Феноменологические ограничения на модель неупругих взаимодействий адронов с ядрами при энергиях выше 1015 эВ по данным рентген-эм

Актуальность темы
Исследование мягких и полужестких процессов множественной генерации наиболее энергичных частиц во взаимодействиях адронов с легкими ядрами при E>1016 эВ (√¯s ≳ 4 ТэВ) пока возможно лишь в космических лучах
Анализируются характеристики компонент ядерно-электромагнитных каскадов (ЯЭК) в атмосфере (ШАЛ, γ-h семейства, группы мюонов).
Первоначальная концепция неупругого p-N14 взаимодействия (Г.Т.Зацепин 1949, Г.В.Ватагин 1949):
эффект лидирования ⇒ лидер уносит ~0,5 E0 ≈ (1-Kinel)E0
сечение σinel и Kinel слабо зависят от энергии
1969: Скейлинг (F), автомодельность (ММТ), предельная фрагментация (BCYY)

Современная (наиболее популярная) концепция мягких и полужестких p-N14 взаимодействий (в т.ч. по данным РЭК):
модель кварк-глюонных струн (МКГС)
медленный рост сечения с энергией
эффект лидирования и медленный рост с энергией Kinel (вплоть до ~0,85 при E0 ≳1016 эВ (по данным РЭК):
Актуальность темы
Число КГС моделей и их версий постоянно растет:
QGSJET (98, 01, II), SIBYLL (1.7, 2.1), DPMJET, VENUS, NeXuS (1 – 3), EPOS……
Ни одна из моделей не описывает все результаты в ШАЛ (даже в рамках одного эксперимента!)
Некоторые результаты этими моделями игнорируются
Эксперименты с РЭК
более чувствительны к характеристикам взаимодействий и, следовательно, моделям
дают возможность откинуть некоторые модели

Исследование свойств адрон-ядерных взаимодействий в фрагментационной области при энергиях E0 ≳ 1016 эВ (√s ≳ 4 ТэВ) на основе сравнительного анализа экспериментальных данных РЭК и результатов моделирования;
разработка феноменологической модели взаимодействий при этих энергиях, способной дать одновременное описание наиболее широкого круга результатов нескольких экспериментов в единых рамках, что значительно повышает надежность выводов; определение феноменологических ограничений на характеристики взаимодействий, необходимых для разработки строгой теории процессов;
выработка предложений по проверке разработанной модели.
Цель диссертации

РЭК Сотрудничества «Памир»
«Свинцовая» Pb-РЭК
«Углеродная» C-РЭК
Пространственное
разрешение ≲ 50 μм
Толстая мишень - воздух
РЭК на
аэростатах и самолетах
Введение

Большой объем экспериментальных данных
Сильные флуктуации в
атмосфере
РЭК
Сильное поглощение ⇒ малая вероятность регистрации
Флуктуации дают вклад в любую характеристику
Сильная выборка в зависимости от критериев отбора
Для любого нетривиального результата надо считать флуктуационный фон
Необходима программа моделирования методом Монте-Карло, воспроизводящая максимально возможно широкую совокупность экспериментальных данных и теоретических предсказаний
Введение
Необходимость моделирования

Для эксперимента «Памир»: коды МSF и МС0 моделирования ядерно-электромагнитных каскадов (ЯЭК) в атмосфере
Код MSF
Код MSF (1976) был одной из первых программ, учитывающей нарушение скейлинга в пионизационной области
Использовался для исследования широкого круга проблем в эксперименте «Памир» (характеристики гамма- и адронных семейств, гало и т.д.) (в том числе, в НИИЯФ МГУ)
Основные характеристики:
скейлинг в фрагментационной области (xF≳ 0,1) (доминир.идея)
Kinel = 0,5
σinel = f(E0)
Результаты, полученные Сотрудничеством «Памир», в том числе с использованием кода MSF, дали толчок развитию моделей КГС (Кайдалов, Тер-Мартиросян, Шабельский)
Моделирование

Код MC0
Код MC0 (1990) был первым кодом моделирования сильных взаимодействий при развитии ЯЭК, учитывающим одновременно
модель кварк-глюонных струн (Шабельский, КТ-М 1988) ⇒ рост
σinel и Kinel
модель полужестких струй (министруй) (ГЛР 1983): QT≳ 2 ГэВ/с ⇒ при E0~1016 эВ ~50% частиц рождается через этот канал
ускорительные данные: генерация частиц (вкл. странные, чармированные, резонансы), КХД – струй; дифракционные процессы
основная программа для Сотрудничества «ПАМИР»
близок к коду QGSJET 98, разработанному на несколько лет позже
Моделирование

Код MQ (Дунаевский 1990) использовался Сотрудничеством «ПАМИР»
очень близок к MC0, но характеризуется
высокой (~0,7) вероятностью неупругой перезарядки π±A → π0 +X..
более быстрым ростом Kinel (до ~0,85 при E0~1016 эВ в p→p +X…)
отсутствием генерации КХД-струй
Код MQ
Моделирование

〈Kinel〉MSF < 〈Kinel〉MC0 < 〈Kinel〉MQ
〈Kinel〉 зависит от определения
〈Kinel〉 ≡ 〈Kinel 〉 ≲ 0,6 при E0 ~ 1016 эВ (близко к значению Г.Т.Зацепина 1949)
Коэффициент неупругости
MSF
0,50
0,50
0,45
Моделирование
leader

Электромагнитная компонента: Eγ ≈ 0,01 E0
Расчетные интегральные спектры немного круче экспериментальных спектров, но!
часть пятен потемнения на пленке создается не одиночными γ-квантами, а узкими ЭМ каскадами из воздуха
переоценка энергии и ужесточение измеряемого спектра (Δβ ≲ 0,15), т.е.
βreal ≈ 2,15 → βmeas ~ 2,0
По сравнению с МС0
(и экспериментом)
MSF дает:
более высокие интенсивности
более пологие спектры
Расчет MC0
Сравнение экспериментальных и расчетных данных при 〈E0〉 ≲ 5⋅1015 эВ
MC0 : Расчетные спектры по Eγ согласуются с экспериментальными

MC0 : Расчетные спектры по Ehγ согласуются с экспериментальными
Адронная компонента: Ehγ ≈ 0,01 〈E0〉
Спектры в С-РЭК в среднем положе спектров в Pb-РЭК
Расчетный суммарный спектр над РЭК круче экспериментальных спектров
но!
Спектры адронов I ~ E-β,
падающих на РЭК, круче спектров измеряемых
интенсивности - выше
спектры - положе
MSF:
Эксперимент
Расчет (МС0)
измеряемые
падающие
β
β
Сравнение экспериментальных и расчетных данных при 〈E0〉 ≲ 5⋅1015 эВ
(по сравнению с МС0 и экспериментом )

Гамма-адронные семейства: Σ(Eγ+Eh(γ) ) ≈ 0,1 〈E0〉
(группы генетически связанных частиц (γ/e± , h) c E ≳ 5 ТэВ)
* Ethr= 4ТэВ; # Ethr = 10 ТэВ
MSF завышает интенсивность по сравнению с экспериментом
MC0
MC0
MC0
Сравнение экспериментальных и расчетных данных при 〈E0〉 ≲ 5⋅1015 эВ
МС0 согласуется с экспериментом по
интенсивности
множественности
γ и h

Корреляции между ЭМ и адронной компонентами в γ-h семействах
Пространственно-энергетические характеристики γ-h семейств
* Ethr= 4ТэВ; # Ethr = 10 ТэВ
Qγ = ΣEγ/(ΣEγ+ΣEhγ)
Сравнение экспериментальных и расчетных данных при 〈E0〉 ≲ 5⋅1015 эВ
MC0
MC0
МС0 согласуется с экспериментом
по корреляциям между γ и h
поперечным
характеристикам

Доля энергии в адронной компоненте в γ-h семействах
‹EγRγ› ≤ 300 ТэВ·см; ‹Eh(γ)Rh(γ)› ≤ 300 ТэВ·см
Сравнение экспериментальных и расчетных данных при 〈E0〉 ≲ 5⋅1015 эВ
Экспериментальные события с наибольшей долей адронной компоненты (qh > 0,9) не описываются всеми современными моделями

Модели типа MSF (сохранение скейлинга в фрагментационной области) предсказывают
слишком большие интенсивности всех одиночных компонент и γ-h семейств
слишком жесткие спектры ЭМ и адронной компонент
Модели типа кварк-глюонных струн (МС0) хорошо описывают данные эксперимента «Памир» по
одиночным адронам;
ЭМ компоненте;
γ-h семействам,
относящиеся к 〈E0〉 ≲ 5·1015 эВ
Т.о. имеется модель МС0, проверенная при 〈E0〉 ≲ 5⋅1015 эВ, которую можно использовать для исследований области более высоких энергий
Результаты сравнения эксперимента и расчета при 〈E0〉 ≲ 5⋅1015 эВ

Азимутальные особенности гамма-адронных семейств
Анализ азимутальных характеристик
КХД:
объясняет
объясняет (?) (Памир);
не объясняет (Канбала
и Чакалтая)
не объясняет ! (Памир)
экспериментальные данные
В экспериментах с РЭК обнаружены:
Азимутальная анизотропия
частиц в семействах с энергией ΣEγ ≳ 30 ТэВ (Памир)
Двуцентровые («бинокулярные») события с энергией ΣEγ ≳ 200 ТэВ (Памир, Чакалтая, Канбала)
Выстроенность «энергетически выделенных центров» (ЭВЦ) в семействах с энергий
ΣEγ ≳ 700 ТэВ ( 〈E0〉 ≳ 1016 эВ )

-1/(N-1) ≤ λN ≤ 1,0
Выстроенные события: λN ≥ λfix
Обычно: λ4 ≥ 0,8
Примеры выстроенности
k
i
j
ϕkij
Electromagnetic halo
hadron halo
hadron
γ-ray cluster
“Памир” : a) 4- γ-кластерное семество; б) Pb-6: λ4=0.95; в) Pb-28: λ4=0.85. г) JF2af2 (“Concorde”); д) Страна (аэростат). Цифры – энергия в ТэВ
γ-ray clusters
a)
б)
в)
г)
д)
5 самых энергичн. частиц
= 23 ± 7 GeV/c (Preliminary !)
Выстроенность

Выстроенность
Экспериментальные данные по выстроенности – разнокалиберные (частицы, группы частиц, гало )
Надо выделять изолированные потоки энергии
т.н. «энергетически выделенные центры» (ЭВЦ) (НИИЯФ)

ЭВЦ = группы, инициированные
γ-квантами: ZС ~ 1 ТэВ·см
π0-мезонами: ZС ~ 3 ТэВ·см
взаимодействиями адронов:
ZС ~ 20 ТэВ·см
γ*
π0*
h*
Выстроенность
ЭВЦ = изолированные кластеры генетически связанных частиц (γ/e±, h), выделяемые «декаскадированием» = процедурой объединения i-й и k-й частиц в группе (с Zik< ZC)
〈pt〉 ∝ ZC ~1, ~3, ~20 ТэВ⋅см соответствует объединению частиц в «исходный» γ-квант, π0 -мезон и адрон (уровень Памира!)

Экспериментальная ситуация
Эксперимент Kanbala (ΣEγ ≥ 500 TeV, λ3 ≥0.8)
0.50±0.20 in Fe-РЭК (3 из 6 при 1.2 ожидаемом)
0.21 – ожидаемый фон
Xue L. et al. 1999
Только два стратосферных γ-h семейства c ΣEγ ≳ 1000 TeV Оба предельно выстроены:
λ4 (γ) = 0.998 (JF2af2, Concorde)
λ4 (h) = 0.99 (Страна, аэростат)
Сильные взаимодействия?
Флуктуации ?
Магнитное поле ?
Электрические поля?
Коэффициент регрессии
38 квантов: β38(γ) = 0.992
Эксперимент «Памир» (ΣEγ ≥ 700 TeV, λ4 ≥0.8)
0.43±0.13 в Pb-РЭК (6 из 14 при 1.0 ожидаемом)
0.27±0.09 в С- РЭК (9 из 35 при 2.1 ожидаемом)
0.06 – ожидаемый фон:
Выстроенность

Разнокалиберные экспериментальные данные
(“ПАМИР”, Kanbala, Concorde, аэростат)
Моделирование
Замечание
До сих пор существуют два противоположных мнения о происхождении экспериментально наблюдаемой выстроенности:
выстроенность есть результат тривиальных флуктуаций ⇒ для опровержения требуется хорошая статистическая обеспеченность расчетных результатов
выстроенность может быть объяснена КХД-струями ⇒ требуется модель с генерацией КХД струй (МС0)

Эксперимент «Памир»
Из 11 тысяч искусственных наборов событий, нет ни одного, подобного экспериментальным!
8000 наборов событий
3000 наборов событий
Эксперимент
Моделирование
Выстроенность и флуктуации
Роль флуктуаций в явлении выстроенности
Распределения наборов по числу выстроенных событий в каждом из наборов
МС0
Эксперимент. набор:
6 выстроенных событий из 14
Эксперимент. набор:
9 выстроенных событий из 35

Вероятность получить k выстроенных событий в наборе из n событий:
Выстроенность и флуктуации
Биномиальное распределение
При изучении явления выстроенности любое событие может принадлежать только к одному из двух типов:
выстроенное или невыстроенное

Вероятность регистрации всего набора экспериментальных
выстроенных событий (Памир, Kanbala, стратосфера):
Wfluct << 0,9 ⋅10-4 × 1,5 ⋅10-4 × 9 ⋅10-2 × 3 ⋅10-3 × 10-9 << 10–20
Выстроенность и флуктуации
Источником феномена выстроенности не могут быть флуктуации

Роль электромагнитных полей
Магнитное поле Земли
реально не влияет на выстроенность семейств на уровне гор
немного усиливает выстроенность в стратосфере,
но для L ≲ 1 м ΔF(λ4>0,8) < 0,01
Электрические грозовые поля (расчет: Ecrit ≈100 кВ/м, ΔU ≈1 ГВ)
почти не влияют на выстроенность адронов на высоте гор: ΔF(λ4>0,8) ≈ 0,03;
увеличивает выстроенность в ЭМ каскадах от γ-квантов: F(λ4>0,8) ≈ 0,16;
Но!
подобные поля образуются крайне редко (если вообще образуются! Для Памира Ecrit ≈ 50 кВ/м)
Выстроенность и электромагнитные поля

Источником феномена выстроенности не могут быть
флуктуации
магнитное поле Земли
электрические грозовые поля
Источник выстроенности – адронные взаимодействия
Выстроенность
Существует процесс компланарной генерации частиц (КГЧ)

Кинематика
кинематические эффекты в дифракционных процессах (СморСмир 90, Zhu 90, Capdevielle 01);
«Новая» физика
новое сильное взаимодействие при энергиях √s ≳ 4 TэВ и генерация бозонов и адронов, включающих новые кварки высшей цветовой симметрии (White 94);
Передача больших Qt
генерация глюонных КХД-струй (Halzen 90);
полужесткая двойная дифракционная неупругая диссоциация (натяжение и разрыв кварк-глюонной струны между полужестко рассеянным кварком-конституентом и кварками-спектаторами налетающего адрона (Ройзен 94)
Выстроенность
Об интерпретации выстроенности и КГЧ

Кинематика вращения
Рождение лидирующего резонанса с очень высоким спином (Мух 99, В.Чуд 01)
высокий угловой момент кварк-глюонной струны (Wibig 04)
вращение с очень высоким спином невзаимодействующей части налетающего ядра;
закручивание взаимодействующего адрона и компланарный разлет вторичных частиц как следствие релятивистского изменения свойств адрона при высоких энергиях (Г.Т.Зац 94)
Выстроенность

Эвристические модели компланарной генерации частиц
Базовая модель – МС0
ALG – компланарная генерация всех вторичных частиц с традиционным значением ‹pt›
EMD – электромагнитная диссоциация и развал налетающих ядер в электрическом поле ядер воздуха (⇒ усиление влияния магнитного поля Земли)
ISD – дифракционная диссоциация с увеличенным в 10 раз сечением
K2M – существенное увеличение дисперсии распределения по Kinel и его постепенная трансформация в двугорбовое (максимумы при Kinel ~ 0 и Kinel ~ 1, Г.Т.Зац)
PNP – неупругие (фотоядерные) взаимодействия γ-квантов
ROT – вращение с очень большим значением спина невзаимодействующей части налетающего ядра с последующим компланарным развалом
Выстроенность и модели взаимодействия

SHDID – полужесткая двойная дифракционная неупругая диссоциация, протекающая через натяжение кварк-глюонной струны между полужестко рассеянным быстрым кварком и кварками-спектаторами налетающего адрона и последующий разрыв струны с образованием вторичных частиц (Ройзен 94).
SHDQ – новое сильное взаимодействие при √s ≳ 4 TэВ и генерация бозонов и адронов с новыми кварками высшей цветовой симметрии (White 94).
X – гипотетическая длиннопробежная компонента, взаимодействующая с малым сечением неупругого взаимодействия σinel ≈ 0,2σinel через компланарную генерацию вторичных частиц.
МКГЧ – упрощенная Модель Компланарной Генерации
Выстроенность и модели взаимодействия
p-air
Х-air

наблюдаемый эффект выстроенности не может быть объяснен
кинематическими эффектами во взаимодействиях адронов
КХД взаимодействиями адронов
КГЧ взаимодействиями адронов с 〈pt 〉 ≲1 ГэВ/с
Фазовое пространство компланарных событий в плоскости компланарности – не меньше, чем несколько ГэВ/с
В Лаб-системе д.б. специфическая корреляция между E (или pL) и 〈pt 〉 частиц: бóльше pt – меньшe E
Каскадное развитие быстро разрушает компланарность
Частицы с повышенной проникающей способностью
(т.е. λcompl > λint ) обладают высокой потенциальной эффективностью для создания выстроенных событий.
Выстроенность и модели взаимодействия
Предварительные выводы (на основе эвристических моделей)
p-air

Нужна специфическая корреляция:
выше pt − ниже pL
а) КХД струи: Sin θi ≈ const
⇒ неподходящая корреляция
⇒ 2 отдельных кластера
⇒ нет наблюдаемой выстроенности
b) SHDID (Ройзен 1994) – разрыв натянутой кварк-глюонной
струны в дифракционном кластере:
⇒ необходимая корреляция
⇒ выстроенность есть
c) система-лидер с высоким спином ⇒ подходящая корреляция (для
наиболее энергичных частиц)
⇒ выстроенность есть
d) Угловой момент КГС (Wibig 04)
⇒ необходимая корреляция
⇒ выстроенность есть
Самые энергичные частицы
Выстроенность и модели взаимодействия
СЦМ
Лаб

КХД струи: Лохтин и др. 2005
PYTHIA и √s = 14 TэВ (LHC) ⇒ Вывод:
Выстроенность 3-х (!) КЛАСТЕРОВ
(близкая к эксперименту) только (!)
при E3,4 ≥ 3 ТэВ, т.е. E3,4 ~ E1
(σ ≪ σinel )
в ускорительных экспериментах, где расстояние от точки взаимодействия до уровня наблюдения, т.е.толщина мишени Δx ~0
(в экспериментах с РЭК Δx > 500 г/см2)
Но: 1. Нет выстроенности а) 4 и более кластеров; б) частиц
2. С ростом Δx резко падает выстроенность
Угловой момент КГС (Wibig 2004)
t0 – l ~ Δb и ω~ const (Δb≪⏐b/2⏐
l ~const и ω~ 1/Δb (Δb ~⏐b/2⏐ (v = c)
t1 – возникает волна; изменяется
распределение pt
Возможная (?) картина
b/2
t1
t0
-b/2
сохранение углового момента
Выстроенность и модели взаимодействия
jet
jet

МКГЧ = Модель Компланарной Генерации Частиц #,*
частицы (π и K) рождаются компланарно с нормальным 〈pt〉 относительно плоскости компланарности
множественность ‹ns› ≈10;
〈pTcopl〉 ≈1– 2,3 ГэВ/с в плоскости компланарности
* Примитивная (!) эвристическая модель для изучения факторов, связанных с возможностью наблюдения выстроенности
Выстроенность и модели взаимодействия
# Параметры взаимодействия относятся к фрагментационной области

Если на уровне гор
F(λ4 ≥ 0,8) ≳ 0,2, то
σcopl ~ σinel Выстроенность может изучаться только в
высокогорных и стратосферных экспериментах с высоким разрешением (Δx ≲ 1см )
на коллайдерах
фон
“Памир”
KASCADE
частицы
МКГЧ
Феноменологический анализ
ЭВЦ
Зависимость F(λ4≥0,8) от расстояния до точки взаимодействия
Расстояние от точки взаимодействия, г/см2
p-air
p-air
F(λ4≥0.8) зависит от
глубины в атмосфере
расстояния до уровня наблюдения
параметра декаскадирования Zc

F(λ4z0.8) зависит от ZC
«Памир» – максимум при ZC≈ 4 ТэВ·см
МКГЧ объясняет эффект
МС0 не объясняет эффект
МКГЧ
Выстроенность – экспериментальные данные и расчет
Зависимость доли выстроенных семейств F(λ4≥0,8) от ZC
МC0

▲∆ Эксперимент: F(λ4z0.8) зависит от ΣΕγ
□ МКГЧ объясняет эффект
∙ МС0 не объясняет эффект
С-РЭК
МКГЧ
Выстроенность – экспериментальные данные и расчет
МС0
Зависимость доли выстроенных семейств F(λ4≥0,8) от ΣEγ
λ

КГЧ меняет поперечные характеристики
выстроенных γ-h семейств
«Памир» (Borisov et al 2001) * ε = 1.83 ± 0.37
ρ = 2.57 ± 0.81
ε
ρ
ε
ρ
〈ER〉4 выстр > 〈ER〉4 невыстр
〈R〉4 выстр > 〈R〉4 невыстр
* Nc ≥ 6, Ec ≥ 50 ТэВ
МКГЧ
Выстроенность – экспериментальные данные и расчет
Отношение значений 〈ER〉 & 〈R〉 в выстроенных и невыстроенных событиях
МКГЧ
МКГЧ
МС0
МС0

Модель сильных взаимодействий
Феноменологические ограничения на модель сильных взаимодействий при E0 ≳ 1016 эВ
Модель сильных взаимодействий при E0 ≃ 1016 эВ (√s ≳ 4 TэВ) должна удовлетворять следующим требованиям
должен проявляться канал компланарной генерации частиц (КГЧ), характеризующийся процессами с большими поперечными импульсами (〈pt〉 ≳ 2 ГэВ/с) наиболее энергичных частиц в плоскости компланарности
сечение КГЧ-процесса σcompl должно быть сравнимым с неупругим сечением σinel при энергиях E0 ≳ 1016 эВ
необходима специфическая корреляция между продольными и поперечными импульсами компланарно генерируемых частиц d Лаб-системе: больше pt – меньшe pL
продольные характеристики вторичных частиц и Kinel не должны сильно отличаться от предсказаний МКГС.
p-air
p-air

На основе МКГС взаимодействия адронов и приближения A теории ЭМ каскадов создан код МС0 для моделирования адронных взаимодействий, который первым из подобных кодов включил генерацию полужестких и КХД струй, странных и чармированных частиц, мезонных и барионных резонансов
На основе кода МС0 создан программный пакет SIMULNEC для моделирования ЯЭК в атмосфере и получения характеристик его компонент (семейств γ-квантов, адронов, мюонов, одиночных частиц) в области энергий до ~1018 эВ.
Создан программный пакет SPHINX для моделирования ЯЭК в слоистом веществе (в приближении B теории ЭМ каскадов с учетом эффекта ЛПМ) в диапазоне энергий от ~107 до ~1015 эВ.
Предложены методы повышения эффективности генерации ЯЭК в атмосфере (для определенных задач в экспериментах с РЭК ).
Основные результаты, представленные к защите
Методические результаты

На основе КГС-подобной модели был рассчитан наиболее широкий круг характеристик космических лучей, измеряемых с помощью РЭК Сотрудничества «Памир».
Сделан вывод о том, что характеристики сильного взаимодействия адронов с ядрами воздуха, ответственные за создание γ-h семейств и других компонент космических лучей, соответствующих области E0 ≲ 5·1015 эВ, в целом, хорошо описываются в рамках моделей типа МКГС
На основе расчетов сделан вывод, что если Kinel – доля энергии, уносимая всеми частицами, кроме наиболее энергичного адрона (независимо от его типа), то при E0 ~1016 эВ 0,5 < Kinel ≲ 0,6, т.е. его значение
близко к оценке Г.Т.Зацепина, 1949;
противоречит глюонным моделям с уменьшающимся Kinel
Физические результаты
Основные результаты, представленные к защите

Впервые показано, что наблюдаемый эффект выстроенности наиболее энергичных структур γ-h семейств не объясняется
флуктуациями развития ЯЭК
атмосферными ЭМ полями
кинематикой обычных взаимодействий адронов
в рамках стандартных сечений КХД-процессов
компланарными взаимодействиями адронов с 〈pt〉 ≲1 ГэВ/с
Впервые проведен детальный анализ зависимости наблюдаемой выстроенности от широкого круга параметров взаимодействия и каскадного развития
Впервые показано, что каскадное развитие быстро разрушает выстроенность
Основные результаты, представленные к защите

Впервые показано, что для наблюдения экспериментальной выстроенности необходима специфическая корреляция между продольными и поперечными импульсами компланарно генерируемых частиц
Впервые показано, что наблюдаемый эффект выстроенности в экспериментальных событиях может быть объяснен только проявлением при E0 ≃ 1016 эВ (√s ≳ 4 TэВ) канала компланарной генерации частиц (КГЧ) с 〈pt〉 ≳ 2 ГэВ/с
Впервые показано, что во взаимодействиях протонов сечение процесса КГЧ σcompl должно быть сравнимым с полным неупругим сечением σinel при энергиях E0 ≳ 1016 эВ.
p-air
p-air
Основные результаты, представленные к защите

Представляемая диссертация подводит итоги сравнительного анализа экспериментальных и расчетных данных, проводившегося автором в качестве члена Сотрудничеством «Памир».
Постановка задач, решаемых в диссертации, была сделана автором либо лично (разработка общедоступного программного обеспечения, новых методов повышения эффективности моделирования ЯЭК, анализ влияния различных факторов на выстроенность), либо в результате совместных обсуждений в рамках Сотрудничества «Памир».
Автор участвовал в получении экспериментального материала, в течение ряда лет являясь руководителем эмульсионной группы ИЯИ РАН и участвуя в работе Памирской экспедиции.
Результаты, представленные к защите, получены лично автором.
Личный вклад

Основные результаты диссертации докладывались на
Международных Конференциях по космическим лучам:
Москва, 1987; Дублин, 1991; Калгари, 1993; Рим, 1995; Дурбан, 1997; Гамбург, 2001; Пуне, 2005
Международных симпозиумах по взаимодействиям космических лучей сверхвысоких энергий:
Находка, 1980; Лодзь, 1988; Токио, 1994; Лхаса, 1994; Гран-Сассо, 1998; Кампинас, 2000; Пилос, 2004)
Российских конференциях по космическим лучам
научных семинарах ИЯИ РАН, ФИАН, ОИЯИ, НИИЯФ МГУ, МИФИ
Апробация работы
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано
в 26 статьях;
включая 9 статей в реферируемых журналах.

Спасибо за внимание !

В диссертации было бы полезно часть материала вынести в приложения, например, п. 1.4 о переходах между системами отсчета, п. 1.10 о компьютерной организации моделирования.
Ответы на замечания ведущей организации НИИЯФ МГУ
Автор согласен с этим замечанием, поскольку действительно это могло бы улучшить восприятие материала

Не приведено достаточно подробное сравнение характеристик взаимодействий в моделях автора с другими моделями, используемыми мировым сообществом в данной области исследований, в частности, с используемыми в пакете CORSIKA
Ответы на замечания ведущей организации НИИЯФ МГУ
В ходе работы сравнения проводились, но в диссертации, действительно, это не нашло должного отражения.
В целом, характеристики кода МС0, на базе которого получены основные выводы диссертации, близки к параметрам основных моделей пакета CORSIKA
Ниже приведены два графика для сравнения результатов МС0 с расчетами, проведенными по различным моделям в рамках пакета CORSIKA, и экспериментальными данными по
спектру мюонов и
спектру адронов,
отражающими наиболее характерные начальную и завершающую стадии развития каскадов

Ответы на замечания ведущей организации НИИЯФ МГУ
Спектр мюонов на уровне моря (Gaisser & Honda PCR fit)
близко к экспериментальным данным L3+C
рядом с NEXUS 3.97 и SIBYLL 2.1
Предсказания МС0

Ответы на замечания ведущей организации НИИЯФ МГУ
Спектр адронов на уровне 820 г/см2 (Gaisser & Honda PCR fit)
Предсказания
МС0
близко к эксперименту EAS-TOP;
между QGSJET 01 и NEXUS 3.97, но немного круче

Ответы на замечания ведущей организации НИИЯФ МГУ
Т.о. эффективные характеристики кода МС0, на базе которого получены основные выводы диссертации, находятся в области вариаций параметров основных моделей, используемых в пакете CORSIKA

Требует дополнительного комментария вопрос о возможной зависимости оценки фоновой доли выстроенных событий от используемой в расчетах модели взаимодействия. От этого зависит вероятность наблюдения выстроенных событий в результате
Ответы на замечания ведущей организации НИИЯФ МГУ
фоновая доля выстроенных гамма-семейств F (λ4≥0,8) (а также выстроенных событий в ШАЛ и взаимодействиях):
данная диссертация МС0: 0,059±0,003
Дунаевский (ФИАН), MQ: 0,08±0,02
Галкин и др. (НИИЯФ), QGSJET 98: 0,06
T. Antoni et al. (KASCADE, адроны ШАЛ, CORSIKA): 0,06
Лохтин и др. (НИИЯФ), PYTHIA
(реалистичные условия наблюдения): 0,06
J.-N.Capdevielle et al. (γ-семейства), HDPM : 0,08
Но! При анализе не было перехода в плоскость, перпендикулярную к оси каскада. Для наклонных событий автоматически появляется дополнительная вытянутость
ускорительные данные (Яндарбиев, дисс. НИИЯФ) : 0,06
⇒ Величина фона – устойчивое значение!

При анализе выстроенности в суперсемействе JF2af2, наблюдаемом в стратосфере, приведен только коэффициент регрессии β38 для 38 наиболее энергичных частиц, а критерий λ38 для определения выстроенности лишь оценен, что оставляет не совсем ясное впечатление о ситуации с этим событием
Ответы на замечания ведущей организации НИИЯФ МГУ
К сожалению, не удалось получить первичные данные от проф.
J.-N.Capdevielle, несмотря на неоднократные обращения и его обещания это сделать. Поэтому пришлось ограничиться весьма достоверной оценкой с большим запасом на основе расчетов проф. J.-N.Capdevielle, показавших сильную корреляцию между параметрами β и λ

Следовало бы уделить больше внимания обзору работ по выстроенности других авторов, в частности, группы НИИЯФ МГУ, где рассматривались проблемы связи выстроенности и больших импульсов, проблемы случайного фона и т.д.
Ответы на замечания ведущей организации НИИЯФ МГУ
Автор приносит свои извинения за недостаточно полное освещение вклада коллектива НИИЯФ МГУ в исследование проблемы выстроенности гамма-адронных семейств и получение важнейших результатов, среди которых особо выделяются следующие:
формулировка концепции энергетически выделенных центров
(ЭВЦ)
обнаружение очень высокой доли выстроенных гамма-семейств с ΣEγ > 700 ТэВ в свинцовых камерах: F (λ4>0,8) = 0,43
зависимость степени выстроенности γ-h семейств от числа адронов, входящих в их состав
обнаружение очень высокой степени выстроенности уникального события «Страна»

Для расчетов используется спектр частиц ПКИ, предложенный С.И. Никольским … имеются и другие точки зрения как на состав, так и на наклоны спектров различных ядер в области энергий порядка и выше 1016 эВ. Это обстоятельство следует учитывать
Ответы на замечания д.ф.-м.н. Л.Г.Деденко
Несомненно, следует учитывать другие варианты спектра ПКИ
γ-h семейства чувствительны, в первую очередь, к некоторой эффективной интенсивности протонов в достаточно широкой области ПКИ (~1015 – 1016 эВ). В этом отношении т.н. спектр ПКИ Никольского мало отличается от других аппроксимаций.
автором использовался также т.н. спектр ПКИ Ерлыкина, который практически совпадает с одной из совр. аппроксимаций Gaisser & Honda (дает одинаковые результаты в потоках μ и h)
Спектр ПКИ KASCADE с очень быстрым вымиранием компонент при E0>Z ⋅ 3⋅1015 эВ сильно противоречит данным РЭК и не заслуживают серьезного внимания (Свешникова Л.Г, … Мухамедшин Р. и др. Изв. РАН, сер. физ., 2005, т.59, № 3, с.384)
Выводы диссертации слабо зависят от вида спектра ПКИ

Для учета кулоновского рассеяния электронов и позитронов в атмосфере используется распределение Ферми, но опускаются корреляции между углом отклонения и соответствующей координатой. Представляется, что использование распределений, учитывающих эту корреляцию, существенно и может повысить надежность проводимого анализа.
Ответы на замечания д.ф.-м.н. Л.Г.Деденко
Учет корреляций действительно может повысить надежность проводимого анализа
С другой стороны, поскольку угол рассеяния θ ~ 1/Ε , а энергии частиц очень высоки (> n⋅ТэВ), то эффект многократного рассеяния (в данном случае!) не слишком силен сам по себе (поперечные характеристики γ-h семейств определяются, в первую очередь, ядерными p t~ 0,4 ГэВ/с), а упоминаемая корреляция представляет еще более слабый эффект

Моделирование процедуры измерения почернений в программе SPHINX описано не вполне ясно. В частности, кривая зависимости почернения от размера ячейки приведена без учета возможных ошибок …Неясны последствия этой неопределенности для проводимого в дальнейшем анализа экспериментальных данных.
Ответы на замечания д.ф.-м.н. Л.Г.Деденко
В настоящее время в рамках работы по объединению программ SPHINX и ECSim (НИИЯФ) проводится детальный анализ этой проблемы, что позволит решить поставленную в диссертации проблему.

Методы повышения эффективности моделирования электронно-ядерных каскадов … важны для проведения намеченных исследований … Предлагается отбрасывать частицы с малыми энергиями, если они находятся на больших расстояниях от уровня наблюдения…(это) позволяет сократить время вычислений, но необходимо провести анализ, стоит ли на этом экономить. .
Ответы на замечания д.ф.-м.н. Л.Г.Деденко
Действительно, в настоящее время необходимость экономии счетного времени за счет подобных процедур в экспериментах, рассматриваемых в диссертации, не стоит так остро, как лет десять назад. С другой стороны, расчеты каскадов от космических лучей сверхвысоких энергий иногда проводятся на грани возможности компьютеров; возможно, в этом случае некоторые из рассматриваемых в диссертации идей могут найти применение

Рассматриваемые в первых двух главах программы МС0 и SPHINX фактически являются специализированными аналогами широко используемых программ CORSIKA и GEANT, поэтому сопоставление результатов расчетов по этим парам программ, хотя бы для отдельных случаев (точек), явилось бы хорошей дополнительной проверкой корректности разработанных моделей и программ.
В диссертации … затронута проблема измерения почернений, по которым … определяются энерговыделения в … слое РЭК. … Влияние точности измерения на результаты как эксперимента, так и моделирования необходимо было рассмотреть, так как … "измеренное" полное потемнение может почти в три раза изменяться в зависимости от размера ячейки lcell для пятен потемнения…
Ответы на замечания д.ф.-м.н. А.А.Петрухина

Ответы на замечания д.ф.-м.н. А.А.Петрухина
Несомненно, сопоставление результатов расчетов, получаемых по различным программам является хорошей дополнительной проверкой корректности разработанных моделей и программ
Характеристики кода МС0 находятся в области вариаций параметров основных моделей, используемых в пакете CORSIKA
В настоящее время проводится работа по объединению программ SPHINX и ECSim (основанной на GEANT). После завершения работы все полученные в диссертации результаты будут проверены с помощью новой программы, в частности, будет изучено влияние точности измерений на различные результаты как эксперимента, так и моделирования

Автор не использовал прекрасную возможность проверки своей модели по мюонной компоненте космических лучей, хотя на стр.111 он прямо пишет: "Любая модель … должна, в первую очередь, описывать спектры одиночных частиц, то есть электромагнитную, адронную и мюонную (!) компоненты"
Ответы на замечания д.ф.-м.н. А.А.Петрухина
Сравнение с расчетными (по пакету CORSIKA) спектрами мюонов приводилось в ответе на замечания ведущей организации
Совместно с А.Цябуком и Ю.Стенькиным (ИЯИ РАН) в ряде работ было показано, что влияние КГЧ на характеристики групп мюонов, регистрируемых на БПСТ, пренебрежимо мало по причине
малой вероятности распада компланарно-генерированных пионов высоких энергий
высокой фоновой выстроенности групп мюонов от МП Земли)

Ответы на замечания д.ф.-м.н. И.И.Ройзена
КХД не объясняет данные UA2
Определенные модельные ухищрения могут сблизить теорию и эксперимент
косвенное указание на дополнительный процесс с большими pt ?
pp
Результаты моделирования не сравниваются с экспериментальными данными при 10 < pt < 60 ГэВ/с, тогда как именно в этой области используемая модель мини-струй, скорее всего, является неадекватной
Леонидов
УФН
Предсказания MC0
ниже UA2 при Etr >10 ГэВ
ближе к UA2, чем КХД при Etr<30 ГэВ (из-за министруй)
стремятся к КХД при Etr → 30 ГэВ (выход на КХД режим)
выше КХД при всех Etr

Пренебрегается кронин-эффектом при описании взаимодействия ядер
Ответы на замечания д.ф.-м.н. И.И.Ройзена
Кронин-эффект (увеличение выхода вторичных частиц на ядрах при pt ≳ 2 ГэВ/с) эффективно проявляется
в центральных столкновениях ядер
в центральной кинематической области (η ~ 0)
cоставляет ≲ 10%
γ-h семейства чувствительны, в первую очередь, к эффективной интенсивности протонов
Неучет кронин-эффекта не должен сказаться на основных выводах диссертации

Отсутствие в необходимом контексте необходимых ссылок на теоретические работы И.В.Андреева по «кентаврам» и ядро-ядерному взаимодействию
Автор приносит извинения глубокоуважаемому Игорю Васильевичу Андрееву, на монографию которого имеется ссылка в разделе диссертации, посвященном моделированию КХД струй
И.В.Андреев первым предложил теоретическое объяснение наблюдению в РЭК т.н. «кентавров» (ливней, состоящих, в основном, из адронов) – взаимодействием, в котором из-за нарушения изотопической инвариантности генерация π0 подавляется в пользу генерации π±
Ответы на замечания д.ф.-м.н. И.И.Ройзена

Общедоступное программное обеспечение для моделирования ЯЭК в атмосфере на основе МКГС взаимодействия адронов и ускорительных данных, первым из подобных кодов включившее генерацию КХД струй, странных и чармированных частиц, барионных и мезонных резонансов.
Общедоступное программное обеспечение для компьютерного моделирования ЯЭК в слоистом веществе и процедур обработки данных, получаемых в РЭК, в области энергий до ~ 1015 эВ.
Методы повышения эффективности моделирования генерации ЯЭК в атмосфере применительно к определённым задачам.
Результаты расчетов широкого круга характеристик космического излучения, измеряемых в экспериментах Сотрудничества «Памир».
Вывод, что характеристики сильного взаимодействия адронов с ядрами воздуха в области энергий E0 ≲ 5 ⋅1015 эВ в целом хорошо описываются в рамках модели кварк-глюонных струн.
Основные результаты, представленные к защите

Вывод, что если определить коэффициент неупругости Kinel как доли энергии, уносимой всеми частицами, кроме самого энергичного адрона, то при E0 ~1016 эВ 0,5 < Kinel ≲ 0,6.
Результаты сравнительного анализа наиболее широкого набора экспериментальных данных и результатов моделирования явления выстроенности наиболее энергичных структур ЯЭК.
Вывод, что эффект выстроенности не объясняется
а) флуктуациями; б) магнитным полем Земли и электрическими полями; в) в рамках КХД; г) генерацией частиц с поперечным импульсом 〈 pt 〉 < 1 ГэВ/с в плоскости компланарности.
Вывод, что развитие ЯЭК быстро разрушает его компланарность.
Вывод, что при E0 ≳1016 эВ проявляется новый канал, реализующийся в виде компланарной генерации частиц (КГЧ).
Вывод, что сечение КГЧ, обусловленной взаимодействиями протонов, при E0 ≳ 1016 эВ КГЧ сравнимо с полным неупругим сечением.
Основные результаты, представленные к защите

Произведено детальное, более широкое, чем было сделано до настоящего времени, сравнение различных характеристик ЯЭК в рамках единой модели, с учетом процессов регистрации.
Показано, что модель кварк-глюонных струн хорошо описывает сравнительно широкий круг данных РЭК, но Kinel растет медленнее, чем получено в предыдущих работах по данным РЭК.
Рассмотрено влияние ряда факторов на азимутальные характеристики γ-h семейств и показана недостоверность выводов ряда работ о причинах появления азимутальных эффектов.
Исследованы некоторые теоретические модели применительно к появлению процесса компланарной генерации частиц при сверхвысоких энергиях; показано, что данные РЭК чувствительны к анализируемым новым процессам и произведено их сравнение с предсказаниями теорий.
Научная новизна

Показано, что развитие ЯЭК быстро разрушает компланарность.
Предложена феноменологическая картина характеристик фрагментационной области адрон-ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях (E0 ≳ 1015 эВ), описывающая наиболее широкий круг экспериментальных данных по сравнению с другими существующими в данной области исследований моделями.
Сделан вывод, что эффект выстроенности может быть объяснен только, если при E0 ≳ 1015 эВ проявляется новый канал, реализующийся в виде компланарной генерации частиц (КГЧ).
Впервые показано, что сечение КГЧ, обусловленной взаимодействиями протонов, при E0 ≳ 1016 эВ сечение КГЧ сравнимо с полным неупругим сечением.
Научная новизна

Разработано общедоступное программное обеспечение для моделирования ЯЭК в атмосфере, наиболее полно среди аналогичных программ аккумулирующее предсказания модели кварк-глюонных струн, КХД и ускорительные данные, которое может быть применено для астрофизических и ядернофизических исследований.
Разработано общедоступное программное обеспечение для моделирования ЯЭК в слоистом веществе и процедур обработки данных, получаемых в РЭК, при энергиях до ~ 1015 эВ, которое может быть применено в ряде экспериментов в космических лучах
Предложены новые методы повышения эффективности моделирования электронно-фотонных каскадов, которые могут быть применены в различных исследованиях в космических лучах.
Практическая ценность