Специфический характер наблюдений ШАЛ рождает много проблем для экспериментаторов. Ведь интерес представляют свойства (прежде всего — тип, энергия, направление прихода) и происхождение первичной частицы, прекратившей свое существование в верхних слоях атмосферы, а регистрируются свойства частиц каскада, достигших Земли. С математической точки зрения задача восстановления характеристик исходной частицы по наблюдаемым параметрам относится к классу «некорректно поставленных», что, однако, не отменяет необходимости ее решать. Общепринятый подход здесь — сравнение характеристик наблюдаемых ШАЛ с такими же характеристиками искусственно смоделированных ливней с заданными параметрами первичной частицы. Помимо теоретических неопределенностей, связанных с моделями развития ливня, этот подход с необходимостью оказывается экстенсивным и ресурсоемким — требуется смоделировать большое количество искусственных ливней с разными первичными частицами, и лишь немногие из полученных ливней будут похожими на реально зарегистрированные. Более того, развитие ливня — процесс вероятностный, поэтому даже совершенно одинаковые первичные частицы могут рождать разные ливни. Если учесть, что полное моделирование одного искусственного ливня, вызванного протоном с энергией ~1019 эВ, на современном компьютере с тактовой частотой процессора 2-3 ГГц составляет приблизительно год (вспомним, что такой ливень содержит миллиарды частиц, взаимодействия каждой из которых требуется проследить), становится ясным, что задача в такой постановке даже на настоящий момент технически не решаема.

Тем не менее, эксперименты, регистрирующие ШАЛ, работают уже несколько десятков лет: впервые гигантский атмосферный ливень, вызванный частицей с энергией порядка 1020 эВ, был зарегистрирован на установке Volcano Ranch (Нью-Мексико, США) в1961 г. Чтобы получить информацию о первичных частицах, в экспериментах использовался описанный выше метод, но не для каждого отдельного события, а «в среднем» — на основе небольшого числа модельных ливней выявлялись общие, усредненные закономерности, которые затем применялись ко всем реальным событиям. Для экономии вычислительных ресурсов было изобретено так называемое приближение прореживания, при котором значительное число вторичных частиц в каждом акте взаимодействия заменяется на несколько эффективных частиц, которым приписываются весовые множители, и взаимодействия которых далее изучаются. Можно позавидовать интуиции и изобретательности экспериментаторов 60-70-х годов XX в. (Дж.Линсли, Т.Гайссера, А.М.Хилласа, Г.Б.Христиансена, К.Грейзена), поскольку большая часть полученных таким образом результатов подтверждается при более тщательном моделировании ливней современными вычислительными средствами, а многие полученные ими усредненные соотношения используются и по сей день.

Такой приближенный подход, даже реализованный самым тщательным образом, имеет принципиальный недостаток: оперируя усредненными величинами и эффективными частицами, он не позволяет непосредственно контролировать флуктуации, с неизбежностью возникающие в отдельных взаимодействиях. Когда речь идет об усредненных характеристиках потока космических лучей в области большой статистики (тысячи событий), этот недостаток относительно безобиден. Но при самых высоких энергиях число зарегистрированных ШАЛ невелико и флуктуации становятся существенными. Для получения надежной информации о первичных частицах при таких энергиях, а также для поиска тонких эффектов и необычных явлений при более низких энергиях требуется повышение точности сравнения наблюдаемых и модельных ливней.

Первым в мире экспериментом, где отказались от традиционного подхода, основанного на усреднении, и освоили (пока лишь для некоторых задач) метод непосредственного сравнения каждого наблюдаемого события с большим количеством модельных, стала Якутская комплексная установка по регистрации ШАЛ. Необходимая работа по оптимизации методов анализа и по моделированию большого количества искусственных ливней была проделана московскими теоретиками. Так, в Институте ядерных исследований (ИЯИ) РАН была создана уникальная база данных, содержащая несколько десятков тысяч модельных ливней. В то время как основная часть их смоделирована с применением прореживания (в современной модификации), несколько десятков ШАЛ были смоделированы полностью, что потребовало около года вычислений на компьютерном кластере теоретического отдела ИЯИ. Положенные в основу единственной библиотеки модельных ШАЛ, открытой для любого пользователя в мире, эти уникальные модельные ливни позволили оценить флуктуации различных наблюдаемых и обосновать методы использования обычных, приближенно смоделированных ливней. Эта база данных была использована для получения результатов по составу первичных частиц, о которых речь пойдет ниже. Для оценки энергии первичных частиц самых больших ливней использовалась другая модификация метода, разработанная и примененная в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ.

Добавить комментарий