регистрация космических лучей Сверхвысоких энергий с помощью низкочастотного радиоизлучения

 

А.Ш. Георгадзе,  В.Н. Павлович

 

Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев

 

Природа и происхождение космических лучей ультравысоких энергий (КЛУВЭ) с энергиями выше ~ 10¹⁹ eV является одной из наиболее актуальных проблем современной физики. Однако, исследование КЛУВЭ сопряжено со значительными трудностями, связанными главным образом с малостью потока таких частиц. При энергии E > 10²⁰ эВ этот поток составляет примерно одну частицу на 1 км² в столетие, что требует создания детекторов с площадью порядка 10⁶ км². Создание установки таких размеров с использование стандартных сцинтилляционных либо черенковских детекторов не представляется возможным.

Предложенный для регистрации КЛУВЭ радиометод успешно апробирован в экспериментах LOPES и  Pier Auger. Согласно последним данным, полученным в этих экспериментах установлено, что регистрируемое радиоизлучение связано не только с геомагнитным механизмом, а также наблюдается вклад радиоизлучения, связанного с избытком электронов.

В данной работе исследуется возможность регистрации КЛУВЭ с помощью низкочастотного радиоизлучения, возникающего от тока связанного с избытком электронов на больших расстояниях от оси ШАЛ.

Моделирование прохождения через атмосферу Земли и определение основных параметров ШАЛ от первичных протонов  в диапазоне энергий 10¹⁵-10²⁰ эВ было проведено с помощью программы CORSIKA версии 6720, для взаимодействия адронов высокой энергии была использована модель QGSJET 01, для низкоэнергичных адрон-ядерных взаимодействий использовалась модель GHEISHA. Моделирование проводилось для зенитных углов распределенных изотропно в интервале 0-20є. С целью ускорения расчетов задействован механизм статистическо­го прореживания (thinning) со следующими парамет­рами: E_i/E₀ = 10^-5. Получены распределения е^- и е⁺, согласно которым избыточный заряд составляет 30%.

Для расчета радиоэмис­сии с частотами 0,1-3 МГц использована модель ШАЛ в виде тонкого диска, движущегося со скоростью света. В рамках модели, связанной с излучением избыточными электронами ШАЛ получена оценка напряженности электрического поля для частот 0,1-3 МГц, которое на расстоянии 1000 км для первичных протонов с энергией 10²⁰ эВ составляет 0.5 мкВ/(м • МГц). При этом пространственная диаграмма радиоизлучения, связанного с избыточными электронами ШАЛ близка по своей форме к диаграмме диполя Герца. В этом случае возможна регистрация на больших расстояниях от оси ШАЛ не только прямого сигнала, а также и отраженного от ионосферы сигнала, что увеличивает чувствительность системы регистрации КЛУВЭ.

Данный факт позволяет рассчитывать зарегистрировать радиосигнал от КЛУВЭ с помощью установленной на украинской антарктической станции «Академик Вернадский» антенны бегущей волны длиной в 300 м (антенны Бевереджа), с максимумом диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, ориентированным в центр Индийского океана, что позволяет просматривать большую часть антарктического материка, то есть покрывать площадь ~ 10⁶ км².