С.А. МУРАШОВ Научный руководитель – С.Ю. МАТВЕЕВ, вед. инженер

УДК 539.2 (06) Физика ядра и элементарных частиц
С.А. МУРАШОВ
Научный руководитель – С.Ю. МАТВЕЕВ, вед. инженер
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
КРИВАЯ ПОГЛОЩЕНИЯ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ
И СПЕКТР МЮОНОВ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
Исследуется гипотеза о существовании новых процессов взаимодействия элементарных частиц в области
сверхвысоких энергий, одним из следствий которой является уполаживание спектра мюонов космических
лучей в области энергий >100 ТэВ. Проверка гипотезы осуществлялась путем сравнения расчетной интенсивности мюонов под землей с имеющимися экспериментальными данными. Для этого была написана программа моделирования прохождения мюонов через вещество и проведен анализ экспериментов в этой области.
Возможным объяснением наблюдаемого излома в спектре космического излучения в области энергий
Eknee ~ 3÷5 ПэВ является гипотеза [1] о включении новых процессов взаимодействия протонов и ядер в ПэВной области энергий. В рамках этой гипотезы излом в спектре космических лучей обусловлен тем, что часть
энергии первичной частицы переходит к нейтрино и мюонам сверхвысоких энергий (VHE-μ), энергия которых не измеряется существующими типами установок. Несмотря на то, что механизм новых предполагаемых процессов еще неизвестен, можно найти спектр недомеряемой энергии и, зная его, рассчитать энергетический спектр образующихся в этих процессах мюонов. Так как в настоящее время не существует способов напрямую измерить энергетический спектр мюонов в области высоких энергий (Eμ>10 ТэВ), то для проверки этой гипотезы приходится прибегать к косвенным методам. Одним из них является расчет интенсивности мюонов под землей (с учетом спектра VHE-μ) и сравнение с имеющимися экспериментальными данными.
Существенны следующие известные процессы генерации мюонов, определяющие их интенсивность на
больших глубинах: распад пионов, каонов и чармированных частиц в атмосфере Земли и взаимодействие
нейтрино в окружающем грунта. Предварительные оценки показали, что предполагаемый поток VHE-μ может преобладать над потоком мюонов, образованных в этих процессов, на глубинах от 9 до 19 км в.э. Интенсивность мюонов вычислялась двумя способами: аналитический расчет и моделирование прохождения
мюонов через грунт методом Монте-Карло. Аналитический расчет включает в себя определение зависимости интенсивность-глубина, исходя из энергетических потерь мюона и поправок на их флуктуацию. Данная
методика удобна только для спектров, имеющих вид степенной зависимости, тогда как спектр VHE-μ имеет
более сложный вид. В силу этого, для расчета потока VHE-μ под землей была написана программа, моделирующая прохождение мюонов через однородную среду. Для проверки правильности работы программы был
проведен ряд тестов, в том числе рассчитывались средние энергетические потери на единицу длины dE / dx
и распределение мюонов по импульсу после прохождения слоя вещества. Сравнение результатов моделирования с данными других работ [2] показало, что энергетические потери воспроизводятся с точностью лучше
1%. Программа использовалась для расчета матрицы Pik (Ti , hk ) - вероятностей достижения мюоном с энергией Ti на поверхности глубины hk в стандартном грунте, из которой, путем ее свертки со спектром, можно
найти зависимость интенсивности от глубины.
Спектр VHE-μ зависит от нескольких параметров: энергия излома Eknee, показателя интегрального спектра после излома γ2, а также множественность рождения вторичных частиц (мюона и трех типов нейтрино)
n. Расчет проводился для двух вариантов спектра VHE-μ: 1) Eknee=3 ПэВ, γ2=2.1, n=4 (‘верхняя’ оценка спектра) и 2) Eknee=5 ПэВ, γ2=2.0, n(E0)=4∙(E0/Eknee)1/4 (аналогично множественности пионов в рр-взаимодействии).
Полученные зависимости интенсивности от глубины сравнивались с известными экспериментальными данными (БПСТ [3], LVD [4] и др.). Было выявлено превышение расчетной интенсивности над экспериментальными значениями, при этом в интервале глубин 12÷14 км в.э. оно составило ~ 10 раз для варианта 1 и ~
5 раз для варианта 2. Таким образом, если VHE мюоны существуют, то уже на пороге они должны образовываться с большей множественностью n ≥ 10. Следует отметить, что хотя проведенные тесты подтвердили
достаточную точность моделирования, существует некоторое систематическое превышение расчетной интенсивности по сравнению с экспериментами.
Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД при поддержке Рособразования.
Список литературы
А.А. Петрухин, Мюоны сверхвысоких энергий в космических лучах.// Изв. РАН. Сер. физ. 2001, Т.
65, №11, 1643-1645.
1.
D. Groom, N. Mokhov, S. Striganov, Muon stopping power and range tables 10 Mev – 100 Tev.// Atomic
data and nuclear data tables. V. 78 (2001), N2, p. 183
2.
УДК 539.2 (06) Физика ядра и элементарных частиц
3. Yu.M. Andreyev, V.I. Gurentsov, and I.M. Kogai, Muon intensity from the Baksan underground scintillation telescope.// Proc. 20st ICRC, Moscow, V. 6 (1987), p. 200.
4. M. Aglietta et al., Muon “depth-intensity” relation measured by the LVD underground experiment and cosmic-ray muon spectrum at sea level.// Phys. Rev. D, V. 58 (1998), p. 092005