Исследование космических лучей в области энергий 10 15 – 10 18 эВ по группам мюонов ШАЛ

1. Сессия-Конференция СЯФ ОФН РАН, 21 -25 ноября 2011 Исследование космических лучей в области энергий 1015 – 1018 эВ по группам мюонов ШАЛ А.А.Петрухинот российско-итальянской коллаборации ДЕКОР Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Институт физики межпланетного пространства, Турин, Италия Отделение общей физики Туринского университета, Италия Содержание • 1. Введение (области энергий). • 2. Современная ситуация в исследованиях КЛ. • Новый метод исследования ШАЛ. • Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР. • Результаты исследования. • Заключение.

2. Области энергий КЛ (терминология) Данное разделение относительно и имеет технический характер (~ 40 лет назад – сверхвысокие > 1011 эВ, сейчас – ультравысокие  > 1019 эВ) Энергетический спектр: Убывание с энергией:

3. Метод исследования КЛ сверхвысоких энергий • ШАЛ- единственный источник информации о ПКЛ приэнергиях E > 1015эВ. • ШАЛсостоит из адронов, мюонов, нейтрино и электромагнитной компоненты (электроны, позитроны и фотоны). • ШАЛ сопровождаются различных излучениями (флуоресцентное, черенковское, радио, акустическое).

4. Основные характеристики ШАЛ Nei– число частиц в i-ом детекторе; Nm– полное число мюонов; Eh – энергия ствола в калориметре; Xmax – высота максимума развития ШАЛ (в г/см2) Определяют природу первичной частицы (протон или ядро)

5. Определение природы первичной частицы

6. Основные результаты исследования ШАЛ • В области энергий между 1015 1016 эВ наблюдаются три особенности в результатах измерений: • Энергетический спектр ШАЛ изменяет свой наклон (колено): • с 1 2.7до2  3.0 – 3.1 • Отношение N / Neначинает увеличиваться. • Скорость измененияXmaxначинает уменьшаться. • Два последних результата могут свидетельствовать об утяжелении состава КЛ.

7. Энергетический спектр 1 частица/м2 секунда ШАЛ Прямые измерения Колено 1 частица/ м2 год «Лодыжка» 1 частица/ км2 год 1частица/ км2 столетие

8. Особенности энергетического спектра КЛ

9. Энергетические спектры различных частиц КЛ

10. Массовый состав заряженной компоненты космических лучей Соотношение между различными ядрами зависит от определения их энергии. Возможны два варианта: • Энергия на частицу • Энергия на нуклон Результаты, полученные в области энергий до «колена». < lnA >  1,5; может меняться от 0 (А=1) до 4 (А=56)

11. Результаты исследования Nm

12. Результаты исследованияXmax

13. New method of EAS investigations • Number of electrons Ne (in fact, mixture of charged particles) • Number of muons, N • Energy deposit of EAS core, Eh • Cherenkov radiation flux, Fch • Fluorescence radiation flux, Ff • Local muon density, D • Muon bundle energy, E Old New!

14. Inclined EAS detection

15. μ-EAS transverse section VS zenith angle Number of detected EAS depends on: shower array dimensions shower dimensions only

16. Traditional EAS detection technique (E ~ 1018 eV) ~ 500 m EAS counters (~ 1 m2)

17. Local muon density spectra detection technique E ~ 1018 eV, θ=80º Muon detector ~ 10 km

18. Contribution of primary energies at different zenith angles Wide angular interval – very wide range of primary energies !

19. Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР

20. General view of NEVOD-DECOR complex Coordinate-tracking detector DECOR (~115 m2) Cherenkov water detector NEVOD (2000 m3) • SideSM: 8.4 m2 each • σx1 cm; σψ  1°

21. Направления исследований

22. A typical muon bundle event in Side DECOR( 9 muons, 78 degrees) Y-projection X-projection

23. Muon bundle event (geometry reconstruction)

24. A “record” muon bundle event Y-projection X-projection

25. Muon bundle event (geometry reconstruction)

26. Results of muon bundle investigations

27. DECOR data. Muon bundle statistics (*) For zenith angles < 75°, only events in two sectors of azimuth angle (with DECOR shielded by the water tank) are selected.

28. DECOR data. Distribution in multiplicity

29. DECOR data. Distribution in zenith angle

30. Effective primary energy range Lower limit ~ 1015 eV (limited by DECOR area). Upper limit ~ 1019 eV (limited by statistics).

31. Comparison with calculations CORSIKA simulation of 2D muon LDF: • CORSIKA 6.200 – 6.600 QGSJET 01c + GHEISHA 2002;SIBYLL 2.1 + FLUKA 2003.1b • Primary protons and iron nuclei • EMF was taken into account. Primary “all-particle” spectrum: • Power type “all-particle” spectrum with the knee at 4 PeV • Below the knee: dN/dE = 5.0 (E, GeV)  2.7 cm-2 s-1 sr-1 GeV-1 ; • Above the knee: steepening to ( 1) = 3.1.

32. Low angles: around the “knee” θ = 50º : 1016 – 1017 eV Large angles: around 1018 eV θ = 65º : 1016 – 1018 eV

33. Comparison with other data

34. Conclusion-1 A new method of EAS investigations, based on local muon density spectrum measurements, allows investigate cosmic ray energy spectrum in very wide interval from 1015 to 1018 eV and even higher. The following results were obtained: detection of the knee (this can be considered as energy scale calibration), observation of the second knee, some excess of muon bundles in comparison with predictions, which increases with energy.

36. Мюоны сверхвысоких энергий (> 100 ТэВ)

37. Baksanunderground scintillation telescope

38. Энергетический спектр мюонов

39. Hermann Kolanoski, 32nd ICRC, 2011, Beijing IceCube

40. IceCube Collaboration, 32nd ICRC, 2011, Beijing Muons in IceCube Candidate shower with a high pT muon. The cosmic ray bundle is on the left and the high pT muon is on the right.

41. Patrick Berghaus, 31st ICRC, 2009, Lodz Muon energy spectrum - 2009

42. Patrick Berghaus, Chen Xu, 32nd ICRC, 2011, Beijing Muon energy spectrum - 2011

43. Заключение 1. Космические лучи и ускорители (вчера, сегодня, завтра). 2. Новая физика в космических лучах: • обнаружен избыток мюонов, растущий с энергией, который фактически подтвержден на LHC; • по-видимому обнаружен избыток мюонов сверхвысоких энергий, которые могут образовываться только в распадах тяжелых частиц (m ~ 1 ТэВ); Это новая задача для LHC

44. Благодарю за внимание!