Основные НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОТДЕЛА ЧСВЭ ЗА ПЕРИОД 1992-2016 гг.

Ежегодные результаты работы коллектива ШАЛ обсуждаются и   формируются на заседании Совета отдела ЧСВЭ. Здесь далее приводятся основные научные результаты по годам за период 1992-2016 гг., когда заведующим отделом ЧСВЭ, а в последующем научным руководителем направления «Исследование космических лучей сверхвысоких энергий» был Слепцов И.Е.

Жирным шрифтом выделены результаты, отнесенные по решению ученого Совета Института к важнейшим результатам и включенные в отчет Института для представления в Президиум СО РАН. Здесь только эти результаты сопровождаются, если это необходимо,  соответствующими рисунками.

 

1992 год

1. В результате анализа экспериментального материала наблюдений на Якутской установке ШАЛ по всем трем основным компонентам (заряженная, мюонная и черенквский свет) показано изменение энергетической зависимости характеристик поперечного развития ливня при Е_о=(2-5)х10¹⁸ эВ и установлена эмпирическая связь плотности потока черенковского света ШАЛ на близких расстояниях от оси ливня с числом частиц на уровне наблюдения;
2. Установлена зависимость пробега поглощения классификационного параметра ρ₆₀₀ от зенитного угла θ, дается аналитический вид этой зависимости;
3. По данным Якутской установки с учетом методических эффектов измерения получено, что наблюдаемое распределение по галактическим широтам первичных космических лучей не противоречит изотропному распределению в области энергий выше 5х10¹⁸ эВ;

4.Завершен монтаж и начаты работы по наладке мюонного детектора с площадью 200 м² в составе Якутской установки ШАЛ.

 

 

1993 год

1. Абсолютное значение глубины максимума развития ШАЛ и скорость её смещения, найденные по измерениям на Якутской установке для широкого интервала энергий, подтверждают ранее полученный нами другим методом результат об увеличении с ростом энергии доли протонов в составе первичного космического излучения;
2. В результате совместной работы с группой исследователей Даремского университета (Англия) показано, что наблюдаемое по мировым данным распределение по галактическим широтам космических лучей с энергией выше 4х10¹⁹ эВ противоречит гипотезе о их галактическом происхождении;
3. Изучено распределение направлений прихода первичного космического излучения (ПКИ) по мировым данным регистрации ШАЛ с энергией выше 5х10¹⁸ эВ и выделен на небесной сфере 7 участков, представляющих собой возможное местонахождение точечных источников ПКИ;
4. Исследовано влияние углового распределения частиц в парциальных ливнях на пространственное распределение плотности потока черенковского света ШАЛ. Показано, что лучшее согласие расчетов с результатами измерений имеет место в случае углового распределения экспоненциального вида;
5. Установкой Флайс Ай (США) подтвержден полученный на Якутской установке результат о существовании в ПКИ частиц с энергией выше 10²⁰ эВ.

(Перечисленные результаты апробированы и опубликованы в трудах 23-й МККЛ в Калгари, ежегодной Британской конференции по астрономии и в зарубежных журналах).

1994 год

1. С использованием уточненной методики получено новое экспериментальное подтверждение аномального поведения мюонной компоненты ШАЛ при энергии Е_о>5х10¹⁸ эВ. Полученные характеристики потока мюонов в этой области от энергии и зенитного угла существенно иначе, чем при меньших энергиях. Наблюдаемая нерегулярность может быть связана с какими-то новыми процессами развития ШАЛ. В то же время не исключена возможность появления новых частиц в составе ПКИ;
2. Разработана методика для анализа свойств ШАЛ, сочетающая одновременное рассмотрение каскадных кривых развития ливня, определяемых по черенковскому излучению, и зенитно-углового распределения ливней. С помощью такой методики получено, что показатель спектра ШАЛ по числу частиц при N~10⁹ меняется c 1.92 на 1.67;
3. Совместный анализ поперечного и продольного развития ШАЛ, зенитно-углового распределения ливней показывает, что в области энергий 10¹⁸-10¹⁹ эВ развитие ШАЛ ускоряется, глубина максимума ливня приближается к уровню моря быстрее, чем это следует из экстраполяции данных из области меньших энергий. Это не противоречит предположению о преобладающей роли протонов в первичном излучении при Е_о~10¹⁹ эВ;
4. Получено, что доля нейтронов в составе первичных космических лучей с энергией выше 10¹⁸ эВ составляет менее 16%;
5. За сезон осень 1993 – весна 1994 г. Полное время регистрации Установки ШАЛ составило 5293 часа, т.е. 60.4% годового времени. Мюоны ШАЛ наблюдались 4800 часов. Оптические наблюдения проводились в течении 442 часа. Такая экспозиция соответствует усредненным значениям за предыдущие годы.

1995 год

1. С привлечением нового экспериментального материала на модернизированной Якутской установки ШАЛ подтвержден ранее полученный нами результат о нарушении степенного характера энергетического спектра ПКИ нерегулярностью типа «bump» в области энергий выше 5х10¹⁸ эВ. Наблюдаемая форма спектра подтверждается также современными данными других действующих установок в США и Японии;
2. На основе гармонического анализа по прямым восхождениям всего массива данных Якутской установки установлено отсутствие анизотропии космических лучей в интервале энергий 10¹⁷-5х10¹⁹эВ;

3.На основе  совместного анализа данных регистрации заряженной, мюонной компонент и черенковского света ШАЛ в области энергий 10¹⁷-10¹⁹ эВ установлено , что скорость развития ливневого каскада растет с энергией.

1996 год

1.Разработан метод  определения плотности заряженных частиц вблизи порога регистрации, позволяющий расширить диапазон контролируемых расстояний от оси ливня с энергией 10¹⁷-10¹⁸ эВ почти в 2 раза. Использование этого метода в анализе данных Якутской установки показало, что форма среднего пространственного распределения заряженных частиц ШАЛ с ростом энергии первичной частицы существенно изменяется и перестает описываться общепринятой аппроксимацией, так называемой функцией Линсли (рис.1);

Рис.1. Отношение измеренных плотностей частиц к ожидаемым согласно ФПР Линсли с параметрами а=1.3 и b=3.2+0.15(logE_o-17).

2. Анализ данных Якутской установки ШАЛ при энергии выше 10¹⁹ эВ обнаруживает тенденцию к возрастанию доли космических лучей, приходящих со стороны плоскости Сверхгалактики (рис.2);

Рис.2. Относительное число ПКИ, приходящих из экваториальной области Галактики (G) и Сверхгалактики (SG) зависимости от энергии.

3. В предположении, что общий поток ПКИ состоит из внегалактических частиц с изотропным угловым распределением и из ядер железа и протонов галактического происхождения , по объединенным данным Сиднея и Якутска получена оценка верхнего предела потока протонов и нейтральных частиц из диска Галактики в области энергий выше 5х10¹⁸ эВ, составляющего (20±10) от полного потока космических лучей, т.е. 1.6х10^-14 м^-2·с^-1·ср^-1.
4. В составе Якутской установки создана система для регистрации ШАЛ с энергией 5х10¹⁵-10¹⁷ эВ по черенковскому излучению и проведена пробная регистрация.

1997 год

1.Проведен  анализ распределения по направлениям прихода ПКИ,  зарегистрированного на Якутской установке ШАЛ за весь период её работы:

• обнаружена северо-южная асимметрия в распределении космических лучей по галактическим широтам в области энергий 10¹⁹ эВ, которая может быть объяснена примесью тяжелых ядер галактического происхождения в изотропном потоке внегалактических протонов (рис.);

Рис. Параметр асимметрии R_NSA=(N_N— N_S)/( N_N+ N_S), где N_N  – число частиц из северной полусферы, N_S – из южной, распределения космических лучей по галактическим широтам в зависимости от их энергии. Точки – экспериментальные данные Якутской установки. Кривыми показаны результаты модельных расчетов для смеси изотропно распределенных внегалактических протонов с ядрами (N_u) и протонов (P) из диска Галактики. Пунктиром (i) обозначено значение R_NSA для изотропного рапределения.  

• показано наличие статистически значимой анизотропии при ~10¹⁷ эВ и 4х10¹⁸ эВ, характеризуемая амплитудой, фазой первой гармоники и вероятностью случайности: А₁=(1.35±0.36)%, φ₁= 123^о±15^о, Р=0.0009 и  А₁=(6.4±1.8)%,  φ₁=347^о±17^о, Р=0.0027, соответственно. Исходя из направления фазы анизотропии при 4х10¹⁸эВ(она направлена в сторону галактической плоскости) можно сделать вывод, что космические лучи до этой энергии являются галактическими.

2. Получены предварительные результаты о пространственно-временной структуре мюонов с пороговой энергией 0.5 ГэВ в широких атмосферных ливнях с энергией 10¹⁷-10¹⁸ эВ. Показано, что эффективная толщина мюонного диска на расстоянии ближе 1000 м от оси ливня не превышает 300 нс.

1998 год

1.По данным Якутской установки за весь период её работы впервые с высокой степенью достоверности (0.9998)  направления прихода космических лучей с энергией ~10¹⁹ эВ  отождествлены с пульсарами, расположенными вдоль крупномасштабного магнитного поля Галактики. Частицы, распространяющиеся вдоль этого направления, отклоняются от среднего направления значительно меньше, чем с других направлений, всего на 3.5^о. Точность определения направления находится в пределах двукратной ошибки определения углов прихода ливней.

2. Из анализа экспериментальных данных о мюонах с пороговой энергией Е_µ=1.0хsecθ и заряженных частиц в ШАЛ, зарегистрированных на Якутской установке в 1974-1998 гг., установлено, что зависимость от энергии отношения числа мюонов и заряженных частиц Nµ/N_s, измеренных в диапазоне расстояний 100-1000 м от оси, существенно меняется при Е_о≥5х10¹⁸ эВ и ведет себя по разному для вертикальных и наклонных ливней. Высказано предположение, что это  связано с появлением новых процессов в развитии ШАЛ указанных энергий по сравнению с областью меньших Е_о.

1999 год

1.На основе однородных данных, полученных на второй очереди Якутской установки ШАЛ с использованием единой методики отбора, построен  энергетический спектр космических лучей в области энергий 3х10¹⁷-3х19¹⁹ эВ. Подтверждается ранее установленное отклонение спектра в области энергий ≥10¹⁸ от степенной зависимости Е_о^-3.0 (рис.).  имеет сложную форму и не согласуется со степенной зависимостью с единым показателем. Тем самым  отвергается возможность существенных методических искажений за счет использования разных типов отбора событий в рассматриваемой области энергий. (Поддержка ведущих научных школ, ФЦП по поддержке уникальных стендов и установок).

Рис. Дифференциальный энергетический спектр космических лучей. Светлые кружки – новые данные Якутской установки с отбором событий одним триггером-500 во всем диапазоне энергий. Черные квадратики – результат 1995 г., полученный при Е_о>10¹⁹эВ по событиям, зарегистрированным триггером-1000, для которого расстояние между соседними станциями 1000 м, в два раза больше, чем для триггера-500. Пунктирной линией показана зависимость J~Е_о^-3.0.

2. По данным многолетних наблюдений на Якутской установке ШАЛ измерена азимутальная модуляция в геомагнитном поле частоты событий ливней с фиксированной плотностью заряженных частиц. Геомагнитный эффект влияет на наблюдаемое распределение заряженных частиц ливня и приводит к искажению энергетического спектра ШАЛ и распределения прихода первичных частиц в пределах 10-20% в зависимости от зенитного угла. (ФЦП по поддержке уникальных стендов и установок).
3. Обнаружена область вблизи галактической плоскости (b=-(10^o÷0^o) и l=90^o÷150^o), со стороны которой по данным Якутской установки наблюдается превышающий фон на 4.4σ поток частиц с энергией ~10¹⁹ эВ. Как вероятные точечные источники, обеспечивающие такой поток частиц, идентифицированы 9 пульсаров на расстоянии 3 кпк от Земли;
4. Показано, что атмосферные вариации частоты ливней, регистрируемых Якутской установкой в области 10¹⁷ эВ, вносят существенный вклад в амплитуду вектора анизотропии по прямому восхождению. Предложен метод учёта такого вклада с использованием вектора анизотропии по антизвёздному времени и наблюдаемого зенитно-углового распределения событий. При учёте атмосферных вариаций амплитуда первой гармоники по прямому восхождению А₁=(0.47 ± 0.52)%. (В рамках проекта по гранту РФФИ №98-02-17725).     

2000 год

1. Из анализа данных Якутской установки по пространственному распределению электронов и мюонов, их сравнения с расчетами по модели QGSjet установлено:

• при Е_о<3х10¹⁸ эВ результаты расчетов согласуются с экспериментом в предположении, что состав первичных частиц меняется от смеси, обогащенной тяжелыми ядрами (Z=10-30 около 60%) при Е_о≈10¹⁷ эВ, к преимущественно протонному составу при Е_о≈10¹⁸ эВ;
• в области Е_о>3х10¹⁸ эВ ливни существенно меняют свою пространственную структуру, и эти изменения не находят своего объяснения в рамках  QGSjet ни при каком составе первичных частиц и требуют новых предположений о развитии ливней в области предельно высоких энергий. (Глушков А.В., Правдин М.И., Слепцов И.Е., Слепцова В.Р., Калмыков Н.Н. Электроны и мюоныв ШАЛ с Е_о>10¹⁷ эВ по данным Якутской установки и модель QGSjet//Ядерная физика, 2000, т.63, в.8, с. 1557-1568).

2. По данным Якутской установки измерены кривые равной интенсивности ШАЛ в наклонных ливнях, которые используются для несмещенной оценки энергии первичных частиц в расширенной до 70^о области зенитных углов. Показано, что пробег поглощения плотности заряженных частиц ρ₆₀₀ растёт с увеличением зенитного угла. (Иванов А.А., Егорова В.П., Кнуренко С.П. и др. Изучение наклонных ливней КЛ СВЭ на Якутской установке ШАЛ// Изв.РАН, серия физич., 2001, т.65, с.1221-1223).
3. В результате анализа направлений прихода зарегистрированных на Якутской установке ливней с энергией выше 8х10¹⁸ эВ обнаружен со стороны плоскости Галактики (|b|<3^о) поток частиц, превышающий поток в случае изотропного распределения частиц на 4.2σ (наблюдается 59 ливней вместо ожидаемых 34.4 событий). (Михайлоа А.А. Направления прихода и химический состав космических лучей сверхвысоких энергий// Письма а ЖЭТФ, 2000, т.72, в.4, с.233-235)

 

2001 год

1.Из анализа распределения направлений прихода космических лучей по данным Якутской установки ШАЛ получены свидетельства того, что при энергиях до 10¹⁹ эВ преобладает вклад галактических источников, а при энергиях выше 10¹⁹ эВ – внегалактические источники частиц (рис.). (Глушков А.В., Слепцов И.Е. Корреляция направлений прихода КЛ с Е_о>10¹⁹ эВ с плоскостью Сверхгалактики // Изв.РАН, серия физич., 2001, т.65, в.3, с.437-440; Глушков А.В. Космические лучи с энергией Е_о>10¹⁹ эВ и крупномасштабная структура Вселенной // Письма в ЖЭТФ, 2001, т.73. в.7, с.355-358).

Рис. Распределение широких атмосферных ливней (ШАЛ) с энергиями Е_о=(3-4)x10¹⁹ эВ (вверху) и Е_о>8x10¹⁹ эВ (внизу) в зависимости от широты их прихода в галактических (слева) и сверхгалактических  (справа) координатах в единицах n_σ=(N_exp – N_ran)/σ, где N_exp  — количество зарегистрированных ливней и N_ran – количество ожидаемых для изотропного потока, а  σ = VN_ran

2. В результате гармонического анализа распределений ШАЛ по звездному времени и прямому восхождению установлено, что при энергии 10¹⁷ эВ амплитуда первой гармоники не превышает 0.8% с вероятностью 0.95, в то же время в области 10¹⁹ эВ соответствующая амплитуда становится значимой и равной (26.4±8.0)% c вероятностью случайного 0.004 при фазе 34.5^о±18.0^о. ( ПравдинМ.И., Иванов А.А., Красильников А.Д., Михайлов А.А., Слепцов И.Е. Анализ анизатропии КЛ с энергией около 10¹⁷ эВ по данным Якутской установки ШАЛ // ЖЭТФ, 2001, т.119, в.5, с.881-885)
3. По данным автономной черенковской установки получены:

• спектр ШАЛ по измеряемому параметру Q₁₀₀ – плотности потока света на расстоянии 100 м от оси ливня, который имеет изгиб при значении данного параметра, соответствующем энергии первичной частицы 3х10¹⁵ эВ;
• зависимость от энергии глубины максимума развития ШАЛ, которая в рамках QGS-модели развития ливня указывает на утяжеление состава первичного излучения после изгиба в энергии.

(S.P.Knurenko, V.A.Kolosov, Z.P.Petrov, I.Ye.Sleptsov,and S.K.Starostin. Cosmic Ray Ehergy Spectrum in the Energy Region of 10¹⁵-10¹⁷ eV// Proc.27-th ICCR, Humburg, Germany, 2001, v.1, p.145-147;  S.P.Knurenko, V.A.Kolosov, Z.P.Petrov, I.Ye.Sleptsov,and S.K.Starostin. Longitudinal Development of Showers in the Energy Region of 10¹⁵-10¹⁷ eV// Ibidem, v.1, p.157-160)/

4. Выполнен совместный анализ данных наземных и подземных детекторов Якутской установки, в результате обнаружено 9 ливней с энергией выше 8х10¹⁸ эВ без мюонной компоненты против ожидаемых 0.4 события, из них 5 событий по напрвлениям прихода группируются в кластеры (дублеты и триплеты). (A.V.Glushkov, I.T.Makarov, M.I.Pravdin et al. Zenith-angle Dependence ρ_s,600 and ρ_μ,600 in the Giant Air Showers // Proc.27-th ICCR, Humburg, Germany, 2001, v.2, p.411-413).

2002 год

1. На основе единой методики по измерениям черенковского излучения широких атмосферных ливней (ШАЛ), выполненных на Якутской установке ШАЛ, впервые определен спектр космических лучей в широком диапазоне энергий от 10¹⁵ эВ до 5х1019 эВ. Измерения подтверждают сложную форму спектра, которая при ее степенной аппроксимации имеет два излома: при энергии 3х10¹⁵ эВ («колено») и 10¹⁹  эВ («лодыжка») (рис.) .    (A.A.Ivanov, S.P.Knurenko, I.Ye.Sleptsov. The Energy Spectrum of Cosmic Rays above 10¹⁵ eV Derived from Air Cherenkov Light Mtasurements in Yakutsk // Nuclear Phesics B (Proc.Suppl.)122, 2003, p.226-230).

Рис. Энергетический спектр первичного космического излучения по данным измерений черенковского излучения на Якутской комплексной установке ШАЛ

2. Проанализированы направления прихода космических лучей с энергиями Е₀ > 5×10¹⁸ эВ по данным Якутской установки ШАЛ за 1974-2001 гг. Показано, что для частиц, составляющих 6% от общего потока ПКИ, источниками могут быть квазары.(Глушков А.В. Квазары – вероятные источники космических лучей с Е₀ > 5×10¹⁸ по данным Якутской установки ШАЛ// Изв.РАН, серия физич., 2002, том 66, №11, с.1601-1604).
3. При анализе распределения ливней, зарегистрированных на Якутской установке, по звездному времени с учётом неоднородности обзора неба и изменений атмосферных условий не обнаружено значимой анизотропии вплоть до энергий 10¹⁸ эВ. Амплитуды первых двух гармоник составляют: А₁=(0.30±0.21)% и А₂=(0.34±0.21)% для энергии Е₀ »10¹⁷эВ; А₁=(0.58±1.1)% и А₂=(1.23±1.1)% для энергии Е₀ »10¹⁸эВ.( Правдин М.И., Иванов А.А., Красильников А.Д., Колосов В.А., Макаров И.Т., Михайлов А.А., Слепцов И.Е., Стручков Г.Г. Анизотропия космических лучей по данным Якутской установки ШАЛ// Изв.РАН, серия физич., 2002, том 66, №11, с.1594-1597).
4. В апреле 2002 г. проведена пробная регистрация трековым черенковским детектором на основе камеры обскура. Предварительные результаты подтверждают возможность получения информации о продольном развитии ШАЛ прямым способом.

2003 год

1. Анализ направлений прихода космических лучей (КЛ), зарегистрированных Якутской установкой ШАЛ, обнаруживает значимую анизотропию в интервале энергии (1-2)х10¹⁹ эВ, характеризуемую избыточным потоком частиц из области небесной сферы 1.7^h<α< 3.7^h; 45^o<δ<60^o (рис.). Такой характер анизотропии ожидается, если вклад внегалактических источников в наблюдаемый поток КЛ возрастает с ростом энергии Е_о и становится преобладающим при Е_о>10¹⁹ эВ над вкладом галактических источников КЛ. (Иванов А.А., Красильников А.Д., Правдин М.И. Поиск анизотропии направлений прихода космических лучей сверхвысоких энергий с применением вейвлета Марра на экваториальной сфере. Письма в ЖЭТФ, 2003, т.78, вып.11, сс.1207-1211).

Рис. Интенсивность космических лучей J/<J>  в области энергий E > 10¹⁸ эВ как функция прямого восхождения a (a) и склонения d (b). <J> — усредненная по направлениям прихода интенсивность КЛ.

2. Уточнена зависимость от зенитного угла q регистрируемых Якутской установкой ШАЛ параметров S₃₀₀ и S₆₀₀ (плотности заряженных частиц на расстояниях 300 и 600 м от оси ливня), которые используются для оценки энергии частиц космических лучей. Предложена новая формула, в которой изменение S₃₀₀ (S₆₀₀) c глубиной атмосферы из-за изменения q описывается суммой мягкой и жесткой компонент с различными пробегами. С использованием  новых оценок энергии построен энергетический спектр космических лучей выше 10¹⁷ эВ. Подтверждается ранее полученный результат о сложной форме спектра в этой области. Данные Якутской установки ШАЛ не противоречат существованию реликтового обрезания спектра выше 5×10¹⁹ эВ. (V.P.Egorova, A.V.Glushkov, S.P.Knurenko, V.A.Kolosov, A.D.Krasilnikov, I.T.Makarov, A.A.Mikhailov, V.V.Olzoev, M.I.Pravdin, A.V.Sabourov, I.Ye.Sleptsov, G.G.Struchkov. The Spectrum Features of UHECRs below and Surrounding GZK as it is Seen from Yakutsk// Nuclear Physics B (Proc.Suppl.), 2004, v.136C, p.3-11).

 

3.Из измерений потока черенковского излучения в интервале энергий 10¹⁶ –10¹⁹ эВ определена энергия, диссипированная в электромагнитную компоненту ШАЛ. Её доля относительно энергии первичной частицы составляет (82,5 ± 1,2) % при ~10¹⁷ эВ и (90,2 ± 1,5) % при ~10¹⁹ эВ. Этот результат не противоречит последней версии модели адронных взаимодействий типа кварк-глюонных струн (QGS-98) при массовом составе ПКИ, близком к протонному при Е₀ ~ 10¹⁹ эВ и смеси ядер с большей долей ядер железа при Е₀ » (1¸3)×10¹⁷ эВ. (S.P.Knurenko, V.A.Kolosov, Z.E.Petrov, I.Ye.Sleptsov. A Portion of Energy Transferred to the EAS Electron-Photon Component at E₀ > 10¹⁵ eV// Proc.28^th  ICRC, Tsukuba (Japan),2003, July 31-August 7, vol.1, p.329-332)

 

4.Расширена область энергий регистрируемых на Якутской установке ШАЛ космических лучей, где имеет место их корреляция с направлениями на пульсары: обнаружены 10 событий ШАЛ с энергией выше 4×10¹⁹ эВ, направления прихода которых коррелируют с пульсарами, расположенными в районе Местного рукава Ориона.( A.Mikhailov. Pulsars Are Possible Sources of Cosmic Rays at E ³ 4× 10¹⁹ eV// Proc.28^th  ICRC, Tsukuba (Japan),2003, July 31-August 7, vol.1,    p.441-444)

 

2004 год

 

1.На основе данных Якутской и Австралийской установок широких атмосферных ливней на карте всего неба построено распределение направлений прихода космических лучей с энергией выше 8х10¹⁸ эВ и установлено наличие статистически значимого потока космических лучей из локальных областей, образующих различные группы, в том числе подтверждающие ранее полученный другим методом результат о существенном вкладе внегалактических источников космических лучей в этой области энергий (рис.1).   (Глушков А.В. Многополярная анизотропия направлений прихода космических лучей с энергиями Е₀ ³ 8×10¹⁸ эВ// Изв.РАН, серия физич., 2005, том 69, №3, с.366-368).

Рис.1  Карта распределения по направлениям прихода космических лучей с энергией Е₀ ³ 8´10¹⁸ эВ в галактических координатах. Интенсивность потока дана в единицах n_s = (N — <N>)/Ö<N> —  отклонения наблюдаемого числа N широких атмосферных ливней (ШАЛ) от ожидаемого среднего <N> для изотропного потока. Жирная линия – плоскость Сверхгалактики

2.Показано, что использование новой экспериментально уточненной функции пространственного распределения частиц в широких атмосферных ливнях (ШАЛ) приводит к систематическому увеличению энергии частиц первичных космических лучей, определяемой по откликам детекторов Якутской установки ШАЛ. В результате количество зарегистрированных за все время работы установки ливней с энергией Е_о>9х10¹⁹ эВ, что заведомо выше порога реликтового обрезания (обрезание Грейзена-Зацепина-Кузьмина – ГЗК-обрыв), возросло с 2-х до 4-х. Тем не менее, недостаточное количество зарегистрированных событий в этой области энергий всё ещё не позволяет сделать однозначный вывод о наличии или отсутствии реликтового обрезания в наблюдаемом спектре космических лучей (рис.2).  ( Деденко Л.Г., Глушков А.В., Колосов В.А., Подгрудков Д.А., Правдин М.И., Роганова Т.М., Слепцов И.Е., Федорова Г.Ф., Федунин Е.Ю. Интерпретация откликов детекторных станций от гигантского атмосферного ливня с учетом магнитного поля Земли//Изв.РАН, серия физич.,2004, том68, №11, с.1640-1642).

Рис.2. Дифференциальный спектр космических лучей по данным Якутской установки ШАЛ: треугольники вниз – результат по уточненной функции пространственного распределения (ФПР), треугольники вверх – по старой ФПР, кривая – расчет спектра для внегалактических источников космических лучей  (BerezinskyV/S/ at  al. Hep—ph/0204357), Е_1/2 =6.3x10¹⁹ эВ – энергия ГЗК-обрыва.

3. Выполнено моделирование измерений на Японской (AGASA) и Якутской установках широких атмосферных ливней с учётом распределения частиц во фронте ливня на разных расстояниях от оси, которое показало, что используемая на Якутской установке система работы детекторов обеспечивает корректное определение плотности вторичных частиц в диапазоне расстояний до оси ливня вплоть до 2000 м, в то время как система, используемая на установке AGASA, обуславливает систематическое завышение плотности частиц. Это обстоятельство приводит к завышенной по сравнению с Якутской установкой оценке энергии первичной частицы космических лучей на установке AGASA и, возможно, служит одной из основных причин расхождения спектров космических лучей, измеренных этими двумя установками.  (Правдин М.И., Глушков А.В., Егорова В.П., Иванов А.А., Кнуренко С.П., Колосов В.А., Красильников, Макаров И.Т., Михайлов А.А., Олзоев В.В., Сабуров А.В., Слепцов И.Е., Стручков Г.Г. Спектр космических лучей с энергией выше 10¹⁷ эВ// Изв.РАН, серия физич., 2004, том 68, №11, с.1621-1623).

 

2005 год

 

1. На основе измерений, выполненных   на Якутской установке широких атмосферных ливней (ШАЛ)),   установлено, что  соотношение потоков заряженных частиц и излучения Вавилова-Черенкова в ШАЛ, порождаемых частицами космических лучей (КЛ), свидетельствует о существенном изменении массового состава КЛ вблизи энергии КЛ   Е_к ≈3х10¹⁵ эВ, отвечающей излому спектра КЛ: в области энергий Е_о<Е_к  в составе КЛ преобладают ядра легких элементов, тогда как при Ео>Ек  КЛ обогащены тяжелыми ядрами (рис.). Такое поведение массового состава КЛ согласуется с их галактическим происхождением. (A.A.Ivanov, S.p.Knurenko, Z.E.Petrov, I.Ye.Sleptsov. Estimation of Cosmic Ray Composition around the Knee Region from Cherenkov Light Measuremens at the Yakutsk Array// Proc. 29^th ICRC, Pune (India), 2005, v.  , p.).

Рис.  Отношение числа заряженных частиц N_p к числу фотонов N_γ   излучения Вавилова-Черенкова в ШАЛ в зависимости от энергии Е_о породившей ШАЛ частицы КЛ. Приведены экспериментальные значения (кружочки), полученные на Якутской установке ШАЛ, а также результаты расчета, соответствующие двум разным массовым составам КЛ: КЛ состоят только из протонов (сплошная линия), либо только из ядер железа (пунктир).

 

 

2. Исследование временной структуры мюонного диска широких атмосферных ливней (ШАЛ) на Якутской установке показало, что в диапазоне первичных энергий Е₀ » 5´10¹⁶-10¹⁸ эВ наблюдаются две компоненты с разными величинами толщины диска, требующие существенных изменений представления о развитии ШАЛ. (Глушков А.В., Деденко Л.Г., Слепцов И.Е. Исследование структуры мюонного диска при Е_о > 5х10¹⁶ эВ по данным Якутской установки ШАЛ//Ядерная физика, 2005, том 68, №1, с.74-88).
3. Обнаружена корреляция направлений прихода » (10-25)% космических лучей с энергий Е₀ ³ 10¹⁷эВ с расположением квазаров с красными смещениями z £ 2.5. Доля космических лучей и величина корреляции в разных диапазонах Е₀ и z существенно различаются между собой. В расположении квазаров и направлений прихода космических лучей наблюдаются схожие упорядоченные структуры, которые могут иметь определенное отношение к крупномасштабной структуре Вселенной.

     (Глушков А.В. Квазары – источники космических лучей сверхвысоких энергий//Ядерная физика, 2005, том 6, №2, с.262-282).

 

    2006 год

1.На основе анализа содержания мюонов в широких атмосферных ливнях, порождаемых космическими лучами, получен верхний предел доли гамма-квантов N_γ/N_CR < 0.36 в составе космических лучей при энергии E ³ 10²⁰ эВ, который существенно ограничивает класс возможных механизмов генерации космических лучей сверхвысоких энергий (см.рис.). (G.I. Rubtsov, L.G. Dedenko, G.F. Fedorova, E.Yu. Fedunin, A.V. Glushkov, D.S. Gorbunov, I.T. Makarov, M.I. Pravdin, T.M. Roganova, I.E. Sleptsov and S.V. Troitsky. Upper limit on ultra-high-energy photon flux from AGASA and Yakutsk data// Phys. Rev. D 73, N 6, 063009 (2006)).

Рис.  Доля фотонов N_γ/N_CR в составе космических лучей в зависимости от их энергии Е. Показаны верхний предел доли фотонов (Yakutsk&AGASA), полученный в ИКФИА (совместно с ИЯИ РАН и МГУ), и верхние пределы, полученные по данным экспериментов AGASA, Haverah Park, Pierre Auger. Приведены ожидаемые значения доли фотонов в рамках моделей происхождения космических лучей сверхвысоких энергий: распад топологических дефектов (TD), распад сверхтяжелых частиц темной материи (SHDM), взаимодействие нейтрино сверхвысоких энергий с реликтовыми нейтрино (Z—burst).

2. С помощью многокомпонентного анализа данных Якутской установки ШАЛ получен результат об уменьшении доли тяжелых ядер типа (Si + Fe) в составе ПКИ от ~25% при энергии 3х10¹⁷ эВ до ~10% при энергии 5х10¹⁸ эВ, что является существенным дополнением и уточнением ранее полученного другим методом результата о росте доли протонов в этом интервале энергий. Результат получен совместно с Алтайским госуниверситетом с использованием их расчета.(А.А. Иванов, С.П. Кнуренко, А.А. Лагутин, М.И. Правдин, А.В. Сабуров, И.Е. Слепцов. Оценка массового состава ПКИ в области 10¹⁷ – 10¹⁹ эВ на основе многокомпонентного анализа характеристик ШАЛ, зарегистрированных на Якутской комплексной установке// Известия РАН, Серия физ. 2007, Т. 71, №4, с. 467 – 469).

2007 год

1.На основе измерений пространственного развития широких атмосферных ливней (ШАЛ), выполненных на Якутской установке ШАЛ, определен массовый состав космических лучей в области энергий 10¹⁵ – 10¹⁸ эВ. Впервые в рамках единого эксперимента установлено, что энергетическая зависимость среднего массового числа космических лучей А характеризуется наличием максимума при энергии Е ≈ 10¹⁷ эВ (см.рис.). Выполнены расчеты, которые предсказывают такое поведение массового состава за счет преобладающего вклада в наблюдаемый спектр космических лучей в области Е < 10¹⁷ эВ частиц, ускоренных в остатках сверхновых. (Кнуренко C.П., Иванов А.А., Сабуров А.В. Спектр космических лучей, найденный по энергии, рассеянной частицами ШАЛ в атмосфере, и галактическая модель. // Письма в  ЖЭТФ. 2007. 86.  №10. С. 709)

Рис.  Среднее значение логарифма атомного числа космических лучей в зависимости от их энергии (Кнуренко и др. 2007). Для сравнения приведены данные компактной установки KASCADE (Horandel, 2003), которые согласуются с результатами Якутской установки. Кривые – результаты расчета на основе нелинейной кинетической теории ускорения космических лучей (Бережко и др. 2007) без их доускорения в галактическом гало (сплошная кривая) и при наличии доускорения (пунктир). Результаты измерений на Якутской установке ШАЛ свидетельствуют в пользу существования значительного доускорения космических лучей в гало Галактики.

 

 

2. На основе анализа содержания мюонов в широких атмосферных ливнях (ШАЛ), зарегистрированных на Якутской установке ШАЛ, получен верхний предел доли фотонов в составе космических лучей e_g=N_γ/N_CR с вероятностью 95%:

e_g<22% при энергии E₀ > 4 x 10¹⁹эВ,

e_g<12% при энергии E₀ > 2 x 10¹⁹эВ.

Данный результат существенно ограничивает класс возможных механизмов генерации космических лучей сверхвысоких энергий. (A.V. Glushkov, D.S. Gorbunov, I.T. Makarov, M.I. Pravdin, G.I. Rubtsov, I.E. Sleptsov, S.V. Troitsky. Constraining the fraction of gamma rays at ultra-high energies from the muon data of the Yakutsk extensive-air-shower array// Письма в ЖЭТФ (2007) Т. 85, вып.3, с. 163 – 167).

3. Установлен верхний предел доли фотонов в потоке космических лучей сверхвысоких энергий, предположительно генерируемых в Лацертидах (BL Lacertae): 31% при E > 3×10¹⁸ эВ и 60% при E > 10¹⁹ эВ на уровне значимости 0.01. Для этого проанализировано распределение наклонов функции пространственного распределения (ФПР) заряженных частиц в ШАЛ, зарегистрированных на Якутской установке в направлении от Лацертид. Связь между возрастом ливня и наклоном ФПР позволяет разделить ливни, инициированные в атмосфере протонами и фотонами, основываясь на результатах расчетов в модели QGSjet (A.A.Ivanov. A search for clusters in arrival directions of UHECRs observed by the Yakutsk array. Proc. 30^th  ICRC, Mexico, (2007)).
4. Исследованы функции пространственного распределения (ФПР) мюонов с порогом выше 1 Гэв и всех заряженных частиц (электронов и мюонов) в ШАЛ с энергией выше 10¹⁷ эВ. Обнаружено существенное изменение формы ФПР обеих компонент при Е₀ ³ 3 10¹⁸ эВ. Это свидетельствует о разных процессах развития ШАЛ в разных областях первичной энергии. (A.V. Glushkov, I.T. Makarov, M.I. Pravdin, I.Ye. Sleptsov. Peculiarities of the EAS structure with E₀ ³ 10¹⁷ eV arriving from different regions of the sky by Yakutsk array dat// Proc. 30^th ICRC, Mexico, (2007)).
5. Показано, что наблюдаемый максимум дублетов (частиц) при энергии 10¹⁹ – 10^19.3 эВ со стороны плоскости Местного скопления галактик обусловлен галактическими пульсарами. (А.А.Михайлов, Н.Н. Ефремов. Наиболее вероятные источники космических лучей сверхвысоких энергий – пульсары? Известия РАН, Серия физ. 2007, Т. 71, №4, с. 477 – 479).

 

2008 год

1. Анализ данных  Якутской установки  ШАЛ показал, что направления прихода космических лучей с энергиями выше 6×10¹⁹ эВ коррелируют с положением активных ядер галактик, находящимися на расстояниях меньше 65 Мпк (см. рис.1). С учётом аналогичной корреляции, обнаруженной Обсерваторией Оже в южном полушарии, это  указывает на то, что активные ядра галактик являются основным источником космических лучей предельно высоких энергий.  (А.А. Иванов и др. Поиск внегалактических источников источников космических лучей сверхвысоких энергий //Письма в ЖЭТФ, 2008, т.87, в.4, с.215-219).

Рис.1 Количество зарегистрированных частиц с направлениями прихода, совпадающими в пределах круга с угловым радиусом 3^о с положением активных ядер галактик, расположенных на расстояниях d<65Мпк, отнесённое к количеству, ожидаемому в случае изотропного распределения космических лучей, как функция их энергии.

 

2. Измерения потока мюонов в широких атмосферных ливнях (ШАЛ), порожденных частицами космических лучей с энергией Е > 10¹⁹ эВ, выполненные на Якутской установке ШАЛ, свидетельствуют о смешанном составе космических лучей с долей протонов 0.5 ± 0.2 (рис.
2).  (А.В. Глушков и др. Письма в ЖЭТФ 2008, т.87, №4, с. 220-224).

Рис.2. Плотность мюонов  на расстоянии 1000 м от оси ливней, порождаемых в атмосфере частицами космических лучей с энергией Е > 2×10¹⁹ эВ, в зависимости от зенитного угла. Горизонтальными линиями показаны средние ожидаемые по модели EPOS значения для случаев, когда космические лучи состоят только из протонов (p), либо из ядер железа (Fe), соответственно.

 

3. Из рассмотрения ряда энергетических спектров космических лучей с энергией выше 10¹⁷ эВ, измеренных в разное время на Якутской установке ШАЛ, AGASA, Haverah Park, HiRes, Auger и SUGAR, показано, что все они достаточно хорошо согласуются между собой по форме и интенсивности, если ввести поправочные коэффициенты в оценке энергии, которые  имеют ярко выраженную зависимость от географической широты расположения названных выше установок. (А.В. Глушков, М.И. Правдин. Зависимость энергетического спектра космических лучей сверхвысоких энергий от широты расположения установки ШАЛ//Письма в ЖЭТФ, 2008, т.87, в.7, с.406-409).

 

2009 год

1.По содержанию мюонов в широких атмосферных ливнях, измеренному  Якутской установкой ШАЛ, получены наиболее строгий верхний предел интегрального потока фотонов F_γ (рис.а) и их доли N_γ/N_CR (рис.б) в составе космических лучей с энергией выше 10¹⁸ эВ. (Глушков А.В. и др. Письма в ЖЭТФ 2007, Т. 85, №3, С. 163-167; A.V.Glushkov, D.S. Gorbunov, I.T. Makarov, M.I. Pravdin, G.I. Rubtsov, I.Ye. Sleptsov, S.V. Troitsky. Search for photons of energy E > 10¹⁸ eV with Yakutsk muon data// Proc.31th ICRC Lodz, 2009)

Рис.    Верхний предел (95% уровень согласия) интегрального потока F_γ (a) и доли фотонов N_γ/N_CR в составе космических лучей (b) в зависимости от энергии E. Y – наш результат, YA – по совместным данным Якутска и AGASA (Япония), A – установки AGASA (Япония), PSD – обсерватории Пьера Оже (Аргентина) по данным наземных детекторов, PF – обсерватории Пьера Оже по флуоресцентным, HP – установка Haverah Park (Англия). Кривыми на рис. 1б приведены ожидаемые значения в рамках моделей происхождения космических лучей сверхвысоких энергий: распад топологических дефектов (TD), распад сверхтяжелых частиц темной материи (SHDM), взаимодействие нейтрино сверхвысоких энергий с реликтовыми нейтрино (Z—burst))

 

2.По данным Якутской установки ШАЛ показано, что космические лучи с энергией Е ≥ 10¹⁹ эВ, разделенные между собой разными временными интервалами регистрации, имеют разную глобальную анизотропию: в случае интервалов времени ∆t>16 суток наблюдается ярко выраженная  корреляция повышенного потока частиц с плоскостью Сверхгалактики, а при маленьких интервалах ∆t<12 суток такой корреляции нет. (А.В.Глушков. Временные особенности анизотропии космических лучей с Е>10¹⁹ эВ по данным Якутской установки ШАЛ// ЯФ, т.72, вып.№11, с.1921-1924, 2009).

 

2010 год

 

1. Измерения глубины максимума широких атмосферных ливней (ШАЛ), порождаемых частицами космических лучей (КЛ) сверхвысоких энергий в атмосфере Земли (Рис.1), а также измерения доли мюонов в потоке частиц ШАЛ (Рис.2), выполненные на Якутской установке, свидетельствуют о том, что в КЛ при энергиях 10¹⁸ – 10¹⁹ эВ преобладают легкие ядра, а при энергиях E ~ 10¹⁷ эВ и E > 10¹⁹ эВ – тяжелые ядра группы железа. (S.P. Knurenko, A.V. Sabourov. The Depth of Maximum Shower Development and Its  Fluctuations: Cosmic Ray Mass Composition at E₀ ³10¹⁷ eV. // arXiv: 1010.1182v1 [astro-ph. HE] 6 Oct  2010;  С.П.Кнуренко, А.К.Макаров, М.И.Правдин, А.В.Сабуров. Доля мюонов с пороговой энергией выше 1 ГэВ в ШАЛ сверхвысоких энергий по данным Якутской установки. // Изв. РАН. Серия физическая, 2011, том 75, № 3, с. 320-322; Л.Г. Деденко, А.В. Глушков, С.П. Кнуренко, И.Т. Макаров, М.И. Правдин, И.Е. Слепцов, Т.М. Роганова, Г.Ф. Федорова. Об изменении химического состава первичного космического излучения в области сверхвысоких энергий. // Изв. РАН, серия физич., 2011, том 75, № 3, с. 325-327).

Рис.1. Глубина максимума развития ШАЛ, в зависимости от энергии КЛ по измерениям на Якутской установке ШАЛ. Линиями показаны теоретически ожидаемые зависимости глубины максимума от энергии для случаев, когда КЛ состоят из протонов (P) или ядер железа (Fe).

Рис.2. Доля мюонов d_μ в общем потоке частиц ШАЛ, в зависимости от энергии КЛ по измерениям на Якутской установке ШАЛ. Линиями показаны зависимости, ожидаемые в ситуациях, когда КЛ состоят из протонов ( P ), либо из ядер железа ( Fe ).

 

2. На Якутской установке начата регистрация радиоизлучения от ШАЛ на частоте 32 МГц. Предварительным анализом показано, что отношение сигнал/шум для наклонных ливней на расстояниях вплоть до 1000 м от оси составляет около 20 дВ и тем самым подтверждена перспективность развития этого метода в составе установки.

(С.П. Кнуренко, В.И. Козлов, З.Е. Петров, М.И. Правдин, А.В. Сабуров.  Измерение радиосигналов на частоте 32 МГц на Якутской комплексной установке ШАЛ. // 31-я Всероссийская конференция по космическим лучам. 5-9 июля 2010 г. Москва. EAS_27. (CD— диск))

2011 год

1. На основе выполненных на Якутской установке широких атмосферных ливней (ШАЛ) измерений глубины максимума развития ШАЛ, порождаемых в атмосфере протонами космических лучей, получена оценка сечения неупругого взаимодействия протонов с ядрами атомов воздуха σ_p-air  в области сверхускорительных энергий 10¹⁵ – 10¹⁹ эВ, причем в области 5×10¹⁵ — 5×10¹⁶ эВ это сделано впервые (Рис.1). (S. P. Knurenko, A.V. Sabourov. Fluctuations of the depth of maximum in extensive air showers and cross-section of p-air inelastic interaction for energy range 10¹⁵ – 10¹⁷ eV)

Рис.1. Сравнение данных по оценке сечения взаимодействия протона с ядрами атомов  воздуха, полученных в космических лучах и на современных (pp) коллайдерах с моделями, созданными для описания адронных взаимодействий в области высоких и сверхвысоких энергий.

2.  По данным измерений на Якутской установке радиоизлучения ШАЛ установлена зависимость амплитуды радиоимпульса от зенитного угла прихода линей (Рис.2), которая, вероятно, характеризует геомагнитную природу радиоизлучения заряженных частиц ШАЛ (В.И. Козлов, С.П. Кнуренко, З.Е. Петров, М.И. Правдин. О природе формирования радиосигнала на частоте 32 МГц от ШАЛ сверхвысоких энергий. // Труды XVII Международного симпозиума “Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы”. Конференция D, Секция  «Ионосфера». Томск, (27.06 – 01.07), 2011, с. 1 – 4).

Рис,2. Отношение амплитуд радиосигналов Ψ = lg(√ A₁/A₂),  зарегистрированных  антеннами с диаграммой в направлении Восток — Запад и Север — Юг, в зависимости от зенитного угла прихода ШАЛ.

 

3. По данным наблюдений на различных установках показано, что направления прихода ШАЛ с энергиями E>4.10¹⁹ эВ коррелируют с  пульсарами, которые имеют  более короткие периоды, чем ожидается в среднем по каталогу пульсаров в Галактике (см. Таблицу)  (Mikhailov A.A. Analysis of the Extensive Air Showers of Ultrahigh Energy. Nuclear Physics B. (Proc.Suppl.), 2011, v.212-213C, p.213-218)

 

                                                                                Таблица.   Доля пульсаров P₁ с периодами

P<0.01 сек., коррелирующих с ШАЛ

Установка	N	N1	P1	P, вероятность случайности
PAO	69	12	0.24	0.2
HiRes	35	4	0.14
AGASA	57	6	0.19
Якутск	34	0	0

 

N — число событий,  N₁ – числа событий, которое коррелируют с пульсарами с периодами P<0.01 сек., P₁ – доля пульсаров с периодами T<0.01 сек., которые коррелируют с ШАЛ.

 2012год 

1. 1. На основе измерений, выполненных на Якутской установке широких атмосферных ливней (ШАЛ) в период 1982 -2012 гг., впервые установлено, что интенсивность космических лучей (КЛ) с энергией 10¹⁷ – 10¹⁸ эВ, а также содержание мюонов в ШАЛ испытывают статистически значимые временные вариации: в период 1997 – 2006 гг. интенсивность КЛ на (36 ± 3.5)% , а содержание мюонов на (33 ± 3)% выше по сравнению с периодом 1982 – 1995 гг. (А.В. Глушков, М.И. Правдин. Нестационарные явления в космических лучах с Е₀ £ 10¹⁸эВ по данным Якутской установки ШАЛ // Письма в ЖЭТФ, т. 95, с. 499-503, 2012).

Рис. 1. (а) —  интегральная интенсивность КЛ при Е₀ = 10¹⁷ эВ по годам их регистрации на Якутской установке ШАЛ: кривые линии  сплайны по 5 соседним точкам; (b) – доля мюонов с порогом 1.0sec  ГэВ в плотности потока заряженных частиц на расстоянии 300 м от оси ШАЛ с E₀ = (1.610)10¹⁷ эВ и <cos > = 0.9 в годовых выборках по данным Якутской установки: сплошные линии – расчеты по модели QGSJET для первичных протонов (p) и ядер железа (Fe), штриховые линии 1 и 2 – средние величины в соответствующие периоды времени.

 

2. Разработан новый метод поиска источников и анизотропии космических лучей (КЛ) сверхвысоких энергий, на основе которого по данным Якутской установки в области энергий выше 8х10¹⁸ эВ и Обсерватории Оже для энергий выше 5.8х10¹⁹ эВ показано наличие существенной анизотропии КЛ (на уровне (4-6) s) со стороны плоскости Галактики и их корреляции с пульсарами. (Михайлов А.А. Направления прихода космических лучей сверхвысоких энергий // Известия РАН, 2013, т.77, №11, с.1571-1572).
3. Создан прототип широкоугольного черенковского телескопа, состоящий из сферического зеркала и многоанодного ФЭУ Hamamatsu R2486 в фокусе, с системой предусилителей и промышленным компьютером с АЦП для сбора данных, выполнены полевые испытания в составе Якутской установки ШАЛ и получены предварительные результаты. (A.A.Ivanov, S.P.Knurenko, A.D.Krasilnikov, I.V.Ksenofontov, Z.E.Petrov, M.I.Pravdin, L.V.Timofeev and I.Ye.Sleptsov. The engineering prototype of the wide-field Cherenkov telescope for the Yakutsk array // Journal of Physics: Conference Series (JPCS), 2013, vol. 409, id 012084).

2013 год

1. На основе измерений содержания мюонов в широких атмосферных ливнях (ШАЛ), выполненных на Якутской установке ШАЛ, определен состав космических лучей (КЛ) в области энергий 10¹⁷ – 10¹⁹ эВ, который согласуется с составом КЛ, полученным ранее на основе регистрации черенковского излучения ШАЛ на Якутской установке (рис.).   ( А. В. Глушков, А. Сабуров.  Переменный состав космических лучей с E₀ > 10¹⁷ эВ по данным мюонных детекторов Якутской установки ШАЛ // Письма в ЖЭТФ. 98, 655, 2013).

          Рис. Средний логарифм атомного числа  космических лучей в зависимости от их энергии. Представлены данные Якутской установки ШАЛ, основанные на регистрации черенковского излучения (Yakutsk γ) и измерении содержания мюонов в ШАЛ (Yakutsk μ), а также   данные других установок.

2. По данным измерения на Якутской установке радиоизлучения ШАЛ на частоте 32 МГц построено распределение амплитуд сигнала от расстояния до оси ливня и дается  его аппроксимация как функция энергии и зенитного угла. (S. Knurenko, V. Kozlov, Z. Petrov et al. Yakutsk array radio emission registration results in the energy range of 3×10¹⁶ – 5×10¹⁸ eV// Proc. 33^sd  ICRC, 2013.;  С.П. Кнуренко, В.И. Козлов, З.Е. Петров, М.И. Правдин. Исследование  радиоизлучения на частоте 32 МГц на Якутской установке широких атмосферных ливней. // Изв. РАН, сер. физич., 2013, том 77, № 11, с. 1559-1560).
3. Разработан новый метод поиска различий в составе КЛ сверхвысоких энергий, приходящих из разных областей небесной сферы, основанный на непараметрических методах статистики. Анализ характеристик ШАЛ в данных Якутской установки, инициированных КЛ с E>10¹⁸ эВ, приходящих из окрестности суперплоскости галактик, а также комплементарной области небесной сферы, не обнаружил значимого отличия среднего массового состава КЛ в двух выборках. (A.A.Ivanov. A method to search for correlations of ultra-high energy cosmic ray masses with the large scale structures in the local galaxy density field // Astrophysical Journal,2013 vol. 763, No 2, 112).
4. Предложен новый метод поиска источников и анизотропии космических лучей сверхвысоких энергий в 4-х мерной системе координат. В отличие от других методов анализа данных учитываются длительность времени прохождения, углы наблюдения (площадь регистрации) предполагаемых источников космических лучей сверхвысоких энергий и анализ ведется по любым направлениям небесной сферы. (А.А.Михайлов. Направления прихода космических лучей сверхвысоких энергий // Изв. РАН, сер. Физич., 2013, т.77, №11, с.1571-1772).

2014 год

1. На основе измерений, выполненных в ИКФИА СО РАН на Якутской установке широких атмосферных ливней, обнаружена особенность в форме энергетического  спектра космических лучей – укручение или излом спектра при Е ≈ 2×10¹⁷ эВ, что подтверждается измерениями, выполненными на других установках (рис.).  Наличие этого излома (второго колена) в спектре является указанием на переход от галактической к метагалактической компоненте космических лучей при энергии Е > 2×10¹⁷ эВ.

Рис. Интенсивность космических лучей как функция их энергии. Помимо данных Якутской установки ШАЛ (Якутск) представлены результаты измерений, выполненных на установках TALE-Bridge, TALE-Cherenkov, KASKADE Grande, Тунка (С.П. Кнуренко, А.В. Сабуров // Известия РАН, серия физическая, 2014, том 78 (3), 324 – 326).

 

2. Анализ распределения направлений прихода КЛ, зарегистрированных на Якутской установке ШАЛ, выявил предполагаемый источник КЛ c энергией около 10¹⁹ эВ, в интервале прямых восхождений (15⁰,45⁰), с долей интенсивности (15±5)% изотропного потока. (A.A.Ivanov,A.D.Krasilnikov,M.I.Pravdin,A.V.Sabourov. Large-scale distribution of CRs in right ascension as observed by the Yakutsk array at energies above 10^18 eV// Astroparticle Physics, 2015, vol. 62, p. 1-6.)
3. Измерена форма импульса черенковского излучения ШАЛ с помощью широкоугольного телескопа и показано, что измерения интенсивности, формы и времени прихода черенковских импульсов позволяют определить энергию ливня, направления прихода и положение максимума черенковского свечения в ШАЛ с энергией выше 10¹⁵ эВ при условии развертывания решетки детекторов, синхронизированных с точностью 1-5 нсек.(A.A.Ivanov,S.P.Knurenko,A.D.Krasilnikov,Z.E.Petrov,M.I.Pravdin,I.Ye.Sleptsov,L.V.Timofeev. Wide field-of-view Cherenkov telescope for the detection of cosmic rays in coincidence with the Yakutsk extensive air shower array// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 772 (2015) 34-42).

 

2015 год

1. Из измерений радиоизлучения ШАЛ на Якутской установке определена глубина максимума развития ливня в области предполагаемого второго излома в спектре космических лучей при энергии 8×10¹⁶ – 10¹⁸ эВ. По этим данным, используя модель развития ШАЛ QGSjetII-04, сделана оценка атомного веса первичных частиц космического излучения, которая не противоречит данным других радиоустановок и указывает на изменение массового состава космических лучей: от более тяжелого с <lnA> » 3 при энергии 8×10¹⁶ эВ к легкому с <lnA> » 1,5-1,2 при энергии выше 2×10¹⁷ эВ. ( S. P. Knurenko, Z. E. Petrov, I. S. Petrov. Depth of maximum development of extensive air showers by radio emission data at Yakutsk EAS Array. // Proc. 34^th ICRC. Hague (Netherlands), 2015,  PoS(ICRC2015)255 pdf.).
2. На основе анализа пространственного распределения откликов частиц, измеренных на Якутской установке наземными сцинтилляционными детекторами в ШАЛ с эВ за период 1977-2013 гг., получены оценки массового состава КЛ в интервале энергий эВ в рамках различных моделей адронных взаимодействий (рис. 2). В области энергий  эВ наблюдается изменение массового состава космических лучей от  к чисто протонному (А. В. Глушков, А. Сабуров. Массовый состав космических лучей с энергией  эВ по данным наземных детекторов Якутской установки ШАЛ. // Изв. РАН сер. физ. — 2015. — Т. 79, № 3. с. 368-370.).
3. Из анализа пространственного распределения мюоннов в широких атмосферных ливнях (ШАЛ), зарегистрированных Якутской комплексной установкой за период 2011-2013 гг., в рамках различных моделей адронных взаимодействий получена оценка глубины максимума каскадной кривой ШАЛ в области энергий выше эВ. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в области энергий эВ состав космических лучей (КЛ) быстро меняется от более тяжелых к легким ядрам, что не противоречит мировым данным. (А. В. Глушков, А. Сабуров. Определение глубины максимума каскадной кривой из мюонной компоненты на Якутской установке ШАЛ. // Изв. РАН сер. физ. — 2015. — Т. 79, № 3, c. 365-367).

Обобщенный результат:

     С целью оценки состава космических лучей (КЛ) выполнен анализ данных измерений на Якутской установке заряженной компоненты и радиоизлучения широких атмосферных ливней (ШАЛ). Полученные результаты о зависимости состава KЛ от энергии (рис.) в области 10¹⁷ – 10¹⁸ эВ согласуются между собой и подтверждают ранее полученные результаты по измерениям черенковского света и мюонной компоненты ШАЛ. Все данные Якутской установки свидетельствуют о быстром изменении состава КЛ от более тяжелых ядер к чисто протонному в области 10¹⁷ – 10¹⁸ эВ. (S. P. Knurenko, Z. E. Petrov, I. S. Petrov. Depth of maximum development of extensive air showers by radio emission data at Yakutsk EAS Array. // Proc. 34^th ICRC. Hague (Netherlands), 2015, PoS(ICRC2015)255 pdf.  ; А. В. Глушков, А. Сабуров. Массовый состав космических лучей с энергией  эВ по данным наземных детекторов Якутской установки ШАЛ. // Изв. РАН сер. физ. — 2015. — Т. 79, № 3, c. 368-370)

Рис. Зависимости массового состава КЛ от первичной энергии, полученные на Якутской установке из анализа данных измерений различных компонент ШАЛ в рамках одной и той же модели развития ливневого каскада. Для сравнения приведены результаты других установок ШАЛ в мире. 

 

2016 год

1. Исследовано радиоизлучение от частиц ШАЛ с энергией Е₀ ³ 10¹⁹ эВ, в том числе радиоизлучение в ливнях с максимальными энергиями Е₀ ³ 10²⁰ эВ.  Экспериментально установлена связь  пространственного распределения радиосигнала (рис.)  с энергией и  глубиной максимума развития ШАЛ:

 

[мкВ∙м^–1∙МГц^­–1]

 

где E – энергия ливня, θ – зенитный угол, R – расстояние от антенны до оси ливня, X – глубина максимума развития ливня.

По этим данным сделана оценка глубины максимума развития ливня, которая составляет (760 ± 8 ± 25)  г×см^-2 при энергии ~2×10¹⁹ эВ, что согласно модели адронных взаимодействий QGSJETII-04 соответствует ядрам типа He, CNO и согласуется с данными оптических установок AUGER  и Telescope Array при энергии  Е₀ ³ 10¹⁹. (С.П. Кнуренко, И.С. Петров. // Письма в ЖЭТФ, том. 104, вып. 5, 2016, с. 305 – 309)

Рис. Зависимость пространственного распределения напряженности электромагнитного поля ε_ν от расстояния до оси ШАЛ. Точки нормированы к средней энергии <Е₀> = 1,54×10¹⁹ эВ. Треугольники – амплитуды сигналов, зарегистрированные в ливнях с энергией ~10²⁰ эВ.

2.Выполнен анализ  углового распределения ШАЛ, зарегистрироанных на установке Telescope array, методом, который используется на Якутской установке. Найденный таким образом максимум углового  распределения отличается на 10⁰ от опубликованного группой Telescope array. (А.А.Mikhailov. Search Cosmic Rays Sources of Ultrahigh Energy ( p. 55-63). В сборнике статей “ Horizons in world physics”,  2015, v.286, NY, 192).

3. Разработана методика поиска анизотропии направлений прихода КЛ в области энергий 10¹⁶<E<10¹⁸ эВ, не требующая учета изменения экспозиции установки и вариации метеорологических условий наблюдения. Предлагаемый метод основан на сравнении распределений ШАЛ по прямому восхождению в соседних интервалах склонения («северо-южный метод») с применением критерия χ², что позволяет выявить вклад в полный поток КЛ предполагаемого источника с угловым размером менее ширины интервала склонения. (A.A. Ivanov. Testing for uniformity of UHECR arrival directions// International Journal of Modern Physics D, vol. 25, no. 6 (2016) 1650065).
4. Предложен метод определения глубины максимума развития ШАЛ в атмосфере по задержке максимума черенковского сигнала относительно оси ливня, измеренной в распределенной сети наземных черенковских детекторов. (A.A. Ivanov, L.V. Timofeev. Temporal signatures of the Cherenkov light induced by extensive air showers of cosmic rays detected with the Yakutsk array// International Journal of Modern Physics D, vol. 25, no. 10 (2016) 1650090).