Неопределенности потоков атмосферных мюонов высоких

Неопределенности потоков атмосферных мюонов
высоких энергий и спектр первичных
космических лучей
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Иркутский государственный университет
e-mail: kochanov@api.isu.ru
29-я Всероссийская конференция по космическим лучам
3 — 7 августа, Москва, 2006
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
1
Формулировка задачи
Сопоставление расчета спектров и зенитно-угловых
распределений атмосферных мюонов с измерениями
дает возможность решать два типа задач:
а) при известных энергетическом спектре и составе
первичных космических лучей (ПКЛ)– исследовать адронядерные взаимодействия;
б) при заданной модели рождения адронов – косвенно
изучать характеристики ПКЛ.
Появились новые измерения спектра ПКЛ, потоков адронов
на разных глубинах атмосферы и спектра мюонов на уровне
моря, довольно заметно отличающиеся от прежних данных
Сопоставление расчета спектра мюонов на основе новых
параметризаций спектра и состава ПКЛ с последними
прямыми измерениями потоков мюонов представляет
интерес
для
исследования
согласованности
этих
экспериментов и оценки существующих неопределенностей.
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
2
Спектр и состав ПКЛ
В расчете мы используем три параметризации спектра и состава
ПКЛ:
Gaisser-Honda (GH), γ ∼ 1.74, E ≥ 1 ГэВ
Ерлыкин-Крутикова-Шабельский (ЕКШ), γ ∼ 1.70, E ≥ 100 ГэВ
Никольский-Стаменов-Ушев (НСУ), γ ∼ 1.62, E ≥ 1 ТэВ
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
3
Энергетический спектр протонов
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
4
Энергетический спектр ядер гелия
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
5
Модель адронного каскада и метод решения
Ядра ПКЛ фрагментируют в верхнем слое атмосферы Земли
Используется одномерное приближение
Потери энергии на электромагнитные взаимодействия не
учитываются
Вклад процессов рождения нуклон-антинуклонных пар в мезонядерных взаимодействиях пренебрежимо мал
Нуклонный Z-фактор для
спектра ПКЛ Gaisser, Honda
2001
Степенной спектр
Фейнмановский скейлинг
Постоянные пробеги
Z (E , h) =⇒ z(γ)-парциальный
момент
1
Наумов В.А. Синеговская Т.С., ЯФ. 2000. Т. 63. С. 2020
2
Naumov V.A., Sinegovskaya T.S., Proc. 27 ICRC. Hamburg, 2001. V.1. P. 4173
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
6
Модель адронного каскада в атмосфере Земли
В расчете учитываются следующие процессы:
Процессы регенерации:
π± + A → π± + X
p (n) + A → p (n) + X
Процессы неупругой перезарядки:
p (n) + A → n (p) + X
π± + A → π∓ + X
Рождение π, K - мезонов:
p (n) + A → π ± + X
p (n) + A → K ± + X
p (n) + A → K 0 K 0 + X
Дополнительные каналы генерации:
π ± + A → NN + X
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
π± + A → K ± + X
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
7
Сечения рождения адронов при средних и высоких
энергиях
Для неупругих дифференциальных инклюзивных сечений
рождения адронов используем полуэмпирические формулы
Кимеля-Мохова (с минимальными модификациями)
Коэффициенты в формулах были получены путем
фитирования экспериментальных данных для широкого
набора ядер-мишеней: (H, Al, Be, Cu, Pb)
Модель неплохо описывает эксперимент в области энергий от
4.5 ГэВ до 1.5 ТэВ
1
Кимель Л.Р., Мохов Н.В., Изв. вузов. Физика. 1974, вып. 10. C. 17.
2
Наумов В.А. Синеговская Т.С., ЯФ. 2000. Т. 63. С. 2020-2028.
3
Naumov V.A., Sinegovskaya T.S., Proc. 27 ICRC. Hamburg, 2001. V.1. P. 4173-4176;
hep-ph/0106015.
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
8
Спектры нуклонов на разных глубинах атмосферы
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
9
Спектры адронов на разных глубинах атмосферы
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
10
Отношение потоков пионов и нуклонов на уровне моря
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
11
Зарядовое отношение адронов на уровне моря
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
12
Спектр мюонов на уровне моря
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
13
Обсуждение и выводы
Используемый в настоящем расчете первичный спектр GH
(с высоким Не) дает в интервале энергий 0.1 − 1 ТэВ
близкие по величине потоки мюонов (∼ 3 − 5% отличия)
в трех разных расчетах (н.р., Наумов, 2004, Лагутин и др.
2005), отличающихся моделями адронных взаимодействий –
Кимель-Мохов и SIBYLL2.1)
Два варианта первичного спектра ЕКШ и GH, дают потоки
мюонов, различающиеся на ∼ 3 − 5%, в то время как, расчет
в со спектром НСУ приводит к потокам мюонов на ∼ 20%
выше вблизи 1 ТэВ
Неопределенности расчета в области энергий 0.1 − 1 ТэВ,
обусловленные сечениями адронных процессов, достигают
∼ 20%, тогда как расчет с двумя параметризациями ПКЛ
(ЕКШ и GH) говорит о неопределенности потока мюонов
∼ 5%, если исключить из рассмотрения спектр НСУ, область
применимости которого лежит выше 1 ТэВ
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
14
Благодарности
Авторы благодарят В.А.Наумова за полезные обсуждения и
А.А.Лагутина за любезно предоставленные таблицы расчета
спектра мюонов.
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
15
Спасибо за внимание!
А.А. Кочанов, Т.С. Синеговская, С.И. Синеговский
Потоки атмосферных мюонов высоких энергий
16