بخشی از مقاله
چکیده
با استفاده از کد CORSIKA شبیه سازي مونت کارلو براي تعداد 2400 بهمن هوایی ناشی از اولیه پروتون در بازه انرژي ev ١٠١٧-۵١٠١ و مدل هاي اندرکنشی هادرونی انرژي پایین FLUKA ,GHEISHA,URQMD انجام و تعداد آنتی پروتون هاي ثانویه در ارتفاع 110m از سطح دریا محاسبه شده است.ما نشان دادیم که مدل FLUKA تعداد آنتی پروتون هاي بیشتر و نوسانات آماري کمتري را نشان می دهد.
مقدمه
پرتو هاي کیهانی ذرات باردار وتابش هاي الکترومغناطیسی پر انرژي هستند که با شار معینی در انرژي هاي مختلف به جو زمین وارد می شوند.منشاء این پرتوها در خارج از منظومه شمسی وگاهی در بیرون از کهکشان راه شیريذرات است.باردار پرتوهاي کیهانی در واقع اتم هاي ملاًکا یونیزه شده ي پر انرژي هستند که پروتون و هسته اتم آهن و حتی هسته اتم هاي سنگین مانند اورانیوم را شامل می شوند.بهمن هاي گسترده هوایی از برهمکنش پرتوهاي کیهانی پرانرژي با اتمسفر زمین به وجود می آیند پس از برخورد پرتو اولیه با جو، آبشاري از ذرات ثانویه به وجود می آید. وهر کدام از آن ذرات ثانویه، ذرات دیگر را به وجود می آورند.
تعداد ذرات بهمن بدین شکل افزایش یافته تا به یک مقدار بیشینه می رسد پس از آن انرژي ذرات ثانویه آنقدر کم می شود که سطح مقطع تولید ذرات ثانویه به صفر می رسد و همچنین کاهش انرژي ذرات باردار به دلیل یونیزاسیون محیط باعث کاهش تعداد ذرات می شود. در واقع در بهمن هاي هوایی انرژي ذره اولیه به ذرات ثانویه تقسیم می شود.از جمله ذراتی که در پرتوهاي کیهانی و بهمن هاي هوایی مشاهده می شوند آنتی پروتون ها هستند.مطالعه و بررسی آنتی پروتون هاي پرتو کیهانی یک موضوع متداول و جالب در فیزیک ذرات واختر فیزیک محسوب می شود.از طرفی چون آنتی پروتونهافرایند تولید دینامیکی و جنبشی خاصی دارندجایگاه ویژه اي در طیف تابش هاي کیهانی دارند. [1]
به طور کلی آنتی پروتون ها به دو نوع آنتی پروتون هاي کهکشانی و اتمسفري تقسیم می شوند هر دو نوع آنتی پروتون هاي کهکشانی و اتمسفري با مکانیزم برهمکنشی اولیه مشابه که شامل برخوردهاي نوکلئون-نوکلئون می شود به وجود میاینآیند.برخورد هاي نوکلئون- نوکلئون بر اثر بر همکنش شار پرتو کیهانی با مواد بین ستاره اي - به طور عمده هیدروژن - در کهکشان و یا با هسته هاي اتمسفري - به طور عمده نیتروژن - در اتمسفر به وجود می آیند.بر همکنش اصلی تولید آنتی پروتون N N→ xҧ است که N نوکلئون ها و X هادرون ثانویه است.به طور کلی شار آنتی پروتون هاي کهکشانی از نابودي ماده تاریک و منابعی در سیاه چاله ها ناشی میپروتونشود3]و[2
شار آنتیهاي پرتو هاي کیهانی در دهه هاي مختلف توسط آزمایشبالنهاي ها و ماهواره ها مورد بررسی قرار گرفته است و داده هاي جدیدي براي تحلیل شار آنتی پروتون هاي کهکشانی در محدوده انرژي 0/2 - 50 Gev بدست آمده است 5]و.[4نسبت شار آنتی پروتون هاي ثانویه ناشی از اندرکنش پرتو هاي کیهانی با اتمسفر - - NAtm به شار آنتی پروتون هاي کهکشانی ناشی از اندر کنش پرتوهاي کیهانی با ماده بین ستارهرابطهاي - Ngal - اززیر بدست می آید:در نتیجه مطالعه شار آنتی پروتون هاي ثانویه ناشی از برهمکنش پرتوهاي کیهانی با اتمسفر زمین از اهمیت زیادي برخوردار است محاسبه این شار در ارتفاع هاي مختلف با استفاده از مدل هاي اندرکنشی هادرونی متفاوت و مقایسه نتایج این مدل ها با داده هاي تجربی در نهایت به تصحیح مدل ها و شناخت دقیق تر شار آنتی پروتون ها و در نتیجه شناخت منابع و مکانیزم تولید آنها منجر خواهد شد.
شبیه سازي
با استفاده از کد هاي کامپیوتري شبیه سازي پرتو هاي کیهانی تعداد آنتی پروتون هاي ثانویه در ارتفاع مشاهده و انرژي هاي متفاوت قابل محاسبه است. شبیه سازي بهمن هاي هوایی اغلب با کد ]CORSIKA٨[انجام می گیرد.شبیه سازي پرتو هاي کیهانی به دانش ما از مکانیزم برهمکنش ذرات پر انرژي بستگی دارد متاسفانه در انرژي هاي زیاد مکانیزم و سطح مقطع این اندر کنش ها بخوباصلی معلوم نیست. یکی از ترین منابع تردید در تخمین شار ثانویه ها در بهمن هوایی محدودیت دانش ما از برهمکنش ذرات در انرژي هاي زیاد است. علاوه بر این مطالعات اخیر نشان می دهد که مدلهاي برهمکنشی انرژي پایین نیز نقش مهمی در تخمین دقیق شار ذرات ثانویه - مانند شار آنتی پروتون هاي ثانویه - دارند ]٩.[
در کار حاضر، تعداد 2400 بهمن هوایی براي ذرات اولیه پروتون، در محدوده انرژي ev ١٠١٧-۵١٠١ توسط کد CORSIKA نسخه [8] 6/9 و مدل هاي اندر کنشی هادرونی انرژي پایین]FLUKA١٠] GHEISHA [١١[ و URQMDشبیه[12]سازي شده است. علاوه بر این در تمام مراحل شبیه سازي از مدل اندر کنش هادرونی QGSJETII به عنوان مدل اندر کنشی هادرونی انرژي بالا استفاده کرده ایم.و نیز ارتفاع مشاهده 110mاز سطح دریا بوده است.مدل هاي اندر کنشی هادرونی انرژي پایین در CORSIKA از مدل هاي برهمکنشی انرژي پایین FLUKA, GHEISHA, URQMDبراي انرژي هاي E< 80 Gev استفاده شده است .علیرغم اینکه این انرژي ها در محدوده دسترسی شتاب دهنده هاي زمینی هستند هنوز عدم قطعیت هایی در این مدلها وجود دارد و این سه مدل پیش بینی هاي متفاوتی در مورد کمیات مختلف نشان می دهند.
شکل ١ تعداد آنتی پروتون هاي ثانویه اتمسفري را در محدوده انرژي ev ١٠١٧-۵١٠١ براي پرتوهاي کیهانی اولیه پروتون شبیه سازي شده با مدل اندرکنشی هادرونی انرژي پایین URQMD GHEISHA وFLUKA را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود با افزایش انرژي تعداد آنتی پروتون ها زیاد می شود که با توجه به افزایش کلی تعداد ثانویه ها با انرژي کاملا مورد انتظار است علاوه بر این دیده می شود که مدلدو FLUKA نسبت به مدل دیگر در سراسر محدوده انرژي آنتی پروتون هاي بیشتري را پیش بینی می کند.و مدل URQMD نسبت به دو مدل دیگر در سراسر محدوده انرژي آنتی پروتون هاي کمتري را پیش بینی می کند.و همانطور که شکل نشان می دهد اختلاف این مدل ها در انرژي هاي بالا تر بیشتر است.
شکل٢ انحراف معیار نسبی - نسبت انحراف معیار به مقدار متوسط - بر حسب انرژي در محدوده انرژي ev ١٠١٧-۵١٠١ براي پرتوهاي کیهانی اولیه پروتون شبیه سازي شده با مدل اندرکنشی هادرونی انرژي پایین , URQMD, GHEISHA FLUKA را نشان می دهد.همانطور که مشاهده می شودبا افزایش انرژي در هر مدل مقدار نوسانات زیاد می شود و علاوه بر این مدل URQMD نسبت به دو مدل دیگر در تمام محدوده انرژي انحراف معیار نسبی بیشتري را نشان می دهد در حالی که مدل FLUKA نسبت به دو مدل دیگر در تمام محدوده انرژي انحراف معیار نسبی کمتري را نشان می دهد.
نتیجه گیري ما نشان دادیم که مدل هاي اندرکنشی انرژي پایین نتایج متفاوتی را براي تعداد آنتی پروتونهاي ثانویه ناشی از اندر کنش پرتو کیهانی پروتون با اتمسفر زمین پیش بینی می کند از روي این تعداد می توان شار آنتی پروتونهاي ثانویه را محاسبه کرد.با توجه به اینکه مدل FLUKA تعداد آنتی پروتونها و در نتیجه شار بیشتري را بدست می دهد از روي مقایسه نتایج تجربی با نتایج شبیه سازي
