ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 3-4, с. 307-318
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИЗМЕРЕНИЕ СУММАРНОГО СПЕКТРА ЭЛЕКТРОНОВ И ПОЗИТРОНОВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА С ПОМОЩЬЮ ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО КАЛОРИМЕТРА И НЕЙТРОННОГО ДЕТЕКТОРА В ДИАПАЗОНЕ ЭНЕРГИЙ 300-1500 ГэВ
(©2015 г. А.В.Карелин*, С. А. Воронов, A. M. Гальпер, С. А. Колдобский
(от имени Коллаборации ПАМЕЛА)
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Россия Поступила в редакцию 26.05.2014 г.
Для измерения суммарного энергетического спектра электронов и позитронов космических лучей высоких энергий в спутниковом эксперименте ПАМЕЛА был разработан метод, основанный на использовании позиционно-чувствительного калориметра. Это позволило расширить диапазон энергий, доступных для измерения магнитной системой спектрометра ПАМЕЛА. Данный метод включает в себя процедуру отбора электронов по характеристикам каскада вторичных частиц в калориметре. Результаты измерений суммарного спектра электронов и позитронов космических лучей в диапазоне энергий 300—1500 ГэВ, полученные на основе разработанного метода, демонстрируются на основании данных за период 2006—2013 гг.
DOI: 10.7868/80044002715010122
1. ВВЕДЕНИЕ
Электронная компонента космических лучей состоит из электронов и позитронов. Электроны и позитроны космических лучей высоких энергий (Е >10 ГэВ) несут с собой ценную информацию об их природе и взаимодействии с межзвездным веществом и локальными магнитными полями во время распространения. Электроны и позитроны высоких энергий во время распространения в межзвездном пространстве подвержены потерям энергии, связанным в основном с синхротронным излучением в галактических магнитных полях и обратным комп-тоновским рассеянием на межзвездных фотонах. Величина потерь энергии в единицу времени в этих процессах прямо пропорциональна квадрату энергии электрона. Таким образом, электроны и позитроны не могут распространяться далеко от своих источников, например для электрона с энергией порядка нескольких ТэВ время жизни составляет ~105 лет, что соответствует расстоянию кпс (при значении коэффициента диффузии космических лучей Б ~ 1028 см2/с).
Измерения энергетического спектра электронов и позитронов в различных экспериментах [1—4] показали, что интенсивность электронной компонен-
E-mail: karelin@hotbox.ru
ты составляет около 1 % от интенсивности протонов для энергии 10 ГэВ, а при более высокой энергии падает быстрее, чем интенсивность ядерной компоненты космических лучей.
Наблюдаемый суммарный энергетический спектр электронов и позитронов в околоземном космическом пространстве содержит в себе первичную и вторичную компоненты. Первичный поток электронов формируется благодаря таким астрофизическим объектам, как сверхновые звезды, при этом может появиться обрезание в спектре или пульсары. Вторичные электроны и позитроны рождаются в столкновениях в основном протонов с межзвездным газом (атомарный водород) в процессах образования и распада пионов: п± ^ ^ ^ е± и п0 ^ 27 ^ е±.
Кроме того, существуют гипотезы, согласно которым вторичная электронная компонента космических лучей может образовываться при взаимодействии частиц космического излучения с частицами вещества темной материи [5].
Поэтому знание энергетического спектра электронов и позитронов очень важно для понимания и проверки всех вышеперечисленных процессов и теоретических построений.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ ПАМЕЛА
Экспериментальный комплекс ПАМЕЛА [6] в составе космического аппарата "Ресурс ДК1" был выведен на орбиту Земли в июне 2006 г. и находится в активном состоянии по сегодняшний день. Орбита спутника эллиптическая с наклонением 70.4° и высотой 350—650 км. Основная задача эксперимента ПАМЕЛА — изучение состава и энергетических спектров частиц космического излучения в широком диапазоне энергий.
Прибор ПАМЕЛА (рис. 1) состоит из нескольких детектирующих устройств: системы времени пролета с тремя двойными плоскостями сцинтил-ляторов С\, С2, С3, магнитного спектрометра с системой координатных кремниевых детекторов, электромагнитного калориметра, нижнего ливневого сцинтилляционного детектора С4, детектора нейтронов и счетчиков системы антисовпадений. Геометрический фактор для высокоэнергетичных частиц (>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. Габариты прибора 123 х 89 х 91 см.
Одной из возможностей аппаратуры является расширение угловой апертуры за счет использования всей площади калориметра, при этом триггеры вырабатываются позиционно-чувствительным калориметром и нижним сцинтилляционным детектором С4, что позволяет существенно увеличить статистику для регистрируемых частиц высоких энергий. Эти триггеры вырабатываются при условии превышения энерговыделения внутри калориметра или детектора С4 пороговых величин, которые соответствуют возникновению достаточно мощного каскада вторичных частиц в калориметре при взаимодействии налетающих частиц с его веществом. С помощью разработанной методики для восстановления направления прилета частиц по данным калориметра (о которой речь пойдет ниже) оказалось возможным определять траекторию первичной частицы по оси каскада, развившегося в калориметре, до углов к вертикали ^75°. При этом апертура прибора становится в десятки раз больше основной, что дает возможность увеличить статистику при регистрации высокоэнергетичных частиц. В дальнейшем расширенную таким образом апертуру будем называть "широкой" апертурой.
Калориметр состоит из 22 слоев. Каждый слой образован из двух плоскостей кремниевых стри-повых детекторов и пластины из вольфрама толщиной 2.3 мм (2 = 74, А = 183.84, р = 19.3 г/см3, Х0 = 0.35 см). Каждая плоскость кремниевых детекторов включает в себя 96 стрипов с шагом
Рис. 1. Физическая схема магнитного спектрометра
ПАМЕЛА.
2.2 мм, причем стрипы в соседних плоскостях расположены ортогонально друг другу, что позволяет измерять пространственное распределение частиц ливня в калориметре в двух проекциях. Суммарная толщина калориметра составляет 0.6 ядерной длины взаимодействия (17 радиационных единиц). Подробное описание калориметра прибора ПАМЕЛА приводится в работе [7].
3. ОТБОР ЭЛЕКТРОНОВ
Для разработки методики с помощью данных, полученных моделированием на основе GEANT3 [8], были использованы отклики со всех детекторов прибора ПАМЕЛА при прохождении через прибор протонов и электронов различных энергий (протоны от 500 ГэВ до 10 ТэВ, электроны от 300 ГэВ до 2 ТэВ). Для моделирования брались моноэнергичные частицы. События инициировались с "верхней площадки" над прибором с размерами, превышающими размер детектора С\, с направлениями первичных частиц в широком интервале углов. Моделирование включало в себя полное описание геометрии и материалов всех детекторов прибора ПАМЕЛА, пересекаемых частицей при прохождении через них. Одновременно учитывалась механическая конструкция вместе с гермо-контейнером, в который помещен прибор на борту спутника. После моделирования энерговыделений частиц в различных детекторах они преобразовывались в амплитуды сигналов, вырабатываемых на выходах электроники детекторов. При этом имитировались различные приборные эффекты, связанные как с процессами измерения, так и со считыванием информации электроникой. Например, учи-
тывались шумовые характеристики регистрирующей аппаратуры, линейность электронного тракта и т.д. Точность выбора значений всех параметров для моделирования была проверена путем сравнения модельных данных с данными калибровок на ускорителе SPS в CERN, проведенных на пучках протонов и электронов различных энергий от 20 до 180 ГэВ.
Для первоначального отбора частиц основным критерием являлась пороговая величина полного энерговыделения в калориметре ^tot. Данный критерий позволял выделять частицы высоких энергий (более десятков ГэВ), испытавших взаимодействие в калориметре. Фиксированная величина полного энерговыделения в калориметре соответствует различным первоначальным энергиям для электронов и протонов. Если данная величина энерговыделения соответствует некоторой первоначальной энергии электрона, то в случае регистрации протона она будет больше энергии последнего в раза.
Поскольку критерии разделения электронной и ядерной компонент непосредственно связаны с положением ствола ливня вторичных частиц в калориметре, постольку большое значение приобретает правильное определение оси каскада. Поэтому следующим шагом для отбора являлся выбор событий с выраженным стволом ливня в калориметре. Возникновение событий без видимого ствола ливня можно объяснить вторичными частицами от ливней, рожденных в магнитной системе, в веществе конструкции спутника или в стенках прибора теми частицами, которые сами не проходят через калориметр.
Как было отмечено выше, в случае отбора электронов определение направления движения первичной частицы имеет особое значение, поскольку топологические параметры, позволяющие отличить адронные ливни, инициированные ядрами, от чисто электромагнитных ливней, инициированных электронами и позитронами, тесно связаны с осью ливня, совпадающей с направлением движения первичной частицы.
Для определения направления оси ливня был использован итерационный подход. Вычисление координат оси ливня проводилось по положениям центров тяжести энерговыделений в каждой плоскости калориметра. При этом использовались только те стрипы, которые ближе всего располагались к оси ливня, что в конечном счете существенно улучшило угловое разрешение.
При первой итерации определяются положения центров тяжести энерговыделений в каждой из 44 плоскостей в пределах тех областей, где энерговыделения в стрипах образуют кластер, т.е. совокупность соседних стрипов, амплитуда сигналов в каждом из которых превышает наперед заданное значение. Затем методом наименьших квадратов
определяется уравнение оси ливня в каждой проекции. В последующих итерациях устанавливаются новые границы кластеров вокруг оси, координаты которой были получены на предыдущем шаге.
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.