ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 3, с. 389-392
УДК 539.1.05
АДРОНЫ С ЭНЕРГИЯМИ БОЛЬШЕ 50 МэВ В СОСТАВЕ ШАЛ С Ne =105-107
© 2011 г. Д. Д. Джаппуев1, Ю. В. Балабин2, Э. В. Вашенюк2, Б. Б. Гвоздевский2, Н. Ф. Клименко1, А. У. Куджаев1, А. М. Кучмезов1, О. И. Михайлова1, В. Б. Петков1
E-mail: dzhappuev@mail.ru
Измерения характеристик адронной компоненты ШАЛ с энергией адронов Eh > 50 МэВ проведены на комплексной ливневой установке "Ковер-2" Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН. Адроны регистрировались с помощью нейтронного монитора 6NM64, система регистрации которого позволяет фиксировать временные интервалы между импульсами счетчиков нейтронного монитора с погрешностью до 1 мкс. Для ШАЛ с Ne = 105—10, оси, которых лоцированы в "Ковре", получена зависимость средней кратности нейтронов в нейтронном мониторе от полного числа заряженных частиц в ШАЛ.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование спектра и состава первичного космического излучения (ПКИ) при сверхвысоких энергиях, в том числе в области излома, в настоящее время возможно только методом измерения различных характеристик широких атмосферных ливней (ШАЛ) космических лучей. Анализ полученных экспериментальных результатов проводится на основе расчетов развития ШАЛ в атмосфере. Так как результаты таких расчетов сильно зависят от используемых моделей адронных взаимодействий, результаты измерений различных компонент ШАЛ используются одновременно как для определения спектра и состава ПКИ, так и для проверки различных моделей взаимодействия. Таким образом, для решения данной задачи необходимо одновременно измерять с высокой точностью максимально возможное число различных параметров ШАЛ. Для этой цели в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН на базе существующей комплексной ливневой установки "Ковер-2" создается установка "Ковер-3", которая позволит измерять различные характеристики электронно-фотонной, мюонной и адронной компонент ШАЛ [1, 2].
В данной работе рассматривается возможность регистрации адронной компоненты ШАЛ с энергией адронов Еь > 50 МэВ с помощью находящегося в составе установки нейтронного монитора 6МЫ64 [3]. Ранее нейтронный монитор (НМ) уже использовался для оценки количества тепловых нейтронов, создаваемых ШАЛ в окружающем детектор веществе и в самом детекторе [4].
1 Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований РАН, Москва.
2 Учреждение российской академии наук Полярный геофи-
зический институт РАН, Апатиты.
Для определения энергии падающего на НМ адрона измеряется множественность (кратность) тепловых нейтронов. При этом предполагается, что НМ обладает низким энергетическим порогом (около 50 МэВ) и нет принципиальных ограничений на верхнюю границу энергетического диапазона. В то же время используемые в НМ борные пропорциональные счетчики имеют плохое временное разрешение и искажают информацию о количестве тепловых нейтронов при измеренной кратности более 100. В данной работе представлены предварительные результаты измерения потока адронов с Еь > 50 МэВ в ШАЛ с полным числом заряженных частиц = 105—107 на расстояниях 17—30 м от оси. Предполагается, что на таких расстояниях от оси ливня плотность потока адронов мала и на НМ в основном приходят одиночные адроны и что множественность тепловых нейтронов в НМ будет невысокой (менее 100).
1. ЭКСПЕРИМЕНТ
В состав комплексной ливневой установки "Ковер-2" входят собственно установка "Ковер" с выносными пунктами (ВП), предназначенными для регистрации электронно-фотонной компоненты ШАЛ; мюонный детектор (МД) площадью 175 м2 и нейтронный монитор (НМ) [5—7]. "Ковер" состоит из 400 жидкостных сцинтилляцион-ных детекторов, расположенных в виде квадрата со стороной 14 м и покрывающих площадь 200 м2. Шесть ВП с площадью 9 м2 каждый расположены на расстояниях 30 и 40 м от центра "Ковра". Они предназначены для определения направления прихода ШАЛ, относительные времена срабатывания ВП измеряются дискриминаторами временной привязки (ДВП) с порогами срабатыва-
Число импульсов 104
103
102
0 200 400 600 800 1000
t, мкс
Рис. 1. Распределение временных интервалов между импульсами НМ во временном окне 7) = 1000 мкс: 1 — для триггера ШАЛ, 2 — для контрольного "окна", 3 — разность между 1 и 2.
ния 25 МэВ. Каждый детектор "Ковра" измеряет энерговыделение в диапазоне 10—5000 релятивистских частиц (р.ч.), для данного типа детектора 1 р.ч. (наиболее вероятное энерговыделение в детекторе при прохождении одиночного мюона) соответствует 50 МэВ. Ливневой триггер создается при совпадении импульсов от четырех ВП, расположенных на расстояниях 30 м от центра "Ковра", с сигналом от "Ковра" с порогом 2.5 ГэВ. Этот триггер отбирает ШАЛ от первичных частиц с энергиями Е0 > 6 • 1013 эВ. Частота таких событий «1.2 с-1.
НМ стандартного типа 6-НМ-64 площадью 6 м2 состоит из свинцового генератора, полиэтиленового замедлителя и шести пропорциональных борных счетчиков типа СНМ15 (15 х 200) см2, заполненных газом BF3 под давлением 0.2 атм. Расстояние между центрами "Ковра" и НМ равно 23 м.
Импульсы с усилителей счетчиков НМ и триг-герный ливневой импульс с установки "Ковер" поступают на 32 канальную плату цифрового ввода ADLINK PCI-7233H и с нее на ПК Pentium IV [8]. Для определения интервала времени между импульсами используется внутренний 64-разрядный счетчик-таймер процессора. Это позволяет с погрешностью 1 мкс определять длительность между импульсами. Таким образом, программа регистрирует не только скорость счета НМ (количество импульсов за 1 мин), но и информацию о каждом отдельном импульсе: номер канала, по которому пришел импульс, и интервал времени, прошедший от предыдущего импульса в любом из семи каналов. Используя эту информацию, можно получить распределение интервалов между импульсами как в одном канале, так и в произвольно выбранной группе каналов. Для поддержания точного времени используется приемник
GPS, подправляющий внутренние часы компьютера 1 раз в час. Система сбора формирует файлы данных двух типов. Первый файл F1 содержит стандартные данные о скорости счета за 1 мин по каналам, включая данные о давлении и температуре. Второй файл F2 содержит информацию о каждом поступившем импульсе: время в микросекундах, прошедшее от момента прихода предыдущего импульса, и номер канала. Разделение информации на два файла сделано с целью обеспечить совместимость формата вывода данных нашей системы регистрации со стандартным форматом, использующемся на других станциях НМ.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ
Для оценки энергии адрона, зарегистрированного НМ в составе ливня, необходимо определить временной интервал после прохождения ШАЛ, в котором измеряется множественность нейтронов (число импульсов). Для этого проводится анализ информации по следующему алгоритму: после прихода импульса от ШАЛ открывается временное "окно" длительностью Т0, в котором подсчи-тываются число импульсов со счетчиков НМ и интервалы между ними. Затем пропускается время Тр = 25000 мкс, после чего снова открывается "окно" длительностью Т0 для сбора контрольной информации. На рис. 1 показан результат такой обработки данных для Т0 = 1000 мкс за время набора информации 175 сут. Из рисунка видно, что количество коротких интервалов (до 200 мкс) между импульсами сразу после прихода ШАЛ во много раз превосходит их количество в контрольном окне. В то же время уже к значению At ~ 1000 мкс их количества сравниваются. Это означает, что характерное время сбора кратных нейтронов от ад-ронов в ШАЛ составляет ~1000 мкс. Время измерения числа тепловых нейтронов разными авторами выбирается разное: в [9] для кратностей m <
< 30 взято t < 700 мкс и для m > 30 — значение t <
< 4000 мкс, а в [10] t < 3200 мкс. В данной работе для каждого индивидуального ливня измерение кратности нейтронов в НМ проводится во временном интервале 1000 мкс после триггерного импульса ШАЛ. Если во временной интервал 1000 мкс после триггерного импульса попадает импульс от следующего ливня, то такое событие не обрабатывается.
При восстановлении параметров ШАЛ, отобранных по ливневому триггеру, в качестве априорной функции пространственного распределения частиц (ФПР) в ливне была использована функция Нишимуры—Каматы—Грейзена (НКГ). Восстановление параметров ШАЛ проводилось по следующему алгоритму:
1) отбираются ШАЛ с осями внутри "Ковра", положение оси ливня восстанавливается по пока-
АДРОНЫ С ЭНЕРГИЯМИ БОЛЬШЕ 50 МэВ В СОСТАВЕ ШАЛ С Ne =105-107
391
заниям сцинтилляционных детекторов установки;
2) при известном положении оси ШАЛ по данным детекторов "Ковра" восстанавливается ФПР с учетом переходных эффектов в самом сцинтил-ляторе и в крыше здания;
3) полное число заряженных частиц Ne и возраст ливня s находятся посредством фитирования экспериментальных данных НКГ-функцией.
Таким образом, для каждого ливня определяются следующие параметры: координаты оси (X0, Y0), полное число заряженных частиц Ne, параметр возраста s. Следует заметить, что при попадании оси ШАЛ непосредственно в "Ковер" параметры ливня измеряются с высокой точностью (AX0 = AY0 < 0.35 м, ANe/Ne « 0.1, As/s « 0.02) для ливней с полным числом частиц в интервале 105— 5 • 106 [11].
За 70 сут набора информации было зарегистрировано 500 ливней, для которых ось ШАЛ находится в круге радиусом 6 м от центра "Ковра" и выполняются условия: Ne > 105, s < 1.6 и 9 < 30°. Для этих событий была получена зависимость средней кратности нейтронов (m) в НМ от полного числа заряженных частиц Ne для интервала расстояний 17—30 м от оси ШАЛ (рис. 2). Полученная в данной работе зависимость фитируется следующим выражением:
(m) = 0.003(Ne)a58 ± 0Ш. (1)
Измеренная в данном эксперименте зависимость достаточно хорошо согласуется с результатом измерения интегральной кратности генерации нейтронной компоненты на высоте 3300 м н.у.м. (также регистрируемой нейтронным монитором) [12]. В этой работе было показано, что для интервала по Ne = 2 • 103 — 107
(m) ~ N0'
59 ± 0.02
(2)
В [9] для определения энергии Ен первичного адрона по кратности нейтронов т для одной секции монитора (шесть борных счетчиков) получена формула
Ек (ГэВ) = 0.1т2 05. (3)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.