ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 334-337
УДК 524.1
ИЗОТОПЫ H, He, Li И Be В КОСМИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ PAMELA
ИЗ ПОЛЕТНЫХ ДАННЫХ 2006-2008
© 2015 г. Э. А. Богомолов1, Г. И. Васильев1, С. Ю. Крутьков1, В. Менн2, Н. Н. Никонов1,
В. Формато3 от коллаборации PAMELA
E-mail: Edward.Bogomolov@mail.iojfe.ru
Представлены результаты измерений изотопного состава ядер от водорода до бериллия в галактических космических лучах, полученные вблизи минимума солнечной активности в 2006—2008 гг. в орбитальном эксперименте путем анализа в многослойном калориметре магнитного спектрометра PAMELA ионизационных потерь ядер с известной из траекторных измерений жесткостью, прошедших через прибор без ядерных взаимодействий. Проведено сравнение результатов измерений с существующими экспериментальными и расчетными данными.
DOI: 10.7868/S0367676515030126
ВВЕДЕНИЕ
Знание энергетической зависимости изотопного состава ядер галактических космических лучей (ГКЛ) дает информацию для исследования процессов и параметров распространения ГКЛ в Галактике. Экспериментальная ситуация с измерениями изотопов H и He в ГКЛ в различных фазах солнечной активности к настоящему времени представлена рядом данных в энергетической области до ~2 ГэВ/нуклон [1, 2] с большим статистическим и методическим разбросом и отдельными измерениями в области более высоких энергий [3], полученными в основном в стратосферных экспериментах и космическим магнитным спектрометром AMS-01 [4]. Расчетные данные, в целом согласующиеся с экспериментальными данными, также имеют значительный разброс [5—7] из-за неточностей знания процессов, параметров распространения ГКЛ и сечений ядерных реакций.
Для изотопов ядер Li в космических экспериментах Voyager, ACE отношение 7Li/6Li было измерено при энергиях до ~0.1—0.2 ГэВ/нуклон, в стратосфере получены отдельные данные при энергиях до ~2 ГэВ/нуклон, в частности в эксперименте в ISOMAX98 [8], и в 2010-2011 гг. данные AMS-01 [9, 10]. Изотопный состав ядер Be в ГКЛ измерен с погрешностью ~10% для отношения 7Be/9Be и 10Be/9Be в экспериментах Voyager, Ulysses, ACE при энергиях до ~0.1-0.2 ГэВ/нуклон и проведены с большим разбросом отдельные измерения ISOMAX98 и AMS-01 при энергиях до ~1-2 ГэВ/нуклон.
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург.
2 Университет Зиген, Зиген, Германия.
3 Университет Триеста, Триест, Италия.
Орбитальные измерения с магнитным спектрометром PAMELA позволяют повысить статистическую и методическую точность измерений изотопного состава ядер H и Не в ГКЛ, исследовать солнечную модуляцию соотношения изотопов за время полета прибора, генерацию изотопов во время солнечных вспышек, провести более точные измерения изотопного состава ядер Li и Be в практически неисследованной области энергий до ~1 ГэВ/нуклон. Дополнительным преимуществом новых измерений по сравнению с стратосферными экспериментами является отсутствие необходимости коррекции результатов измерений на вклад остаточной атмосферы.
МЕТОД АНАЛИЗА
Селекция изотопов ядер H и He в диапазоне жесткостей ~1—4 ГВ в международном космическом эксперименте PAMELA [11] осуществляется с использованием данных траекторных измерений в поле магнита прибора, дающих жесткость ядер, и анализа времени пролета (TOF) ядер от их входа в прибор до выхода из магнита спектрометра. Пределы регистрации по жесткости связаны с ионизационными потерями ядер в материале прибора до выхода из зазора магнита (5 г • см-2) и временным разрешением прибора (~0.2 нс). При разделении изотопов ядер от водорода до бериллия в ГКЛ при жесткостях ядер до ~5 ГВ при анализе данных эксперимента PAMELA ФТИ впервые предложен и использован метод анализа ограниченных ионизационных потерь ядер с известной из траекторных измерений жесткостью в многослойном калориметре магнитного спектрометра PAMELA, состоящем из 22 слоев вольфрама и 44 слоев тонких (380 мкм) кремниевых стри-повых (с шагом 2.4 мм) детекторов. При пролете ядер через калориметр для каждого события реги-
ИЗОТОПЫ H, He, Li И Be В КОСМИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ PAMELA
335
Рис. 1. а - экспериментальные данные для отношения 2H/1H: ■ - калориметр PAMELA; О - AMS-01, 1998, 600 МВ [4]; ▼ - BESS97, 1997, 490 МВ [1]; А -BESS98, 1998, 600 МВ [2]; □ - TOF PAMELA; О -ФТИ, 1975, ~500 МВ [16]; расчеты, солнечный минимум (500 МВ): пунктир - Seo E.S. et al. (1994) [5]; штрихпунктир - Seo E.S., Ptuskin V.S. (1994) [6]; линия - Wang J.Z. et al., (2002) [1]; б - экспериментальные данные для отношения 3He/4He: ■ - калориметр PAMELA; О - AMS-01, 1998, 600 МВ [4]; ▼ - BESS97, 1997, 490 МВ [1]; □ - TOF PAMELA; расчеты, солнечный минимум (500 МВ): пунктир - Seo E.S. et al., (1994) [5]; линия - Moskalenko I.V. et al. (2003) ГКЛ [7]; штрихпунктир - Moskalenko I.V et al. (2003), локальные источники [7]; в - экспериментальные данные для отношения 2H/4He: ■ - калориметр PAMELA; А -IMP-8, 400 МВ [17]; О - AMS-01, 1998, 600 МВ [10]; ▼ - BESS97, 1997, 490 МВ [1]; О - NH баллон; □ -IMAX92 баллон; расчеты, солнечный минимум (500 МВ): пунктир - Coste B. et al., (2012) [17]; линия -Strong A.W et al. (1998) ГКЛ [18]; штрихпунктир -Strong A.W et al. (1998), локальные источники [18].
стрируется распределение ионизационных потерь в кремниевых детекторах, хорошо описываемое распределением Ландау, и из полученных до акта взаимодействия сигналов (от ~20 до 44) отбирается половина сигналов в области малых энергетических потерь, что позволяет повысить точность измерений ионизационных потерь и улучшить эффективность разделения изотопов, имеющих при равной жесткости разные скорости из-за различия в массе и соответственно разные ионизационные потери [12]. Подобный метод обрезания при идентификации частиц по массе с помощью прецизионных измерений ограниченных ионизационных потерь частиц успешно применялся ранее на ускорителях высоких энергий при работе с газовыми многослойными пропорциональными камерами [13]. Предварительное GEANT4 моделирование измерений ионизационных потерь в кремниевых стриповых детекторах калориметра со слоями вольфрама показало перспективность разделения изотопов ядер от водорода до бериллия.
Необходимое условие возможностей разделения изотопов в используемом методе — отбор ядер, прошедших в апертуре прибора без ядерных взаимодействий в материале магнитного спектрометра. Такие события не должны давать сигналы в верхних и боковых охранных сцинтилляци-онных детекторах, обеспечивающих защиту от ядерных взаимодействий в материале прибора до входа в калориметр. Сигналы в кремниевых детекторах на входе в калориметр и перед взаимодействием должны быть для анализируемого события без значительных изменений. Для дополнительной селекции фоновых событий ядерных взаимодействий в калориметре использован 2D-анализ распределений ограниченных ионизационных потерь в калориметре в зависимости от времени пролета (1/Ье1а) между сцинтилляционными детекто-
а
2H/1H 0.04 г
0.01 -
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
б
0.1 1
Энергия, ГэВ/нуклон
рами, позволивший при селекции изотопов ядер Н и Не практически отказаться от использования данных моделирования и использовать данные моделирования только для трансформации изме-
336
БОГОMОЛОB и др.
1Li/6Li
Энергия, ГэВ/нуклон
ренных в приборе данных о соотношениях изотопов к космическому пространству. Анализ наблюдений потоков ядер 3Н, генерируемых в материале прибора до входа в калориметр, показал высокую эффективность используемых методов защиты от
Рис. 2. а — экспериментальные данные для отношения 1Li/6Li: в — калориметр PAMELA; ► — CRIS (ACE); Т — VOYAGER; О — AMS-01, 1998, 600 MB [4]; О — NH, баллон; À — UC, Berkley, баллон; □ — ISOMAX98, 1998, баллон [8]; расчеты, солнечный минимум (500 MB): линия — Moskalenko I.V. et al. (2003) TKH [1]; штрихпунктир — Moskalenko I.V. et al. (2003) локальные источники [1]; б — экспериментальные
1 9
данные для отношения ;Be/9Be: в — калориметр PAMELA; ► — CRIS (ACE); À — IMP-1.8; Т — VOYAGER; Л — ULYSSES; О — AMS-01, 1998, 600 MB [4]; О — NH, баллон; расчеты, солнечный минимум (500 MB): линия — Moskalenko I.V. et al. (2003) TKH [1]; штрих-пунктир — Moskalenko I.V. et al. (2003) локальные источники [1]; в — экспериментальные данные для отношения 10Be/9Be: в — калориметр PAMELA; ► — CRIS (ACE); Т — VOYAGER; Л — ULYSSES; □ — ISOMAX98, 1998, баллон [8]; расчеты, солнечный минимум (500 MB): линия — Moskalenko I.V. et al. (2003) TKH [1]; штрихпунктир — Moskalenko I.V. et al. (2003), локальные источники [1].
фона взаимодействий в верхней части прибора и их принебрежимый вклад в регистрацию ядер 2H и 3He. Для анализа ядер Li и Be использовались аналогичные методы.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
К настоящему времени проведен анализ зависимости от жесткости соотношения изотопов ядер H с 07.07.2006 по 31.12.2007 в диапазоне жесткостей ядер H 1.1-3.5 ГВ, измеренных стриповыми детекторами в зазоре магнита, прошедших в апертуре прибора без ядерных взаимодействий. Изотопный состав ядер He в диапазоне жесткостей 1.13.9 ГВ аналогично проанализирован с 07.07.2006 по 31.12.2007. В исследуемых диапазонах жесткостей с шагом 0.2 ГВ построены спектры ограниченных ионизационных потерь в кремниевых стрипо-вых детекторах калориметра, нормированных на 1 слой и на вертикальное пересечение калориметра с учетом траекторий регистрируемых ядер. Экспериментальные спектры энерговыделений сравнивались с результатами GEANT4 моделирования регистрации ядер с помощью детальной компьютерной модели прибора, позволяющими также корректировать данные к входу ядер в прибор.
Измеренные в зависимости от жесткости 2H/1H и 3He/4He отношения с помощью данных PAMELA о жесткостных спектрах H и He [14, 15] позволяли получить спектры в зависимости от жесткости, энергии изотопов и соответственно зависимость соотношения изотопов от энергии. Результаты измерений отношений 2H/1H, 3He/4He и 2H/4He в зависимости от энергии в сравнении с характерными расчетами [5-7, 17, 18] для минимума солнечной активности (параметр солнечной модуляции ~500 МВ) представлен
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.