ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 3, с. 345-347
УДК 524.1
ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКОВ ЭЛЕКТРОНОВ И ПОЗИТРОНОВ ПЕРВИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ "ПАМЕЛА"
© 2011 г. В. В. Михайлов1, О. Адриани5, Г. А. Базилевская2, Дж. Барбарино3, Р. Белотти4, М. Боецио7, Э. А. Богомолов6, В. Бонвичини7, М. Бонджи5, Л. Бонеки5, C. В. Борисов18, С. Боттаи5, А. Бруно4, C. Вакки7, Е. Вануччини5, Г. В. Васильев6, С. А. Воронов1, Ю. Ву9, A. M. Гальпер1, Л. А. Гришанцева1, И. А. Данильченко1, В. Джиллард9, Дж. Джерси8, Дж. Зампа7, Н. Зампа7, В. Г. Зверев1, М. Казолино8, Д. Кампана3, Р. Карбоне3, А. В. Карелин1, П. Карлсон9, Дж. Кастеллини10, Ф. Кафанья4, А. Н. Квашнин2, С. В. Колдашов1, С. А. Колдобский1, С. Ю. Крутков6, А. А. Леонов1, А. Г. Майоров1, В. В. Малахов1, В. Мальвецци8, Л. Марчелли8, В. Менн11, Э. Мокьютти7, Н. Мори5, Н. В. Никонов86, Дж. Остерия3, С. Пизолотто7, П. Папини5, М. П. Де Паскале8, П. Пикоцца8, М. Пирс9, М. Риччи12, С. Риччиарини5, М. Ф. Рунцо1, М. Симон11, Н. Де Симоне8, Р. Спарволи8, П. Спилантини5, Ю. И. Стожков2, В. Ди Феличе8, Ю. Т. Юркин1 E-mail: VVMikhajlov@mephi.ru
Эксперимент "ПАМЕЛА" проводится на борту российского спутника "Ресурс ДК1", запущенного 15 июня 2006 г. на околоземную околополярную орбиту высотой 350—610 км и наклонением 70°. Прибор, в состав которого входят магнитный спектрометр и электромагнитный калориметр (16Х0), времяпролетная система, детекторы, нейтронный детектор, антисовпадательная система и ливневой счетчик, позволяет проводить измерения потоков электронов и позитронов в космических лучах в широком интервале энергий от ~100 МэВ до нескольких сотен ГэВ. В данной работе приведены данные по спектру электронов и позитронов в первичных космических лучах, полученные с июля 2006 по декабрь 2008 г.
ВВЕДЕНИЕ
Полагают, что высокоэнергетичные электроны образуются в ускорительных процессах в окрестности сверхновых. Электроны и позитроны образуются также при взаимодействии космических лучей с межзвездной средой. Недавние измерения электрон-позитронного отношения в эксперименте "ПАМЕЛА" [1] показали, что оно увеличивается с ростом энергии, начиная с 7—10 ГэВ в
1 Национальный Исследовательский ядерный университет "МИФИ" Федерального агентства по образованию РФ, Москва.
2 Учреждение Российской академии наук Физический институт академии наук им. П.Н. Лебедева,Москва.
3INFN, Structure of Naples and Physics Department of University of Naples Federico II, Italy.
4 INFN, Structure of Bari and Physics Department of University of Bari, Italy.
5 INFN, Structure of Florence and Physics Department of University of Florence, Italy.
6 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург.
7INFN, Structure of Trieste, Italy.
8INFN, Structure of Rome Tor "Vfergata and Physics Department
of University of Rome Tor "Vfergata, Italy.
9KTH, Department of Physics, Stockholm, Sweden.
10IFAC, Sesto Fiorentino, Florence, Italy.
11Physics Department of Universitat Siegen, Germany.
12INFN, Laboratori Nazionali di Frascati, Italy.
противоречии со "стандартной" диффузионной моделью распространения космических лучей [2]. Модель предполагает, что все позитроны являются вторичными, т.е. происходят только от взаимодействия космических лучей с межзвездным веществом. Так как спектр вторичных позитронов мягче спектра ускоренных электронов, доля позитронов должна убывать с ростом энергии в суммарном потоке.
В 2008—2009 гг. появились новые измерения спектров суммарного электрон-позитронного потока в экспериментах ATIC и Fermi LAT. Полученный спектр может быть приближенно фити-рован степенной функцией Е-3 вплоть до энергии ~1 ТэВ. Суммарный поток несколько выше предсказаний стандартной модели, что может указывать на существование дополнительного источника электронов и позитронов [3, 4]. Это могут быть пульсары, взаимодействия протонов в окрестности сверхновых с рождением позитронов и последующим их ускорением в первичных источниках и, наконец, аннигиляция гипотетических частиц темной материи. Для выяснения природы этого избытка важно знать форму спектров электронов и позитронов раздельно.
346
МИХАЙЛОВ и др.
Доля позитронов е+/(е+ + е ) 0.4 г
0.02
10 100 Е, ГэВ
Рис. 1. Наблюдаемое отношение плотностей позитронов к сумме электронов и позитронов около Земли по данным эксперимента "ПАМЕЛА". 1 — данные за первые два года [1], 2 — настоящая работа.
Е Е3, ГэВ2/м2 • с • ср 1000
100
10
I I I I I I
_1_I_I I I I I I I
_1_I_I I I I I I I
_1_I_I I I I I I I
10
100
1000
Е, ГэВ
Рис. 2. Дифференциальный энергетический спектр электрон-позитронной компоненты космических лучей в окрестности Земли по данным эксперимента "ПАМЕЛА" (черные кружки -позитроны, черные квадратики — сумма электронов и позитронов) в сравнении с другими измерениями. ОП^УАД — работы [3, 4, 7—10] соответственно.
1. ЭКСПЕРИМЕНТ
Эксперимент "ПАМЕЛА" проводится на борту спутника "Ресурс ДК1", запуск которого состоялся 15 июня 2006 г. Спутник был запущен на эллиптическую орбиту с высотой 350—610 км, наклонением 70.4°.
Прибор "ПАМЕЛА" состоит из магнитного спектрометра на основе постоянного магнита ~0.4 Тл, окруженного детекторами антисовпадений, позиционно-чувствительного калориметра, времяпролетной системы на основе трех сцин-тилляционных детекторов, нижнего сцинтилля-ционного ливневого счетчика, а также нейтронного детектора.
Спектрометр предназначен для определения знака заряда частиц и их жесткости по отклонению в магнитном поле. Спектрометр имеет шесть стриповых кремниевых плоскостей толщиной 300 мкм и площадью 13.1 х 16.1 мм2. Каждая плоскость состоит из двух слоев со взаимно перпендикулярными стрипами, что позволяет определить координаты трека с точностью до 3 мкм.
Позиционно-чувствительный калориметр состоит из 22 перемежающихся слоев стрипового кремниевого детектора и вольфрамового поглотителя. Толщина каждого слоя поглотителя 0.26 см, что соответствует 0.74Х0 (радиационной длины). Детекторы состоят из двух пластин, стри-пы которых расположены взаимно перпендикулярно, позволяя определять координаты Х и У треков частиц. Калориметр дает возможность определить энергию электронов и позитронов с погрешностью не более 10% вплоть до сотен ГэВ.
Геометрический фактор прибора составляет 21.6 см2 • ср. Подробное описание эксперимента, характеристик прибора и условий на орбите приведено в [5].
2. АНАЛИЗ ДАННЫХ
Для анализа были отобраны события, имеющие одиночный трек в магнитном спектрометре, время пролета, соответствующее движению в прямом направлении, и энерговыделение в детекторах, соответствующее заряду \7\ = 1. Знак заряда частиц и жесткость определялись по отклонению в магнитном поле. Для выделения позитронов на фоне протонов были использованы различия в характеристиках адронных и электромагнитных ливней в калориметре такие, как начальная точка развития, продольный и широтный профили ливня, максимальная энергия, выделившаяся в стрипе, а также показания нейтронного детектора. При анализе рассматривались только частицы, для которых энергия, измеренная по калориметру и по магнитному спектрометру, совпадала с погрешностью 20%. Применение полного набора критериев обеспечивает коэффициент режекции протонов на уровне 10-5, что позволяет надежно выделять позитроны первичных космических лучей на фоне протонов вплоть до ~100 ГэВ [1, 6].
Эффективность отбора частиц была оценена при моделировании прохождения частиц через
1
ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКОВ ЭЛЕКТРОНОВ И ПОЗИТРОНОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА
347
прибор при помощи программы на основе пакета GEANT 3. При выбранных порогах она составляет около 70% вплоть до энергий ~100 ГэВ.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
В данной работе для определения зарядового отношения и дифференциальных энергетических спектров электронов и позитронов первичных космических лучей были обработаны экспериментальные данные, полученные с июля 2006 г. по декабрь 2008 г.
На рис. 1 показано полученное в эксперименте отношение потоков позитронов к сумме электронов и позитронов в зависимости от энергии Е. Для сравнения показаны ранее опубликованные данные эксперимента за 2006—2007 гг. [1]. Дополнительный объем данных позволил увеличить статистическую обеспеченность результатов и продлить измерения отношения вплоть до 200 ГэВ.
Спектр первичных суммарного потока электронов и позитронов F, умноженный на I3 , показан на рис. 2 в сравнении с данными других авторов. Там же показан дифференциальный энергетический спектр позитронов. Спектр электронов может быть фитирован степенной функцией с по-
казателем —3.25 в интервале энергий от 10 до 60 ГэВ. Спектральный индекс позитронов в этом интервале —2.8--2.9.
Авторы благодарят Роскосмос, НЦОМЗ, ГН-ПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс", ЮТ^ РФФИ (грант № 10-02-01301а и 09-02-00394а) за поддержку и помощь в проведении эксперимента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A. et al. // Nature. 2009. V. 458. P. 607.
2. Березинский В.С., Буланов С.В., Гинзбург В.Л. и др. Астрофизика космических лучей / Под ред. Гинзбурга В.Л. М.: Наука, 1990.
3. Abdo A.A., Ackermann M., Arimoto M. et al. // Phys. Rev. Lett. 2009. V 102. 181101.
4. Chang J., Adams J.H., Ahn H.S. et al. // Nature. 2008. V. 456. P. 362.
5. Picozza P., Galper A., Castellini G. et al. // Astropart. Phys. 2007. V. 27. P. 296.
6. Адриани О., Базилевская Г.А., Барбарино Дж. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2009. Т. 73. № 5. С. 606.
7. Aguilar M. et al. // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 366. P. 331.
8. DuVernois M. et al. // Ap. J. 2001. V. 559. P. 296.
9. Fanselow J.L. et al. // Ap. J. 1969. V. 158. P. 771. 10. Nishimura J. et al. // Ap. J. 1980. V. 238. P. 394.
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.