ИЗМЕРЕНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ЗЕМЛИ ЭЛЕКТРОНОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ИНТЕРВАЛЕ ЭНЕРГИЙ 75-250 ГэВ ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТА ПАМЕЛА
А. В. Карелин* С. А. Воронов, А. М. Гальпер, В. В. Малахов, В. В. Михайлов
(от имени коллаборации ПАМЕЛА)
Научно-исследовательский ядерный университет «МИФИ» 115409, Москва, Россия
Поступила в редакцию 28 января 2013 1".
В рамках спутникового эксперимента ПАМЕЛА было измерено отклонение электронов в магнитном поле Земли в интервале энергий 75-250 ГэВ (так называемый эффект «восток-запад»). Результаты приведены для различных ¿-оболочек. Полученные данные могут быть использованы при создании математических моделей, описывающих структуру магнитного поля Земли и для уточнения уже существующих моделей. Также эти данные могут непосредственно применяться при получении доли позитронов в потоках электронов космических лучей как в эксперименте ПАМЕЛА, так и в других спутниковых экспериментах.
DOI: 10.7868/S0044451013070079 1. ВВЕДЕНИЕ
При измерении потоков космических лучей в околоземном пространстве огромную роль играет геомагнитное окружение. Одной из стандартных математических моделей для описания магнитного поля Земли является модель IGRF [1]. Обновляемая ежегодно, она учитывает новые различные экспериментальные данные, появляющиеся в мировой научной литературе, касающиеся измерений структуры и конфигурации магнитного поля Земли. Важным вкладом для проверки и уточнения этой и подобных ей моделей должны стать измерения отклонения магнитным полем Земли электронов высоких энергий 75 250 ГэВ по данным спутникового эксперимента ПАМЕЛА [2]. Заряженные частицы космических лучей отклоняются в магнитном поле Земли, поэтому интенсивность частиц одного знака, приходящих с восточного и западного направлений, будет различной. Этот эффект впервые был обнаружен в 30-х гг. прошлого века и получил название «восточно-западный» эффект космических лучей [3,4]. Поскольку основным компонентом космического излучения являются протоны, избыток в темпе счета
* E-mail: karelin'fflhotbox.ru
наблюдался для частиц, приходящих с запада (конфигурация магнитного поля Земли такова, что вертикальные положительно заряженные частицы отклоняются на восток, а отрицательно заряженные на запад). В то время таким образом была подтверждена гипотеза о положительном заряде большей части частиц космических лучей.
В 60-х гг. измерения восточно-западной асимметрии электронов в области энергий до 10 ГэВ проводились на баллонах [5,6]. Позже этот эффект использовался в баллонных экспериментах для измерений доли позитронов в потоках электронов в энергетическом диапазоне до 20 ГэВ [7]. В наши дни в спутниковом эксперименте ФЕРМИ [8] эффект отклонения заряженных частиц магнитным полем Земли используется для измерений доли позитронов энергий до 200 ГэВ [9].
Таким образом, знание величины эффекта в зависимости от энергии электронов, координат в околоземном пространстве и т. п. необходимы для использования магнитного поля Земли как сепаратора знака заряда частиц при исследовании потоков позитронов в области сверхвысоких энергий и могут быть применены с этой целыо в самом эксперименте ПАМЕЛА.
В целом, на сегодняшний день результаты по измерению восточно-западной асимметрии космиче-
ских лучей являются разрозненными и полной количественной картины асимметрии в потоках электронов в направлении с востока и запада до сих пор экспериментально не получено, поэтому данные эксперимента ПАМЕЛА представляют существенный интерес.
В настоящей работе приведены полученные в эксперименте ПАМЕЛА результаты измерения отношения иитеисивиостей, электронов, приходящих с востока и запада при энергиях от нескольких десятков до 250 ГэВ как для интегральных потоков, так и для отдельных ¿-оболочек.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ ПАМЕЛА
Экспериментальный комплекс ПАМЕЛА в составе космического аппарата «Ресурс ДК1» был выведен на орбиту Земли в июне 2006 г. и находится там в активном состоянии по сегодняшний день. Орбита спутника эллиптическая с наклонением 70.4° высотой 350 650 км. Основная задача эксперимента ПАМЕЛА изучение состава и энергетических спектров частиц космического излучения в широком диапазоне энергий в околоземном космическом пространстве.
Прибор ПАМЕЛА (рис. 1) состоит из нескольких детекторов: магнитного спектрометра с спсте-
Мапштпый /\ спектрометр/--^ (6 плоскостей)
Калориметр С А
м
||
©
ш
11
Система аптисовпадепий
Рис. 1.
Протон Антипротон
Схема магнитного спектрометра ПАМЕЛА
мои координатных кремниевых детекторов, системы времени пролета с тремя двойными плоскостями сцинтилляторов, системы аптисовпадепий, окружающей апертуру магнитного спектрометра, детектора нейтронов, нижнего ливневого сцинтилляци-онного детектора С4 и электромагнитного калориметра. Геометрический фактор для частиц высоких энергий (более 1 ГэВ), проходящих в пределах чувствительного объема магнитного спектрометра, равен 21.6 см2-ср, что соответствует угловой апертуре 19° х 16°. Эта апертура является основной апертурой прибора. Мертвое время прибора составляет 5 мс для одиночной частицы. Габариты прибора 123 х 89 х 91 см3.
Одной из возможностей прибора является расширение угловой апертуры с помощью триггеров, вырабатываемых позициоиио-чувствительиым калориметром и нижним сцинтилляционным детектором С4, что позволяет существенно увеличить статистику, что особенно важно при больших энергиях измеряемых частиц. Триггеры калориметра и С4 вырабатываются при условии превышения энерговыделением внутри калориметра или С4 некоторой пороговой величины, которая соответствует возникновению мощного каскада вторичных частиц в калориметре при взаимодействии падающих частиц с его веществом, с деталями прибора или другим веществом космического аппарата. С помощью разработанной методики по восстановлению направления прилета частиц с помощью калориметра, о которой речь пойдет ниже, возможно определять траекторию первичной частицы по оси каскада до углов к вертикали около 75°, при этом апертура прибора становится в десятки раз больше основной, что дает возможность увеличить статистику. В дальнейшем расширенную таким образом апертуру, будем называть «широкой» апертурой.
В «широкой» апертуре с помощью одного только калориметра возможно отделять электроны от протонов и ядер, причем коэффициент режекции последних составляет величину 103 104 [10], достаточную с учетом соотношения электронов и ядерной компоненты в космических лучах для измерения спектра электронов. В случае же позитронов существует возможность увеличить коэффициент режекции протонов и ядер еще на порядок при помощи нейтронного детектора.
Сам калориметр состоит из 22 слоев. Каждый слой образован двумя плоскостями кремниевых стриповых детекторов и пластиной из вольфрама толщиной 2.3 мм. Каждая плоскость кремниевых детекторов включает в себя 96 стрипов с шагом 2.2 мм,
Эпсрговыдслсчшс. mip
Рис. 2. Энерговыделения в калориметре после отбора для протонов и электронов. Энергии частиц 80 ГэВ и 300 ГэВ.
Данные моделирования GEANT 3 [11]
причем стрипы в соседних плоскостях расположены ортогонально друг другу, что позволяет измерять пространственное распределение события в калориметре в двух проекциях. Суммарная толщина калориметра составляет 0.6 ядерной длины взаимодействия (17 рад. длин). Подробное описание калориметра прибора ПАМЕЛА приводится в работе [11].
3. ОТБОР СОБЫТИЙ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИЛЕТА ЧАСТИЦЫ
Предметом анализа служили события, в которых частицы приходили в «широкой» апертуре. Поскольку прибор ПАМЕЛА ориентирован в зенит, частицы, зарегистрированные в основной апертуре, не могут быть разделены по направлениям восток запад, и поэтому восточно-западную асимметрию невозможно наблюдать среди событий, регистрируемых магнитным спектрометром.
Для первоначального отбора основным критерием является пороговая величина полного энерговыделения в калориметре. Оно измеряется в единицах «гшр» энерговыделении, регистрируемом при про-
хождении одной минимально ионизирующей частицы. Данный критерий позволяет выделять частицы высоких энергий, испытавшие взаимодействие в калориметре. Фиксированная величина полного энерговыделения в калориметре соответствует различным первоначальным энергиям для ядер, электронов и протонов. Если данное энерговыделение эквивалентно некоторой величине первоначальной энергии электронов, то оно соответствует в несколько раз большей кинетической энергии ядер (см. рис. 2).
Следующим критерием отбора являлся выбор событий с «хорошо» измеряемым направлением прилета частицы, инициирующей ливень в калориметре. На рис. 3 показан пример событий, которые не рассматривались, поскольку не обладают видимым направлением первичной частицы внутри калориметра. Наиболее правдоподобно возникновение такого рода событий можно объяснить регистрацией в калориметре вторичных частиц от ливней, рожденных в магнитной системе прибора ПАМЕЛА, в веществе конструкции спутника или в стенках аппаратуры теми частицами, которые сами не попадают в рабочий объем калориметра.
Номер плоскости 0
Номер стрипа
Рис.3. Визуализированные события из экспериментальных данных без видимого направления в калориметре. Оттенком серого цвета обозначена величина энерговыделения
При регистрации в калориметре частиц с большой первичной энергией (более 10 ГэВ) стрип с максимальным энерговыделением практически во всех плоскостях располагается на близком расстоянии г < И от траектории первичной частицы, восстановленной по центрам тяжести энерговыделений в отдельных слоях калориметра (расстояние И определяется экспериментально и зависит от полного энерговыделения в калориметре). При малых энергиях первичных частиц вызванный ими каскад вторичных частиц подвержен большим флуктуациям. В этом случае, как и в случае отсутствия первичной частицы в калориметре, возможно значительное отклонение положения центров тяжести энерговыделений в плоскостях от стрипов с максимальным энерговыделением. Этим обусловлен выбор нижнего предела энергий исследуемых частиц.
Для определения направления оси ливня был использован итерационный подход, к
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.