Исследование космических лучей Исследование космических лучей в области энергий 10в области энергий 101515 – 10 – 101818 эВ эВ

по группам мюонов ШАЛпо группам мюонов ШАЛА.А.ПетрухинА.А.Петрухин

от российско-итальянской коллаборации ДЕКОРот российско-итальянской коллаборации ДЕКОРНациональный исследовательский ядерный университет «МИФИ»Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Институт физики межпланетного пространства, Турин, Италия Институт физики межпланетного пространства, Турин, Италия

Отделение общей физики Туринского университета, ИталияОтделение общей физики Туринского университета, Италия

СодержаниеСодержание

Сессия-Конференция СЯФ ОФН РАН, 21 -25 ноября 2011

1. Введение (области энергий).2. Современная ситуация в исследованиях КЛ.3. Новый метод исследования ШАЛ.4. Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР.5. Результаты исследования.6. Заключение.

Области энергий КЛ (терминология) Области энергий КЛ (терминология)

Термин Энергия, эВВ Ц-системе,

ТэВПримечания

Высокие (HE) до ~1015 до ~1,4 (1,8) Ускорители

Сверх-высокие (VHE)

~1015 1017 ~1,8 – 14 LHC, «Колено»

Ультра-высокие (UHE)

1017 1019 14 – 140 «Лодыжка»

Предельно-высокие (EHE)

>1019 >140 ГЭК предел

Данное разделение относительно и имеет технический характер (~ 40 лет назад – сверхвысокие > 1011 эВ, сейчас – ультравысокие > 1019 эВ)

Энергетический спектр: Энергетический спектр:

Убывание с энергией: ( 2.7)dN

EdE

• ШАЛ - единственный источник информации о ПКЛ при энергиях E > 1015 эВ.

• ШАЛ состоит из адронов, мюонов, нейтрино и электромагнитной компоненты (электроны, позитроны и фотоны).

• ШАЛ сопровождаются различных излучениями (флуоресцентное, черенковское, радио, акустическое).

Метод исследования КЛ сверхвысоких энергий Метод исследования КЛ сверхвысоких энергий

Основные характеристики ШАЛОсновные характеристики ШАЛ

Nei – число частиц в i-ом детекторе;

N – полное число мюонов;

Eh – энергия ствола в калориметре;

Xmax – высота максимума развития ШАЛ (в г/см2)

0~ ~ ?e ei ШАЛN k N E E

max

eN N

X

Определяют природу первичной частицы (протон или ядро)

Определение природы первичной Определение природы первичной частицычастицы

Основные результаты исследования ШАЛОсновные 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 2.7 до 2 3.0 – 3.1

• Отношение N / Ne начинает увеличиваться.

• Скорость изменения Xmax начинает уменьшаться.

• Два последних результата могут

свидетельствовать об утяжелении состава КЛ.

1 частица/м2 секунда

Колено

«Лодыжка»

ШАЛ

1 частица/ м2 год

1 частица/ км2 год

1частица/ км2 столетие

Пр

ям

ые

изм

ер

ен

ия

Энергетический спектр Энергетический спектр

E (эВ/ядро)

E2

.7·d

N/d

E (

см-2

·ст

ер-1

·сек

-1·Г

эВ1

.7)

Особенности энергетического спектра КЛОсобенности энергетического спектра КЛ

Энергетические спектры различных частиц КЛЭнергетические спектры различных частиц КЛ

Массовый состав заряженной Массовый состав заряженной компоненты космических лучейкомпоненты космических лучей

Частицы Z <A>энергия на

нуклонэнергия на

частицу

Протоны 1 1 92 % 40 %

– частицы 2 4 7 % 27 %

Легкие ядра 3 – 5 10 0,15 % 3 %

Средние ядра 6 – 9 14 0,5 % 14 %

Тяжелые ядра 10 31 0,15 % 15 %

Электроны – 1 ~ 10–3 ~ 1 % ~ 1 %

• Энергия на частицу • Энергия на нуклон

Соотношение между различными ядрами зависит от определения их энергии. Возможны два варианта:

Результаты, полученные в области энергий до «колена».

< lnA > 1,5; может меняться от 0 (А=1) до 4 (А=56)

Результаты исследования Результаты исследования NN

Результаты исследования Xmax

New method of EAS investigations 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

New!New!

OldOld

Inclined EAS detectionInclined EAS detection

μμ--EAS transverse section VS zenith angleEAS transverse section VS zenith angle

Number of detected EAS depends on:Number of detected EAS depends on:

shower array dimensions shower dimensions only

Traditional EAS detection technique (E ~ 1018 eV)

EA

S c

ou

nte

rs (

~ 1

m

2)

~ 5

00

m

E ~ 1018 eV, θ=80º

~ 10 km

Muon detector

Local muon density spectra Local muon density spectra detection techniquedetection technique

Contribution of primary energies Contribution of primary energies at different zenith anglesat different zenith angles

Wide angular interval – very wide range of primary energies !

Экспериментальный Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОРкомплекс НЕВОД-ДЕКОР

General view of NEVOD-DECOR complexGeneral view of NEVOD-DECOR complex

Side SM: 8.4 m2 each• σx 1 cm; σψ 1°

Coordinate-tracking detector DECOR

(~115 m2)

Cherenkov water detector NEVOD

(2000 m3)

Направления исследований Направления исследований

A typical muon bundle event in Side DECORA typical muon bundle event in Side DECOR( 9 muons, 78 degrees)( 9 muons, 78 degrees)

3468:0 3319:1 3290:2 3094:3

0:3264

SM=0 1:3216 2:3072 3:3207

3621:0 3336:1 3270:2 3294:3

0:2987

SM=1 1:3147 2:3051 3:3146

3514:0 3384:1 3110:2 3158:3

0:3596

SM=2 1:3446 2:4148 3:3509

3649:0 3511:1 3353:2 3378:3

0:3476

SM=3 1:3205 2:3331 3:3000

7190:0 3453:1 3239:2 3388:3

0:3705

SM=4 1:3597 2:3600 3:3859

4073:0 3360:1 4413:2 3888:3

0:3405

SM=5 1:3394 2:3410 3:3626

3623:0 3554:1 3470:2 3444:3

0:3521

SM=6 1:3532 2:3429 3:3159

3564:0 3299:1 3058:2 3303:3

0:3871

SM=7 1:3568 2:3545 3:3697

01234567

01234567

Plate1:Step=25nsec

Plate2:Step=25nsec

Run 8 --- Event 219242 ----06-12-2004 23:25:26.27 Trigger(1-16):01110100 00000000 Weit_Time:109.072 msec

X-projection Y-projection

Muon bundle event (geometry reconstruction)Muon bundle event (geometry reconstruction) Nlam=40,N5=26,N6=23,NR1=0 ,NR2=0 ,Sum1=0 ,Sum2=0 ,Sob-00000001,00000000

N1=35,N3=14 nCup= 0 SumAmp=1.26e+03 01110100,00000000 NGroup2=8,n=8,n1=8,n2=9,n0=8,nx=9,ny=8,One=0N2=32,N4=13 nCdow n= 0 NPMT=143 ETel= 0.0% ERec= 60.8%

Date=06-12-04 23:25:26.027 Nevent=219242 Group: fm=53.15 tm=77.87 Recon: f i=54.41 t=80.70 F= 0.0

4873:0 3644:1 3754:2 3814:3

0:3923

SM=0 1:3332 2:3387 3:3266

3859:0 4199:1 3877:2 5106:3

0:3054

SM=1 1:3101 2:3351 3:3591

3562:0 3149:1 3376:2 3672:3

0:3570

SM=2 1:3435 2:3511 3:3948

4000:0 4098:1 4109:2 4255:3

0:3619

SM=3 1:3601 2:3894 3:3760

3786:0 3732:1 3712:2 4030:3

0:3750

SM=4 1:3582 2:3655 3:3992

4000:0 3388:1 3477:2 4119:3

0:3641

SM=5 1:3639 2:3849 3:4104

4050:0 4120:1 4164:2 5038:3

0:3609

SM=6 1:3508 2:3684 3:3647

3961:0 3769:1 3844:2 4323:3

0:4245

SM=7 1:3814 2:4037 3:4338

3352:0 3438:1 3922:2 4134:3

0:4850

SM=8 1:4191 2:3898 3:5122

3181:0 3942:1 5269:2 5326:3

0:3347

SM=9 1:3879 2:3924 3:4615

3820:0 4458:1 4688:2 4870:3

0:475

SM=10 1:5515 2:5367 3:6392

3239:0 3452:1 4038:2 4575:3

0:3800

SM=11 1:5594 2:4104 3:4670

01234567

01234567

Plate1:Step=25nsec

Plate2:Step=25nsec

Run 242 --- Event 847205 ----05-05-2003 06:11:04.43 Trigger(1-16):01110101 00111100 Weit_Time:30.065 msec

A “record” muon bundle eventA “record” muon bundle event

X-projection Y-projection

Muon bundle event (geometry reconstruction)Muon bundle event (geometry reconstruction)

Results of muon bundle Results of muon bundle investigationsinvestigations

DECOR data. Muon bundle statisticsDECOR data. Muon bundle statistics

Muon multiplicityZenith angle range

(*)Live time,

(hour)Number of

events

3 30 – 60 758 18137

5 30 – 60 1296 8864

10 30 – 60 2680 3272

3 60 1552 4109

5 60 10102 6786

10 60 19922 2013

10 75 19922 395

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

DECOR data. Distribution in multiplicityDECOR data. Distribution in multiplicity

DECOR data. Distribution in zenith angleDECOR data. Distribution in zenith angle

Effective primary energy range

Lower limit ~ 1015 eV (limited by DECOR area).Upper limit ~ 1019 eV (limited by statistics).

Comparison with calculationsComparison with calculations

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.

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.

Low angles: around the “knee” θ = 50º : 1016 – 1017 eV

θ = 65º : 1016 – 1018 eV Large angles: around 1018 eV

17.5 18.0 18.5 19.0 19.5

1

10

Q1

S

E1.6E1.9

Q2

Q1

S

E1.6

E1.9Q2

> 80 o

Onlyiron

AGASA HiRes-1 HiRes-2 Auger-2011 (combined spectrum) TA-2011 (surface detectors)

E 3

dN

/dE

/ 1

0 24 , e

V 2 m

-2 s

-1 s

r -1

log 10

(E, eV)

Onlyprotons

DECOR-2010 > 75 o

Comparison with other data Comparison with other data

Conclusion-1Conclusion-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.

Мюоны сверхвысоких Мюоны сверхвысоких энергий (энергий (> 100 > 100 ТэВ)ТэВ)

BaksanBaksan underground scintillation telescopeunderground scintillation telescope

103 104 105 106

0.01

0.1

Frejus, 1994 MACRO, 1995 LVD, 1998 Artyomovsk, 1988 Baksan, 1992 MSU, 1994

model 1 usual from , K

model 2 usual + prompt (R = 10-3)

model 3 usual + prompt (R = 3*10-3) model 4 usual + VHE

E3 dN

/dE

, c

m-2 s

-1 s

r-1 G

eV2

E, GeV

1

2

3

4

103 104 105 106

0.01

0.1

Frejus, 1994 MACRO, 1995 LVD, 1998 Artyomovsk, 1988 Baksan, 1992 MSU, 1994 Baksan (pair meter), 2009 model 1 usual from , K

model 2 usual + prompt (R = 10-3)

model 3 usual + prompt (R = 3*10-3) model 4 usual + VHE

E3 dN

/dE

, c

m-2 s

-1 s

r-1 G

eV2

E, GeV

1

2

3

4

Энергетический спектр мюоновЭнергетический спектр мюонов

Hermann Kolanoski, 32nd ICRC, 2011, Beijing

IceCubeIceCube

IceCube Collaboration, 32nd ICRC, 2011, Beijing

Candidate shower with a high pT muon. The cosmic ray bundle is on the left and the high pT muon is on the right.

Muons in IceCubeMuons in IceCube

Patrick Berghaus, 31st ICRC, 2009, Lodz

Muon energy spectrum - 2009Muon energy spectrum - 2009

Patrick Berghaus, Chen Xu, 32nd ICRC, 2011, Beijing

Muon energy spectrum - 2011Muon energy spectrum - 2011

ЗаключениеЗаключение

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 Это новая задача для LHCLHC

Благодарю за вниманиеБлагодарю за внимание!!