ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 708-710
УДК 537.591.5
БОЛЬШИЕ И МАЛЫЕ МНОЖЕСТВЕННОСТИ НА НЕЙТРОННЫХ МОНИТОРАХ: ИХ РАЗЛИЧИЯ
© 2015 г. Ю. В. Балабин, Б. Б. Гвоздевский, А. В. Германенко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Полярный геофизический институт Кольского научного центра Российской академии наук, Апатиты
E-mail: balabin@pgia.ru
На основе новой уникальной скоростной системы регистрации для нейтронных мониторов ведутся исследования событий множественности. Получены доказательства, что малые и большие множественности производятся разными физическими процессами.
DOI: 10.7868/S0367676515050117
ВВЕДЕНИЕ
В Полярном геофизическом институте создана уникальная скоростная система регистрации (СР) для нейтронного монитора (НМ), значительно расширяющая возможности НМ как детектора космических лучей [1—3]. С ее помощью стало доступно детальное исследование различных быстрых и кратких (до 10 мкс) процессов в НМ.
МНОЖЕСТВЕННОСТЬ НА НМ: ОДНА ЧАСТИЦА ИЛИ ЛИВЕНЬ
Множественность на НМ совсем не редкое событие: 15—20% всех детектируемых нейтронов на НМ составляют множественные. Множественные нейтроны возникают в НМ неким ансамблем и производят в регистрирующей системе обособленный кластер импульсов с малыми временными интервалами внутри. При этом число множественных нейтронов может доходить до нескольких сотен [3—5]. С помощью новой СР удалось заглянуть "внутрь", событий множественности, исследовать их тонкую структуру (расположение импульсов внутри событий множественности (СМ), зависимость длительности СМ и др.). Был также уточнен и оптимизирован алгоритм поиска СМ. Полное описание нового алгоритма приведено в [3]. Суть его в том, что в потоке импульсов от трубок-детекторов выделяются пакеты (кластеры) с интервалами между импульсами не более 500 мкс. Кластер из двадцати импульсов означает СМ с М = 20. Вероятность случайного образования такого кластера ничтожно мала, менее одного события в год, тогда как наблюдаются их десятки в сутки.
Однако вопрос о происхождении СМ оставался открытым. Традиционная точка зрения основывается на том, что все множественные нейтроны данного СМ рождаются в результате взаимодействия одного энергичного нуклона с ядром
свинца в НМ. Альтернативная, выдвигаемая авторами состоит в том, что СМ больших множе-ственностей М (М > 30—40) возникают на НМ от локальных атмосферных адронных ливней (ЛААЛ). Исследование множественности на НМ в Ба-ренцбурге подтверждает альтернативную версию. Важным фактором служит конструктивная особенность НМ в Баренцбурге. Во-первых, он состоит из трех секций 6-НМ-64, размещенных в отдельных домиках; расстояние между которыми составляет 5 м. Во-вторых, каждая секция составлена из двух подсекций 3-НМ-64, расположенных, как показано на рис. 1, справа. Каждая подсекция имеет свою полиэтиленовую защиту (отражатели), препятствующую уходу нейтронов, родившихся в свинце, наружу. Вероятность нейтрону, родившемуся в одной подсекции, попасть в другую очень мала также и в силу геометрического фактора.
Степень детальности информации, получаемой с помощью новой СР, позволяет определять индивидуальный вклад каналов (номеров детекторов-трубок в НМ) в каждом конкретном СМ, что дает возможность исследовать распределение каналов в любом массиве СМ. На рис. 2 показано такое распределение для СМ с номерами М = 10, 20, 25 и 30. За большой промежуток времени (несколько лет) были собраны в отдельные массивы СМ указанного значения М, а затем определена доля каждого канала в формировании СМ. В случае, когда СМ возникает путем образования множественных нейтронов в свинцовой оболочке в результате взаимодействия одной энергичной частицы, все вторичные нейтроны останутся в той подсекции, куда попала эта частица. Таким образом, вклад в СМ дадут только каналы одной подсекции, что хорошо видно на рис. 2 при М = 10 и 20. Вклад каналов из другой подсекции незначителен: если частица попала в одну подсекцию, размножение нейтронов и последующая их реги-
БОЛЬШИЕ И МАЛЫЕ МНОЖЕСТВЕННОСТИ НА НЕЙТРОННЫХ МОНИТОРАХ
709
Рис. 1. Слева: примерная схема расположения секций НМ в Баренцбурге и адронного ядра ШАЛ, вызывающего события множественности одновременно в нескольких секциях. Справа: расположение подсекций в одной секции НМ в Баренцбурге. Трубки-детекторы показаны черным цветом. Они окружены свинцовыми кольцами, поверх которых размещены полиэтиленовые плиты, выполняющие роль отражателя нейтронов.
страция трубками происходят только в ней. Однако с ростом номера множественности М распределение уширяется и при М = 30 становится равномерным. Другими словами, СМ с М > 30 всегда образуются от равновеликого вклада всех каналов секции. Это возможно только при одновременном попадании энергичных частиц в обе подсекции, причем количество возникающих вторичных нейтронов в подсекциях примерно одинаковое. Такие случайные совпадения имеют пренебрежимо малую вероятность. С традиционной позиции генерации СМ этот результат невозможно объяснить. Но он очевиден в предположении прихода на НМ из атмосферы ЛААЛ: облако энергичных адронов накрывает всю секцию, производя одновременно в обеих подсекциях нейтроны. Достаточно энергичные частицы космических лучей создают в атмосфере каскады вторичных частиц самой разной природы: как легких (мюоны, электроны и др.), так и адронов [6]. Эти локальные каскады адронов называются ЛААЛ. Их поперечные размеры, как можно видеть по распределению каналов в СМ, составляют единицы метров. Ни по размерам, ни по количеству вторичных частиц ЛААЛ не достигают значений, соответствующих широким атмосферным ливням (ШАЛ).
На НМ с помощью новой СР можно регистрировать также и адронную компоненту ШАЛ. Схема показана на рис. 1 слева. Возникновение СМ, в котором присутствуют примерно в равной доле каналы как первой, так и третьей секции, означает приход на весь НМ облака адронов с поперечным размером не менее расстояния между секциями. Адронное ядро ШАЛ имеет поперечные размеры в десятки метров [6] и является единственным известным и возможным источником таких событий на НМ. Случайное совпадение имеет очень малую вероятность. Используя хорошо известные коэффициенты связи для НМ, эффективность регистрации нейтронов трубками, можно от номера множественности перейти к плотности адронов в ядрах ШАЛ. Проведенные вычисления и полу-
усл. ед.
1 2 3 4 5 6
Номер счетчика
Рис. 2. Распределение номеров каналов (счетчиков) в событиях множественности М = 10, 20, 25 и 30. Распределение нормировано на единицу, т.е. показана вероятность вклада в события множественности какого-либо канала. Трубки с номерами 1—3 принадлежат первой подсекции, номера 4—6 — вторая подсекция. Хорошо видно разделение на подсекции в распределении для М = 10 и 20. При М > 30 распределение становится равномерным.
ченные значения плотности согласуются с оценками, имеющимися в [6].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На нейтронном монитора в Баренцбурге (Шпицберген), оснащенном новой скоростной системой регистрации, получены данные, анализ которых подтверждает гипотезу участия локальных адронных атмосферных ливней (ЛААЛ) в образовании событий множественности больших значений. Роль ЛААЛ в СМ с М > 30 основная. Показано также, что с новой системой регистра-
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5 2015
710
БАЛАБИН и др.
ции НМ может служить детектором адронной компоненты ШАЛ. Последнее открывает перспективы для НМ, поскольку мировая сеть НМ может стать — при оснащении ее новой системой регистрации — также и регистратором адронов ШАЛ. Хотя НМ и не является полноценным детектором ШАЛ, его преимущество в том, что существует мировая сеть НМ со многими десятками станций, располагающимися от Шпицбергена до Южного полюса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Balabin Yu.V, Gvozdevsky B.B., Maurchev E.A., Vash-enyuk E.V., Dzhappuev D.D. // Astrophys. Space Sci. Trans. 2011. V 7. P. 283.
2. Balabin Yu.V., Gvozdevsky B.B., Vashenyuk E.V., Dzhappuev D.D. // Astrophys. Space Sci. Trans. 2011. V 7. P. 507.
3. Джаппуев Д.Д., Балабин Ю.В., Вашенюк Э.В., Гвоз-девский Б.Б., Клименко Н.Ф., Куджаев А.У., Кучме-зов А.М., Михайлова О.И., Петков В.Б. // Изв. РАН. Сер. физ. 2011. Т. 75. № 3. С. 391; Dzhappuev D.D., Balabin Yu.V., Vashenyuk E.V., Gvozdevsky B.B., Kli-menko N.F., Kudzhaev A.V., Kuchmezov A.M., Mikhailo-va O.I., Petkov V.B. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2011. V. 75. № 3. P. 360.
4. Chubenko A.P., Shepetov A.L., Antonova V.P., Chuben-ko P.A., Kryukov S.V. // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 2008. V. 35. 085202.
5. De bicki Z., Jedrzejczak K., Karczmarczyk J., Kasztelan M., Lewandowski R., Orzechowski J., Szabelska B., Szabels-ki J., Tokarski T., Wibig T. // Astrophys. Space Sci. Trans. 2011. V. 7. P. 101.
6. Хаякава С. Физика космических лучей. Часть 1. Ядерно-физический аспект. М:. Мир, 1973. С. 594.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5 2015
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.