Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 5, с. 321-325
© 2015 г. 10 марта
Измерение крупномасштабной анизотропии космических лучей в
эксперименте ПАМЕЛА
A. В. Карелина1\ О. Адриаш^'с2\ Дж. Барбариноа,е2\ Г. А. Базилевская?, Р. Белотти9'к2\ М. Боециог2\
Э. А. Богомолов?, М. Бонджис2\ В. Бонвичини12\ С. Ботта^2\ А.Бруно9>Н2\ А.Вакки{2\ Е. Вануччинис2\ Г. И. Васильев?, С. А. Воронов11, А. М. Гальпера, К. Де Донаток'12\ К.Де Сантиск'12\ Н.Де Симонек'12\ В.Де Феличек2\ Дж. 3amnai2\ Н. 3amnai2\ Ф.КафаньяН2\ Д. Кашпанае2\ Р. Карбонее'12\ П.Карлсонт2\ М. Казолинок2\ Д. Кастеллинип2\ А. Н. Квашнин?, С. В. Колдашова, С. А. Колдобскийа, С. Ю. Крутьковi, А. А. Леонов"1, Л. Марчеллик 2), М. Мартучик^2\ А. Г. Майоров11, В. В. Малахов11,
B. Меннр2\ М. Мергек'12\ В. В. Михайлов", Э.Мокьютти12\ А.МонакоН2\ Н.Мор^с2\ Р.Мунини^о2\ Дж. Остерияе2\ Ф.Пальмак'12\ Б.Паникое2\ П. Папини02^, М.Пирст2\ П. Пикоццак'12\ М.Риччиi,
С. Риччиаринис, М. Л. Розеттот<2\ М. СишонР2\ Р. Саркар12\ В. Скотт1^'е2>, Р. Спарволик'12>, П. Спилантиниь'с2\ В. Форшато^°2\ Ю. Т. Юркин"1 а Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, 115409 Москва, Россия b University of Florence, 1-50019 Sesto Fiorentiono, Florence, Italy CINFN, Sezione di Florence, 1-50019 Sesto Fiorentiono, Florence, Italy d University of Naples "Federico II", 1-80126 Naples, Italy eINFN, Sezione di Naples, 1-80126 Naples, Italy f ФИАН им. Лебедева, 119991 Москва, Россия 9 University of Bari, 1-70126 Bari, Italy hINFN, Sezione di Bari, 1-70126 Bari, Italy 4NFN, Sezione di Trieste, 1-34149 Trieste, Italy i ФТИ им. Иоффе, 194021 С.-Петербург, Россия kINFN, Sezione di Rome "Tor Vergata", 1-00133 Rome, Italy 1 University of Rome "Tor Vergata", 1-00133 Rome, Italy
mKTH, Department of Physics, and the Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics AlbaNova University Centre,
SE-10691 Stockholm, Sweden
"IFAC, 1-50019 Sesto Fiorentino, Florence, Italy
° University of Trieste, 1-34147 Trieste, Italy p University of Siegen, D-57068 Siegen, Germany qINFN, Laboratori Nazionali di Frascati, 1-00044 Frascati, Italy Поступила в редакцию 23 января 2015 г.
В исследованиях, проводимых в околоземном космическом пространстве, в спутниковом эксперименте ПАМЕЛА за 2006-2014 гг. была зарегистрирована крупномасштабная анизотропия, или так называемая звездно-суточная волна. Величина анизотропии измерена для южного и северного полушарий одновременно в экваториальной системе координат. Полученные результаты подтверждают данные наземных экспериментов.
DOI: 10.7868/S0370274X15050021
-'-'e-mail: karelin@hotbox.ru O. Adriani, G.C. Barbarino, R. Bellotti, M. Boezio, M.Bongi, V. Bonvicini, S. Bottai, A. Bruno, F. Cafagna, D. Campana, P. Carlson, M.Casolino, G. Castellini, C.De Donato, C.De Santis, N. De Simone, V. Di Felice, V. Formato, L. Marcelli,
M. Martucci, W. Menn, M.Merge', E. Mocchiutti, A.Monaco, N.Mori, R. Munini, G. Osteria, F.Palma, B. Pánico, P. Papini, M.Pearce, P. Picozza, M.Ricci, M.L.Rosetto, S. B. Ricciarini, R. Sarkar, V. Scotti, M. Simón, R. Sparvoli, P. Spillantini, A.Vacchi, E. Vannuccini,G. Zampa, N. Zampa
Исследования вариаций интенсивности галактических космических лучей в зависимости от направления их прихода проводятся довольно давно, с 7080-х годов прошлого века, например, на установке в штате Юта США [1], на Баксанском подземном сцин-тилляционном телескопе [2], а также на Баксанской установке КОВЕР [3]. Однако особенно активное исследование анизотропии космических лучей высоких энергий ведется последние 15 лет. В целом ряде наземных экспериментов в основном в северном полушарии (Супер Камиоканде [4], Тибет [5], Арго [6], Миларго [7], Минос [8]), а также на 1се-СиЬе [9] в южном было продемонстрировано существование анизотропии на уровне 10~3 в интервале энергий от 1 ТэВ до 1ПэВ. Величины и угловые расположения максимумов и минимумов интенсивностей в этих экспериментах в целом совпадают друг с другом, однако зависят от энергии.
Так как указанная анизотропия носит дипольный характер в экваториальной системе координат, то ее принято называть крупномасштабной дипольной анизотропией (для различия с анизотропиями масштаба других порядков [10]). Природа крупномасштабной анизотропии до сих пор вызывает вопросы. Общепризнанной теории, объясняющей это явление, на сегодняшний день не существует. Есть версии, связывающие эффект анизотропии с близкими источниками, такими, как остатки сверхновых [11], или с пекулярным движением солнечной системы относительно общей массы звезд (так называемый эффект Комптона-Геттинга [12]).
Все вышеупомянутые эксперименты проводились при помощи наземных установок. Поэтому во время измерений использовались поправки для учета эффектов, связанных с атмосферой (например, учитывающие сезонные колебания давления и температуры атмосферы). Кроме того, наземные установки могли регистрировать эффект анизотропии только в одном полушарии, в котором они собственно и располагаются. Поэтому естественным желанием может быть проведение подобных измерений вне атмосферы, причем сразу в двух земных полусферах.
Такие измерения были выполнены при проведении спутникового эксперимента ПАМЕЛА. Магнитный спектрометр ПАМЕЛА предназначен для проведения прецизионных измерений спектров частиц космических лучей в широком интервале энергий. Прибор состоит из следующих детекторов: сцинтил-ляционной времяпролетной системы ВПС, магнитного спектрометра, системы антисовпадений, электромагнитного калориметра, ливневого сцинтилляцион-ного детектора С4 и нейтронного детектора. Гео-
метрический фактор прибора ПАМЕЛА, определяемый апертурой магнитного спектрометра, составляет 21.6 см2 ср. Подробное описание как всего прибора ПАМЕЛА в целом, так и его отдельных детекторов и условий проведено измерений приведены в работе [13].
Для увеличения геометрического фактора с целью повышения уровня статистической достоверности результатов использовались комбинированные данные калориметра и детектора С4, вырабатывающего свой собственный триггерный сигнал наряду с калориметром при превышении установленной величины энерговыделения.
Калориметр [14] состоит из 44 плоскостей кремниевых стриповых детекторов, между которыми расположены 22 пластины из вольфрама толщиной 2.6 мм каждая. Одна плоскость детекторов включает в себя в сумме 96 стрипов с шагом 2.2 мм. Это дает возможность измерять координаты частиц в двух проекциях и получать таким образом пространственное распределение вторичных частиц каскада, развившегося в калориметре при взаимодействии с его веществом регистрируемой частицы. Суммарная толщина калориметра составляет 0.6 ядерной длины взаимодействия, или 17 радиационных длин.
Направление прилета частиц определялось по измерению оси ливня, генерируемого частицей в калориметре [15]. Ось ливня совпадает с направлением первичной частицы. Таким образом, главным условием отбора событий было наличие развитого каскада вторичных частиц с осью ливня, находящейся внутри калориметра. Каскады вторичных частиц рождаются не только электронами, но также и протонами и более тяжелыми ядрами, причем с разной вероятностью в зависимости от типа провзаимо-действовавшей частицы при заданной кинетической энергии. Суммарная величина зарегистрированного полного энерговыделения в калориметре зависит от энергии первичной частицы. В космических лучах преобладают протоны - (около 90 %) и ядра гелия -(около 9%). При этом на все остальные частицы (электроны и тяжелые ядра) приходится около 1 %. Однако если фиксировать в отобранных событиях величину полного энерговыделения в калориметре, то количественное соотношение типов частиц среди них будет другим. Это связано с тем, что, как отмечено выше, частицы разных типов рождают ливни с разной вероятностью при заданной первичной энергии. Чтобы избавиться от частиц низких энергий, подверженых влиянию магнитного поля Земли, был повышен порог для отбора событий по полному энерговыделению в калориметре. Порог повышался
до тех пор, пока влиянием указанных частиц на конечное угловое распределение не становилось можно полностью пренебречь. В результате был установлен порог в 180000 мип. Один мип равен энергии, которая выделяется в одной плоскости калориметра при прохождении одной минимально ионизирующей частицы.
Для исследования анизотропии была построена изотропная фоновая карта в экваториальной системе координат, с которой затем сравнивается полученная экспериментальная карта. Идея метода создания "изотропной" карты для последующего поиска анизотропии состоит в том, чтобы случайным образом перераспределить восстановленные направления внутри приборной системы координат в отобранном наборе экспериментальных данных [16].
В случае идеального изотропного распределения по направлениям потоков космических лучей интенсивность, не зависящая от времени, будет одной и той же для всех направлений в пространстве. Возможные временные изменения интенсивности будут обусловлены только приборными эффектами, например включениями-выключениями прибора в течение времени измерения. Таким образом, можно промоделировать набор изотропно распределенных событий, используя только экспериментальные данные, случайным образом меняя направления прилета частиц в системе координат, связанной с прибором. Так, берется восстановленное направление частицы относительно системы координат прибора ПАМЕЛА в одном событии, а затем оно обменивается с измеренным направлением в другом событии. Многократное повторение данной процедуры с нормальным распределением вероятности выбора событий для обмена направлений внутри приборной системы координат позволяет смоделировать "изотропную" фоновую карту с учетом реального энергетического спектра, реальной эффективности регистрации и мертвого времени, соответствующих реальным экспериментальным данным. Для получения изотропной карты для событий с энерговыделением выше 180000 мип с целью повышения статистической достоверности процедура повторялась сто раз.
В случае дипольной анизотропии относительная интенсивность космических лучей ; где - ве-
личина интенсивности потока частиц из изотропной фонов
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.