска распада протона — Frejus и KGF, так и на многоцелевых установках - LVD, MACRO (лаборатория Гран-Сассо), БПСТ. Большинство детекторов, за

термина “неудобные”. Для экономии процессорного времени в GEANT4 на этапе инициализации сечения процессов взаимодействия мюонов (например, процесса образования пар) табулируются, в том числе по InZ - всего 5 точек (узлов сетки) и по 1пГй - 8 точек, и сохраняются, а в процессе розыгрыша переданных энергий по этим таблицам производится интерполяция. Тогда, чтобы убедиться в корректности данной процедуры (достаточно ли число исходных точек, правильно ли проводится интерполяция), логично использовать значения энергии и заряда химического элемента, находящиеся вдали от узлов сетки разбиения. Тестирование проводилось для разных величин порога (cut), ниже которого вторичные частицы не прослеживаются, и их потери учитываются как непрерывные (при соблюдении общего баланса потерь энергии мюона), а выше порога разыгрываются дискретные взаимодействия. Особенностью программы GEANT4 является возможность задания единого порога в единицах длины, которая затем конвертируется в пороги по энергии с учетом материала мишени. Например, для железа cut = 1 см соответствует энергии у-кванта 60 кэВ, электрона 13 МэВ, a cut = 1 мм энергиям 20 кэВ и 1.3 МэВ для у и е~, соответственно.
При тестировании GEANT4 v.B.l.pOl были выявлены и исправлены программные ошибки, допущенные при первоначальной реализации- алгоритма расчета процесса, G4MuNuclearInteraction, v.8.2.p01 — процесса G4MuPairProduction, v.9.0.p01 - процесса G4MuBremsstrahlung, т.е. практически во всех основных процессах. Рис.2.1 иллюстрирует ситуацию до и после внесенных исправлений - показаны отношения результатов моделирования по GEANT4 к теории. Хорошо видно, что распределения по относительным переданным энергиям изначально были сильно искажены, а после внесения исправлений практически совпадают с теоретическими (отношение близко к 1). Изменения были согласованы с координатором и другими участниками электромагнитной группы коллаборации GEANT4, и более поздние версии программы свободны от этих недостатков.
В качестве примера на рис.2.2 и рис.2.3 представлено сопоставление результатов моделирования (GEANT4 v.9.1.p01) и теоретических расчетов для “неудобных” Z и на рис.2.2 - для мюонов с энергией 10 ТэВ, проходящих через слой олова толщиной 1 м, а на рис.2.3 — для энергии 3.5 ТэВ и мишени СаСОз. Рисунки демонстрируют хорошее согласие между двумя вариантами расчетов. В целом точность теоретических формул, используемых в- GEANT4 для- ультрарелятивистских мюонов оценивается как 1-2% и для дифференциальных сечений, и для средних потерь энергии в диапазоне от нескольких ГэВ до нескольких ПэВ.