научная статья по теме ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРОВ ЧАСТИЦ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА Физика

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРОВ ЧАСТИЦ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 322-326

УДК 524.1,539.1

ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРОВ ЧАСТИЦ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА

© 2015 г. А. В. Карелин1, О. Адриани4, Дж. Барбарино5, Г. А. Базилевская2, Р. Белотти6, М. Боецио7, Э. А. Богомолов3, Л. Бонеки4, М. Бонджи4, В. Бонвичини7, С. Боттаи4, А. Бруно6,

А. Вакки7, Е. Вануччини4, Г. И. Bасильев3, С. А. Воронов1, A. M. Гальпер1, К. Де Донато8, K. Де Сантис8, Н. Де Симоне8, В. Де Феличе8, В. Г. Зверев1, Дж. Зампа7, Н. Зампа7, Ф. Кафанья6, Д. Кампана5, Р. Карбоне58, П. Карлсон9, М. Казолино8, Д. Кастеллини10, А. Н. Квашнин2, С. В. Колдашов1, С. А. Колдобский1, С. Ю. Крутьков3, А. А. Леонов1, В. Мальвецци8, Л. Марчелли8, М. Мартучи8, А. Г. Майоров1, В. В. Малахов1, В. Менн11, М. Мерге8, В. В. Михайлов1, Э. Мокьютти7, А. Монако6, Н. Мори4, Дж. Остерия5, Ф. Пальма8, П. Папини4, М. Пирс9, П. Пикоцца8, М. Риччи12, С. Риччиарини4, М. Симон11, Р. Саркар8, Р. Спарволи8,

П. Спилантини4, Ю. Т. Юркин1

E-mail: karelin@hotbox.ru

В настоящее время существующие данные об энергетических спектрах электронов, протонов и ядер гелия в области высоких энергий разрозненны, причем ситуация усугубляется их малым количеством. В спутниковом эксперименте ПАМЕЛА из-за ограничений в использовании магнитного спектрометра для измерений в области высоких энергий необходимо использовать калориметр. Обработка экспериментальных данных, накопленных более чем за 8 лет измерений, с использованием информации калориметра, нейтронного детектора и сцинтилляционных счетчиков позволила получить спектры частиц высоких энергий, что должно в конечно счете существенно расширить наши представления о природе первичных космических лучей.

DOI: 10.7868/S0367676515030266

ВВЕДЕНИЕ

Исследование энергетических спектров космических лучей, полученных в прямых измерениях на спутниках, — одна из приоритетных задач в

1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Москва.

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва.

3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук Санкт-Петербург.

4 INFN, Structure of Florence and Physics Department of University of Florence, Italy.

5 INFN, Structure of Naples and Physics Department of University of Naples, Italy.

6 INFN, Structure of Bari and Physics Department of University of Bari, Italy.

7 INFN, Structure of Trieste and Physics Department of University of Trieste, Italy.

8 INFN, Structure of Rome "Tor "Vfergata" and Physics Department of University of Rome "Tor "Vfergata", Italy.

9 KTH, Department of Physics, and the Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, AlbaNova University Centre, 10691 Stockholm, Sweden.

10 IFAC, Florence, Italy.

11Universitat Siegen, Siegen, Germany.

12 INFN, Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy.

современной астрофизике. Потоки космических электронов с энергией больше 10 ГэВ содержат важную информацию об их генерации в источниках и о процессах, произошедших с ними во время распространения в Галактике. Из-за значительных потерь энергии во время распространения электроны в отличие от протонов и ядер гелия не могут далеко уйти от своих источников. На сегодняшний день только в трех экспериментах осуществляется измерение потоков электронов и позитронов на спутниках — это ПАМЕЛА [1], ФЕРМИ [2], АМС-02 [3]. В предыдущие годы в наземных экспериментах при проведении измерений энергетических спектров электронов было обнаружено резкое изменение показателя спектра при энергиях выше нескольких сотен ГэВ, связанное с существенным уменьшением количества электронов в этой области спектра [4, 5]. Однако результаты, полученные в спутниковых экспериментах ФЕРМИ [6] и АМС-02 [7], не указывают на резкий излом спектра при этих энергиях.

Экспериментальные данные по спектрам протонов и ядер гелия, очевидно, свидетельствуют о различии в величинах показателей их спектров [8—13], но различные эксперименты не согласуются в его величине. Тем не менее независимо от величины различия в показателях энергетическо-

ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРОВ ЧАСТИЦ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

323

го спектра само его существование требует объяснения в рамках существующих теоретических моделей.

Таким образом, использование калориметра в эксперименте ПАМЕЛА, позволяющее достичь области высоких энергий, способствует прояснению ситуации с результатами измерений, сложившейся в этой области.

1. ЭКСПЕРИМЕНТ ПАМЕЛА

Магнитный спектрометр ПАМЕЛА предназначен для проведения прецизионных измерений спектров частиц в широком диапазоне энергий. Прибор состоит из следующих детекторов: сцин-тилляционная время пролетная система ВПС, магнитный спектрометр, система антисовпадений, электромагнитный калориметр, ливневой сцинтилляционный детектор С4 и нейтронный детектор. Геометрический 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 измерений приведено в работе [1].

Для увеличения геометрического фактора с целью повышения уровня статистической достоверности результатов использована комбинация калориметра и детектора С4, включенного наряду с калориметром в триггер. Остановимся более подробно на устройстве калориметра.

Калориметр [14] состоит из 44 (х, у) слов кремниевых стриповых детекторов, между которыми расположены 22 пластины из вольфрама (^ = 74, А = 183.85, р = 18.1 г ■ см-3, Х0 = 0.3735 см) толщиной 2.6 мм каждая. Каждый слой детекторов включает в себя совокупность из 96 стрипов с шагом 2.2 мм. Это дает возможность измерять координаты частиц в двух проекциях и получать таким образом пространственное распределение каскада вторичных частиц, развившегося в калориметре. Суммарная толщина калориметра составляет 0.6 ядерной длины взаимодействия или 17 радиационных длин.

2. ИЗМЕРЕНИЕ

ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННОГО СПЕКТРА

Событием мы называем совокупность данных, записанных в память при регистрации частицы при срабатывании какого-либо триггера прибора ПАМЕЛА. Триггеры калориметра и С4 вырабатываются только при условии превышения некоторой величины энерговыделения внутри калориметра или С4, что соответствует возникновению каскада вторичных частиц внутри калориметра при взаимодействии частиц с конструкцией или с веществом прибора, в основном, калориметра.

В космическом излучении существенно преобладают протоны, поэтому главным при выделении электронной компоненты было избавиться именно от протонов, которые к тому же, как и электроны, имеют заряд, равный единице. Условия отбора были проверены и оптимизированы с помощью моделирования методом Монте-Карло.

Итак, первоначальным критерием отбора частиц для построения спектров являлось превышение пороговой величины полного энерговыделения в калориметре. Данный критерий позволил выделить частицы высоких энергий (более десятков ГэВ). При этом был принят во внимание факт, что фиксированная величина полного энерговыделения в калориметре соответствует различным первоначальным энергиям ядер, электронов и протонов.

Следующий критерий отбора — отбор событий с хорошо измеряемым направлением первичной частицы по оси ливня в калориметре. Измерение направления в калориметре возможно для частиц, приходящих под углом не более 75° к вертикали. Для определения направления оси ливня был использован итерационный подход, который основан на методе наименьших квадратов, при этом для вычисления координат оси ливня используются только те стрипы, которые ближе всего располагаются к оси ливня, что в конечном счете существенно, улучшает угловое разрешение [15].

Отбирались события, не пересекающие калориметр под углами больше 15 градусов к вертикали, так как параметры отборов зависят от значения этого угла.

Один из использованных параметров для отбора электронов, связанных с поперечным развитием ливня, — параметр "RMS поперечный" (RMS — root mean square deviation). Он является выражением среднеквадратичного отклонения энерговыделений на некоторых расстояниях от оси ливня от значения энерговыделения на самой оси ливня.

Для лучшего подавления протонов кроме информации о поперечном развитии ливня в калориметре ПАМЕЛА также использована информация о его продольном профиле.

Дополнительно одним из критериев, позволивших выделить электронную компоненту, являлось энерговыделение в области вдоль ствола ливня.

Тем не менее отобранная в результате использования приведенных критериев совокупность событий содержала не только электроны и позитроны, но и значительную долю фоновых протонов из-за их, как отмечено выше, подавляющего количества в составе космических лучей.

Для того чтобы восстановить первичный спектр электронов и позитронов, необходимо было определить долю фоновых протонов в каждом энергетическом интервале, на которые был разбит измеряемый диапазон. Это было сделано на основе экспе-

324

dN/dE E3, (м2 ■ c ■ cp ■ ГэВ)-1 ГэВ3 1000

КАРЕЛИН и др.

dN/dE E3, (м2 ■ c ■ cp ■ ГэВ)-1 ГэВ3

100

10

ШШЧЬ

hi

АМС-02 [7]

■ Ферми [6] АТИК [17]

■ Магнитный спектрометр

ПАМЕЛА [16] • Калориметр ПАМЕЛА

_|_I_I_■ ■ ■ ■'_I_I_I_I_■ ■ ■ ■'_I_I_I

10

100

1000

Энергия, ГэВ

Рис. 1. Суммарный энергетический электрон-пози-тронный спектр в сравнении с результатами, полученными из прямых измерений.

ь

100

10

I-в—1

I—g—I

3f;./

о HESS [4] □ MAGIC [18] ■ Кобаяши [5] • Калориметр ПАМЕЛА

_I_I_I_I_I_I_1_1_1_

AE ± %15

/ 5

_1_I_I_I

100

1000 Энергия, ГэВ

Рис. 2. Суммарный энергетический электрон-пози-тронный спектр в сравнении с результатами, полученными в измерениях на наземных установках.

риментально измеренного с помощью калориметра ПАМЕЛА спектра протонов космических лучей [8] и данных по доле оставшихся после отбора протонов, полученных при моделировании.

Таким образом, числа протонов N в каждом из энергетических интервалов, на которые был раз

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.

Показать целиком