МОДИФИКАЦИЯ АТМОСФЕРНОГО БЛОКА КОДА CORSIKA
|
Введение 4
Глава 1. Физическая модель кода CORSIKA 8
1.1. Распространение частиц 8
1.2. Ионизационные потери 10
1.3. Кулоновское многократное рассеяние 10
1.4. Мольеровское рассеяние 11
1.5. Кулоновское рассеяние 13
1.6. Отклонение в магнитном поле Земли 13
1.7. Распад я0-мезонов 14
1.8. Распад л±-мезонов 15
1.9. Распад мюона 16
1.10. Результаты главы 17
Глава 2. Модификация атмосферного блока 18
2.1. Атмосферные модели 18
2.1.1. Однородная атмосфера 18
2.1.2. Изотермическая атмосфера 21
2.1.3. Международная стандартная атмосфера 22
2.1.4. Стандартная американская атмосфера 25
2.2. Атмосферный блок кода СОИ,81КА 26
2.3. Модификация атмосферного блока кода СОИ,81КА .... 29
2.4. Влияние моделей атмосферы па распределение электронов ШАЛ 30
2.4.1. Радиальное распределение электронов ШАЛ .... 30
2.4.2. Продольное распределение электронов 34
2.5. Результаты главы 37
Заключение 38
Приложение А. Пример входного файла 40
Литература 42
Глава 1. Физическая модель кода CORSIKA 8
1.1. Распространение частиц 8
1.2. Ионизационные потери 10
1.3. Кулоновское многократное рассеяние 10
1.4. Мольеровское рассеяние 11
1.5. Кулоновское рассеяние 13
1.6. Отклонение в магнитном поле Земли 13
1.7. Распад я0-мезонов 14
1.8. Распад л±-мезонов 15
1.9. Распад мюона 16
1.10. Результаты главы 17
Глава 2. Модификация атмосферного блока 18
2.1. Атмосферные модели 18
2.1.1. Однородная атмосфера 18
2.1.2. Изотермическая атмосфера 21
2.1.3. Международная стандартная атмосфера 22
2.1.4. Стандартная американская атмосфера 25
2.2. Атмосферный блок кода СОИ,81КА 26
2.3. Модификация атмосферного блока кода СОИ,81КА .... 29
2.4. Влияние моделей атмосферы па распределение электронов ШАЛ 30
2.4.1. Радиальное распределение электронов ШАЛ .... 30
2.4.2. Продольное распределение электронов 34
2.5. Результаты главы 37
Заключение 38
Приложение А. Пример входного файла 40
Литература 42
Актуальность проблемы. В начале XX века в физике был совершен ряд принципиальных открытий, которые не укладывались в рамки принятой па тот момент научной картины мира. Среди таких открытий было явление радиоактивности, которое быстро связали с возможностью некоторых химических элементов, присутствующих в недрах Земли, испускать радиоактивное излучение.
Наряду с радиацией земного происхождения почти сразу появились указания па возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения. Первые эксперименты, подтвердившие этот факт, были проведены в 1911-1912 гг. Радиацию внеземной природы назвали космическими лучами.
Долгое время после открытия космических лучей, методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях. Но данный подход не позволяет вести систематические наблюдения частиц, обладающих очень высокой энергией. Такие космические лучи появляются достаточно редко, а пространство, в котором регистрирующий прибор может вести наблюдения, ограничено его размерами.
Современные астрофизические эксперименты основаны па других принципах работы. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу, она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г/см2, рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые, в свою очередь, рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц, который называют широким атмосферным ливнем (ШАЛ). Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черепковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.
Однако, само проектирование таких экспериментов, а в последствии и интерпретация получаемых данных требуют привлечения масштабных теоретических моделей для описания явлений, происходящих в ШАЛ. На сегодняшний день одним из самых развитых и широко используемых в области физики космических лучей сверхвысоких энергий инструментов моделирования является программный код CORSIKA [1].
Программный комплекс CORSIKA (COsmic Ray Simulation for KAscade) позволяет с использованием численных методов Монте-Карло изучать эволюцию ШАЛ в атмосфере Земли, инициируемых первичными фотонами, протонами, ядрами или другими частицами. Первоначально разработанный для интерпретации данных эксперимента KASCADE [2] код CORSIKA сегодня применяется крупнейшими коллаборациями Pierre- Auger, Telescope-Array, IceCube, TAIGA и др.
Популярность кода обусловлена учетом гигантского объема данных, полученных па современных ускорителях, при расчетах сечений взаимодействия, детальной проработкой блоков описания электромагнитной, адронной и мюонной компонент ШАЛ, учитывающей все известные процессы, которые могут оказать заметное влияние па количественные характеристики ШАЛ. Все это позволяет исследователю восстанавливать не только достоверные средине значения наблюдаемых величии, по и воспроизводить их флуктуации от среднего значения.
Очевидно, что свойства атмосферы, в которой происходит развитие ШАЛ, изменяются в зависимости от времени года. Такие изменения обусловлены в первую очередь вариациями температуры. По большому счету, учет вариаций температурного профиля атмосферы следует проводить ежедневно. Незаменимым источником информации здесь могут стать данные радиометров, вынесенных па космические платформы.
Другой подход по учету влияния вариаций температурного профиля атмосферы па характеристики ШАЛ предложен в Алтайском государственном университете [3,4]. Оп основан па использовании функциональной теории чувствительности для оценки так называемых дифференциальных коэффициентов чувствительности. Использование результатов этой теории в расчетах характеристик ШАЛ требует модификации атмосферного блока кода CORSIKA, добавления в пего изотермической модели.
Целью работы является модификация атмосферного блока программного комплекса CORSIKA для проведения расчетов с использованием американской стандартной модели атмосферы П876 и изотермической модели атмосферы.
Решаемые задачи:
1. Изучение физической модели кода CORSIKA.
2. Верификация параметров атмосферного блока кода по известным распределениям давления.
3. Подготовка данных по профилям изотермической модели атмосферы и модели П876 для включения их в код.
4. Модификация атмосферного блока кода CORSIKA. Добавление американской стандартной модели атмосферы П876 и изотермической модели атмосферы.
5. Расчет функции пространственного распределения электронов в ШАЛ для изотермической модели атмосферы и модели П876.
6. Расчет функции продольного распределения электронов в ШАЛ для изотермической модели атмосферы и модели П876.
7. Анализ полученных результатов, формулировка выводов.
Структура и объем работы. Квалификационная работа состоит из введения, двух глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем работы 44 страницы.
Во введении формулируется исследуемая проблема, обсуждается актуальность работы, ее цель и решаемые задачи.
Первая глава посвящена описанию физической модели кода CORSIKA. Обсуждаются параметризации процессов электромагнитного взаимодействия частиц ШАЛ с атмосферой Земли. Приводятся сведения об основных каналах рождения электронов и гамма-квантов (электроппо-фотоппых каскадов).
Во второй главе обсуждается модификация атмосферного блока. Приводятся характеристики основных моделей атмосферы, принятых в научных исследованиях. Показан основной подход к определению плотности атмосферы, принятый в коде CORSIKA. Проводятся расчеты параметров для изотермической модели атмосферы и модели П876. Обсуждаются подходы по добавлению в код дополнительных параметров для двух моделей атмосферы.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
В приложении показал пример входного файла, который используется для запуска расчетов.
Наряду с радиацией земного происхождения почти сразу появились указания па возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения. Первые эксперименты, подтвердившие этот факт, были проведены в 1911-1912 гг. Радиацию внеземной природы назвали космическими лучами.
Долгое время после открытия космических лучей, методы их регистрации не отличались от методов регистрации частиц в ускорителях. Но данный подход не позволяет вести систематические наблюдения частиц, обладающих очень высокой энергией. Такие космические лучи появляются достаточно редко, а пространство, в котором регистрирующий прибор может вести наблюдения, ограничено его размерами.
Современные астрофизические эксперименты основаны па других принципах работы. Когда высокоэнергетичная частица входит в атмосферу, она, взаимодействуя с атомами воздуха на первых 100 г/см2, рождает целый шквал частиц, в основном пионов и мюонов, которые, в свою очередь, рождают другие частицы, и так далее. Образуется конус из частиц, который называют широким атмосферным ливнем (ШАЛ). Такие частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воздухе, благодаря чему возникает черепковское свечение, регистрируемое телескопами. Такая методика позволяет следить за областями неба площадью в сотни квадратных километров.
Однако, само проектирование таких экспериментов, а в последствии и интерпретация получаемых данных требуют привлечения масштабных теоретических моделей для описания явлений, происходящих в ШАЛ. На сегодняшний день одним из самых развитых и широко используемых в области физики космических лучей сверхвысоких энергий инструментов моделирования является программный код CORSIKA [1].
Программный комплекс CORSIKA (COsmic Ray Simulation for KAscade) позволяет с использованием численных методов Монте-Карло изучать эволюцию ШАЛ в атмосфере Земли, инициируемых первичными фотонами, протонами, ядрами или другими частицами. Первоначально разработанный для интерпретации данных эксперимента KASCADE [2] код CORSIKA сегодня применяется крупнейшими коллаборациями Pierre- Auger, Telescope-Array, IceCube, TAIGA и др.
Популярность кода обусловлена учетом гигантского объема данных, полученных па современных ускорителях, при расчетах сечений взаимодействия, детальной проработкой блоков описания электромагнитной, адронной и мюонной компонент ШАЛ, учитывающей все известные процессы, которые могут оказать заметное влияние па количественные характеристики ШАЛ. Все это позволяет исследователю восстанавливать не только достоверные средине значения наблюдаемых величии, по и воспроизводить их флуктуации от среднего значения.
Очевидно, что свойства атмосферы, в которой происходит развитие ШАЛ, изменяются в зависимости от времени года. Такие изменения обусловлены в первую очередь вариациями температуры. По большому счету, учет вариаций температурного профиля атмосферы следует проводить ежедневно. Незаменимым источником информации здесь могут стать данные радиометров, вынесенных па космические платформы.
Другой подход по учету влияния вариаций температурного профиля атмосферы па характеристики ШАЛ предложен в Алтайском государственном университете [3,4]. Оп основан па использовании функциональной теории чувствительности для оценки так называемых дифференциальных коэффициентов чувствительности. Использование результатов этой теории в расчетах характеристик ШАЛ требует модификации атмосферного блока кода CORSIKA, добавления в пего изотермической модели.
Целью работы является модификация атмосферного блока программного комплекса CORSIKA для проведения расчетов с использованием американской стандартной модели атмосферы П876 и изотермической модели атмосферы.
Решаемые задачи:
1. Изучение физической модели кода CORSIKA.
2. Верификация параметров атмосферного блока кода по известным распределениям давления.
3. Подготовка данных по профилям изотермической модели атмосферы и модели П876 для включения их в код.
4. Модификация атмосферного блока кода CORSIKA. Добавление американской стандартной модели атмосферы П876 и изотермической модели атмосферы.
5. Расчет функции пространственного распределения электронов в ШАЛ для изотермической модели атмосферы и модели П876.
6. Расчет функции продольного распределения электронов в ШАЛ для изотермической модели атмосферы и модели П876.
7. Анализ полученных результатов, формулировка выводов.
Структура и объем работы. Квалификационная работа состоит из введения, двух глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем работы 44 страницы.
Во введении формулируется исследуемая проблема, обсуждается актуальность работы, ее цель и решаемые задачи.
Первая глава посвящена описанию физической модели кода CORSIKA. Обсуждаются параметризации процессов электромагнитного взаимодействия частиц ШАЛ с атмосферой Земли. Приводятся сведения об основных каналах рождения электронов и гамма-квантов (электроппо-фотоппых каскадов).
Во второй главе обсуждается модификация атмосферного блока. Приводятся характеристики основных моделей атмосферы, принятых в научных исследованиях. Показан основной подход к определению плотности атмосферы, принятый в коде CORSIKA. Проводятся расчеты параметров для изотермической модели атмосферы и модели П876. Обсуждаются подходы по добавлению в код дополнительных параметров для двух моделей атмосферы.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.
В приложении показал пример входного файла, который используется для запуска расчетов.
Основные результаты выпускной квалификационной работы заключаются в следующем.
1. Проведен анализ параметризаций ключевых физических процессов, формирующих электромагнитную компоненту ШАЛ. Выдвинута гипотеза о том, что вариации температурного профиля атмосферы способны изменять наблюдаемые характеристики ШАЛ.
2. Изучена структура атмосферного блока кода СОН81КА. Проведена верификация параметров атмосферного блока кода по известным распределениям давления.
3. Подготовлены данные для проведения расчетов с использованием изотермической модели атмосферы и модели П876.
4. Проведена модификация атмосферного блока кода СОН81КА, добавлены американская стандартная модель атмосферы П876 и изо-термическая модель.
5. Проведены расчеты функций пространственного и продольного распределений электронов в ШАЛ для изотермической модели атмосферы и модели В876.
6. Анализ полученных результатов привел к следующим выводам.
• При энергиях первичной частицы Е > 107 ГэВ разница между пространственными распределениями, полученными в разных моделях атмосферы не превышает 5% практически во всем диапазоне радиальных переменных. При г > 1200 м эта разница достигает 10%. Такая разница может быть обусловлена использованием НКГ приближения при описании ФПР электронов ШАЛ.
• Слабая чувствительность к выбору модели атмосферы при высоких энергиях первичной частицы подтверждается расчетами продольных распределений электронов ШАЛ.
Автор выражает благодарность всем преподавателям кафедры радио-физики и теоретической физики, принимавшим участие в обсуждении работы, а также научному руководителю доценту Волкову Н.В. за руководство, постановку задач, обсуждение результатов и помощь в подготовке к защите.
1. Проведен анализ параметризаций ключевых физических процессов, формирующих электромагнитную компоненту ШАЛ. Выдвинута гипотеза о том, что вариации температурного профиля атмосферы способны изменять наблюдаемые характеристики ШАЛ.
2. Изучена структура атмосферного блока кода СОН81КА. Проведена верификация параметров атмосферного блока кода по известным распределениям давления.
3. Подготовлены данные для проведения расчетов с использованием изотермической модели атмосферы и модели П876.
4. Проведена модификация атмосферного блока кода СОН81КА, добавлены американская стандартная модель атмосферы П876 и изо-термическая модель.
5. Проведены расчеты функций пространственного и продольного распределений электронов в ШАЛ для изотермической модели атмосферы и модели В876.
6. Анализ полученных результатов привел к следующим выводам.
• При энергиях первичной частицы Е > 107 ГэВ разница между пространственными распределениями, полученными в разных моделях атмосферы не превышает 5% практически во всем диапазоне радиальных переменных. При г > 1200 м эта разница достигает 10%. Такая разница может быть обусловлена использованием НКГ приближения при описании ФПР электронов ШАЛ.
• Слабая чувствительность к выбору модели атмосферы при высоких энергиях первичной частицы подтверждается расчетами продольных распределений электронов ШАЛ.
Автор выражает благодарность всем преподавателям кафедры радио-физики и теоретической физики, принимавшим участие в обсуждении работы, а также научному руководителю доценту Волкову Н.В. за руководство, постановку задач, обсуждение результатов и помощь в подготовке к защите.
Подобные работы
- РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ШАЛ В МОДИФИЦИРОВАННОЙ ВЕРСИИ КОДА CORSIKA
Бакалаврская работа, физика. Язык работы: Русский. Цена: 4210 р. Год сдачи: 2020