Главная » 2014 » Июль » 23 » Скачать Верификация спектра первичных нуклонов по данным о потоке мюонов на уровне моря, в грунте и воде. Юшков, Алексей Валерьевич бесплатно
0:10 AM
Скачать Верификация спектра первичных нуклонов по данным о потоке мюонов на уровне моря, в грунте и воде. Юшков, Алексей Валерьевич бесплатно
Верификация спектра первичных нуклонов по данным о потоке мюонов на уровне моря, в грунте и воде
Диссертация
Автор: Юшков, Алексей Валерьевич
Название: Верификация спектра первичных нуклонов по данным о потоке мюонов на уровне моря, в грунте и воде
Справка: Юшков, Алексей Валерьевич. Верификация спектра первичных нуклонов по данным о потоке мюонов на уровне моря, в грунте и воде : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.02 Барнаул, 2005 122 c. : 61 05-1/1058
Объем: 122 стр.
Информация: Барнаул, 2005
Содержание:
1 Расчет спектра мюонов на уровне моря
11 Спектры первичных космических лучей
12 Метод расчета потока мюонов на уровне моря
13 Результаты расчета спектров мюонов
14 Основные результаты главы
2 Сопряженное описание процесса переноса мюонов
21 Вывод сопряженного уравнения
22 Уравнение переноса мюонов в малоугловом приближении
23 Уравнение для второго момента угла рассеяния (^ )^
24 Случайно-неоднородная среда
25 Основные положения марковской модели многокомпонентной случайной среды
26 Фазонная интерпретация марковской среды
27 Уравнения для плотности распределения стохастической ценности мю-она в марковской среде
28 Основные результаты главы
3 Спектры мюонов в грунте и воде
31 Численный метод решения уравнения переноса
32 Анализ сходимости расчетной схемы и сопоставление с результатами монте-карловских программ
33 Модели спектров мюонов на уровне моря и потери энергии мюонов в веществе
34 Сопоставление с данными подземных экспериментов
35 Анализ влияния неопределенностей свойств грунта на расчетную интенсивность мюонов
36 Основные результаты главы
4 Возможные причины недооценки потока ПКИ
41 Методика восстановления спектров ПКИ в баллонных экспериментах
42 Спектры первичных частиц, полученные в экспериментах по изучению характеристик ШАЛ
43 Антипротоны в ПКИ
44 Основные результаты главы
Введение:
Актуальность темы. Проблемы установления источников, механизмов ускорения и характера распространения первичных ядер в межзвездной среде относятся к числу наиболее актуальных проблем астрофизики космических лучей высокой энергии [1].Для их решения необходимо определение химического состава и энергетических спектров частиц первичного космического излучения (ПКИ) в широком диапазоне энергий 0.1 — 10^ ^ ГэВ. Быстро падающий спектр ПКИ ос J5-(2-8H-3.I) ^ технические трудности не позволяют провести прямые измерения на границе атмосферы во всем указанном интервале энергий. В связи с этим в настоящее время проводится ряд экспериментов наземного базирования, где свойства ПКИ устанавливаются по характеристикам мюонной, электронной, адроннной и фотонной компонент широких атмосферных ливней (ШАЛ). Среди этих методов изучение некоррелированного потока мюонов на уровне моря является одним из наиболее простых способов верификации как данных о суммарном потоке первичных нуклонов в области энергий Е 1 ТэВ/нуклон и использовали (полу-) эмпирические модели взаимодействий. Наличие большого числа параметров в таких моделях и свободы в их выборе, обусловленной неполнотой информации о характеристиках вторичных частиц, полученной на ускорителях, приводили к существенно разнящимся между собой (до 50%) предсказаниям потока мюонов на уровне моря [10]. По этой причине удовлетворительное описание экспериментальных данных о спектре мюонов могло быть получено с использованием сильно отличающихся спектров первичных частиц. Таким образом, существовавшие еще 10-15 лет назад неопределенности как во входных расчетных данных, так и в измерениях спектра мюонов на уровне моря не позволяли производить какую либо детальную проверку используемых в расчетах моделей и расчеты спектра мюонов проводились, в основном. для нормировки нейтринных спектров.В настоящее время положение дел значительно улучшилось. Современные модели взаимодействий (QGSJET [11], VENUS [12], NEXUS [13], DPMJET [14], SIBYLL [15]) имеют солидный теоретический базис, удовлетворительно описывают ускорительные данные и наблюдаемые характеристики ШАЛ. За несколько последних лет предсказания всех вышеперечисленных моделей в значительной степени сблизились, что обусловлено как появлением новых данных по адронным сечениям до энергий A/S =1.8 ТэВ, так и близостью используемых физических положений. Например, различие между моделями в числе мюонов на уровне моря в ливнях от первичных протонов составляет порядка ±10% [10,16]. Это означает, что спектр первичных нуклонов может быть восстановлен с приблизительно такой же точностью при условии наличия однозначной информации по вертикальной интенсивности мюонов. Благодаря измерениям, проведенным за последние 15 лет коллаборациями BESS [17], BESS-TeV [18], CAPRICE [19], L3+C [20-22], MACRO [23], LVD [24], Frejus [25], российскими группами МГУ [26] и БНО [27,28], спектр мюонов сейчас известен с 20% точностью до энергий порядка 10 ТэВ. Поскольку мюоны с энергией Е^ наиболее эффективно генерируются во взаимодействиях первичных частиц с энергиями (5-100) хЕ',^ на нуклон, ситуация выглядит вполне благоприятной для проведения оценки потока первичных частиц в диапазоне энергий, исследованном в прямых спутниковых и баллонных экспериментах. Данные этих измерений простираются до энергий 1 ПэВ для протонов и до нескольких сотен ТэВ/нуклон для остальных групп ядер. Наиболее обширные данные собраны для Е'пки 10 ТэВ имеются только косвенные данные, в которых поток мюонов на уровне моря получен из результатов подземных измерений. Последние весьма противоречивы и содержат большие систематические ошибки, вызванные, главным образом, отсутствием детальной информации о свойствах грунта и неопределенностью в вопросе о механизмах генерации чарма [8]. Как следствие, в настоящее время представляется практически невозможным получение определенных выводов ни о предпочтительности какойлибо из моделей генерации чарма, ни о поведении спектра первичных нуклонов при Епш > 1 ПэВ. Целью работы является исследование согласованности современных данных о спектрах ПКИ и характеристиках адрон-ядерных взаимодействий с данными по потоку мюонов, полученными на наземных и подземных (подводных) установках.Решаемые задачи: 1. Нахождение потока мюонов на уровне моря с учетом существующих неопределенностей в данных по спектру первичных нуклонов и в предсказаниях различных моделей ядерных взаимодействий.2. Решение задачи переноса мюонов в веществе для установления поведения спектра мюонов на уровне моря по экспериментальным данным подземных установок.Научная новизна и значимость работы. Научная новизна заключается в следующих полученных в работе результатах.1. Впервые проведены расчеты вертикального спектра мюонов на уровне моря в диапазоне энергий 1 — (3 х 10 )^ ГэВ с использованием данных прямых измерений и моделей ядерных взаимодействий QGSJET и VENUS. Выполнен анализ данных, использованных в ряде более ранних расчетов потока мюонов.2. Предложен новый метод расчета характеристик мюонной компоненты на больших глубинах в поглотителе, заключающ.ийся в численном решении сопряженного уравнения переноса.3. Впервые проведены расчеты характеристик мюонной компоненты на больших глубинах в поглотителе с учетом флуктуации потерь энергии во всех процессах взаимодействий мюонов. Получены вероятности выживания и кривые поглощения мюонов в грунте и воде, на основании которых сделан вывод о поведении спектра мюонов на уровне моря в диапазоне энергий 1-10 ТэВ.
4. Впервые для оценки ошибки, вносимой в измерения интенсивностей мюонов на подземных установках неопределенностями свойств грунта, применена марковская модель многокомпонентной случайной среды. Получены уравнения для стохастической ценности мюона в марковской среде. Показано, что неучет неопределенностей свойств среды приводит к занижению расчетной интенсивности мюонов.5. Впервые, на основе сопоставления расчетного спектра мюонов с результатами измерений потока мюонов, выполненными на наземных и подземных установках, показано, что использование данных прямых экспериментов по спектрам ПКИ и моделей ядерных взаимодействий QGSJET и VENUS приводит к 30-50% дефициту мюонов с энергиями 10^ — 10^ ГэВ. Проведенный анализ возможных причин возникновения данного противоречия свидетельствует о том, что оно в существенной части обусловлено недооценкой потока первичных нуклонов в баллонных экспериментах, применяющих технику эмульсионных камер.Научная и практическая ценность работы определяется возможностью использования накопленного банка данных по числу мюонов в ШАЛ и методики расчета спектра мюонов для валидации данных прямых измерений спектров ПКИ и характеристик адронных взаимодействий в области фрагментации. Разработанный комплекс вычислительных программ, реализующих численный метод решения сопряженного уравнения переноса мюонов, позволяет производить быстрые оценки фона от атмосферных мюонов в нейтринных подводных экспериментах и потока мюонов, индуцированного взаимодействиями нейтрино в толще Земли. Марковская модель случайной среды может быть использована при обработке данных подземных экспериментов для оценки систематических погрешностей, вносимых неопределенностями свойств грунта.На защиту выносятся: 1. Результаты расчета вертикального спектра мюонов на уровне моря в диапазоне энергий 1 — (3 X 10 )^ ГэВ. Вывод о 30-50%-ом дефиците расчетного потока мюонов для энергий Е^^ > 100 ГэВ.
2. Численный метод решения сопряженного уравнения переноса мюонов в плотных средах, позволяющий учесть флуктуации потерь энергии во всех процессах взаимодействий мюонов. Результаты расчетов вероятностей выживания и интенсивностей мюонов в грунте и воде.3. Оценка разброса интенсивностей мюонов в грунте KGF, полученная с применением марковской модели случайной среды.4. Вывод о более жестких, чем в моделях QGSJET01 и VENUS, спектрах генерации вторичных пионов и каонов во взаимодействиях адрон-ядро.5. Вывод о 30%-ой недооценке потока первичных нуклонов в баллонных экспериментах, применяющих технику эмульсионных камер.Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XXIV и XXVI Международных конференциях по космическим лучам (Рим, Италия, 1995; Солт Лейк Сити, США, 1999), на X и XI Международных симпозиумах по взаимодействиям космических лучей высоких энергий (Гран Сассо, Италия, 1998; Кампинас, Бразилия, 2000), на 28-ой Всеросийской конференции по космическим лучам (Москва, 2004) и 19-ом Европейском симпозиуме по космическим лучам (Флоренция, Италия, 2004), на семинарах кафедры теоретической физики АлтГУ. Личный вклад автора. Решение поставленных задач и анализ полученных результатов производились автором самостоятельно. Численный метод решения сопряженного уравнения переноса разрабатывался совместно с А. А. Лагутиным и А. Г. Прокопцом. Идея использования марковской модели случайной среды для оценки влияния неопределенностей свойств грунта на характеристики мюонной компоненты принадлежит В. В, Учайкину и А. А, Лагутину.Исследования, представленные в диссертации, частично поддерживались грантами программы "Университеты России" №02.01.014, №02.01.001 и грантом РФФИ № 0 4 02-16724.Публикации. Результаты диссертации представлены в 13 печатных работах в трудах международных конференций и симпозиумов, в российских и зарубежных научных журналах [10,36-47].Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.В п е р в о й г л а в е дан обзор экспериментальных данных по первичным ядрам групп Н, Не, CNO, Ne-Si и Fe, проведено обсуждение моделей спектров ПКИ, применявшихся как в данной работе, так и в работах других авторов. Представлены основные характеристики проведенных расчетов спектра мюонов на уровне моря, проведено сопоставление полученного спектра мюонов с экспериментальными данными в интервале энергий Е^ = 1 — 10^ ГэВ. Рассмотрены существующие неопределенности в современных моделях ядерных взаимодействий. Показано, что использование данных прямых измерений первичных спектров приводит к значительному (30-40%) дефициту расчетного потока мюонов для энергий больших 100 ГэВ. Во в т о р о й г л а в е представлен математический аппарат сопряженной теории переноса в применении к распространению мюонов, получены уравнения для детерминированной ценности и среднеквадратичного угла рассеяния мюонов. Рассмотрено понятие случайно-неоднородной среды и основные положения марковской модели многокомпонентной случайной среды, С использованием фазоннной интерпретации марковской среды получены уравнения для плотности распределения стохастической ценности фазонов. Для проведения оценки влияния флуктуации свойств среды на интенсивность мюонов выведены уравнения для стохастической ценности мюонов в марковской случайной среде.В т р е т ь е й г л а в е представлен численный метод решения сопряженного уравнения переноса, позволяющий рассчитывать характеристики мюонов в поглотителе с учетом флуктуации потерь энергии во всех процессах взаимодействий мюонов. Проведено исследование сходимости метода и полученных вероятностей выживания и интенсивностей мюонов с результатами расчетов монте-карловских программ MUSIC [48] и м и м [49]. На основании сопоставления полученных кривых поглощения мюонов с экспериментальными данными сделан вывод о поведении спектра мюонов на уровне моря. Показано, что дефицит расчетного потока мюонов, полученного с использованием данных прямых измерений спектров первичных ядер и моделей ядерных взаимодействий QGSJET и VENUS, составляет не менее 50% в диапазоне энергий 1-10 ТэВ. На примере установки KGF с использованием марковской модели случайной среды проведена оценка разброса интенсивностей мюонов, вызванная неполнотой информации о свойствах грунта. Проведена оценка влияния флуктуации свойств среды на интенсивность мюонов.В ч е т в е р т о й г л а в е проанализированы возможные причины, приводящие к недооценке потока первичных нуклонов в прямых экспериментах. Рассмотрена применяемая в них методика восстановления спектров первичных частиц. Показано, что ошибка при восстановлении энергии первичной частицы по вызванному ей в эмульсионной камере ЭФК может быть обусловлена неточностями в описании характеристик множественного рождения в областях фазового пространства, не исследованных на ускорителях. Проведен анализ некоторых данных по спектрам ПКИ, полученных в экспериментах, изучающих различные характеристики ШАЛ. Показано, что применение реджеонных моделей для обработки данных прямых экспериментов позволит уточнить поведение спектров ПКИ, уменьшить методическую часть погрешности, содержащуюся в расчетах потоков вторичных космических лучей в атмосфере, и позволит получить более точные выводы о недостатках этих моделей взаимодействий без привлечения новых ускорительных данных. Также рассмотрена гипотеза о возможном присутствии в ПКИ значительной доли антипротонов и о влиянии данного факта на результаты измерений спектра первичных протонов.В з а к л ю ч е н и и представлены основные результаты и выводы, полученные в диссертации.Объем диссертации 122 страницы, в том числе 27 рисунков и 9 таблиц. Список литературы содержит 197 наименований.
