ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 327-329
УДК 524,539.1
ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКОВ ДЕЙТРОНОВ АЛЬБЕДО В СПУТНИКОВОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА
© 2015 г. С. А. Колдобский1, О. Адриани2, 3, Г. А. Базилевская4, Дж. Барбарино5, 6, Р. Белотти7, 8, Э. А. Богомолов9, М. Боецио10, В. Бонвичини10, М. Бонджи2, 3, С. Боттай3, А. Бруно7, 8, А. Вакки10, Е. Ваннуччини3, Г. В. Васильев9, С. А. Воронов1, А. М. Гальпер1, И. А. Данильченко1, С. Де Донато11, 12, К. Де Сантис11, 12, Н. Де Симоне11, В. Де Феличе11, 13, Дж. Зампа10, Н. Зампа10, В. Г. Зверев1, М. Казолино11, 14, Д. Кампана6, Р. Карбоне10, А. В. Карелин1, П. Карлсон15, Д. Кастеллини16, Ф. Кафанья8, А. А. Квашнин4, А. Н. Квашнин4,
С. В. Колдашов1, С. Ю. Крутьков9, А. А. Леонов1, А. Г. Майоров1, В. В. Малахов1, М. Мартуччи11, 17, Л. Марчелли11, 12, В. Менн18, М. Мерге11, 12, В. В. Михайлов1, Е. Мокьютти10, А. Монако7, 8, Н. Мори2, 3, Р. Мунини 10, 19, Дж. Остериа6, Ф. Пальма11, 12, Б. Панико6, П. Папини3, П. Пикоцца11, 12, М. Пирс 15, Ч. Пиццолото13, 20, М. Риччи 17, С. Риччиарини 3, 16, Л. Розетто15, Р. Саркар10, 21, М. Симон 18, В. Скотти5, 6, Р. Спарволи11, 12, П. Спиллантини2, 3, Ю. И. Стожков4, В. Формато10, 19, Ю. Т. Юркин1
E-mail: koldobskiy@gmail.com
Приведены результаты измерения потоков дейтронов альбедного излучения в окрестности Земли, полученные в эксперименте ПАМЕЛА, размещенном на борту искусственного спутника Земли "Ресурс ДК-1". Высокоточная аппаратура детекторной установки позволила провести идентификацию дейтронов альбедо и измерение их спектра в интервале энергий 70—600 МэВ/нуклон на высотах 350—600 км для различных геомагнитных широт.
DOI: 10.7868/S0367676515030321
ВВЕДЕНИЕ
Частицы альбедо представляют собой продукты взаимодействия первичного космического излучения с ядрами остаточной атмосферы, которые, двигаясь в магнитном поле Земли, образуют
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва.
2 University of Florence, Department of Physics and Astronomy.
3 INFN Sezione di Florence.
4 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический Институт Академии Наук имени П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва.
5 University of Naples "Federico II", Department of Physics.
6 INFN Sezione di Naples.
7 University of Bari, Department of Physics.
8 INFN Sezione di Bari.
9 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург.
10 INFN Sezione di Trieste.
11 INFN Sezione di Rome 'Tor "Vfergata'.
12
12 University of Rome 'Tor "Vfergata', Department of Physics.
13 Agenzia Spaziale Italiana (ASI) Science Data Center, Rome. 14RIKEN Advanced Science Institute, Saitama.
15KTH, Department of Physics and the Oskar Klein Centre for
Cosmoparticle Physics, Stockholm. 16IFAC, Florence.
17 INFN Laboratori Nazionali di Frascati.
18
Universitaet Siegen, Department of Physics.
19 University of Trieste, Department of Physics.
20
20 INFN Sezione di Perugia.
потоки заряженных частиц под радиационным поясом.
Зоны радиационного пояса Земли и альбедного излучения были обнаружены С.Н. Верновым и А.Е. Чудаковым во время полета искусственного спутника Земли (ИСЗ) "Спутник-2" в 1957 г. [1] и Джеймсом Ван Алленом в 1958 году после полета ИСЗ "Эксплорер-1" [2]. В работе [3] впервые упоминается о регистрации дейтронов альбедного излучения, в работе [4] приведены результаты единственной попытки измерения спектра дейтронов под радиационным поясом в эксперименте AMS-01. В работах [5, 6] обсуждаются процессы генерации дейтронов альбедо, отмечается, что они рождаются в результате реакций взаимодействия между частицами первичных космических лучей с ядрами остаточной атмосферы. После рождения заряженные частицы под действием магнитного поля Земли попадают в области пространства, в которых они могут быть зарегистрированы в экспериментах, проводящихся на искусственных спутниках Земли.
При рассмотрении реакций рождения дейтронов с точки зрения кинематики ядерных взаимодействий оказывается, что подавляющая часть дейтронов рождается в результате двух процессов. Во-первых, они рождаются при фрагментации альфа-частиц при взаимодействии с ядрами остаточной атмосферы [7]. Во-вторых, дейтроны образуются в
21Indian Centre for Space Physics, Kolkata.
327
2*
328
КОЛДОБСКИЙ и др.
результате ядерного взаимодействия налетающих протонов и ядер с ядрами остаточной атмосферы, при этом рассматривается взаимодействие с отдельными нуклонами этих ядер [8, 9]. Для альфа-частиц при этом рассматривается случай их фрагментации на ядрах остаточной атмосферы и дальнейшего взаимодействия продуктов фрагментации с нуклонами того же ядра. В обоих случаях продукты реакции, двигаясь в земном магнитном поле, образуют потоки альбедо и возвратного альбедо в областях под радиационным поясом Земли.
Результаты эксперимента АМ8-01 [4] не совпадают с расчетной моделью, в основе которой лежит преобладание реакций второго рода — образование дейтронов в результате ядерных реакций взаимодействия налетающих частиц космических лучей с нуклонами ядер атмосферы. Ввиду скудности данных по измерению потоков дейтронов под радиационным поясом, несомненно, требуются новые измерения, проверка и уточнение результатов проведенных работ. Кроме того, эти измерения необходимы для уточненных оценок радиационной обстановки на орбите Земли.
В данной работе приведены результаты анализа данных по измерению потоков дейтронов аль-бедного излучения. Использованы данные эксперимента ПАМЕЛА с 2006 по 2008 г.
ЭКСПЕРИМЕНТ ПАМЕЛА
Эксперимент ПАМЕЛА создан международной коллаборацией ученых для измерения спектров частиц космических лучей в широком диапазоне энергий. Аппаратура спутника размещена на ИСЗ "Ресурс ДК-1", который был запущен на околоземную орбиту 15 июня 2006 г. и продолжает функционировать и по сегодняшний день. Аппаратура эксперимента ПАМЕЛА [10] представляет собой магнитный спектрометр (МС), оснащенный вре-мяпролетной системой (ВПС) и калориметром. В ее состав также входят сцинтилляционный детектор утечки ливня С4 и нейтронный детектор. Магнит окружен сцинтилляционными счетчиками, работающими в режиме антисовпадений (АС), используемом для выделения событий, в которых частицы попадают в спектрометр вне его апертуры.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЧАСТИЦ И ВЫЧИСЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Для построения спектра дейтронов было необходимо провести их идентификацию и определить эффективность их регистрации и отбора.
Для идентификации дейтронов и восстановления их энергии использовался многопараметрический корреляционный анализ сигналов, поступающих с различных детекторов экспериментальной установки ПАМЕЛА. Важнейшей задачей при идентификации дейтронов было подавление протонов, поскольку их поток практически на два по-
рядка превосходит поток дейтронов и прохождение протонов через детекторную систему может имитировать прохождение дейтронов той же жесткости. Лишь анализ многочисленных измерений энергетических потерь пролетающих частиц в ВПС, МС и калориметре, а также использование восстановленных значений магнитной жесткости и скорости пролетающих частиц позволили достоверно идентифицировать дейтроны на фоне превосходящего их фона протонов в диапазоне жесткостей 0.5—2.7 ГВ.
Эффективность регистрации частиц в указанном диапазоне энергий практически равна единице [11]. Однако эффективности отбора зависят от энергии и сорта частицы. Эффективность отбора (как базового, так и используемого для идентификации частиц) была вычислена с помощью кросс-калибровок, когда эффективность отбора одного детектора определяется с использованием других детекторов, и была проверена по данным моделирования методом Монте-Карло, осуществленного в программном пакете GEANT [12]. Полученные значения эффективности для дейтронов и протонов оказались различными, хотя и довольно близкими.
Подробное описание методов идентификации изотопов водорода и определения эффективности можно найти в работах [13—15].
ДЕЙТРОНЫ ПОД РАДИАЦИОННЫМ ПОЯСОМ
На рисунке приведен измеренный спектр дейтронов альбедо для различных интервалов геомагнитных широт фм: 0.2—0.6; 0.6—0.7; 0.7—0.8; 0.8—0.9, что соответствует следующим интервалам L-координат 1.04 < L < 1.46; 1.46 < L < 1.71; 1.71 < L < 2.06; 2.06 < L < 2.56. Одновременно приведены результаты расчета, сделанного в работе [5], и результаты эксперимента AMS-01 [4].
Как было указано выше, в области под радиационным поясом дейтроны рождаются в результате реакций взаимодействия между частицами космических лучей с ядрами остаточной атмосферы. Рождение происходит посредством реакций фрагментации альфа-частиц космических лучей и ядер остаточной атмосферы либо в результате реакции ядерного синтеза (или синтеза и последующего распада) частиц первичного космического излучения с нуклонами ядер атмосферы. Приведенная на рисунке сплошная линия соответствует модели, в которой синтез является доминирующей реакцией рождения дейтронов альбедо [5]. Данные эксперимента ПАМЕЛА хорошо согласуются с этим расчетом во всем энергетическом диапазоне. Для энергий выше 200 МэВ/нуклон данные эксперимента ПАМЕЛА хорошо согласуются с результатами эксперимента AMS-01 [4]. В интервале L-координат 2.06—2.58 становится заметным вклад галактического космического излучения в полученный спектр дейтронов, что хорошо согласуется с соответствующим порогом геомагнитного обрезания.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 3 2015
ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКОВ ДЕЙТРОНОВ АЛЬБЕДО
329
Поток дейтронов, (м2 ■ c ■ cp МэВ/нуклон) 1 0.012
0.010 0.008 0.006 0.004 0.002
0
0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0
200
400
600
1.71 < L < 2.061
М
J_I_I_I_I_I_I_1_I_L.
Поток дейтронов, (м2 ■ c ■ cp МэВ/нуклон) 1 0.0121-
0.010 0.008 0.006 0.004 0.002
0
800 1000
200 400 600 800 1000 Кинетическая энергия, МэВ/нуклон
0.018 0.016 0.014 0.012 0.010 0.008 0.006 0.004 0.002 0
-0.002
1.46 < L < 1.71
_i_I_I_I_I_I_I_I_I_
200
400
600
800 1000
2.06 < L < 2.381
_1_I_I_I_I_I_I_L-
200 400
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.