ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 688-690
УДК 524.1
ИЗМЕНЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АНИЗОТРОПИИ ПОТОКА МЮОНОВ ВО ВРЕМЯ ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЙ ПО ДАННЫМ МГ УРАГАН
© 2015 г. Н. С. Барбашина, И. И. Астапов, В. В. Борог, А. Н. Дмитриева, Р. П. Кокоулин, К. Г. Компанией, А. А. Петрухин, О. А. Ситько, 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: NSBarbashina@mephi.ru
Представлены результаты анализа мюонных снимков (мюонографий), полученных для форбуш-понижений (ФП), зарегистрированных мюонным годоскопом УРАГАН. Такие снимки дают информацию о пространственно-угловой динамике увеличения или уменьшения интенсивности потока мюонов для различных зенитных и азимутальных углов. Для количественного описания изменения углового распределения потока мюонов во время ФП использован корреляционный анализ проекций векторов относительной анизотропии потока мюонов на юг и на восток, в том числе на разных фазах развития ФП.
DOI: 10.7868/S0367676515050130
ВВЕДЕНИЕ
В составе уникальной научной установки НЕВОД с 2006 года функционирует мюонный годоскоп УРАГАН [1], который состоит из четырех супермодулей, обладающих высокой пространственной и угловой точностью регистрации мюонов. Каждую минуту один супермодуль годоскопа регистрирует и записывает в двумерные угловые матрицы направления прихода около 80 тысяч мюонов. Для анализа вариаций интенсивности потока мюонов во время ФП используются часовые матрицы, усредненные по данным трех супермодулей. Статистическая обеспеченность таких матриц составляет около 14 млн. событий. Такие мюонные снимки (мюонографии) дают информацию об изменениях пространственно-углового распределения интенсивности потока мюонов во время ФП. В работе анализируются ФП, зарегистрированные мюонным годоскопом УРАГАН в период с 2007 по 2012 год. За этот период по интегральному темпу счета было выявлено 185 ФП, из них были отобраны 44 ФП с амплитудой >0.5%, которые хорошо разделялись и не накладывались друг на друга. Для оценки амплитуды ФП использованы 10-минутные данные по интегральной интенсивности потока мюонов, скорректированные на температурный и барометрический эффекты [2]. Для исследования относительной анизотропии потока мюонов использованы мюонные снимки и количественные параметры, описывающие их. Параметры относительной анизотропии анализировались на разных фазах развития ФП: до начала падения (24 ч), падения, минимума и восстановления (не более 24 ч).
1. ЛОКАЛЬНАЯ АНИЗОТРОПИЯ ПОТОКА МЮОНОВ ПО ДАННЫМ МГ УРАГАН
Экспериментальные данные, получаемые на супермодулях установки УРАГАН, представляют собой двоичные файлы, содержащие информацию об одноминутных кадрах. Отклик супермодуля представляет собой информацию о сработавших стрипах в каждой из двух проекционных плоскостей XX и IX Параметры трека (два проекционных угла) реконструируются в режиме реального времени посредством программного обеспечения, основанного на технологии гистограммирования в каждой проекционной плоскости, и накапливаются в двумерном массиве (9Х, 9Г) в течение минутного интервала. Такой массив (матрица) данных представляет собой "мюонный снимок" (мюоно-графию) верхней полусферы, ограниченный апертурой детектора [3].
Вектор локальной анизотропии А характеризует зенитно-азимутальное распределение потока мюонов за некоторый интервал времени и является нормированной на число событий суммой единичных векторов, каждый из которых имеет направление, полученное при реконструкции трека отдельного мюона [4, 5]. Суммарный вектор указывает среднее направление потока мюонов.
Для вычисления вектора А используется матрица с размерами ячеек 1° по зенитному (9) и 4° по азимутальному (ф) углам. Вектор можно разложить по направлениям. В частности, в работе использованы проекции на географический юг А) и восток (Ае). Для исследования отклонений от среднего направления вектора анизотропии использован
ИЗМЕНЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АНИЗОТРОПИИ ПОТОКА МЮОНОВ
689
вектор относительной анизотропии г — трехмерный вектор и его проекции на юг и восток:
г = А-{А),
Г =As -(А^ и гЕ = Ае-{ЛБ),
где ^А - средний вектор анизотропии, вычисленный за длительный промежуток времени. Вектор г и его проекции на юг и восток указывают на максимум потока мюонов, следовательно, минимум — с противоположной стороны. Проекции векторов г5 и ге рассчитаны в географических координатах. Для первичных протонов (с учетом асимптотических траекторий) географическое направление с севера на юг соответствует асимптотическому направлению с востока на запад, а с запада на восток — с севера на юг соответственно.
Эти величины удобно использовать для исследования закономерностей в изменениях анизотропии потока мюонов во время ФП по азимутальным направлениям, а для количественного описания изменений углового распределения потока мюонов (для описания мюонных изображений) — корреляционную зависимость между ними [6, 7].
2. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ОТНОСИТЕЛЬНОЙ АНИЗОТРОПИИ ПОТОКА МЮОНОВ ВО ВРЕМЯ ФП, ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ МГ УРАГАН
Для каждой фазы развития ФП были построены мюонные изображения, которые хорошо визуализируют пространственно-угловое распределение потока мюонов с часовым временным шагом. Последовательность таких мюонографий наглядно демонстрирует изменения пространственно-угловых характеристик потока мюонов во время ФП. Для количественной оценки этих изменений были построены корреляционные зависимости между проекциями относительных векторов анизотропии потока мюонов на юг и восток (г3 и гЕ). На рис. 1 представлены такие зависимости для ФП 15 февраля 2012 года. Круг на рисунках соответствует пределам изменений г5 и гЕ, равным 0.52 • 10-3 в спокойный период с 7 по 10 февраля 2009 года, который характеризуется отсутствием возмущений в гелиосфере и магнитосфере Земли. Среднеквадратичные отклонения изменений г5 и гЕ в этот период составляют: <з(г5) = 1.30 • 10-4 и ст(гЕ) = 1.28 • 10-4 соответственно. Таким образом, выход за пределы круга соответствует выходу изменений г5 и гЕ за пределы 4а. Как видно из рисунка, на всех четырех фазах развития данного ФП наблюдается превышение относительной анизотропии потока мюонов по сравнению с нормальной величиной.
Такой анализ был применен для 44 ФП, который показал, что относительная анизотропия,
г5 ■ 103 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0
-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5
С
З^-В Ю
...............
7
А-'7
С
З^-В Ю
................
С
X Ю
................
-2.0-1.0 0 1.0 2.0-2.0-1.0 0 1.0 2.0 -1.5 -0.5 0.5 1.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5
Ге ■ 103
Рис. 1. Корреляции г$ и гЕдля ФП 15 февраля 2012 года во время четырех фаз развития события: а - до начала падения; б - падения; в - минимума; г - восстановления. Цифрами на рисунках обозначены моменты времени (ЦТ): 0 - 14.02.2012 11:00; 7 -15.02.2012 06:00; 2- 15.02.2012 13:00, 3 - 15.02.2012 20:00; 4 - 16.02.2012 01:00.
превышающая изменения г5 и ге более 4а, присутствует на всех фазах в 12 ФП, на трех - в 11 ФП, на двух - в 7 ФП, на одной - в 6 ФП, и в 8 ФП отсутствует на всех фазах. Исследование каждой фазы отдельно показало, что значимая относительная анизотропия наблюдается в период до ФП - в 25 ФП, на фазе падения - в 27 ФП, на фазе минимума -в 25 ФП, и на фазе восстановления - в 24 ФП. Для исследования закономерностей в поведении относительной анизотропии по географическим направлениям с севера на юг и с запада на восток были построены распределения часовых значений параметров г5 и ге для всех четырех фаз (рис. 2, сверху и снизу), нормированные на число точек в каждой фазе.
Распределения значений параметров г8 и ге до начала ФП являются симметричными и в основном лежат в диапазоне от -1.0 до 1.0 ( • 10-3). На фазе падения для обоих параметров наблюдается диапазон более широкий: г5 = (-1.2...2.0) • 10-3, а ге = (-1.7.1.7) • 10-3, при этом значения г5 явно смещены в направлении на юг: (г5) = = (0.18 ± 0.02) • 10-3. Это означает, что минимум потока чаще наблюдался с севера, который в свою очередь соответствует асимптотическому
7
690
БАРБАШИНА и др.
N/Nsum
0.2 г а 0.1 -
0
0.1
0
0.2 0.1
0
0.2 0.1
0
0.2 0.1
0
0.2 0.1
0
0.2 0.1
0
0.2 0.1
0
<rS) = (0.08 ± 0.011) ■ 10-
, 1 , II ....... 2.0 -1.5 -1.0 -0.5 г б .......ч ......... 0 0.5 1.0 1.5 2.0 <rS) = (1.80 ± 0.23) ■ 10-4 lH , ППпЛГПпМ ,1,1
2.0 -1.5 -1.0 -0.5 : в < " , 1 , 1 глГППпП , Hi 0 0.5 1.0 1.5 2.0 rS) = (-0.95 ± 0.17) ■ 10-4 lmrnrw
2.0 -1.5 -1.0 -0.5 - г ' , 1 , 1 ^г.ппП0П[ 0 0.5 1.0 1.5 2.0 rS) = (-0.26 ± 0.09) ■ 10-4 "........
2.0 -1.5 -1.0 -0.5 г д .....-лпО 0 0.5 1.0 1.5 2.0 <rE) = (0.40 ± 0.10) ■ 10-4 Пппг^тг,.....
2.0 -1.5 -1.0 -0.5 - е <r ' , 1 , 1 тПппПО 0.5 1.0 1.5 2.0 E) = (-0.60 ± 0.25) ■ 10-4
2.0 -1.5 -1.0 -0.5 -ж <r ' , 1 , 1 тПГпПО 0.5 1.0 1.5 2.0 е) = (-0.69 ± 0.15) ■ 10-4 ППпги^......
2.0 -1.5 -1.0 -0.5 : 3 <' - . , . , ^гпЛПШ 0.5 1.0 1.5 2.0 ■E) = (-0.04 ± 0.09) ■ 10-4 ТГ1ППпг-1н.......
-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0
Ге ' 103
Рис. 2. Распределения значений параметров г$ (сверху) и Ге (снизу) для четырех фаз ФП: а и д — до начала ФП; б и е — фаза падения; в и ж — фаза минимума; г и з — фаза восстановления.
востоку. На фазе минимума г5 = (—1.3...1.0) ■ 10-3 и ге = (—1.2.1.0) ■ 10-3, средние значения практически совпадают, при этом г5 больше смещено в на-
правлении на север. На фазе восстановления распределения параметров относительной анизотропии практически симметричны.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в среднем на стадии падения темпа счета во время ФП поток мюонов с географического юга уменьшается слабее, чем с севера, а на стадии минимума — наоборот, что соответствует изменению восточно-западной анизотропии первичных космических лучей. На остальных стадиях относительная анизотропия остается практически симметричной.
Работа выполнена на уникальной научной установке ЭК НЕВОД при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (проект RFMEFI59114X0002 и государственное задание) и гранта ведущей научной школы НШ-4930.
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.