Космические лучи (КЛ) высоких энергий являются одним из важнейших источников информации о процессах, происходящих во Вселенной. К настоящему моменту установлено, что спектр К Л простирается до гигантских энергий, превышающих Ю20 эВ. В тоже время, до сих пор нет окончательного понимания механизмов происхождения и ускорения КЛ даже в области более низких энергий. Прежде всего здесь следует отметить так называемую проблему «колена» — излом в спектре КЛ при энергии «3 • 1015 эВ. Первый сигнал о наличии излома в энергетическом спектре КЛ был получен уже более 40 лет назад [1]. С тех пор продолжаются попытки объяснить причину излома как особенностями ускорения К Л в источниках [2, 3], так и результатом процесса распространения КЛ в галактике [4, 5, 6, 7, 8]. Каждая из предлагаемых моделей происхождения, ускорения и распространения К Л позволяет сделать некоторые предсказания относительно формы спектра и химического состава КЛ в области «колена». При этом, одни модели предсказывают существенное изменение («утяжеление» или «облегчение») химического состава К Л в области «колена» [9, 10], в то время, как другие — напротив, отсутствие сильной разницы химического состава до и после излома [11, 12]. Следует отметить, что существует также мнение, что излом в первичном спектре может быть связан с изменением характера элементарного акта взаимодействия в области сверхвысоких энергий [13].
Имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные о спектре и химическом составе К Л в области «колена» еще недостаточно точны для того, чтобы на их основе можно было бы сделать окончательный выбор какой-либо модели. Необходимы дальнейшие измерения в этой энергетической области. Здесь, однако, существуют свои проблемы, связанные с тем, что прямые измерения химического состава при столь высоких энергиях довольно трудны, поскольку требуют больших времен наблюдения, а в наземных экспериментах по регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ) существует проблема точного определения типа первичном частицы.
В настоящее время имеются данные прямых измерений на спутниках и баллонах спектра протонов до энергии несколько сотен ТэВ и спектров тяжелых элементов до энергий несколько десятков ТэВ на нуклон [14, 15, 16, 17, 18, 19]. При этом, если для протонных спектров, полученных разными группами, наблюдается относительное согласие, то спектры других компонент существенно различаются. Различия могут объясняться как малой статистикой в области высоких энергий, так и методическими особенностями проведения экспериментов и обработки экспериментальных данных.
Применяемые для подобных экспериментов эмульсионные камеры являются сложными детекторами. Для получения достоверных результатов при помощи таких установок требуется точное знание их характеристик, которое может быть получено только в результате детального моделирования процессов прохождения и регистрации частиц в камере.
При регистрации КЛ высоких энергий на поверхности Земли по сути применяется детектор, где в качестве калориметра используется земная атмосфера. Дополнительная сложность заключается в том, что если при прямых измерениях мы собираем информацию о развитии каскада на разных уровнях наблюдения (чувствительных слоях камеры) от точки входа первичной частицы в камеру до выхода вторичных частиц из камеры, то в наземном эксперименте регистрируется лишь некоторая доля вторичных частиц, рожденных в процессе развития всего каскада и собранных на одном уровне наблюдения. Таким образом, необходимо решать обратную задачу определения параметров первичной частицы на основе данных регистрации вторичных частиц, которая, кроме того, усложняется тем, что мы имеем информацию только о малой доле всех вторичных частиц, образовавшихся в процессе развития каскада. Решить эту задачу можно только на основе детального моделирования процесса развития каскада в атмосфере.
Обычно, подобные задачи не могут быть решены аналитическими методами, поскольку а). при этом необходимо учитывать большое количество элементарных процессов, что мешает упрощать исходные уравненияб), существуют экспериментальные пороги, а также различные, часто достаточно сложные, ограничения и триггерные условияв), необходимо учитывать неоднородность и сложную геометрию сред, через которые проходит излучениег), нередко требуется получение не только средних функций, но также флуктуаций и даже функций распределения для различных, иногда очень дифференциальных, величин.
Естественный, на первый взгляд, путь решения таких задач — использование методов статистического моделирования. Здесь, однако, также возникает ряд проблем. С точки зрения исследователя, решающего конкретную задачу эт0 а), есть ли готовый инструмент (программа), с помощью которого можно решить стоящую задачуб), имеются ли в наличии достаточные вычислительные ресурсы.
Случаи утвердительного ответа сразу на оба вопроса довольно редки. Чаще всего отсутствует адекватная поставленной задаче инструментальная программа.
До недавнего времени в физике космических лучей высоких энергий отсутствовали сколько нибудь универсальные программные комплексы, сделанные на высоком физическом и программистском уровне и доступные всему мировому сообществу. Разработка, тестирование и поддержка такого комплекса требует значительных временных и материальных затрат, и, как правило, не под силу не только одному исследователю, но и отдельной группе.
Нередко космики пользуются инструментами, созданными в ускорительных центрах, например, GEANT3 (CERN) [20] и EGS4 (SLAC) [21], однако, поскольку эти комплексы создавались для задач ускорительной физики высоких энергий, использование их в физике космических лучей в исходном виде иногда опасно, а часто просто невозможно.
В настоящее время имеются два достаточно универсальных программных комплекса, в значительной мере ориентированных на задачи физики космических лучей: GEANT4 (CERN) [22], являющийся преемником GEANT3, уо учитывающий особенности космических экспериментов, и CORSIKA [23], первоначально созданный группой физиков из Карлсруэ специально для эксперимента KASCADE [24] и смежных задач из целого ряда готовых программ разных авторов. Оба комплекса постепенно развиваются, в частности, все более учитывая потребности пользователя-космика.
Тем не менее, для многих современных задач готового адекватного инструмента все еще не существует. Единственным разумным решением в этом случае является квалифицированная модификация наиоодее подходящей по возможностям программы или, в более общем случае, использование существующих программных комплексов, как базовых элементов и создание на их основе необходимого, обладающего нужной функциональностью программного инструмента. Вмешательство в готовые, отлаженные и протестированные программы предполагает программистский опыт, знание методов машинных вычислений и близкое знакомство с соответствующей физикой. По окончании такой доработки должен быть проведен цикл тестирования полученного инструмента на задачах с известным решением, как и в случае разработки новой программы.
В многомерных задачах космической физики высоких энергий может очень остро встать вторая проблема. Ограниченность вычислительных ресурсов накладывает дополнительные, порой весьма жесткие условия на процесс модификации программ. Компромисс между универсальностью программы и ее быстродействием, найденный в каждом конкретном программном комплексе, при его переделке обычно приходится сдвигать в сторону большего быстродействия. Например, при четырехмерном моделировании прохождения энергичных частиц через конкретную установку разумно ограничить рассмотрение только теми ветками соответствующих каскадов, которые создадут сигнал в ее чувствительных элементах. Определение совокупности таких ограничений можно выделить в отдельную задачу, которая может в разных случаях решаться как методами статистического моделирования, так и аналитическими методами каскадной теории.
Описанная ситуация постановки и решения задач моделирования космического эксперимента, скорее всего, окажется актуальной еще долгое время в силу хорошо известной диалектики взаимоотношений прогресса вычислительной и экспериментальной техники и особенностей научного мышления: технический прогресс позволяет профессионалам ставить все более сложные и детальные задачи, а особенности мышления заставляют этих же профессионалов ставить задачи настолько сложные и детальные, что они находятся на грани возможностей современной техники. В результате можно констатировать следующие черты, которые с необходимостью принимает деятельность по математическому моделированию сложных экспериментов (по-видимому, не только в космических лучах): использование общедоступного, универсального и основанного на современных физических моделях программного ооесиечения в качестве оазы для построения более специализированных продуктовд0П0лнение одного или нескольких базовых комплексов программными блоками, отражающими специфику конкретного эксперимента или класса экспериментов и обязательно хорошо документированными;
— проведение циклов отладки и тестирования результирующего комплекса на задачах с известным решением;
— проведение основного цикла моделирования (собственно решение поставленной задачи);
— оценка реальных универсальности и производительности вновь созданного программного комплекса и доведение ее до сведения научного сообществав СЛуЧае конкурентоспособности продукта и наличия материальных ресурсов — распространение, развитие и поддержка его, то есть вклад в развитие того самого общедоступного, универсального и современного математического обеспечения, с которого начиналось решение задачи.
В данной работе представлены два круга задач, поставленных в связи с нуждами конкретных экспериментов в области космических лучей сверхвысоких энергий и решенных с использованием широко известных программных комплексов GEANT3 и CORSIKA в качестве базовых программ.
Целью работы является создание программного комплекса для моделирования прохождения и регистрации космических лучей в эмульсионной камереприменение этого комплекса для моделирования характеристик эмульсионной камеры Российско-Японского баллонного эксперимента RUN JOBпостроение модели функции пространственно-углового распределения черепковского света ШАЛ с учетом влияния геомагнитного поля и оценка величины эффекта влияния геомагнитного поля на наблюдаемые характеристики ШАЛ.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые создан и протестирован полностью монте-карловский программный комплекс для моделирования эмульсионных камер, учитывающий все основные процессы (в том числе и эффект Ландау-Померанчука-Мигдала, а также ядерные взаимодействия на основе современного генератора QGSJET), позволяющий моделировать камеры различных конструкций и решать широкий круг задачвпервые построена модель функции пространственно-углового распределенияn.yrj черепковского света с учетом влияния геомагнитного поля на процесс развития ливня.
Научная И практическая ценность работы определяется возможностью использования созданного программного обеспечения для решения различных задач как эксперимента RUN JOB, так и других подобных экспериментоввозможностью использования созданной модели ФПУР черепковского света ШАЛ для решения других задач, требующих учета влияния геомагнитного поля на процесс развития ливня. Полученные результаты могут быть использованы при обработке данных и проектировании эмульсионных и черепковских эспериментов, проведении расчетов, требующих детального моделирования процессов прохождения и регистрации частиц в детекторе, например, в экспериментах KLEM и ATIC.
На защиту выносятся:
1. Методика моделирования процесса прохождения и регистрации частиц в эмульсионной камере.
2. Результаты моделирования эффективности регистрации протонов, ядер гелия и железа в эмульсионной камере эксперимента RUNJOB 1996 года, а именно: а), вывод о независимости, в рамках проведенного сравнения результатов расчета двумя разными методами, оценки эффективности регистрации протонов и ядер гелия эмульсионной камерой эксперимента RUNJOB 1996 года от модели ядерного взаимодействия и деталей расчетов электронно-фотонных каскадовб), вывод о существенном влиянии различий в методах моделирования ядерных каскадов в камере на оценку эффективности регистрации ядер железа эмульсионной камерой эксперимента RUNJOB 1996 года.
3. Модель функции пространственно-углового распределения черепковского света ШАЛ для энергий К)11 — К)1'" ' эВ с учетом влияния геомагнитного поля на процесс развития ливня.
4. Оценка знака и величины эффекта влияния геомагнитного поля на отношение скоростей счета ШАЛ черепковским телескопом при различных его ориентациях.
Апробация работы И публикации. Результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по космическим лучам в хууо, хууу и ¿-иих годах, но материалам диссертации сделаны доклады в пи-ИЯФ МГУ, ИЯИ РАН и МИФИ. Содержание диссертации опубликовано в 7 научных работах.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложения и списка литературы, содержит 34 рисунка и 5 таблицсписок литературы включает 69 наименований. Объем диссертации 89 страниц.
Основные результаты и выводы диссертационной работы:
1. Проведен цикл работ по расширению функциональности программного комплекса GEANT 3.21, а именно:
— добавлена возможность генерации адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий при энергиях выше 80 ГэВ на нуклон в процессе моделирования ядерного каскада при помощи генератора ядерного взаимодействия QGSJET;
— реализован учет эффекта Ландау-Померанчука-Мигдала при моделировании электромагнитных процессов при сверхвысоких энергиях.
Полученный в результате многофункциональный программный комплекс может использоваться для моделирования прохождения различных частиц, включая ядра, через сложную неоднородную среду в широком диапазоне энергий (1U4 — 1017 эВ).
2. На базе построенного программного комплекса создан программный инструмент для моделирования эмульсионных камер различных конструкций, включающий в себя модуль полного трехмерного моделирования методом Монте-Карло процесса прохождения различных частиц через эмульсионную камеру, структуры данных, процедуры их обработки и визуализации.
3. Проведен расчет эффективности регистрации протонов, ядер гелия и железа в эмульсионной камере эксперимента RUNJOB 1996 года. Сравнение полученных результатов с результатами расчетов, представленными в работе.
29], показало, что оценки эффективности регистрации протонов и ядер гелия, полученные двумя разными методами, в области плато кривой эффективности согласуются в пределах 15%. Оценки эффективности регистрации ядер железа различаются более чем на 60%, что не может быть объяснено разницей моделей ядерного взаимодействия (FRITIOF и QGSJET), а обусловлено деталями методов моделирования каскадов в камере. псследовано влияние энергетического порога отоора экспериментальных событий на эффективность регистрации протонов в эмульсионной камере эксперимента ГШШОВ 1996 года. Показано, что использование энергетического порога существенно уменьшает пороговую область кривой эффективности, не влияя на область плато, что позволяет существенно снизить число трудно обрабатываемых событий и значительно облегчить экспериментальную работу.
5. Построена модель функции пространственно-углового распределения черепковского света ШАЛ с энергиями 1014 — 1015 эВ, учитывающая влияние геомагнитного поля на процесс развития ливня.
6. Построенная модель функции пространственно-углового распределения черепковского света ШАЛ использована для оценки скорости счета ШАЛ черепковским телескопом в эксперименте [25]. Показана возможность наблюдения эффекта влияния геомагнитного поля на процесс развития ШАЛ, однако полученное максимальное различие скоростей счета ШАЛ в двух направлениях на 10% не позволяет объяснить экспериментальную разницу скоростей счета только влиянием геомагнитного поля.
Пользуясь случаем, хочу поблагодарить моего научного руководителя Владимира Игоревича Галкина за постоянное участие и помощь в работе, заведующую лабораторией теории электронно-фотонных ливней ОИВМ НИ-ИЯФ МГУ Татьяну Михайловну Роганову за внимание к работе, обсуждения и ценные замечания, а также весь коллектив лаборатории.
Заключение
.