ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 401-404
УДК 524.1
ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРА ЛОКАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ НА УСТАНОВКЕ СКТ
© 2015 г. М. Б. Амельчаков, А. Г. Богданов, В. В. Исаков, Р. П. Кокоулин, А. А. Петрухин, С. С. Хохлов, И. А. Шульженко, И. И. Яшин
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва E-mail: MBAmelchakov@mephi.ru
Приведены первые результаты измерения спектров локальной плотности заряженных частиц в широких атмосферных ливнях с энергиями ~1014-1015 эВ на установке СКТ экспериментального комплекса НЕВОД, полученные двумя независимыми методами. Экспериментальные данные сравниваются с расчетами, выполненными с использованием программы CORSIKA.
DOI: 10.7868/S0367676515030060
ВВЕДЕНИЕ
Современные эксперименты по регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ) нацелены в основном на изучение области "излома" спектра космических лучей (что соответствует энергиям первичных частиц ~1015—1016 эВ) и выше. Однако для корректного подхода к изучению «излома» также важна и область относительно низких энергий ~1013—1015 эВ, которая является переходной от регистрации одиночных частиц к регистрации различных компонент ШАЛ наземными установками, но до сих пор оставалась мало изученной, хотя позволяет получить уникальную информацию о развитии ШАЛ в атмосфере. Сопоставление результатов измерений спектра космических лучей наземными установками с данными спутниковых и баллонных экспериментов в одной и той же области энергий позволит провести взаимную калибровку разных методов и проверить существующие модели адронных взаимодействий.
С целью исследования ШАЛ в области энергий ~1013—1015 эВ в ранних экспериментах, последовавших за открытием ШАЛ, широко использовался подход, основанный на анализе локальных плотностей заряженных частиц. В этом подходе важной экспериментальной характеристикой ШАЛ является дифференциальный спектр плотности частиц — частота регистрации ливней, для которых плотность частиц в месте расположения установки (локальная плотность) лежит в интервале от Б до Б + йБ независимо от размеров ливня и положения его оси [1]. Если размер установки невелик по сравнению с размерами ливней, то плотность частиц можно считать постоянной в пределах площади, занимаемой установкой. Спектр плотности тесно связан с другой традиционно используе-
мой характеристикой ШАЛ — спектром ливней по числу частиц. В данной работе локальные плотности заряженных частиц ливней измерялись на установке СКТ, входящей в состав экспериментального комплекса НЕВОД [2].
1. УСТАНОВКА СКТ
Система калибровочных телескопов (СКТ) включает в себя две параллельные плоскости площадью 8 х 10 м2 по 40 сцинтилляционных счетчиков в каждой (рис. 1). Размер одного счетчика — 40 х 20 х 2 см. Верхняя плоскость СКТ расположе-
1.25 м
2.5 м
Рис. 1. Расположение счетчиков в плоскости СКТ.
402
АМЕЛЬЧАКОВ и др.
на над водным объемом черенковского водного детектора (ЧВД) НЕВОД, а нижняя — на дне.
Первоначально установка СКТ создавалась для калибровки оптических модулей ЧВД НЕВОД по черенковскому излучению от треков мюонов, регистрируемых телескопами сцинтилляцион-ных счетчиков (1600 различных телескопов, 1 верхний + 1 нижний счетчики; треки регистрируются в диапазоне зенитных углов от 0° до 51°). После модернизации ЭК НЕВОД регистрирующая система СКТ была дополнена амплитудными каналами для каждого счетчика (динамический диапазон ~50 релятивистских частиц), вследствие чего появилась возможность анализа многочастичных событий. Триггерными условиями для регистрации событий в СКТ являются одновременное срабатывание (временные ворота 75 нс): 1) >2-х счетчиков в верхней плоскости; 2) >1 счетчика в нижней плоскости; 3) любого числа детекторов в обеих плоскостях. Далее анализируется информация только со счетчиков верхней плоскости СКТ, регистрирующей преимущественно электронно-фотонную компоненту ШАЛ.
Предварительные оценки показали, что небольшая площадь установки СКТ и отсутствие временной информации не позволяют восстанавливать традиционно используемые параметры индивидуальных ШАЛ (направление, положение оси, полное число заряженных частиц, возраст ливня), поэтому было предложено измерять спектр плотностей заряженных частиц двумя независимыми способами: пересчетом из данных по кратности срабатывания детекторов и из амплитудных данных, учитывая калибровку счетчиков по одиночным мюонам.
2. СПЕКТР ПЛОТНОСТИ ПО КРАТНОСТЯМ СРАБАТЫВАНИЯ СЧЕТЧИКОВ СКТ
В рамках указанных приближений метода спектров локальной плотности частиц распределение по кратностям срабатывания счетчиков в установке будет определяться биномиальным законом. Тогда средний темп счета для т-кратных совпадений есть интеграл по плотности Б от произведения спектра локальных плотностей на вероятность сра-
батывания заданного числа счетчиков:
(Vп) = (1 - р)п-п йБ)йБ, (1)
о
где р = 1 - ехр(—$дБ) — вероятность срабатывания одного счетчика при данной плотности частиц, — площадь счетчика (0.08 м2), т — число сработавших счетчиков, п = 40 — общее число счетчиков.
Проведенные ранее на различных установках измерения показали (см., например, [3]), что спектр локальной плотности заряженных частиц имеет приблизительно степенной вид в диапазо-
не плотностей от 4 до 1000 частиц • м-2, поэтому в качестве "пробного" спектра использовано выражение вида
dF0/dD = A (D/D0)
-(в+1)
(2)
где Д0 — нормировочный коэффициент, имеющий размерность [с-1 • м2], D — локальная плотность заряженных частиц [м-2], D0 = 1 м-2 — параметр для компенсации размерности в скобках, в — показатель наклона интегрального спектра.
В качестве оценки локальной плотности D были выбраны среднелогарифмические значения (оптимальные с точки зрения степенного спектра [4]), которые вычислялись из распределений по D для каждой кратности срабатывания детекторов установки. Значение параметра До находилось из соотношения расчетных и измеренных частот. Наилучшее согласие между экспериментальным и расчетным распределениями по кратности достигается при значении показателя степени пробного спектра в ~ 1.5.
Учет эффективности срабатывания детекторов и углового распределения ШАЛ, падающих на плоскость установки, осуществлялся заменой значения площади счетчика в выражении для определения вероятности срабатывания p(D) на его эффективную площадь:
*эф = cos 0 (3)
где п = 0.95 — эффективность регистрации, 9 — зенитный угол, «д — площадь счетчика.
Поглощение ШАЛ в атмосфере для различных зенитных углов 9 учитывалось в среднем согласно [3]:
w(0) - exp(-Х0/Лcos 0), (4)
где X0 — толщина атмосферы по вертикали (1020 г • см—2), Л — длина поглощения нуклонов в атмосфере (120 г • см—2). Восстановленный из распределения кратности срабатывания счетчиков спектр локальной плотности заряженных частиц ШАЛ приведен на рис. 2 светлыми точками.
3. СПЕКТР ПЛОТНОСТИ ПО АМПЛИТУДНЫМ ДАННЫМ СЧЕТЧИКОВ СКТ
Для амплитудной калибровки счетчиков СКТ используются события, в которых одиночный мюон проходит через водный объем ЧВД НЕВОД. Получаемый амплитудный спектр на каждом счетчике имеет несимметричный вид с ярко выраженным пиком и вытянутым "хвостом" справа. Амплитуда, соответствующая пику распределения, наиболее вероятна. Расчетное значение наиболее вероятных ионизационных потерь мюонов для толщины пластического сцинтиллятора 2 см (2.12 г • см—2) с учетом их энергетического спектра на поверхности Земли [5] равно 3.49 МэВ. Для ко-
ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРА ЛОКАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
403
личественных оценок в качестве амплитуды, соответствующей одной "частице", было выбрано значение средних потерь минимально ионизирующей частицы (М1Р), которое, согласно [6], составило 4.10 МэВ. Для вычисления числа "частиц" в детекторе амплитуда, измеренная на счетчике в конкретном событии, делится на амплитуду, соответствующую М1Р.
Оценкой локальной плотности частиц в СКТ при восстановлении по амплитудным данным является величина, равная отношению числа зарегистрированных "частиц" к сумме площадей всех детекторов плоскости СКТ, которая составляет 3.2 м2 (0.08 м2 х 40 шт.). Полученный таким образом экспериментальный спектр локальной плотности частиц ШАЛ изображен на рис. 2 темными точками. Спектры плотности, восстановленные двумя методами, несколько отличаются друг от друга.
4. РАСЧЕТНЫЙ СПЕКТР ПЛОТНОСТИ ЧАСТИЦ ШАЛ
Для расчета спектра локальной плотности заряженных частиц ШАЛ использованы средние функции пространственного распределения (ФПР) частиц, полученные с помощью моделирования ливней по программе СОЯ81КА у.7.40. В качестве моделей адронных взаимодействий использована комбинация SIBYLL-2.1 и FLUKA2011, для расчета электронно-фотонной компоненты ШАЛ использована подпрограмма EGS. Пороговые энергии вторичных частиц составляли 100 МэВ для адронов и мюонов и 1 МэВ для электронов и гамма-квантов. Розыгрыш ливней проводился для вертикального направления и набора фиксированных энергий первичных частиц космических лучей (протонов) в диапазоне от 1012 до 3 • 1016 эВ. Аппроксимация спектра первичных частиц космических лучей была выбрана в виде йЫ/йЕ ~ - 5 • 104 (Е, ГэВ)-27 [м-2 • с-1 • ср-1 • ГэВ1] который удовлетворительно (в пределах 10-20%) согласуется с большинством экспериментальных результатов в области ~1015 эВ. Ослабление в атмосфере потока ливней, приходящих под разными зенитными углами, учитывалось приближенно согласно соотношению (4).
Полученный в результате расчета спектр плотности заряженных частиц ШАЛ (в предположении, что первичные частицы являются протонами) представлен на рис. 2 сплошной линией. Расчетный спектр плотности располагается вблизи экспериментальных. Отличие расчетного спектра от экспериментальных можно объяснить тем, что при моделировании не учитывалось искажающее ФПР частиц влияние крыши здания, в котором
Б(йБ/йБ), с-1
Рис. 2. Спектры локальных плотностей частиц: светлые точки - спектр, восстановленный по кратности срабатывания счетчиков; темные точки - спектр, восстановленный по амплитудным данным; сплошн
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.