Эта работа обобщает опыт создания и длительной эксплуатации Якутской комплексной установки широких атмосферных ливней (ЯКУШАЛ), её последовательного развития и модернизации. Создание установки было инициировано целью решения ряда проблем в области космических лучей сверхвысоких энергий.
В 1965 году А. А. Пензиасом и Р. Б Вильсоном было открыто фоновое изотропное реликтовое радиоизлучение Вселенной [1]. Интенсивность этого радиоизлучения описывается законом Планка для абсолютно чёрного тела при температуре ~ 2.7° К с максимумом на длине волны, А = 0.1см с энергией фотона hv = 1.24 • 10−3э5, что соответствует плотности фотонов nph ~ 400 см~3 в любой точке видимого пространства. В работах Зацепина Г. Т, Кузьмина В. А. [2] и Грейзена [3] было обращено внимание на возможность взаимодействия элементарных частиц, у которых энергия выше 1019эВ, с фотонами этого реликтового излучения. Для этих частиц фотоны реликтового радиоизлучения обладают энергией, достаточной для фоторождения пионов и, следовательно, должны обладать сильным «тормозящим» ффектом. Как следует из расчётов в [2, 3], указанное взаимодействие должно «обрезать» спектр космических лучей при энергиях выше 1019эВ, если частицы таких энергий приходят из Метагалактики. Проверка этого теоретического заключения требовала создания специальной экспериментальной базы.
Решение о создании такой установки в Якутске было принято в Москве 22 ноября 1965 года Научным Советом по проблеме «космические лучи». В октябре 1966 года этот Совет рекомендовал форсировать первую очередь Якутской установки ШАЛ и нацелить её на регистрацию ШАЛ с энергией первичных частиц выше 1018эВ для поиска возможного «реликтового обрезания» спектра космических лучей сначала без регистрации черенковского излучения в атмосфере и проникающей мюонной компоненты.
Помимо своей основной задачи установка должна была обеспечить также возможность изучения анизотропии космических лучей, структуры ШАЛ и ее изменение с высотой и первичной энергией ШАЛ, что важно для получения сведений о взаимодействии частиц в сверхускорительной области энергий, так как она связана с характеристиками множественной генерации частиц в сильных взаимодействиях и с «ядерным» (т.е. элементным) составом первичных космических лучей.
В обозримом будущем частицы гигантских энергий Е0>Ю18эВ не смогут быть получены на ускорителях, поэтому физикам придется еще долго довольствоваться изучением того незначительного потока частиц сверхвысоких энергий, который наблюдается в космических лучах. Изучение частиц сверхвысоких энергий ведется в двух направлениях: во-первых, оценивается их энергия и природа (масса, заряд) и во-вторых, изучается, как происходит их взаимодействие с веществом, как меняются известные при меньших энергиях характеристики элементарного акта.
Крайне низкая интенсивность первичного космического излучения в рассматриваемом диапазоне энергий побуждает исследователей к созданию установок с большими площадями контроля, которые могут проводить непрерывные измерения в течение многих десятилетий. Это необходимо для набора удовлетворительной статистики регистрации ливней, образованных космическими лучами сверхвысоких энергий. Установка, имеющая площадь в 1 км², в течение года будет регистрировать примерно 100 ливней, образованных космическими частицами с энергией Е0 > 1018 эВ и 1 ливень с энергией первичной частицы Е0 > 1019 эВ.
Начиная с 1959 года, в мире начали создаваться так называемые шаловские установки больших площадей. Одними из первых были следующие установки:
— Американская установка ШАЛ «Волкано Ренч» [4] располагалась на высоте 1800 м над уровнем моря. На ней регистрировалась заряженная компонента ШАЛ и имела площадь регистрации S ® 12.0 км2. Период работы установки 1959 г. -ь 1963 г.
— Английская установка ШАЛ «Хавера Парк» [5] регистрировала черенковский свет в водном объеме, т. е. суммарное энерговыделение (в основном от мюонов) в водном объёме (чистая горная вода) и имела площадь регистрации S «12.0 км2. Период работы установки 1968 г. * 1987 г.
— Австралийская установка ШАЛ «SUGAR» (Нарабрай) [6] работала в период 1968 г. -=- 1979 г. и регистрировала на уровне моря проникающую мюонную компоненту, доля которой от общего числа частиц в ШАЛ мала. Эта установка была первой гигантской установкой с общей регистрирующей площадью около S «55.0 км2.
В табл.4.8. приведены краткие сведения об основных мировых установках с указанием их характеристик и периодов работы. Однако решить в полном объёме весь спектр задач, эти установки не могли в силу своего расположения и конструктивных особенностей. Сейчас в мире существуют три наиболее крупные установки ШАЛ, работающие в области предельно высоких энергий: Якутская (Россия), Fly’s Eye (США) и AGASA (Япония). Якутская установка и установка AGASA имеют площадь контроля ~ 12 км² и ~100км2 соответственно. Для ливней с энергией Е0 > 1019 эВ эффективная площадь контроля на Якутской установки достигала ~ 30 км² в период с 1973 — 1990гг. Установка Fly’s Eye (США) регистрирует изотропное ионизационное излучение ШАЛ в атмосфере Земли и поэтому измерения проводятся только в безоблачные и безлунные ночи. Ее эффективная площадь, примерно, такая же, как на установках ШАЛ России и Японии и является функцией от первичной энергии =/(?"). Якутская установка ШАЛ в полном объёме работает с 1973 года, AGASA в — с Японии с 1985 г, Fly’s Eye в США — с 1985 г. В настоящее время наибольший объём экспериментального материала по регистрации широких атмосферных ливней сверхвысоких энергий накоплен на Якутской установке. Кроме того, она имеет наибольшую информативность о характеристиках различных компонент ливня (электронно-фотонная, мюонная) и, в отличие от других установок, измеряет поток атмосферного черенковского света ШАЛ на уровне наблюдения. Такая комплексность измерений позволяет получать богатейший материал о продольном развитии ливневого каскада в атмосфере и впервые определять энергию первичной частицы выше Е0 > 1017 эВ методом калориметрирования. Многие характеристики ШАЛ, образованных первичными частицами с энергией Е0 > 1017 эВ, а также свойства самого первичного излучения были получены впервые на этой установке. Её создание, получение экспериментального материала, обработка и анализ данных являются плодом труда большого коллектива научных и инженерно — технических работников, работающих в Якутске и Москве.
Поскольку Якутская установка является государственной научной базой для исследования предельно высоких энергий на уровне моря в её создании, в постановке отдельных уникальных экспериментов и анализе экспериментальных данных активное участие принимали сотрудники Физического института РАН им. П. И. Лебедева под руководством профессора С. И. Никольского и сотрудники научноисследовательского института ядерной физики МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством профессора Г. Б. Христиансена.
В течение почти тридцатилетней эксплуатации Якутской установки ШАЛ приоритетные первоначальные направления исследований корректировались, а геометрия установки менялась в связи с решением актуальных новых и первоочередных задач. В настоящее время установка нацелена на дальнейшее накопление экспериментальных данных в области первичных энергий (1016 -И020) эВ. Параллельно с регистрацией ШАЛ проводится дальнейшее совершенствование электроники и модернизация Якутской комплексной установки ШАЛ:
— на установке создан и введён на регистрацию мюонный детектор с общей площадью сцинтилляторов S~200m2 для исследования взаимодействий при сверхвысоких энергиях и возможного изменения первичного акта взаимодействия, образования новых частиц;
— в центре Якутской комплексной установки ШАЛ создана и уже регистрирует ШАП по черенковскому излучению малая черенковская установка ШАЛ из 12 станций наблюдения, которая управляется сигналами от приёмников черенковского света ШАП, то есть отбор ливневых событий проводится по энергии первичной частицы. Такой отбор ливней позволяет более корректно исследовать энергетический спектр и ядерный.
А О состав первичных частиц в области первичной энергии 10 < Е о> 10 17 эВзаменили громоздкие и устаревшие ЭВМ типа СМ-3, СМ-4, которые служили основой регистрирующей системы на персональные компьютеры.
— устаревший радиопередатчик синхроимпульсов ТРСА-100 заменён на современный полупроводниковый типа «Сигма-100» ;
— установлена спутниковая станция точного времени типа GPS для точной (~100нс.) привязки к мировому времени;
— установлена система Internet и электронная почта.
Диссертация посвящена подробному описанию Якутской комплексной установки ШАЛ, анализу её многолетней работы, оценки её конструктивных решений в связи с физическими представлениями о широких атмосферных ливнях и технической материальной базы. Приводятся основные научные результаты, полученные на установке ШАЛ.
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.
Низкая интенсивность космических частиц, сверхвысоких энергий ?0>ю17эЛ, практически, не позволяет проводить их регистрацию непосредственно в космосе, однако, наличие Земной атмосферы и создание специальных установок на поверхности Земли позволяет, достаточно уверенно, получать информацию об этих частицах с помощью единственного метода широких атмосферных ливней. Чтобы не допустить отставания СССР в исследовании космических лучей предельно высоких энергий Научный Совет по проблеме «Космические лучи» в ноябре 1965 года одобрил физический проект Якутской комплексной установки ШАЛ площадью 23 км², оснащенной электронно-фотонными, мюонными детекторами и приёмниками атмосферного излучения Вавилова-Черенкова от ШАЛ.
Открытие реликтового излучения Метагалактики и, возможным, существованием «реликтового обрезания» спектра космических лучей в области 1019-И02°эВ стимулировали скорейшее создание Якутской комплексной установки ШАЛ (научной экспериментальной базы) для исследования частиц с энергией в области 1017- Ю20эв. Начиная с 1973 года Якутская комплексная установка ШАЛ начала проводить систематические наблюдения и изучение характеристик первичного космического излучения, что было признано главной задачей физики космических лучей. Многолетняя непрерывная регистрация широких атмосферных ливней на Якутской комплексной установке позволила получить богатый экспериментальный материал, как для решения задач фундаментальных исследований космических лучей сверхвысоких энергий, а также для технических решений и получения опыта эксплуатации такой «долгоживущей» установки.
В настоящее время, единственная на территории России и одна из трех действующих крупномасштабных установок мира, Якутская комплексная установка ШАЛ активно действует и накапливает уникальный экспериментальный материал в области сверхвысоких энергий.
ЦЕЛЬ.РАБОТЫ.
Основной целью данной работы является обобщение опыта создания, развития и эксплуатации Якутской комплексной установки ШАЛ большой площади (Зкм2.
Определить соответствие ее физико-технических параметров физическим задачам и оценить качество экспериментального материала..
Крупным этапом развития установки является создание второй очереди Якутской установки. Вторая очередь состоит из 24-х дополнительных станций наблюдения, которые вместе с другими станциями первой очереди образовали равномерное расположение станций наблюдения на поверхности Земли с раздвижением между ними 0.5 км, Увеличение количества станций наблюдения до 58 позволило более точно оценить основные параметры компонент ШАЛ {Рсч>Рм>0*Р)> что в свою очередь позволяет более корректно изучать первичные космические лучи сверхвысоких энергий эмпирическим методом..
НАУЧНАЯ НОВИЗНА..
Создана первая и единственная на территории бывшего СССР комплексная установка с площадью контроля ~ 18 км², для регистрации ШАЛ с первичной энергией Е0>1017эВ. Якутская комплексная установка ШАЛ является первой и единственной в мире, на которой одновременно регистрируются три основные компоненты ШАЛ (электроны, мюоны и атмосферное излучение Вавилова — Черенкова от ШАЛ) исследуется поведение основных параметров этих компонент в зависимости от пространственных координат оси ШАЛ и энергии первичной частицы. На Якутской установке ШАЛ впервые в области сверхвысоких энергий начали проводить долговременные, многолетние наблюдения атмосферного излучения Вавилова — Черенкова, что позволило впервые применить квазикалориметрический метод оценки первичной энергии в области выше 1017эВ. Якутская комплексная установка ШАЛ является уникальным научным инструментом и по ряду параметров превосходит другие установки аналогичного назначения..
Впервые в космических лучах в области энергий (1017 1019) эВ экспериментально получены сведения: о первичном энергетическом спектре космического излученияо анизотропии космического излученияо ядерном составе первичного космического излучения..
НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ..
Впервые создана в северном полушарии Земли, гигантская установка ШАЛ, которая в течение, почти трёх десятилетий непрерывно регистрирует информацию о космических лучах сверхвысоких энергий. Богатый статистический материал собранный на Якутской установке, составляет существенную часть мировой статистики событий ШАЛ. Якутская установка является уникальной по своей информативности, так как. регистрирует одновременно три основные компоненты ШАЛэлектронно-фотонную, мюонную и атмосферное излучение ВавиловаЧеренкова от ШАЛ. Экспериментальный материал, накопленный на установке позволил детально исследовать пространственно-структурные функции трех основных компонент ШАЛ и изучить их поведение в интервале энергий 1017-И019эВ. На установке разработаны и внедрены методики анализа первичных данных для получения сведений о характеристиках ШАЛ, о взаимодействии частиц ШАЛ в атмосфере, об оценке энергии первичной частицы, о ядерном составе первичного космического излучения и о направлении прихода первичной частицы. Многолетний опыт работы Якутской комплексной установки ШАЛ, разработанная методика анализа и научные результаты могут использоваться, как в нашей стране (НИИЯФ МГУ, ФИАН, ИЯИ, ИКФИА), так и за рубежом..
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ..
Все работы по созданию Якутской комплексной установки ШАЛ, начиная с проектирования, поэтапного ввода в действие, описание характеристик всех детекторов, приемников и особенностей логики регистрации, а также, ее модернизации и результатов исследований всех трех основных компонент ШАЛ, характеристик первичного космического излучения с энергией выше 1017эВ регулярно обсуждались с 1971 года на всех Международных, Всесоюзных и региональных конференциях и симпозиумах по космическим лучам..
ДОСТОВЕРНОСТЬ..
В отличие от других установок на Якутской установке обеспечивается одновременная регистрация трех основных компонент ШАЛ. Кроме того удачная геометрия расположения детекторов, особенность логики регистрации (прямая связь каждой станции наблюдения с центральным регистратором, наличие дежурной бригады инженеров-наладчиков) обеспечивают надежный отбор ливневых событий, локализацию оси ливня в пространстве и определение других параметров ливня с хорошей точностью. Результаты анализа Якутских экспериментальных данных сопоставлялись с результатами, полученными на других аналогичных установках, а также проводились совместные публикации..
ПУБЛИКАЦИИ..
Этапы создания Якутской установки, включая ее модернизацию в последующем, описание особенностей логики регистрации, характеристики всех ее детекторов, а также результаты анализа экспериментальных данных, осуществленных с участием автора, опубликованы в более, 110 научных статьях и докладывались на всех Международных, Всесоюзных и региональных конференциях и симпозиумах по космическим лучам начиная с1971 года. С участием автора получено авторское свидетельство на изобретение «Способ определения абсолютной чувствительности приемников атмосферного черенковского света ШАЛ:» № 158 047 22 марта 1990 г..
ВКЛАД АВТОРА..
Автор непосредственно участвовал в создании и развитии Якутской комплексной установки ШАЛ на всех этапах, начиная с проектных работ. Руководит работами по модернизации установки, им разработан регламент эксплуатации установки и осуществляется контроль за его соблюдением участвует в обработке и анализе экспериментальных данных. С 1992 года по настоящее время автор является непосредственным руководителем Якутской комплексной установкой ШАЛ и в этом качестве его вклад является решающим в сохранении жизнедеятельности научно-исследовательского полигона ШАЛ ИКФИА в целом..
ОБЪЕМ РАБОТЫ..
Работа посвящена обобщению опыта создания, развития и эксплуатации Якутской комплексной установки широких атмосферных ливней за многолетний период наблюдения космических лучей сверхвысоких энергий. Приведено детальное описание детекторов и приемников, применяемых на установке, логика регистрации и приводятся основные научные результаты, полученные на Якутской комплексной установке ШАЛ..
В первой главе описывается классическая физическая картина развития ливня в атмосфере над уровнем наблюдения в понимании того времени. На основании её рассматриваются требования к проведению эксперимента. Приведен расчет одномерного электромагнитного каскада в упрощенном виде и получены формулы для определения числа электронов в максимуме ливня и мюонов Ne max и Nn соответственно при энергии первичной частицы вблизи 1018 эВ. Рассмотрено поперечное развитие ШАЛ и определен угол раствора конуса 0 = 0.071. Установлено, что при энергии первичной частицы Е"1018 эВ максимальное число пионов генерируется на высоте Х"660 г/см2, что соответствует высоте Н «4 км и мюоны, возникающие от этих пионов на земной поверхности будут заключены в круг радиусом 290 м. Показано, что с хорошей точностью можно считать, что плотность потока излучение Вавилова-Черенкова в атмосфере пропорционально энергии первичной частицы, а коэффициент пропорциональности не зависит от ядерного состава первичного космического излучения и особенностей развития ливня. Проведено сравнение элементарной (упрощенной) теории с известными результатами и показано, что есть достаточно хорошее совпадение..
Во второй главе приведены общие требования к установке, регистрирующей космические лучи сверхвысоких энергий, сделана оценка площади установки для регистрации ШАЛ от первичной частицы с энергией выше 1019 эВ. Определено расстояние между (детекторами) станциям наблюдения (500м в центре установки и 1000 м на переферии установки и определена необходимая площадь одного детектора. Показаны требования к детекторам в станции наблюдения и к приемникам атмосферного излучения Вавилова-Черенкова. Дан оценочный расчет ошибок в числе частиц в ливне из-за неточностей таймирования наклонных ливней в соответствии с каскадными функциями Ne (X). Выбрано оптимальное время интегрирования при амплитудных измерениях (2мкс)..
В третьей главе изложена краткая история создания установки ШАЛ в Якутии. Излагается опыт создания установки, ее назначение и поставленные цели, приводятся основные характеристики Якутской комплексной установки. Показана схема расположения станций наблюдения и мюонных пунктов в различные временные периоды работы установки. Подробно описан сцинтилляционный счетчик его конструкция и счетная характеристика. Приведено описание приемника для регистрации атмосферного черенковского света ШАЛ и его конструкция. Угловая характеристика и абсолютная калибровка приемника. Дана оценка точности измерения плотности потока черенковского света ШАЛ и подробное описание электроники станции наблюдения и усилителей, показана схема работы системы таймирования на станции наблюдения. Описывается схема регистрации ШАЛ, принятая на Якутской комплексной установке ШАЛ и электроника центрального регистратора. Описана автоматизированная система сбора, обработки и накопления информации (АССОНИ) и программный контроль за работой установки в целом..
В четвертой главе излагается модернизация Якутской комплексной установки ШАЛ. Показана современная геометрия Якутской комплексной установки ШАЛ с учетом создания второй очереди. Приведено техническое условие для производства сцинтилляторов на основе полиметилметакрилата. Изготовлены новые приемники для регистрации атмосферного излучения Вавилова-Черенкова. Проведена замена устаревших блоков временного канала и центрального регистратора для повышения надежности таймирования и регистрации ливневых событий. Представлен перечень произведенных опытно-экспериментальных разработок на установке..
В пятой главе сопоставляются аналоги Якутской установки, начиная с первой установки, нацеленной на регистрацию гигантских ШАЛ (Agassiz, США). Рассматриваются зарубежные установки в США, Австралии, Англии и Японии. Дается описание установок нового поколения, которые рассчитаны на работу в области ~ Ю20 эВ. Две установки планируется запустить в России. Одна на поверхности земли ШАЛ-1000, а другая (детектор «Сфера») поднимается баллоном на высоту Н ~ 1.0 км и регистрирует отраженное от снега излучение Вавилова-Черенкова (например, полет над Антарктидой). За рубежом выполняется международный проект «Оже» с площадью регистрации о.
5000 км под руководством Д. Кронина (США) и А. Ватсона (Англия). В США в штате Юта работают установки HiResl и HiResll..
В шестой главе излагается проведение наблюдений трех основных компонент ШАП (электронно-фотонная, мюонная и излучение Вавилова-Черенкова). Показаны их средние пространственные распределения для первичной энергии Е = 1018 эВ. Приведена статистика ливневых событий за 27 лет наблюдений. Приведен гигантский ливень «Ариан». Приведены основные характеристики ШАП по измерению атмосферного излучения Вавилова-Черенкова, электронно-фотонной, мюонной и адронной компонент. Показаны астрофизические характеристики первичного космического излучения..
В заключении перечислены основные результаты, выносимые на защиту..
Диссертация состоит из введения, 6 глав, списка литературы и 6 приложений. В ней содержится 228 страниц, 47 рисунков и 9 таблиц..
Основные результаты выносимые на защиту: 1. При активном участии автора создана Якутская комплексная установка ШАЛ и обеспечена непрерывная в течении почти 30 лет и продолжающаяся по настоящее время ее работа, накоплен уникальный экспериментальный материал, получены приоритетные научные результаты как о самом явлении широких атмосферных ливней, так и об основных характеристиках первичного космического излучения с энергией выше 1017эВ-.
2. Под руководством и непосредственном участии автора создана вторая очередь Якутской установки, которая обеспечивает равномерное на всей площади расположение наземных детекторов и тем самым позволяет устранить методические трудности, связанные со «сшиванием» данных с различными отборами I ливневых событий-.
3. С целью повышения надежности непрерывных длительных наблюдений автором разработан регламент эксплуатации Якутской установки, включающий систему контрольных измерений и тестовых испытаний-.
4. По данным наблюдений атмосферного излучения Вавилова-Черенкова от ШАЛ, выполненных автором на Якутской установке ШАЛ, впервые получены следующие результаты:.
4.1. Доля энергии, рассеянная частицами ШАП в атмосфере над уровнем наблюдения, составляет (60 — 70)% от полной энергии первичной частицы при энергии ~ 1018эВ, что не противоречит КГС модели развития ШАЛ для первичного протона-.
4.2. Восстановленный из спектра ШАЛ по измеряемому параметру Q4oo (плотности потока излучения Вавилова-Черенкова на расстоянии 400 м от оси ливня) интегральный энергетический спектр первичного космического излучения в области энергий 1017−5-1018эВ имеет вид: который в пределах ошибок согласуется со спектром, полученным из измерений заряженной компоненты ШАЛ на Якутской установке. Е Л.
0) = (3.73±1.41)-10″ 12. vlu J -2.02+0.10.
Следует отметить, что без финансовой поддержки Правительства PC (Я) и Министерства промышленности, науки и технологий РФ эксплуатация и модернизация установки были бы невозможны в проводимом объеме в настоящее время..
Автор выражает глубокую благодарность академику РАН Крымскому Г. Ф. и д. ф. — м. н. Слепцову И. Е. за научное обсуждение вопросов, возникавших при написании диссертации и постоянную помощь, поддержку в работах по эксплуатации и модернизации установки. Автор благодарит коллектив Отдела частиц сверхвысоких энергий за многолетнюю качественную эксплуатацию установки, что позволило получить надежные приоритетные данные и за совместный научный анализ экспериментальных данных..
Заключение.
Создание Якутской комплексной установки широких атмосферных ливней осуществлялось в несколько этапов. В период с 1966 года по 1970 год была задействована часть установки (ШАЛ-13) из 13 станций наблюдения, расположенных на площади S ~ 3 кв. км с равномерным раздвижением между станциями 0.5км. На этой установке проверялись непосредственно в эксперименте разработанные сцинтилляционные и черенковские детекторы, электроника, система таймирования и логика регистрации ливневых событий. Анализ первых уникальных экспериментальных данных и полученные научные результаты показали перспективность сделанных разработок. Опыт работы, приобретённый при создании и эксплуатации ШАЛ-13, способствовал скорейшему завершению строительства первой очереди Якутской комплексной установки ШАЛ (ШАЛ-43), которая была принята госкомиссией в апреле 1973 года. Анализ экспериментальных данных, полученных на установках ШАЛ-13 и ШАП-43, показал необходимость в дополнении установки новыми станциями наблюдения, т. е. создания второй очереди для дальнейшего детального исследования характеристик ШАЛ космических лучей сверхвысоких энергий..
