Galactic cosmic-ray anisotropy and its modulation in the heliomagnetosphere, inferred from air shower observation at Mt. Norikura

Summary Extensive air showers (EAS) with median primary energy (E _m) of (10¹³÷10¹⁵) eV have been observed since 1970 at Mt. Norikura (2770 m above sea level; geographic latitude 36.1°N, longitude 137.6°E) in order to study a cosmic-ray sidereal daily variation of galactic origin. We report here a summary of the observed results. EAS shows a significant sidereal diurnal variation with an amplitude (0.060±0.003)% and a phase (0.8±0.3) h sidereal local time forE _m≈1.5·10¹³eV. Sidereal semi- and tridiurnal variations also are statistically significant. These variations are proved to be of galactic origin by a method which uses the difference of two directional (eastward and westward) air shower observations. It is found that these variations are subject, as predicted by Nagashimaet al., to the annual variation due to the heliomagnetospheric modulation of the galactic anisotropy, which dominates in the rigidity region ≈10¹²V, and further that the annual variation changes its phase due to the polarity reversal of the polar magnetic field of the Sun, which occurs at the period of the maximum solar activity. This indicates that the anisotropy is produced by the charged cosmic rays, contrary to the expectation from the γ-ray origin hypothesis suggested by Alexeenko and Navara. With the increase ofE _m, the anisotropy seems to be reduced as we have not been able to detect any significant sidereal variation in EAS withE _m≈2·10¹⁴eV. This seems contradictory to the conventional conclusion that the energy spectrum of the anisotropy is flat or slightly increases with energy.

---

Riassunto Sono stati osservati sciami cosmici estensivi (EAS) con energia primaria mediana (E _m) di (10¹³⋎10¹⁵) eV dal 1970 a Mt. Norikura (2770m, latitudine geografica 36.1° N, longitudine 137.6° E) per studiare una variazione gionarliera siderale dei raggi cosmici di origine galattica. Si riporta una sintesi dei risultati osservati. EAS mostra una significativa variazione siderale diurna con ampiezza (0.060±0.03)% e fase (0.8±0.3)h in tempo locale siderale perE _m∼1.5·10¹³eV. Le variazioni siderali semi e tri-diurne sono risultate anch'esse statisticamente significative. Si prova che queste variazioni sono d'origine galattica con un metodo che utilizza la differenza tra due osservazioni di sciami cosmici direzionali (est e ovest). Si trova che queste variazioni sono soggette, come previsto da Nagashimaet al., alla variazione annuale dovuta alla modulazione eliomagnetica dell'anisotropia galattica, che domina nella regione di rigidità ∼10¹²V e inoltre che la variazione annuale cambia fase a causa dell'inversione di polarità del campo magnetico polare del Sole, chesi verifica nel periodo di massima attività solare. Ciò indica che l'anisotropia è prodotta da raggi cosmici carichi, contrariamente a quanto previsto dall'ipotesi sull'origine da raggi gamma, suggerita da Alexeenko e Navara. Con l'aumento diE _m, l'anisotropia sembra ridursi in quanto non siamo riusciti a rilevare una variazione siderale significativa in EAS conE _m∼2·10¹⁴ eV. Questo risultato sembra in contraddizione con la conclusione convenzionale che lo spettro di energia dell'anisotropia è piatto o cresce appena con l'energia.

---

Резюме Широкие атмосферные ливни со средней первичной энергией (E _m), равной (10¹³⋎10¹⁵) зВ, наблюдались с 1970 года на г. Нарикура (2770 м над уровнем моря; географическая широта 36.1°N, долгота 137.6°E), с целяю исследовать суточное изменение сидерических космических лучей галактической природы. Предлагается обзор полученных результатов. Широкие атмосферные ливни обнаруживают значительное сидерическое суточное изменение с амплитудой (0.060±0.003)% и фазой 0.8±0.3 часа сидерического времени дляE _m∼1.5·10¹³ эВ. Сидерические полу-и трех-суточные изменения являются также статистически заметными. Доказывается, что эти изменения имеют галактическое происхождение. Этот результат получен с помощью метода, который использует разности при наблюдениях атмосферных ливней в двух направлениях (в восточном и западном направлениях). Получено, что эти вариации подчиняются, как было предсказано Нагашима и др., годовому изменению, обусловленному гелиомагнитосферной модуляцией галактической анизотропии, которая доминирует в области жесткости ∼10¹² D, и кроме того, годовая вариация изменяет фазу, в связи с реверсированием полярности магнитного поля Солнца, котороепроисходит в период максимума солнечной активности. Этот реультат показывает, что возникает анизотропия, вызванная заряженными космическими лучами, в противоположность рредсказанию Алексеенко и Навара, связанному с гипотезой происхождения γ-лучей. При увеличенииE _m анизотропия, повидимому, уменьшается, так как мы не смогли зарегистрировать какого-либо существенного сидерического изменения в пироких атмосферных ливнях в случаеE _m∼2·10¹⁴эВ. Это противоречит общепринятому заключению, что энергетический спектр анизотропии является пологим или слегка увеличивается с энергией.

     

Laboratory simulation of plume rise from multiple sources

Summary A series of simulations in water channel is presented and discussed. Its principal aim was the evaluation of the interactions of multiple plumes emitted by stacks close to each other and with different heights and buoyancy parameters. Single and multiple emissions have been studied, in near-neutral or unstable conditions. Single emissions have been compared with Moore's and Briggs' models, while multiple ones have been compared with the model of Anfossiet al. The agreement in both cases was satisfactory. Trends of horizontal and vertical dispersion coefficients as functions of the downwind distance have then been studied, both for single and multiple plumes. At last, the simulation has taken into account the influence of the angle between the direction of the wind and the row of stacks. It has been verified that even in the most critical case (perpendicularity) a definite enhancement of the merged plume with respect to single rises was present.

---

Riassunto Si presenta e si discute una serie di simulazioni in vasca idraulica, volta a valutare le interazioni di piú pennacchi uscenti da ciminiere adiacenti di altezze diverse e aventi differenti parametri di galleggiamento. Sono state studiate, in condizioni di atmosfera simulata quasi neutra o instabile, emissioni singole e multiple. Le prime sono state confrontate con i modelli di Moore e Briggs, le seconde col modello di Anfossiet al. L'accordo nei due casi è risultato soddisfacente. Si sono poi studiati e discussi gli andamenti dei coefficienti di dispersione orizzontale e verticale in funzione della distanza dalla sorgente, nel caso di emissioni singole e multiple. Infine la simulazione ha considerato l'influenza della direzione del vento rispetto alla congiungente le ciminiere, verificando che anche nel caso piú sfavorevole (perpendicolarità) vi è un sensibile sovra-innalzamento del pennacchio rimescolato rispetto agli annalzamenti singoli.

---

Резюме Предлагается и обсуждается ряд моделирований в водяном бассейне. Основная цель моделирований-оценить взаимодействия большого количества плюмажей, испускаемых трубами, расположенными близко друг к другу с различными высотами и имеющими различные параметры выталкивательной силы. Исследуются отдельный и множественные источники в условиях нейтральной или неустойчивой атмосферы. Случай единственного источника сравнивается с моделями Мура и Бридса, а множественные источники сравниваются с моделью Анфосси и гр. В обоих случаях получается удовлетворительное согласие. Исследуется и обсуждается поведение коэффициентов горизонтальной и вертикальной дисперсии, как функция расстояния от источника, в случаях единственного и множественного источников. Моделирование также учутывает влияние угла между направлением ветра и рядом труб. Показывается, что в наиболее критическом случае (перпендикулярность) наблюдается заметное усиление плюмажа относительно отдельного источника.

     

Radiation-matter interaction in the space translation method

Summary The space translation (ST) method frequently used to treat the radiation-matter interaction in the high-intensity domain is reconsidered. Limitations of the usual ST working program are pointed out together with the related difficulties in the evaluation of transition amplitudes. The theory of potential scattering in the presence of a strong radiation field within the ST method is considered as well, and a recent approximate treatment discussed.

---

Riassunto Il metodo della ?space translation? (ST) usato frequentemente nell'interazione radiazione-materia in regimi di alta intensità è riconsiderato. Alcune limitazioni del programma di lavoro della ST nel calcolo delle ampiezze di transizione sono messe in evidenza. Viene anche considerata la teoria della diffusione da potenziale nell'ambito del metodo della ST e viene discusso un recente trattamento approssimato.

---

Резюме Заново рассмтривается метод трансляции пространства, часто используемый для изучения взаимодействия излучения с веществом в области высоких интенсивностей. Отмечаются ограничения обычного метода трансляции пространства, а также трудности, возникающие при вычислении амплитуд переходов. Исследуется теория потенциального рассеяния в присутствии сильного поля излучения в рамках метода трансляции иространства, а также обсуждаются недавние приближенные рассмотрения.

     

Two-photon transitions in two-electron systems: The 11 S–21 S transition in2He

Summary The two-photon transition probability between the 1¹ S and the 2¹ S states of atomic He has been computed in the one-electron approximation by using simple approximate wave functions. The results with thee E·r interaction and with the— (e/mc)A·p interaction differ by less than 20%, but the former is shown to give more consistent results. The values of the absorption coefficients for a laser radiation of varying frequency are shown to be experimentally accessible and experiments are suggested with sinchrotron radiation and a laser beam. The Einstein relation between absorption and spontaneous emission can be extended to two-photon processes and the natural lifetime of the 2¹ S-state of He is computed and found to be ∼25 ms, in reasonable agreement with experiment and with other calculations.

---

Riassunto Si calcola la probabilità di transizione a due fotoni tra gli stati 1¹ S e 2¹ S dell’He atomico nell’approssimazione a elettroni indipendenti, usando semplici funzioni d’onda. I risultati ottenuti con l’interazione della formae E·r e con l’interazione della forma —(e/mc)A·p differiscono per meno del 20%, ma si mostra che la prima forma conduce a risultati piú attendibili. Si calcolano i valori dei coefficienti di assorbimento con luce laser di varia frequenza, e si suggerisce la possibilità di esperimenti in cui si utilizzi luce laser e radiazione di sincrotrone. La relazione di Einstein tra assorbimento ed emissione spontanea può essere estesa ai processi a due fotoni e da essa si calcola il tempo naturale di vita dello stato 2¹ S dell’elio, per il quale si ottiene il valore di ∼25 ms, in ragionevole accordo con risultati sperimentali ed altri risultati teorici.

---

Резюме Рычисляется вероятность двухфотонного перехода между состояниями 1¹ S и 2¹ S в атоме He в одно-злектронном приближении, используя простые приближенные волновые функции. Результаты, полученные дляe E·r взаимодействия и для—(e/mc)A·p взаимодействия, отличаются менее, чем на 20%, но первая форма взаимодействия дает более непротиворечивые результаты. Проводятся вычисления коэффициентов поглошения для лазерного излучения различных частот. Предлагаются эксперименты с исполязованием синхротронного излучения и лазерного пучка. Соотношение Эйнштейна между поглощением и спонтанным излучением может быть обобщено на случай двухфотонных процессов. Вычисляется естественное время жнзни 2¹ S состояния He, которое составляет ∼25 мс, что находится в разумном согласии с экспериментом и другими вычислениями.

---

---

Based on work supported in part by C.N.R. through the P.U.L.S. contract with G.N.S.M.     

Collisionless shocks: Simulation and laboratory experiments

Summary In the laboratory the conditions can be created that are necessary for reproducing typical shock waves that have been observed in the interplanetary plasma. There is also the possibility of changing the experimental conditions over a wide range and thus of considering the effect of different mechanisms of energy dissipation. With small Mach numbers, the anomalous increase of resistance at the shock front prevents the shock front from steepening. At high Mach numbers, the anomalous resistivity cannot stop the steepening and the two-stream instability occurs.

---

Riassunto In laboratorio possono essere create le condizioni necessarie per riprodurre tipiche onde d'urto che sono state osservate nel plasma interplanetario. C'è anche la possibilità di cambiare le condizioni sperimentali in un ampio intervallo e quindi di considerare l'effetto di meccanismi diversi di dissipazione dell'energia. Con piccoli numeri di Mach l'aumento anomalo di resistenza sul fronte d'urto impedisce a questo di divenire più inclinato. Per alti numeri di Mach, la resistività anomala non può fermare l'inclinazione, e si verifica l'instabilità a due correnti.

---

Резюме В лаборатории создаются условия. Необходимые для воспроизведения типичных ударных волн, которые наблюдаются в межпланетноИ плазме. Имеется также возможностъ для изменения зкспериментальных условиИ в широкоИ области и, следовательно, для исследования влияния различных механизмов диссипации знерчии. При малых числах Маха аномальное увеличение сопроти-вления на фронте удароИ волны прерятствует увеличению крутизны фронта ударноИ волны. При больших часлах Маха аномальное сопротивление не может остановить увеличение крутизны и возникает двух-струИная неустоичивость.

     

The method of interpolating integral equations for quantum fluids.—I

Summary Approximate integral equations, derived by interpolating between HNC and PY approaches, have been used to calculate the pair distribution function for quantum Bose and Fermi fluids. The equations contain a free parameter wich is determined in such a way that a consistency condition is satisfied. The results obtained for liquid⁴He and³He improve upon the PY and HNC equations and are in good agreement with the Monte Carlo results.

---

Riassunto La funzione di distribuzione a due corpi per fluidi bosonici e fermionici è stata calcolata risolvendo delle equazioni integrali approssimate, ottenute da una conveniente interpolazione tra le tecniche HNC e PY. Le equazioni contengono un parametro libero che è fissato soddisfacendo una condizione di consistenza. I risultati ottenuti per⁴He e³He liquidi migliorano quelli di HNC e PY e risultano in buon accordo con i risultati ricavati con tecniche di Montecarlo.

---

Резюме Приближенные интегральные уравнения, выведенные с помощью интерполяции между HNC и PY подходами, используются для вычисления функции распределения пар для квантовых Бозе—и Ферми-жидкостей. Уравнения содержат свободный параметр, который определяется таким образом, что выполняется условие совместимости. Результаты, полученные для жидких⁴He и³He улучшают результаты вычислений на основе PY и HNC уравнений и согласуются с результатами по методу Монте-Карло.