ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 408-410
УДК 524.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКА АЛЬБЕДНЫХ МЮОНОВ НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ НЕВОД-ДЕКОР
© 2015 г. В. С. Кругликова, Н. С. Барбашина, А. Г. Богданов, В. В. Киндин, Е. А. Ковыляева, Р. П. Кокоулин, К. Г. Компанией, А. А. Петрухин, С. С. Хохлов, Д. В. Чернов, В. В. Шутенко, Е. И. Яковлева, И. И. Яшин
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва E-mail: vskruglikova@mephi.ru
Приведены новые результаты исследования потока атмосферных мюонов, рассеянных из грунта в верхнюю полусферу, полученные на экспериментальном комплексе НЕВОД-ДЕКОР по данным измерительной серии, проведенной с декабря 2011 по март 2013 года.
DOI: 10.7868/S0367676515030345
ВВЕДЕНИЕ
Исследование окологоризонтального потока атмосферных мюонов представляет интерес как с точки зрения изучения космических лучей высоких энергий, так и для оценки фона в нейтринных экспериментах. Особый интерес представляет область зенитных углов больше 90°, в которой на поверхности Земли регистрируются так называемые альбедные мюоны — в основном атмосферные мюоны, вошедшие в грунт и рассеянные в верхнюю полусферу.
Поскольку поток мюонов из верхней полусферы на несколько порядков больше, чем поток мюонов, летящих в восходящем направлении (из-под горизонта), ключевым моментом в выделении альбедных мюонов является надежное определение направления движения частицы. Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР, в котором могут быть одновременно реализованы два метода определения направления: на основе вре-мяпролетной методики и с использованием направленности черенковского излучения заряженных частиц в воде, обеспечивает необходимые условия для проведения исследований потока альбедных мюонов на поверхности Земли. Основа комплекса — черенковский водный детектор (ЧВД) НЕВОД [1] с детектирующей системой в виде пространственной решетки из 91 квазисферического модуля (КСМ), каждый из которых состоит из шести ФЭУ с плоским фотокатодом, направленных по осям ортогональной системы координат. Такая конструкция дает возможность оценить направление прихода черенковского света уже на уровне одного КСМ. Вокруг бассейна развернут координатно-трековый детектор ДЕКОР [2], в состав которого входят восемь супермодулей (СМ), состоящих из восьми верти-
кально расположенных плоскостей газоразрядных трубок, работающих в режиме ограниченного стримера. Координатно-трековый детектор позволяет выделять треки заряженных частиц с малой угловой (менее 1°) и пространственной (около 1 см) погрешностью, а также измерять относительное время прохождения мюона через разные супермодули, что дает дополнительную информацию для выделения альбедных мюонов из окологоризонтального потока.
Первые результаты по исследованию потока альбедных мюонов, зарегистрированных экспериментальным комплексом НЕВОД-ДЕКОР, были получены в 2002—2003 годах [3]. Направление движения мюонов определялось по отклику 27 КСМ, детектирующими элементами которых являлись ФЭУ-49Б. Совместная работа ЧВД НЕВОД и установки ДЕКОР позволяла определять направление мюона с вероятностью ошибки 10-6 и эффективностью отбора 96%. В этой статье представлены результаты анализа данных первой длительной серии измерений, проведенной после модернизации измерительной системы ЧВД, которая позволила существенно повысить надежность определения направления движения частиц.
АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
После глубокой модернизации ЧВД [4], в результате которой была создана новая регистрирующая система и устаревшие ФЭУ заменены на низ-кошумящие и более чувствительные ФЭУ-200, была проведена длительная экспериментальная серия, которая проходила в период с декабря 2011 года по март 2013 года (7945 часов "живого времени").
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОТОКА АЛЬБЕДНЫХ МЮОНОВ
409
5 А
(1)
Отбирались события, в которых сработало только два СМ на противоположных коротких сторонах бассейна (СМ00, СМ01 и СМ06, СМ07), причем восстановленные каждым супермодулем треки согласуются в пределах конуса с раствором 5° и предположительно являются треками одного мюона. Такие события регистрируются в диапазоне зенитных углов 85°—95° и получили условное название "ОпеТгаск". Пороговая энергия мюонов для таких событий составляет примерно 7 ГэВ. Всего в течение измерительной серии было зарегистрировано около 1.5 млн событий "ОпеТгаск".
Обычно при регистрации событий "ОпеТгаск" большинство сработавших ФЭУ направлены в сторону прихода мюона, поэтому определять направление пролета частицы можно по разнице числа сработавших ФЭУ, ориентированных в противоположные стороны. Для отбираемых событий удобно использовать ФЭУ, направленные на СМ00, СМ01 (ФЭУ № 3 в каждом КСМ) и СМ06, СМ07 (соответственно ФЭУ № 1) коорди-натно-трекового детектора. Еще более информативно значение относительной разницы суммарных амплитуд ЪА, которая учитывает не только факт срабатывания ФЭУ, но и величину отклика:
I Аз - X А,
I Аз + £ А,'
где £ А3 — суммарная амплитуда ФЭУ № 3, направленных на СМ00 и СМ01; £ А, — суммарная амплитуда ФЭУ №1, направленных на СМ06 и СМ07.
На рис. 1 представлено распределение относительной разницы суммарных амплитуд ЪА для событий "ОпеТгаск". Правый пик соответствует мюонам, двигающимся от СМ00, СМ01 к СМ06, СМ07, левый пик соответствует противоположному направлению.
Триггерная система координатно-трекового детектора содержит информацию об относительных временах срабатывания супермодулей с дискретностью 25 нс. Время пролета мюона между СМ составляет около 90 нс, поэтому события могут быть разделены и времяпролетным методом.
Так как методы являются независимыми, то, накладывая достаточно жесткие условия на разницу времен срабатывания супермодулей А/, можно оценить эффективность и верхнюю границу погрешности критерия по относительной разнице амплитуд ФЭУ. Для этого отбирались события с |А/| > 50 нс, для которых вероятность ошибки в определении направления априорно мала, и исключались события с зенитным углом в диапазоне 89°—91°. Такому отбору удовлетворяет 82.6% событий "ОпеТгаск". Затем среди них отбирались события, превышающие заданный порог значений |ЪА|. Если информации о направлении, опре-
100000
75000
50000
25000
N
ОТ
0
> ■ I
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_
1.00 -0.50 0 0.50 1.00
-0.75 -0.25 0.25 0.75 с ,
8А
Рис. 1. Распределение событий "ОпеТгаск" по относительной разнице суммарных амплитуд противоположно направленных ФЭУ.
деленная по параметрам А/ и ЪА, противоречили друг другу, то считалось, что направление по относительной суммарной разнице амплитуд определено неверно. Результаты отбора приведены в табл. 1.
Аналогично с помощью предварительного отбора событий по относительной разнице суммарных амплитуд |ЪА|, была проанализирована время-пролетная методика. Для оценки эффективности отбора и вероятности ошибки времяпролетной методики исключались события с зенитным углом в диапазоне 89°-91° и отбирались события с |ЪА| > > 0.7 (84.2% от всех событий "ОпеТгаск"). Результаты представлены в табл. 2.
Окончательные критерии были выбраны, исходя из условия низкого значения доли противо-
Таблица 1. Оценка эффективности и вероятности ошибки амплитудного метода
м Эффективность отбора, % Вероятность ошибки, 10-5
>0.5 >0.6 >0.7 >0.8 99.850 ± 0.003 99.726 ± 0.005 99.386 ± 0.007 97.410 ± 0.014 3.89 ± 0.56 2.78 ± 0.47 1.68 ± 0.37 1.38 ± 0.34
Таблица 2. Оценка эффективности и вероятности ошибки времяпролетного метода
|Д/|, нс Эффективность отбора, % Вероятность ошибки, 10-3
>25 >50 >75 99.27 ± 0.01 96.27 ± 0.02 83.92 ± 0.03 2.66 ± 0.05 1.27 ± 0.03 0.53 ± 0.02
410
КРУГЛИКОВА и др.
Not
103 Г 102 = 101 г
10° =
:_l_i_I_i_I_i_I_i_Mil
86 88 90 92 94
9, град
Рис. 2. Распределения отобранных событий по оценке зенитного угла для серии 2002—2003 года (серая линия) и серии 2011—2013 года (черная линия).
речивых событий при сохранении высокой эффективности отбора: |8Л| > 0.7, |Aí| > 50 нс. При совместном использовании двух критериев эффективность составляет ~96%, вероятность ошибки не превосходит 2 • 10-8. За 7945 часов наблюдений отобрано 1447 альбедных событий в диапазоне зенитных углов > 91° из общего числа 1.48 млн событий "OneTrack". На рис. 2 сопоставлены распределения событий по зенитному углу по данным старых и новых измерений. Серой линией обозначена серия 2002—2003 года (4428 часов "живого времени"), черной линией — новые дан-
ные по серии 2011—2013 года. Как видно из рисунка, форма зенитно-углового распределения мюонов, полученного по данным двух серий, практически совпадает.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Реализована методика определения направления движения мюона на основе двух независимых методов, основанных на времяпролетных измерениях и направленности черенковского света в воде. Получены новые статистические данные по альбедным мюонам при сохранении эффективности определения направления движения мюона на уровне 96%. Проведенная модернизация ЧВД НЕВОД позволила на два порядка снизить вероятность ошибки определения направления. Полученные данные будут использованы для анализа процессов формирования потоков аль-бедных мюонов и проверки моделей рассеяния мюонов в веществе.
Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России: государственное задание и проект RFMEFI59114X0002 и гранта Ведущей научной школы НШ-4930.2014.2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Aynutdinov V.M. et al. // Astrophys. Space Sci. 1998.
V. 258. P. 105.
2. Amelchakov M.B. et al. // Proc 27th ICRC. Hamburg.
2001. V. 3. P. 1267.
3. Yashin I.I. et al. // Proc. 28th ICRC. Tsukuba. 2003.
V. 3. P. 1147.
4. Khokhlov S.S. et al. // Astrophys. Space Sci. Trans.
2011. V. 7. P. 271.
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.