Measurement Techniques of Air Showers ядерно-электромагнитный каскад –

Measurement Techniques of Air Showers ядерно-электромагнитный каскад – широкий атмосферный ливень

Энергетический спектр первичных космических лучей в области > 1015 э. В по данным ШАЛ

Исследования атмосферных мюонов: - энергетический спектр и массовый состав первичных космических лучей; - адронные взаимодействия; - нейтринная астрофизика инклюзивный спектр одиночных мюонов мюоны в составе ШАЛ Энергетический спектр атмосферных мюонов, измеренный в области > 10 Тэ. В

Дифференциальный спектр мюонов космических лучей, измеренный в области менее 1 Тэ. В

Возможные физические причины выполаживания спектра мюонов высоких энергий: prompt (мюоны “быстрой генерации”, или “прямые”) – дополнительный поток мюонов, связанный с распадами чармированных (например, c-гиперонов, D-мезонов) и других короткоживущих частиц, образующихся в результате взаимодействия первичных частиц космических лучей с ядрами атомов атмосферы; появление избытка мюонов сверхвысоких энергий (VHE ) вследствие включения новых физических процессов при Пэ. Вных энергиях, которые соответствуют “излому” в спектре космических лучей возможные методические причины уположения спектра мюонов высоких энергий – неопределенности при переходе от измеряемых величин к энергиям (спектру) мюонов

Методы исследования энергетического спектра мюонов в области E > 10 Тэ. В • магнитный спектрометр (измерение импульса мюона по отклонению траектории в магнитном поле) – MUTRON (m. d. m. ~ 22 Тэ. В/c), проблемы: необходимо сильное магнитное поле и одновременное увеличение светосилы, электромагнитное сопровождение осложняет реконструкцию событий с ростом энергии мюона • кривая поглощения (измерение интенсивности потока мюонов на различных глубинах) – БПСТ, Frejus, KGF, LVD, MACRO, предел достижимых энергий ~ 100 Тэ. В обусловлен фоновым потоком малоэнергичных мюонов, образующихся в результате взаимодействий нейтрино в окружающем грунте; • калориметр (измерение спектра каскадов с энергией ~ E , вызванных, в основном, тормозным излучением мюонов) – АСД, БПСТ, РЭК МГУ ( 30 -50 Тэ. В), ограничение – необходима значительная масса мишени из-за малой вероятности рождения тормозного -кванта с энергией, сравнимой с энергией мюона, перспектива – использование гигантских нейтринных телескопов

Side and top views of MUTRON

A three-dimensional view of MUTRON

Frejus proton decay detector, France (under the Alps). The iron stack consists of iron bars interspersed with geiger tubes.

The MACRO (Monopole, Astrophysics and Cosmic Ray Observatory) detector in the experimental hall B of the Gran Sasso Laboratory. The detector (76. 9× 12. 3× 9. 9 m 3) consists of six supermodules of 12× 5 m 3 each. Each supermodule is made of ten horizontal planes of limited streamer tubes interleaved with passive materials.

The Large Volume Detector (LVD), located in the hall A of the LNGS (length - 22. 7 m, width - 13. 2 m, height - 10 m, rock depth – 3100 m w. e. ) LVD consists of an array of 840 scintillator counters, interleaved by streamer tubes. The basic element is the liquid scintillation counter of dimensions 1. 5 x 1. 0 m 3. Three photomultiplier tubes on the top of each counter watch the scintillating liquid. 8 scintillation counters are assembled in independent modules: 35 of such modules, tightly arranged in five columns, constitute one tower. The LVD detector is furtherly equipped with a tracking system which consists of L-shaped detectors for each 8 -counters module. Every element contains two staggered layers of 6. 3 m long limited streamer tubes.

Muon DIR from underground data for shallow (left) and intermediate (right) depths.

Muon DIR from the underwater/ice experiments.

Muon DIR from underground data.

Метод парметра основан на измерении числа и энергий каскадов ( E ), образующихся главным образом за счет прямого рождения электрон-позитронных пар мюоном Основные требования: чувствительность к передачам энергии ~ 10 2 Eμ; толщина мишени для измерения энергии индивидуальных мюонов должна быть не менее сотен радиационных единиц. Для полномасштабной реализации метода необходимы массивные установки (сотни – тысячи тонн) с достаточно высокой степенью грануляции (десятки – сотни слоев). относительная погрешность измерения энергии

Парметр: идея метода И. С. Алексеев, Г. Т. Зацепин. μ-мезоны высокой энергии. Труды Международной конференции по космическим лучам (1959). Т. 1: Ядерные взаимодействия при энергиях 1011 – 1014 э. В. Москва, 1960, Изд. АН СССР, стр. 326 -329.

Развитие метода парметра в СССР Первые расчетно-теоретические работы: Э. В. Гедалин. ЖЭТФ, 43 (1962) 1697 О. В. Веденеев, В. А. Дмитриев, Г. Б. Христиансен. ЖЭТФ, 44 (1963) 556 А. Д. Ерлыкин. Препринт ФИАН СССР № 67. 1967 Первые попытки экспериментальной реализации: Искровые калориметры: M. F. Bibilashvili et al. Phys. Lett. 17 (1965) 175 Подземные детекторы установки ШАЛ МГУ: Н. П. Ильина, Б. А. Хренов, З. В. Ярочкина. ЯФ 18 (1973) 854 Проект парметра в эксперименте АНИ (на г. Арагац) В. А. Астафьев и др. Изв. АН Арм. ССР, Физика, 15 (1980) 345 Активно обсуждалась также возможность применения метода в DUMAND: В. С. Березинский, Г. Т. Зацепин. УФН 122 (1977) 3 V. V. Borog et al. , Proc. 15 th ICRC, Plovdiv, 1977, v. 6, p. 289 Количественная теория парметра: R. P. Kokoulin, A. A. Petrukhin. NIM A, 263 (1988) 468 Р. П. Кокоулин, А. А. Петрухин. ЭЧАЯ, 21 (1990) 774

Зарубежные работы по методу парметра Расчетные работы: M. K. Moe. Nuovo Cim. B, 66 (1970) 90 (при поддержке Ф. Райнеса) T. Wada, T. Kitamura. Progr. Theor. Phys. 41 (1969) 1587 (по инициативе С. Мияке) Эти работы стали основой создания прототипа парметра в комплексе МЮТРОН: T. Kitamura et al. Proc. 13 th ICRC, Denver, 1973, v. 4, p. 2974 T. Kitamura et al. Proc. 14 th ICRC, Munich, 1975, v. 6, p. 2145 Здесь родилось современное название метода: pair meter пар-метр парметр Эксперименты с прототипом парметра МЮТРОН: I. Nakamura et al. Proc. 16 th ICRC, Kyoto, 1979, v. 10, p. 19

NUSEX Первая экспериментальная оценка энергии мюонов на больших глубинах: C. Castagnoli et al. Astropart. Phys. 6 (1997) 187 136 слоев по 1 см стали, стримерные трубки Параметры спектра мюонов (средняя энергия и показатель наклона) оценивались из распределения событий по числу и мощности вторичных каскадов.

Большой жидкоаргоновый спектрометр БАРС Одно из первых применений крупного ускорительного детектора для эксперимента в космических лучах: S. V. Belikov et al. Preprint IHEP 96 -65 (1996) V. B. Anikeev et al. Proc. 27 th ICRC, Hamburg, 2001, v. 3, p. 958 288 слоев жидкоаргоновых ионизационных камер Опробованы всевозможные варианты методики парметра, оценены параметры спектра мюонов космических лучей.

Прохождение одиночного мюона через БАРС без взаимодействия. Прохождение мюона через БАРС с неупругим взаимодействием (слева) и двумя электромагнитными каскадами (справа).

www. scientific. ru (SAGE) Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп danila 85. livejournal. com

Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп 3150 детекторов 70 70 30 см 3 (жидкий сцинтиллятор) порог срабатывания – 12. 5 Мэ. В (“да-нет”), измерение энерговыделений – 0. 5 -600 Гэ. В, относительная погрешность – 10% V. B. Petkov, 2004 danila 85. livejournal. com

Экспериментальные данные БПСТ 1983 -1995 и 2003 -2004 гг. (восстановлен амплитудный анализ), статистический анализ интервалы надежной информации “живое” время 3. 3 108 с (> 10 лет); предварительный отбор – суммарное энерговыделение в горизонтальных плоскостях телескопа 10 Гэ. В – около 2 млн. событий,

Вклад различных величин относительных переданных энергий = /E в потери энергии мюоном в железе

Распределения энергий мюонов, дающих вклад в события с фиксированной величиной порядковых статистик n: а) толстая мишень – слой грунта 1000 рад. ед. и обычный спектр мюонов ~ E 2. 7, б) тонкая мишень – слой грунта 30 рад. ед. и спектр мюонов ~ E 1. 7.

Прохождение высокоэнергичного мюона через БПСТ (моделирование на основе Geant 4)

Калориметрический метод оценки энергии мюонов (БПСТ) E 1 ~ 0. 1 1, 1 ~ 0. 5 E , k ~ 20 Слева: примеры экспериментального и моделированного событий Справа: продольный профиль энерговыделений Показаны горизонтальные плоскости телескопа, сработавшие сцинтилляционные детекторы (“да-нет”) отмечены серым цветом, а энерговыделения в детекторах – градациями цвета

Метод двукратных взаимодействий E 2 ~ 0. 1 2, 2 ~ 0. 01 E , k ~ 1000 Слева: примеры экспериментального и моделированного событий. Справа: продольный профиль энерговыделений (E 1 – энерговыделение в первом по величине максимуме, E 2 – во втором “горбе”, K 2 – глубина “провала”). Отбор событий по E 1 соответствует калориметрическому методу, а по E 2 – методу кратных взаимодействий оценки характеристик энергетического спектра мюонов.

Параметр E 2 Сдвиг по E 2 практически пропорционален сдвигу по энергии мюонов Распределения по энергиям мюонов, дающих вклад в события с разными E 2 (при фиксированных параметрах E 1 и K 2).

Параметр K 2 моделированное событие 9834 -9882 один ядерный каскад E = 1. 2 Тэ. В, K 2 = 1. 1 моделированное событие 9843 -42666 два электромагнитных каскада E = 100 Тэ. В, K 2 = 27. 5 увеличение минимального значения K 2 позволяет подавить вклад ядерных каскадов, которые могут имитировать кратные взаимодействия

Параметр E 1 повышение порога по E 1 дает возможность на порядок снизить вклад мюонов с энергиями несколько Тэ. В, сохранив при этом значительную часть статистики для высокоэнергичных частиц (~ 100 Тэ. В) Эффективность отбора моделированных событий в зависимости от энергии мюона при заданных параметрах кратных взаимодействий E 2 и K 2 для разных E 1 5, 20 и 40 Гэ. В.

Примеры моделированных событий с кратными взаимодействиями Показаны разные варианты расположения 1 -го (E 1) и 2 -го (E 2) максимумов профиля энерговыделений в горизонтальных плоскостях телескопа.

Примеры экспериментальных событий с кратными взаимодействиями

Примеры моделированных событий с группами мюонов вблизи оси ШАЛ, проходящих через БПСТ отбор событий с большими группами – Nдет 70, с каскадами – Emax 20 Гэ. В

Алгоритм обработки событий • поиск “компактных пятен” сработавших логарифмических преобразователей и/или импульсных каналов (“да-нет”), т. е. областей, где сработавшие детекторы касаются друга хотя бы углами; • проведение траектории мюона через центры тяжести (геометрические центры) компактных пятен; • анализ профиля энерговыделений и вычисление параметров кратных взаимодействий E 1, E 2, K 2; • программный и визуальный отбор событий-кандидатов (исключение “ложных” треков и мюонов, ушедших за пределы телескопа, корректная обработка “краевых” событий и групп мюонов).

Статистический анализ экспериментальных данных

Экспериментальные события, генерированные мюонами сверхвысоких энергий (“ненадежная” информация и в стволе ШАЛ)

Визуальный анализ экспериментальных событий вертикальные плоскости (1 -4) в развернутом виде три проекции: вид слева, сверху, спереди, цвет – номер плоскости

Distributions of events with multiple interactions in the arrival direction (left - zenith angle, right – azimuth angle)

Расчетные спектры мюонов: 1. обычный спектр мюонов от -, K-распадов в атмосфере; 2. обычный спектр мюонов с добавлением потока мюонов от распадов чармированных частиц – “prompt” (R = 10 3); 3. то же с параметром R = 3× 10 3; 4. обычный спектр мюонов с дополнительным вкладом VHE мюонов; T. K. Gaisser, 1990 [см-2 с-1 ср-1 Гэ. В-1]

Differential muon energy spectra for vertical direction (4 models)

Сравнение экспериментальных данных с расчетами. Интегральные распределения по E 2 событий с кратными взаимодействиями для различных предположений о виде спектра мюонов и трех вариантов критериев отбора

Energy distributions of muons giving contribution to events with different threshold values E 2 for 4 models of muon energy spectrum

Зависимость энергий мюонов E от энерговыделения E 2

Дифференциальный энергетический спектр мюонов по данным БПСТ (кратные взаимодействия)

Дифференциальные спектры мюонов на уровне моря для вертикального направления по данным различных экспериментов

Экспериментальные события, генерированные мюонами сверхвысоких энергий в БПСТ

Ice. Cube (установка)

Ice. Cube (предварительные результаты)

Нейтринные КМ^3 телескопы (Ice. Cube и др. ) 100 Тэ. В-ный мюон дает примерно в 100 раз больше света, чем мюон умеренной энергии! Проблемы: большие флуктуации, мюоны сопровождения, редкая “решетка”, свойства среды (неоднородность) и т. п. Тем не менее, реализация метода парметра представляется возможной. http: //icecube. wisc. edu R. P. Kokoulin et al. 24 th ICRC, Rome, 1995, v. 1, p. 746 Пример высокоэнергичного события в установке Ice. Cube

Проект MONOLITH M. Ambrosio et al. The MONOLITH Project. 1999 LNGS-LOI 20/99, CERN/SPSC 99 -24 Первоначальный вариант установки: ~ 500 рад. ед. , ~ 100 слоев, ~ 20 -30 тыс. тонн стали Проект не был принят. Однако рассматривается возможность создания подобной установки в Индии.

Эксперимент “Памир-Чакалтая” Рентгеноэмульсионные камеры (РЭК) в эксперименте “Памир”

T. Aaltonen et al. , 2008 elementy. ru Рис. 1. Схематичное изображение различных вариантов рождения мюонов (вид вдоль оси пучка). Серый круг — вакуумная труба, синие окружности — первые несколько слоев вершинного детектора, регистрирующего место прохождения частиц (показаны красными точками). Красный кружок в центре — место столкновение протонов, зеленые дуги — родившиеся мюоны, серые линии — остальные частицы. a) типичная картина рождения мюонов при распаде короткоживущих частиц, например, Z-бозона. b) рождение мюонов в распадах B-мезонов, которые успевают отлететь от оси на несколько миллиметров. c) типичный вид аномальных событий, зарегистрированных детектором CDF (Tevatron). Некоторые из мюонов рождаются снаружи вакуумной трубы, поэтому их не регистрируют самые внутренние слои детектора. Часто мюоны рождаются сразу по несколько штук с каждой стороны.

T. Aaltonen et al. , 2008 elementy. ru Рис. 2. Распределение по прицельному параметру мюонов. Черными точками показаны аномальные события, красной гистограммой — обычные события, вызванные рождением и распадом известных частиц. Рис. 3. Типичный каскадный распад новых частиц в суперсимметричных теориях. Заметьте, что в ходе распада испускается положительный и отрицательный лептон l+ и l–. Более длинные цепочки могли бы в принципе породить многомюонные события.

V. Naumov, Cosmic rays and neutrino, 2005

Области доминирования различных процессов взаимодействия мюонов в железе. Сплошные кривые отвечают 50% вкладу соответствующего процесса в суммарное дифференциальное сечение