книги из ГПНТБ / Христиансен, Г. Б

Если в качестве области интегрирования использовать область, симметричную относительно своего центра (т. е. круг некоторого радиуса (рис. 8), то положение оси ливня можно найти следую­ щим образом [29]. Находим центр тяжести круга, приписывая каждой группе счетчиков вес пропорциональный регистрируемой плотности. Координаты центра тяжести Хс и Yc равны:

Если предположить азимутальную симметрию функции простран­ ственного распределения, то можно найти направление, соответ­ ствующее наибольшему градиенту функции р(г). Это направление

40

проходит через центр круга и через найденный центр тяжести. Далее, следуя в этом направлении, можно найти точку, соответ­ ствующую максимуму р. Она и будет соответствовать положению оси ливня.

После того как найдено положение оси, получение р(г) не представляет труда: достаточно либо использовать эксперимен­ тальные значения р» в данном интервале расстояний от оси ливня и усреднить их, либо определить полное число счетчиков N, по­

чувствительностью на протяжении большой области плоскости на­ блюдения и хорошей пространственной разрешающей способно­ стью. В качестве таких детекторов японские физики ;в последнее время использовали искровые камеры, покрывающие практически непрерывно площадь в 20 м2 (18]. Результаты, полученные этой методикой, идентичны более ранним результатам исследований методом коррелированных годоскопов во всяком случае на рас­ стояниях более нескольких метров от оси.

Еще в ранних работах по ш. а. л. широко использовались раз­ личные детекторы мюонов и я.-а. частиц. Эти детекторы были обя­ зательной частью многих установок, осуществлявших первые ва­ рианты метода индивидуального изучения ш. а. л.

В первое время применялись детекторы, созданные из несколь­ ких рядов годоскопических счетчиков, прослоенных достаточно толстыми фильтрами из тяжелого вещества, например свинца и железа. Толстый слой тяжелого вещества отсекал э.-ф. компонен­ ту. Для выделения я.-а. частиц использовалось их свойство созда­ вать ливни из электронов и проникающих частиц. Мюоны иденти­ фицировались как отдельные частицы, проникающие через всю толщу детектора.

Однако комплексное использование одного и того же детектора создает определенные затруднения: например, если вблизи оси лив­ ня существует корреляция между потоками я.-а. частиц и мюонов (при заданном числе частиц в ливне N), то измерения потока мюо­ нов дают заниженное значение, так как при регистрации я.-а. час­ тиц выделить треки мюонов в детекторе, как правило, невозможно.

В более поздних работах регистрацию потоков мюонов стали проводить с помощью детекторов, расположенных под землей (за исключением исследования потоков мюонов на больших растояниях от оси ливня, где уже несущественно влияние я.-а. компонен­ ты). Помещая простейшие детекторы мюонов (годоскопические счетчики, сцинтилляторы или искровые камеры) под различными толщинами грунта, можно определять плотность потоков мюонов различных энергий (практически от нескольких Гэв до сотен

41

Гэв) 21. В ряде работ энергия мюонов ш. а. л. определяется также методом магнитного спектрометра [31] с беззазорными магнитами и использованием тела магнита одновременно в качестве фильтра для отделения э.-ф. компоненты.

Для более точного исследования я.-а. компоненты в начале

пластинках, можно дать оценку энергии я.-а. частиц. С помощью ионизационного калориметра энергия я.-а частиц определяется с еще большей точностью и таким образом можно определять поток энергии я.-а. компоненты в ш. а. л.

С целью увеличения пространственной разрешающей способ­ ности детектора для регистрации э.-ф. лавин от я.-а. частиц в на­ стоящее время используются фотоэмульсионные камеры (в частно­ сти, камеры из рентгеновской пленки). Детекторы такого типа принципиально отличаются от всех предыдущих.

Действительно, в обычных детекторах для идентификации мюо­ на или я.-а. частицы, идущей в составе ш. а. л., используются факт почти одновременного падения на установку этих частиц и основ­ ного потока ливневых частиц с точностью от десятка наносекунд (при использовании сцинтилляторов) до микросекунд (при исполь­ зовании счетчиков и ионизационных камер) и даже до милли­ секунд (при использовании камер Вильсона). При использовании фотоэмульсионного метода детектор выдает результат интегриро­ вания потока я.-а. частиц по времени порядка месяцев. Идентифи­ кация я.-а. частиц, входящих в состав ш. а. л., оказывается тем не менее возможной на основании сравнения направлений оси локаль­ ного ливня и оси регистрируемого ш. а. л. Данный метод, конечно, можно использовать для регистрации только я.-а. частиц высоких энергий, сохраняющих направление оси ш. а. л. Выбор высокого энергетического порога также снижает общее число регистрируе­ мых я.-а. частиц, на фоне которых необходимо идентифицировать я.-а. частицы ш. а. л.

Учет углового распределения ш. а. л. В экспериментах на пер­ вых этапах исследования ш. а. л. в нижней половине атмосферы направление оси ливня не определялось. При этом использовалось то, что угловое распределение осей обычно регистрируемых ливней достаточно резкое, т. е. что плотность осей регистрируемых ливней резко убывает с углом г> (например, 'как cos8f>) вблизи уровня мо­ ря. Резко направленный характер углового распределения ливней связан с их существенным поглощением в нижних слоях атмосфе­ ры. Если число частиц в ливне убывает по закону

42

X—Xq

(N0 — число частиц на глубине хо, начиная с которой поглощение происходит по экспоненциальному закону), то число ливней с чис­ лом частиц большим заданного JV0

зависит от количества пройденного вещества и не зависит от его

с точностью до процента при г}<60°.

Показатель функции углового распределения — х определяет­

Для строгого количественного изучения ш. а. л. очень важно знать ориентацию оси ливня даже в экспериментах в нижней половине атмосферы. Например, при исследовании пространствен­ ного, распределения ливневых частиц на больших расстояниях от оси ливня существование наклонных ливней может привести к

энергии с помощью подземных детекторов очень важно опреде­ лять положение оси ливня под землей на уровне этих детекторов, что возможно при знании ориентации и положения оси на поверх­ ности Земли. Наконец, ориентация оси ливня отражает направле­ ние прихода из космоса первичной частицы сверхвысокой энергии, что важно для теории происхождения космических лучей.

Метод определения направления оси ливня. Попытки определе­ ния направления оси предпринимались в ранних работах при исследовании ш. а. л. в стратосфере. На этой высоте плотность углового распределения осей ш. а. л. имеет максимум не при f} = 0,

43

а при достаточно больших ft, при которых на данном уровне х ливень достигает района максимума своего развития. Поэтому зна­ ние т} в этих опытах особенно важно. Для определения Ф в этих экспериментах использовалось направление треков ливневых ча­ стиц, регистрируемых с помощью камеры Вильсона. Ввиду боль­ шого рассеяния ливневых частиц этот метод [32] применим только вблизи оси ливня и при регистрации в камере достаточно большо­ го числа ливневых треков.

Широкое распространение получил другой метод определения направления оси ливня, предложенный в работе [33] (Росси и др.) и использующий представление о ш. а. л. как о диске малой тол­

токи ливневых частиц регистрируются в различные моменты вре­

стояния между отдельными пунктами при этом достаточно боль­ шие, но не слишком большие <^Ш0 м), то при переходе к пери­ ферии ливня необходимо решать более сложную задачу. В этом случае необходимо учесть конечную толщину ливневой «поверхно­

время запаздывания частиц относительно переднего фронта ливня

2 2 Если •& и ф — зенитный и азимутальный угол оси ш. а. л., xt, у%, г{ — коор­ динаты сцинтилляционного счетчика и Дг,- — запаздывание (опережение) в срабатывании /-того счетчика относительно срабатывания счетчика, распо­ ложенного в начале координат, то в приближении бесконечно тонкого лив­ невого диска

сД<,- = cos ф sin bXi -f- sin ф sin tiYj -+- cos dZy и метод наименьших квадратов дает

{cMi — (cos ф sin f)X; 4- sin ф sin dV(- - f cos OZ,)}2 = min .

44

метод, изложенный выше. Для определения Ne, XQ, Y0, s задача решается (см. стр. 44) в плоскости, перпендикулярной направле­ нию оси ливня. Расстояния от оси ливня до установок рассмат­ риваются именно в этой плоскости. При использовании в качестве

X{Yl — координаты проекции t'-того детектора на плоскость, перпен­ дикулярную оси ливня2 3 .

Величина cp (Ne, Х0, Y0, s) — это априорная вероятность, опре­ деляемая системой отбора. Здесь используется предположение об аксиальной симметрии функции i/s (0> а также предположение о независимости траекторий ливневых частиц на протяжении всей регистрируемой части ливня. Последнее предположение верно, так как чувствительная суммарная площадь всех детекторов установ­ ки гораздо меньше площади круга, в пределах которого располо­ жены все детекторы. Поэтому попадание генетически связанных частиц как в один и тот же, так и в различные детекторы уста­ новки чрезвычайно маловероятно.

потому практически удобно поступать так, как было описано вы­

46

Хотя энергетический диапазон исследуемого первичного излу­ чения простирается от 101 4 до 1020 эв, величина R в реально су­

дает на три порядка — от нескольких событий в час до одного события в месяц при регистрации максимальных Е0. Что касается

В результате абсолютные расстояния между детекторами, опреде­ ляющие точность нахождения положения оси, уменьшаются по мере приближения к центру установки.

Кроме системы для определения основных параметров в ш. а. л. современные установки обычно снабжены большим количеством специальных детекторов, в первую очередь для исследования по­ токов мюонов высоких энергий, (сцинтилляторы, искровые камеры

ких энергий располагаются в центре установки в расчете на реги­ страцию в первую очередь центральных областей ш. а. л. от пер­ вичных частиц с энергией 101 5 -=-101 6 эв. Регистрация мюонов и я.-а. частиц высотой энергии в ш. а. л. от первичных частиц с энергией > 1 0 1 7 эв практически невозможна.

Падение центральных областей ливней таких высоких энергий на детекторы происходит редко. Благодаря использованию детек­ торов больших площадей (площади мюонных детекторов достига­ ют 404-60 м2, площади ионизационных калориметров—ЗО-т-40 м2) происходит регистрация потока мюонов, я.-а. частиц и потоков

Практически трудно осуществить регистрацию мюонов и я.-а. частиц в каждом ливне одновременно с помощью нескольких де­ текторов, расположенных на разных расстояниях от оси ливня, как это делается в случае электронной компоненты. Однако даже один детектор, если его площадь велика, позволяет делать доста­ точно точные оценки, например, числа мюонов в индивидуальном ливне.

Существует достаточно широкий диапазон расстояний от оси ливня, в пределах которого пространственное распределение мюо­

47

Глава 3

Методы исследования, основанные на регистрации электромагнитного излучения, сопровождающего широкие атмосферные ливни

§ 1. ЧЕРЕНКОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ2 4

Оценка полезного сигнала. Хотя свечение «очного неба на много (порядков больше, чем интегральное черенковское излучение космических лучей в атмосфере, но при рождении ш. а. л. в атмо­ сфере происходят кратковременные световые вспышки, которые, как оказывается, могут быть зарегистрированы на фоне флуктуа­ ции свечения «очного неба.

Интенсивность свечения ночного неба в интервале длин волн

выход фотоэлектронов фотокатода ФЭУ rj, то число фотоэлектро­

флуктуации в числе фотоэлектронов за это время составляют ве­

Амплитуда полезного сигнала определяется величиной qSQr\, где q — число фотонов черенковского излучения в ш. а. л. прихо­ дящееся на единицу геометрического фактора детектора (q являет­ ся функцией первичной энергии ш. а. л. и расстояния от оси лив­ ня). Если принять, что амплитуда полезного сигнала должна быть по крайней мере в три раза больше амплитуды «шумового», то получаем условие