Takashi Takahashi

Cosmic-ray intensities under sea-water at depths down to 1400 m

SummaryThere is a disagreement between the muon energy spectrum observed at seal-level and the one evaluated from the depth-intensity relation of cosmic rays below ground by using the theoretical expression for energy loss of the muon traversing the rock. As the cause of this fact, one can point out following two reasons: uncertainties in the determination of the compositions of the rocks or imperfection of the theoretical expression for energy loss. To decide this point, the cosmic-ray intensities have been measured at various depths up to 1380 m in the ocean where the composition of the water is well known and the uniformity is well certified. The observed result is in excellent agreement with the sea-level energy spectrum in the corresponding energy region, the current energy loss formula being taken into account. From this fact, it is pointed out that the previous observations of range spectra underground suffered from ambiguities due to uncertainties in the composition of the rocks.RiassuntoC’è disaccordo fra lo spettro d’energia dei muoni osservato al livello del mare e quello valutato dalla relazione profondità-intensità dei raggi cosmici sotto terra usando l’espressione teorica per la perdita d’energia dei muoni nell’attraversare la roccia. Come causa di questo fatto si possono indicare due ragioni: incertezza nella determinazione delle composizioni delle rocce o imperfezioni nell’espressione teorica della perdita di energia. Per decidere su questo punto si sono misurate le intensità dei raggi cosmici a varie profondità sino a 1380 metri nell’oceano dove la composizione dell’acqua è ben nota e l’uniformità è ben certa. Il risultato ottenuto è in eccellente accordo con lo spettro d’energia al livello del mare nel corrispondente intervallo di energia, tenendo conto della corrente formula per la perdita d’energia. In base a questo fatto si rileva che le precedenti osservazioni degli spettri d’energia sotto terra subiscono le ambiguità dovute alle incertezze nella composizione delle rocce.

Observation of time correlation in cosmic air shower network

In order to measure time correlation of primary cosmic rays, a network observation of extensive air showers started in Japan. The network as Large Area Air Shower (LAAS) group consists of nine air-shower-stations (seven institutes and 26.000 km2) using the Global Positioning System (GPS). We propose an analytical procedure to extract time-limited fractal structure from time series of arrival time intervals of successive air showers and present the results of the analysis by using the network data.

Cosmic-ray muon spectrum derived from the transferred energy spectrum of bursts observed by the mutron calorimeter

SummaryMeasurements of the energy transfer,E′, of bursts produced in a calorimeter are calibrated with the momenta of the incoming and outgoing muons measured by the Mutron magnet spectrometers. The relation between energy transferE′ and momentum difference Δpc was obtained in the energy range from 30 GeV to 1 TeV as follows:E′=(0.85±0.16) Δpc. Using this calibrated calorimeter, we observed distributions of the energy transfer of bursts produced in the calorimeter up to 6 TeV by the magnet spectrometer plus calorimeter triggers, as well as by the calorimeter trigger alone. From the observed burst spectrum, we have derived the muon energy spectrum at sea-level. The differential pion production spectrum combined with the data using composite triggers gives an exponentγ=2.58±0.19 in the muon energy region from 200 GeV to 6 TeV and 2.74±0.19 in the region from 1 TeV to 6 TeV. The muon energy spectrum thus obtained is compared with the direct measurement of the muon spectrum by the Mutron magnet spectrometers. It is thus established that measurements of the transferred energy spectrum of bursts are available for the derivation of the muon energy spectrum beyond the energy region measured by the magnet spectrometer.RiassuntoSi calibrano le misure del trasferimento d’energiaE′ di scrosci prodotti in un calorimetro con gl’impulsi dei muoni in entrata e in uscita misurati dagli spettrometri a magneti Mutron. Si ottiene la relazione tra il trasferimento di energiaE′ e la differenza d’impulsi Δpc nell’intervallo di energia da 30 GeV a 1 TeV come segue:E′=(0.85±0.16)Δpc. Usando questo calorimetro calibrato, sono state osservate le distribuzioni del trasferimento d’energia di scrosci prodotti nel calorimetro fino a 6 TeV sia mediante l’innesco dello spettrometro a magneti piú quello del calorimetro, che solamente con quello del calorimetro. Dallo spettro degli scrosci osservato, è stato derivato lo spettro d’energia dei muoni a livello del mare. Lo spettro differenziale di produzione di pioni combinato con i dati ottenuti usando inneschi composti dà un esponenteγ=2.58±0.19 nella regione d’energia muonica da 200 GeV a 6 TeV e 2.74±0.19 nella regione da 1 TeV a 6 TeV. Lo spettro d’energia muonica cosí ottenuto è confrontato con la misura diretta dello spettro muonico degli spettrometri a magneti Mutron. Si stabilisce cosí che le misure dello spettro d’energia trasferita degli scoppi permettono di derivare lo spettro d’energia muonica al di là della regione d’energia misurata dallo spettrometro a magneti.

Electromagnetic interactions of cosmic-ray muons up to 10 TeV (pair productions and bremsstrahlung)

SummaryElectromagnetic interactions (excluding nuclear interactions) of cosmic-ray muons were investigated by a combined arrangement of the Mutron magnet spectrometer and calorimeter. The interactions covered their transferred energies ranging from 1 GeV to several TeV produced by muons with energies up to 10 TeV. There is reasonable agreement between the experimental results and the theoretical predictions. For transferred energies less than 10 GeV, however, the observed number of events produced by muons around 1 TeV may be somewhat smaller than theoretically expected. The probability of accompaniment of a muon emerging from thick iron plates is also studied. The data are very useful for the measurement of the muon momentum by the magnet spectrometer. The ratio of the interaction probability for positive muons to that for negative muons is 0.94±0.02 for interactions with energy transfers over 1 GeV. However, by considering the measured accuracy of the value ±0.05 used for the charge ratio of incident muons, there is no evidence to support any suggestion that the interaction cross-sections of positive and negative muons for energy transfers above 1 GeV differ in the range from 100 GeV to 10 TeV.RiassuntoSono state studiate le interazioni elettromagnetiche (escludendo le interazioni nucleari) dei muoni dei raggi cosmici mediante una disposizione combinata dello spettrometro a magneti Mutron e del calorimetro. Le interazioni riguardano le energie trasferite che vanno da 1 GeV a qualche TeV prodotte da muoni con energie fino a 10 TeV. Si trova un discreto accordo tra i risultati sperimentali e le previsioni teoriche. Per energie trasferite minori di 10 GeV, comunque, il numero osservato di eventi prodotti da muoni a circa 1 TeV può essere un po’ piú piccolo di quanto previsto teoricamente. Si studia anche la probabilità di accompagnamento di un muone uscente da spesse piastre di ferro. I dati sono molto utili per misurare l’impulso del muone con lo spettrometro a magneti. Il rapporto tra la probabilità d’interazione per muoni positivi e quella per muoni negativi è di 0.94±0.02 per interazioni con trasferimenti di energia al di sopra di 1 GeV. Comunque, considerando l’accuratezza misurata del valore ±0.05 usato per il rapporto di carica dei muoni incidenti, non c’è nessuna prova che sostenga l’ipotesi che le sezioni d’urto d’interazione tra muoni positivi e negativi per trasferimento d’energia al di sopra di 1 GeV differiscano nell’intervallo da 100 GeV a 10 TeV.

Observation of cosmic rays and auroral X-rays in the Polar Patrol Balloon experiment

Abstract The Polar Patrol Balloon (PPB#6) aimed at studying the elemental and isotopic composition of galactic cosmic rays, solar energetic particles cosmic gamma ray bursts and auroral X-rays, and was launched from Syowa Station Antarctica, by the 34th Japanese Antarctic Research Expedition on 5 Jan 1993. The balloon moved westward by 1.5 circumpolar rounds over Antarctica covering 6–13g/cm 2 atmospheric depth and 63°S–70°S geographic latitude. A total of 584 hours of observations was obtained. The balloon trajectory, the observing system and preliminary results of spectra and global distribution of cosmic radiation and auroral X-rays were described.