Космические лучи предельно высоких энергий : интерпретация экспериментальных данных и перспективы дальнейших исследований

• Автор: Шустова, Ольга Павловна
• Шифр специальности: 01.04.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 98 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Космические лучи предельно высоких энергий
1.1 Экспериментальные установки
1.1.1 High Resolution Fly’s Eye
1.1.2 Pierre Auger Observatory
1.1.3 Telescope Array
1.1.4 Космические проекты ТУС и JEM-EUSO
1.2 Энергетический спектр
1.3 Массовый состав
1.4 Анизотропия
2 Энергетический спектр и массовый состав KJÏ ПВЭ от ближних
источников
2.1 Распространение КЛ ПВЭ в межгалактической среде
2.1.1 Взаимодействия протонов
2.1.2 Взаимодействия ядер
2.2 Постановка задачи и модельные предположения
2.3 Решение задачи
2.3.1 Ядра
2.3.2 Протоны
2.3.3 Спектры протонов и групп ядер
2.4 Спектры и состав КЛ ПВЭ от одиночного источника
2.5 Сравнение результатов расчета с данными HiRes и Auger
2.6 Расстояния до возможных источников КЛ ПВЭ
2.7 Сеп А как возможный источник тяжелых ядер КЛ ПВЭ
3 Регистрация черенковского излучения ШАЛ от КЛ ПВЭ детектором космического базирования
3.1 Постановка задачи и модельные предположения
3.2 Моделирование генерации и распространения черенковских фотонов
3.2.1 Число черенковских фотонов в ливне

3.2.2 Схема генерации фотона
3.2.3 Схема распространения фотона в среде
3.2.4 Доли компонент черенковского излучения ШАЛ
3.3 Волновая поверхность океана
3.3.1 Модель периодической структуры
3.3.2 Модель хаотической структуры
3.3.3 Параметры моделей
3.4 Ограничения на зенитные углы ливней
Заключение
Приложение
Приложение
Список литературы

Введение
Актуальность темы
Космические лучи (КЛ) предельно высоких энергий (ПВЭ) привлекают особое внимание начиная с 1966г., когда Грейзен [1], Зацепин и Кузьмин [2] предсказали обрезание спектра протонов от далеких источников при энергиях выше ~ 6-1019 эВ (ГЗК-порог) в результате взаимодействия с реликтовыми фотонами.
Поток КЛ с энергиями > 1019 эВ составляет примерно одну частицу на квадратный километр в год. Регистрация столь редких событий прямыми методами невозможна. Однако земная атмосфера является прекрасным инструментом для косвенного измерения характеристик КЛ ПВЭ. При взаимодействии первичной частицы КЛ с ядрами элементов, входящих в состав атмосферы, рождается каскад вторичных частиц, так называемый широкий атмосферный ливень (ШАЛ), и первоначальная энергия Е0 распределяется между ними. При Еа > 1019 эВ значительное число ливневых частиц достигает земной поверхности, и для их регистрации используют гигантские установки с площадью в сотни-лысячи квадратных километров, что само по себе является довольно сложной, с технической точки зрения, задачей. Кроме того, процедура восстановления типа и энергии первичной частицы по экспериментальным данным требует знания процессов взаимодействия адронов в области предельно высоких энергий. На сегодняшний день таких сведений нет: спектр КЛ ПВЭ протягивается до ~ 3 - Ю20 эВ, что примерно на три порядка выше эквивалентной энергии, которая получена на самом крупном ускорителе — Большом Адронном Коллайдере (ЬНС). Поэтому современные модели адронных взаимодействий опираются па данные, известные при более низких энергиях, и результаты, предсказанные в рамках той или иной модели, могут существенно различаться.
До сих пор остается под вопросом происхождение К Л ПВЭ. Ограничения, накладываемые на мощность источников в рамках известных моделей ускорения, позволяют с уверенностью говорить о том, что это внегалактические объекты. Однако прямая идентификация источников по направлениям прихода частиц возможна только в случае протонов и легких ядер (при условии, что напряженность магнитных полей в межгалактической среде < 10-9 Гс). Действительно, ларморов-

ведено справа. Различие в форме энергетической эволюции xioss для протонов и ядер очевидно. В случае ядер имеются два резких падения, при энергиях приблизительно пропорциональных массе родительского ядра. Первое падение, вблизи Ах1018эВ, есть результат комбинации процессов фоторасщепления на далеких инфракрасных фотонах и образования пар на реликтовых фотонах. Второе, вблизи 4Ах1018эВ, происходит вследствие фоторасщеплений на реликтовых фотонах.
2.2 Постановка задачи и модельные предположения
Как обсуждалось выше, в настоящее время существуют разногласия между экспериментальными данными установок HiRes и Auger относительно формы энергетического спектра, массового состава и анизотропии КЛПВЭ. Эти установки находятся в разных полушариях, поэтому возможное объяснение возникших противоречий заключается в допущении одного или нескольких источников тяжелых ядер, которые вносят значимый вклад в поток КЛПВЭ, регистрируемый на установке Auger [95]. Подобная возможность обсуждается в разделе 2.7. Стоит также заметить, что недавно опубликованные данные установки ТА (как и демонтированная установка HiRes, она функционирует на территории штата Юта, США) хорошо согласуются с результатами HiRes. Однако изначально целью исследования явилась попытка объяснить различия в форме энергетического спектра и массовом составе, измеренных установками HiRes и Auger, и определить возможные режимы ускорения для совокупности источников КЛ ПВЭ.
Поэтому постановку задачи можно сформулировать следующим образом: при заданных параметрах ускорения частиц, расстояниях до источников и их интенсивностях вычислить энергетический спектр и массовый состав КЛ у Земли в интервале энергий от 5 1019 эВ до 2 Ю20 эВ и путем сравнения с данными HiRes и Auger определить оптимальные параметры режима ускорения, которые позволяют получить хорошее согласие с результатами обеих установок.
Расчеты проводятся в рамках следующих модельных предположений:
• Источниками КЛ ПВЭ являются «ближние» астрофизические объекты — ядра сейфсртовских галактик в радиусе до 40 Мик из каталога [60]. Интенсивность излучения в КЛ и режимы ускорения предполагаются одинаковыми для всех источников.