Регистрация радиоизлучения ШАЛ с энергией E0 ≥ 1019 эВ на якутской установке

УДК 524.1

С. П. Кнуренко, З. Е. Петров, И. С. Петров

Регистрация радиоизлучения ШАЛ с энергией ео > 1019 эВ на якутской установке

Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН,

г. Якутск, Россия

Аннотация. В 1965 г. было впервые обнаружено, что широкие атмосферные ливни (ШАЛ) космических лучей (КЛ) излучают радиосигналы на частоте ниже 100 МГц. После интенсивных исследований в 1960-х и 1970-х гг. в дальнейшем этот метод регистрации практически не использовался. Но с развитием электроники и появлением новых методов обработки интерес к данному методу снова возрос, т. к. изучение КЛ сверхвысоких энергий методом регистрации радиоизлучения может быть альтернативой современным традиционным методам, которые используются на самых больших установках ШАЛ. Подобные установки насыщены сотнями и тысячами сцинтилляционных детекторов для регистрации потока заряженных частиц или состоят из детекторов, регистрирующих излучение генерированными релятивистскими частицами ШАЛ в оптическом диапазоне. К тому же они требуют больших финансовых затрат и имеют определенные трудности в их эксплуатации и обработке данных. Механизмы генерации радиоизлучения хорошо известны, и расчетами показано, что радиоизлучение ШАЛ зависит от развития электромагнитного каскада в атмосфере, величины магнитного поля вблизи уровня наблюдения и т. д. То есть радиоизлучение связано с физикой развития ШАЛ: рождением электронов и позитронов по ходу движения основной массы частиц в атмосфере (с продольным развитием ливня), что, следовательно, зависит от мощности ливня, по сути, энергии ШАЛ. В этой связи возникает интерес сначала установить корреляцию между характеристиками ШАЛ, измеренными на якутской установке, и радиоизлучением ШАЛ, а затем независимо, опираясь на расчеты, восстановить аналогичные характеристики из измерений только радиосигнала ШАЛ. За время регистрации радиоизлучения на якутской установке получены следующие результаты: измерено пространственное распределение радиоизлучения ШАЛ для средних энергий; оценена глубина максимума ливня, используя расчеты и форму экспериментальной средней ФПР радиоизлучения; результаты регистрации

КНУРЕНКО Станислав Петрович - к. ф.-м. н., с. н. с. Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: knurenko@ikfia.ysn.ru

KNURENKO Stanislav Petrovich - Ph.D. Senior Researcher of Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy, SB RAS.

ПЕТРОВ Зим Егорович - д. т. н., в. н. с. Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН.

E-mail: pze@ikfia.ysn.ru

PETROV Zim Egorovich - Ph.D. Lead Researcher of Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy, SB RAS.

ПЕТРОВ Игорь Степанович - м. н. с. Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН.

E-mail: igor.petrov@ikfia.ysn.ru

PETROV Igor Stepanovich - Associate Researcher of Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy, SB RAS.

радиоизлучения для частиц ШАЛ с энергией Е> 1019 эВ, а также результаты глубины максимума и энергии. Впервые на якутской установке было зарегистрировано радиоизлучение от ШАЛ с энергией выше 1020 эВ.

Ключевые слова: космические лучи, ШАЛ, радиоизлучение, ФПР радиоизлучения, малая черенковская установка, глубина максимума развития, энергия ШАЛ, массовый состав, дипольная антенна, якутская установка.

DOI 10.25587/SVFU.2018.64.12137

S. P. Knurenko, Z. E. Petrov, I. S. Petrov

Registration of Air Shower Radio Emission with Eo > 1019 eV Energy at the Yakutsk Array

Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy, SB RAS, Yakutsk, Russia

Abstract. In 1965, it was discovered that cosmic ray (CR) extensive air showers (EAS) emit impulsive radio signals at frequencies below 100 MHz. After intensive research in 1960, 1970-s the interest to this method almost completely vanished. However, with development of electronics and processing techniques the interest started to grow again, because of CR registration of ultra-high energies by radio emission technique can be an alternative to modern traditional methods that are used in the largest EAS experiments. Such experiments consist of hundreds and thousands scintillation detectors to register charged particles flux or consist of detectors that register radiation generated by relativistic air shower particles in the optic wavelength. In addition, they require substantial financial expenses and have some difficulties in the maintenance and data processing. Radio emission generation mechanisms are well known and it is calculated that radio emission of air showers depends on the development of the electromagnetic cascade in the atmosphere, the magnitude of the field near the level of observation etc. i.e. radio emission related with air shower development physics: electrons and positrons creation along the motion of the main masses of particles in the atmosphere (with longitudinal development of the shower) and consequently depends on the power of the shower essentially air shower energy. In this connection, there is interest to first establish a correlation between the characteristics of the EAS measured at the Yakutsk array and the radio emission of the EAS, and then independently, relying on calculations, to reconstruct similar characteristics from measurements only of the air shower radio signal. During the registration of radio emission at the Yakutsk array, the following results were obtained: lateral distribution of the EAS radio emission for average energies was measured; the depth of the maximum of the shower was estimated using the calculations and the shape of the experimental mean LDF of radio emission; the results of registering radio emission for EAS particles with an energy E>1019 eV, as well as the results of the depth of the maximum and energy. For the first time, a radio emission from EAS with the energy higher than 1020 eV was registered at the Yakutsk array.

Keywords: Cosmic rays, EAS, radio emission, LDF of radio emission, Small Cherenkov Array, depth of the maximum development, energy of EAS, mass composition, dipole antenna, Yakutsk array.

Введение

Несмотря на то, что прошло больше 100 лет с открытия космических лучей, вопросы об их происхождении в физике ускорения и адронного взаимодействия в атмосфере все еще остаются без ответа [1]. Для исследования космических лучей сверхвысоких энергий используется метод регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ). ШАЛ регистрируются наземными установками больших размеров с детекторами заряженных частиц и оптическими детекторами [2]. Несмотря на успешность, у традиционных методов

Рис. 1. План размещения антенн радиоизлучения на малой черенковской установке, расположенной в центре якутской комплексной установки ШАЛ

есть свои недостатки, и научная общественность всегда стремится найти способы их улучшения.

Радиоизлучение от ШАЛ было впервые зарегистрировано Джелли в 1965 г. [3] на частоте до 100 МГц, с тех пор с разной периодичностью исследовалось на разных установках. Современные исследования радиоизлучения ШАЛ направлены либо на использование антенн как дополнительный метод (совместно с сцинтилляционными и оптическими детекторами), либо как основной (без сцинтилляционных и оптических детекторов).

Краткое описание Якутской радиоустановки

Первые эксперименты проводились на якутской установке в середине 1980-х гг. [4]. Затем продолжились с 2009 г. Якутская радиоустановка на данный момент состоит из 12 антенн, которые расположены двумя кластерами (8 и 4), расстояние между ними составляет 500 м. Антенны установлены вблизи центра установки, внутри периметра малой черенковской установки (рис. 1). Расположение антенн было выбрано таким образом, чтобы использовать в качестве триггера «мастерные» сигналы большой якутской установки от сцинтилляционных детекторов и малой черенковской установки от детекторов черенковского света. Расстояние между антеннами 50 м, 100 м и 500 м. Антенны расположены на расстоянии 50-100 м от станций, чтобы избежать наводок от электроники детекторов заряженных частиц [5]. Такое расположение позволяет получить дополнительную информацию от других детекторов, которая использовалась для нахождения корреляции радиоизлучения с основными характеристиками ШАЛ. Регистрация ведется на частоте 30-35 МГц, т. к. на частотах ниже 20 МГц из-за естественных шумов (в основном гроз) невозможно различить сигнал с необходимой эффективностью [6, 7]. Поэтому целесообразно выбрать частоту выше 20 МГц. Тепловые шумы антенн намного ниже галактических шумов на частотах до 100 МГц, ими можно пренебречь, т. к. они не оказывают никакого существенного влияния на измерения.

Результаты измерения радиоизлучения на якутской установке

Величина напряженности электрического поля, наведенного на антеннах радиоустановки, согласно работе [8], может быть представлена в следующем виде:

\Щ _ 1 14пу2Мо р _ 1 14пу2Мо 1 г

V I I 4 „ ГАМ ~ . А „ -г г п ' ADC' Ш

Ду Д^ с Д^ 0(вфС К^АЖ

Рис. 2. Функция пространственного распределения радиоизлучения на частоте 30-35 МГц по данным Якутской установки

где V - частота наблюдения 32 МГц, G

и R,

^АОС - внутренний импеданс АЦП, равный 50 Ом, который использовался, когда вычислялись поправочные коэффициенты для якутской радиоустановки.

Там же показано, что максимум амплитуды радиоимпульса А пропорционален энергии электромагнитной компоненты ШАЛ:

= с  А

где с - параметр мощности ливня.

Для определения глубины максимума развития использовалось отношение амплитуды радиоизлучения на расстоянии 80 и 200 м (рис. 2) [9]:

X_ =

Р -11,5

где Р = А(80)/А(200) - отношение амплитуд на расстоянии 80 и 200 м.

Используя корреляцию найденной в работе [10] между ФПР и эмпирически найденным Хтах как основу, была определена Хтах в ливнях с энергией 1017-1019 эВ и сгруппирована по энергиям. Результат показан на рис. 3 вместе с результатами, полученными на МГУ [11], и установкой ЛОПЕЗ [12]. Там же представлены расчеты, сделанные по модели QGSjeffl-04 для протона р, ядер углерода С и железа Fe. Несмотря на недостаточную статистику, данные показывают, что Хтах начинает увеличиваться на энергиях выше 2-1017 эВ. Сравнение с расчетами указывает на то, что в этой области должны преобладать легкие ядра типа протона и углерода.

На рис. 4 приведен ФПР радиоизлучения ливней с энергией выше 1019 эВ, ливни имеют энергии от 1019 до 3,5 4019 эВ и два ливня с энергией 1020 эВ.

Точки приведены к средней энергии <Е0> = 1,54 • 1019 эВ и среднему зенитному углу <9> = 43,1° и показаны в логарифмическом масштабе.

Определенная по формуле (3) глубина максимума развития для среднего гипотетического ливня X = 760±30 г-см"2.

Рис. 3. Глубина максимума от энергии в сравнении с МГУ, ЛОПЕЗ и расчетами для протона, ядер углерода и железа

Рис. 4. Функция пространственного радиоизлучения от ШАЛ с Е>1019 эВ

Используем теперь величину X , полученную экспериментально, для оценки атомного веса первичной частицы космического излучения <1пА>, породившей ШАЛ с такой энергией. Это можно сделать методом интерполяции по формуле (4) [13]:

< 1п А >=

X ехР _ X р ^

тах_тах

_ X Р

V тах тах /

• 1п АЕ

где X ехр - глубина максимума развития ШАЛ по радиоданным, Хр - расчетная глубина максимума ливня от первичного протона, ХГе - расчетная глубина максимума от первичного ядра железа.

Полученное по данным радиоизмерений значение <1пА> = (1,61±0,40) оказалось близким к значениям <1пА> = (0,8-2,0), полученным по данным измерений черенковского света ШАЛ [14]. В этом случае можно указать на то, что химический состав первичных частиц,

образующих ШАЛ с энергией выше 1019 эВ, преимущественно состоит из протонов р, ядер гелия He и ядер углерода С.

Заключение

Долговременные наблюдения радиоизлучения ШАЛ с энергией E0 > 1019 эВ на якутской установке показали, что радиометод может быть использован как независимый метод для изучения ШАЛ сверхвысоких энергий.

Был получен результат X , выведенный из радиоизмерений в области энергий 1017-1018 эВ, несмотря на большую статистическую неопределенность, показывает увеличение X выше 2-1017 эВ. Также были получены функция затухания радиосигнала ШАЛ от расстояния при энергиях выше 1019 эВ и ее градиент. Было доказано наличие радиосигнала ШАЛ при энергиях > 1020 эВ, т. е. в самых больших ливнях, зарегистрированных на якутской установке [15]. В рамках модели QGSjetII-04 оценка массового состава КЛ при энергиях выше 1019 эВ, полученная по радиоданным, хорошо согласуется с нашими результатами из работы [14]. Оценка указывает на химический состав КЛ с преобладанием легких ядер, что не противоречит результатам по массовому составу, полученному на самых больших установках ШАЛ [16].

Л и т е р а т у р а

1. Blumer J., Engel R., Horandel J. R. Cosmic rays from the knee to the highest energies, Progress in Particle and Nuclear Physics 63, 293-338 (2009).

2. Kampert K.-H., Unger M. Measurements of the cosmic ray composition with air shower experiments, Astropart. Phys. 35, 660-678 (2012).

3. Jelley J. V., Fruin J. H., Porter N. A. et al. Nature. 205. 327 (1965).

4. Knurenko S. P., Petrov Z. E., Petrov I. S., NIM A, 866, 230-241 (2017).

5. Петров З. Е., Борщевский Д. С., Кнуренко С. П., Козлов В. И., Петров И. С., Правдин. М. И. Вестник СВФУ. - 2011. - 8, № 4. - С. 5-10.

6. Петров З. Е., Борщевский Д. С., Кнуренко С. П., Козлов В. И., Петров И. С., Правдин. М. И. Наука и образование, - 2012. - С. 7-11.

7. Ellingson S., Simonetti J., Patterson C., IEEE Trans. Antennas Propag. 55 (3). - 2007. - С. 826-831.

8. Huege T., Ulrich R., Engel R., Astropart. Physics, 30, - 2008. - 96.

9. Кнуренко С. П., Петров И. С. Письма в ЖЭТФ, 104, 5, - 2016. - 305-309 ().

10. Кнуренко С. П., Петров И. С. Известия РАН. Серия Физическая, 79, 3. - 2015. - 446-448.

11. Kalmykov N. N., Konstantinov A. A., Vedeneev O. V., Phys J..: Conf. Ser. 409 - 2012.

12. Apel et al. W. D. arXiV: 1408.2346v1 - 2014.

13. Berezhko E. G., Knurenko S. P., and Ksenofontov L. T., Astroparticle Physics 36, 31 - 2012.

14. Knurenko S. and Petrov I., EPJ Web of Conferences 99, 04003 - 2015.

15. Artamonov V. P., Egorov T. E., Efimov A. N. et al., Proc. 21st ICRC, Adelaide 9, 210 - 1990.

16. Barcikowski E., Bellido J., Belz J., Egorov Y., Knurenko S., V. de Souza, Y. Tsunesada, M. Unger // EPJ Web of Conferences 53, 01006. - 2013.

R e f e r e n c e s

1. Blumer J., Engel R., Horandel J. R. Cosmic rays from the knee to the highest energies, Progress in Particle and Nuclear Physics 63, 293-338 (2009).

2. Kampert K.-H., Unger M. Measurements of the cosmic ray composition with air shower experiments, Astropart. Phys. 35, 660-678 (2012).

3. Jelley J. V., Fruin J. H., Porter N. A. et al. Nature. 205. 327 (1965).

4. Knurenko S. P., Petrov Z. E., Petrov I. S., NIM A, 866, 230-241 (2017).

5. Petrov Z. E., Borshchevskii D. S., Knurenko S. P., Kozlov V. I., Petrov I. S., Pravdin. M. I. Vestnik SVFU. - 2011. - 8, № 4. - S. 5-10.

6. Petrov Z. E., Borshchevskii D. S., Knurenko S. P., Kozlov V. I., Petrov I. S., Pravdin. M. I. Nauka i obrazovanie, 65. - 2012. - S. 7-11.

7. Ellingson S., Simonetti J., Patterson C., IEEE Trans. Antennas Propag. 55 (3). - 2007. - S. 826-831.

8. Huege T., Ulrich R., Engel R., Astropart. Physics, 30, - 2008. - 96.

9. Knurenko S. P., Petrov I. S. Pis'ma v ZhETF, 104, 5, - 2016. - 305-309 ().

10. Knurenko S. P., Petrov I. S. Izvestiia RAN. Seriia Fizicheskaia, 79, 3. - 2015. - 446-448.

11. Kalmykov N. N., Konstantinov A. A., Vedeneev O. V., Phys J..: Conf. Ser. 409 - 2012.

12. Apel et al. W. D. arXiV: 1408.2346v1 - 2014.

13. Berezhko E. G., Knurenko S. P., and Ksenofontov L. T., Astroparticle Physics 36, 31 - 2012.

14. Knurenko S. and Petrov I., EPJ Web of Conferences 99, 04003 - 2015.

15. Artamonov V. P., Egorov T. E., Efimov A. N. et al., Proc. 21st ICRC, Adelaide 9, 210 - 1990.

16. Barcikowski E., Bellido J., Belz J., Egorov Y., Knurenko S., V. de Souza, Y. Tsunesada, M. Unger // EPJ Web of Conferences 53, 01006. - 2013.

^iMSr^Sr

ООО МИП «Арктик-Бур»

Организация, которая отвечает за качественное выполнение инженерных изысканий.

В настоящее время предприятие имеет необходимый опыт, хорошую приборную и производственную базы, испытательный буровой стенд на базе бурового станка СКБ-4, климатическую камеру типа КХТВ объемом 3000 литров и лабораторию комплексного исследования грунтов и горных пород для выполнения научно-исследовательских работ и инженерных изысканий.

Телефон: +7 (914) 264-27-25, 752-666.

E-mail: titrykt@rambler.ru.

Адрес: Республика Саха (Якутия), г. Якутск, ул. Кулаковского, 50, каб. 104-4.