Тема: Пространственное распределение электронов ШАЛ

На сегодняшний день единственным средством измерения космических лучей (КЛ) с энергией > 1015 эВ остаются косвенные методы. Этот способ регистрации КЛ базируется на явлении широкого атмосферного ливня (ШАЛ). В земной атмосфере первичная частица КЛ формирует адронно-электромагнитный каскад, складывающийся из большого числа вторичных частиц, который называется широким атмосферным ливнем. Такое название связано с тем, что каскадный процесс в атмосфере имеет широкомасштабную структуру, т.е. вторичные частицы оказываются глубоко в атмосфере на расстояниях порядка 1000 м от оси ливня. Регистрация частиц ШАЛ осуществляется посредством широко протяженных установок площадью ~ 100 км2, 1000 км2, состоящих из множества отдельных детекторов,
разнесенных на большие расстояния. На данный момент действующими установками являются Оже-обсерватория, Тайга, АОА8А и др. [9].
С помощью ШАЛ изучаются такие характеристики КЛ высоких и сверхвысоких энергий (1017 эВ < Е < 1020 эВ), как энергетический спектр, массовый состав, анизотропия. Также широкие атмосферные ливни являются единственными источником информации об адрон -ядерных взаимодействиях энергии > 1015 эВ.
Исторически первоначальным методом, использованным для исследования ШАЛ, был метод детектирования ШАЛ путём регистрации потоков заряженных частиц, и благодаря относительной простоты широко распространён и в настоящее время. Основанием исследования широких атмосферных ливней общепринято считать работы Скобельцына, произведенные в 1929 году благодаря, камеры Вильсона в магнитном поле и работы Оже 1938 года с внедрением разнесенных на плоскости счетчиков Гейгера-Мюллера, введенных в схему совпадений. Первые теории о природе широких атмосферных ливней были заявлены в работах Эйлера. На базе разработанной Ландау и Румером лавинной теории для электронов и фотонов высокой энергии и приложения её к анализу экспериментальных данных, Эйлер предположил гипотезу о том, что ШАЛ представляется электромагнитным каскадом.[2]
Чтобы восстановить характеристики частиц КЛ по данным ШАЛ, требуется знать как можно больше характеристик, описывающих каскадный процесс. Для этих целей задействуются, как аналитические методы исследования, так и численные, и стохастические. Одновременная регистрация мюонной компоненты наряду с электронной даёт возможность извлечь информацию о массовом составе первичного излучения. Для этой же цели можно использовать информацию о продольном развитии электронно - фотонного каскада в атмосфере, а также о функциях пространственного распределения тех или иных компонент [3].
Одним из максимально полных и точных средств моделирования ШАЛ считается программа СОВЛХКА [5]. Эта программа позволяет моделировать ШАЛ двумя методами: полным методом Монте-Карло и полуаналитическим. Полный метод Монте-Карло дает возможность полностью проследить траекторию любой частицы ШАЛ. В полуаналитическом методе адронная и мюонная компоненты моделируются методом Монте-Карло, а электромагнитная компонента описывается аналитическими решениями для электронно-фотонных каскадов в воздухе.
Моделирование методом Монте-Карло имеет дело со случайными процессами. Для получения достоверных данных с оптимальной статистической точностью требуется проведение большого числа испытаний, что приводит к повышению времени расчетов. При этом с ростом энергии первичной частицы, образующей ШАЛ, существенно увеличивается расчетное время и объемы выходных данных. По этой причине полное моделирование методом Монте-Карло требует много времени для выполнения расчетов и значительные вычислительные мощности.
Чтобы сократить расчетное время и объемы выходных данных, существует механизм «прореживания». Он позволяет моделировать не все траектории частиц полностью, а после достижения каскадными частицами определенной энергии прослеживать полностью только одну траекторию частицы. А потом ее характеристики умножаются на весовой множитель.
Другой способ уменьшения времени и объемов расчетов, а также увеличения статистики испытаний - полуаналитический метод Монте-Карло (опция НКГ). Чтобы уверенно использовать опцию НКГ, нужно знать, на сколько согласуются результаты ее использования по сравнению с полным методом Монте-Карло. Особенно это важно для радиальных распределений частиц на больших расстояниях от оси ливня в силу малой плотности частиц. А так, как на современных установках по регистрации ШАЛ детекторы разнесены на расстояния порядка 1 км, эта информация существенна для определения положения оси ливня и восстановления формы радиального распределения регистрируемых частиц.
Цель работы: исследовать пространственное распределение электронов ШАЛ.
Решаемые задачи:
1. Изучение структуры ШАЛ.
2. Установка, сборка и тестирование программы СОРЛХКА.
3. Расчет и анализ каскадных кривых электронов полным методом Монте-Карло и опцией НКГ программы СОЯЗХКА.
4. Расчет и анализ радиальных распределений электронов полным методом Монте-Карло и опцией НКГ программы СОЯЗХКА.

Купить

В результате работы было изучено прохождение космических лучей через атмосферу с образованием широких атмосферных ливней. ШАЛ используется, как косвенный метод регистрации КЛ высоких и сверхвысоких энергий. Чтобы правильно восстановить характеристики ПКЛ, важно детально знать, как развивается такой ливень в атмосфере, какими процессами обусловлено его образование, из каких компонент он состоит, как связаны между собой компоненты, какие характеристики они имеют на уровне наблюдения.
В ходе работы была выполнена установка и сборка программы CORSIKA. Также выбраны необходимые опции и управляющие параметры моделирования программы CORSIKA.
Проведена серия тестовых расчетов моделирования ШАЛ. Результаты сравнения радиальных распределений разных типов вторичных частиц в ШАЛ показывают хорошее согласие с данными работы [8].
Из рисунков 14 - 15 можем наблюдать, что с увеличением энергии первичной частицы на порядок время расчета ШАЛ полным методом Монте- Карло увеличивается в 4 раза, а объем выходного файла в 5 раз.
Для каскадных кривых электронов установлено, что на глубине ~ 100 г/см2 относительная разность значений, полученных полным методом Монте- Карло и опцией НКГ составляет ~ 50%. После 200 г/см2 эта разница не превышает 5%. Таким образом, на глубине > 200 г/см2 опция НКГ достаточно точно описывает продольное поведение электронов ШАЛ.
Радиальные распределения электронов, рассчитанные опцией НКГ и полным методом Монте-Карло, достаточно хорошо согласуются между собой на расстояниях до 1500 м. На больших расстояниях > 1500 м форма радиального распределения электронов, рассчитанного полным методом Монте-Карло, становится уже, чем радиальное распределение с опцией НКГ.

Купить