научная статья по теме НАБЛЮДЕНИЕ ТЕНИ ЛУНЫ В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ С ЭНЕРГИЕЙ БОЛЕЕ 400 ГЭВ В СПУТНИКОВОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА Космические исследования

Текст научной статьи на тему «НАБЛЮДЕНИЕ ТЕНИ ЛУНЫ В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ С ЭНЕРГИЕЙ БОЛЕЕ 400 ГЭВ В СПУТНИКОВОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 2, с. 136-140

УДК 524.1-352

НАБЛЮДЕНИЕ ТЕНИ ЛУНЫ В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ С ЭНЕРГИЕЙ БОЛЕЕ 400 ГэВ В СПУТНИКОВОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА

© 2015 г. А. В. Карелин, С. А. Воронов, С. А. Колдобский

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, г. Москва

karelin5575@gmail.com Поступила в реакцию 13.06.2013 г.

На основании данных, полученных со спутника за 2006—2009 гг. в эксперименте ПАМЕЛА, была обнаружена тень Луны в космических лучах с энергией более 400 ГэВ. Полученные результаты основаны на использовании методики определения направления прилета частиц в позиционно-чув-ствительном калориметре, входящим в состав магнитного спектрометра ПАМЕЛА. Тень Луны оказалась смещенной на восток из-за отклонений электронов в магнитном поле Земли, являющихся частью выборки зарегистрированных частиц.

БО1: 10.7868/80023420615020041

ВВЕДЕНИЕ

Впервые осуществимость наблюдения тени Луны в космических лучах при больших энергиях показал Кларк [1]. С тех пор в различных экспериментах по измерению потоков космических лучей на Земле, использующих установки, регистрирующие продукты широких атмосферных ливней [2, 3] или в нейтринных обсерваториях при измерении потоков мюонов [4, 5, 6], а также в экспериментах по измерению космического гамма излучения [7], получение тени Луны является одним из первых шагов для калибровки и проверки измерительных способностей приборов. Кроме того при высокой точности измерения направления прилетающих частиц возможны и другие приложения методики: такие как, например, измерение отношения потоков протонов и антипротонов в космических лучах [8].

Попытка регистрации тени Луны в космических лучах на основе информации, полученной в спутниковом эксперименте, производится впервые. Эта попытка была выполнена по данным эксперимента ПАМЕЛА в рамках поиска асимметрии космических лучей высоких энергий. Задача измерения асимметрии потоков космических лучей как и обнаружения тени Луны требует измерения направления прилета частиц с высокой точностью и большой статистики. Первое связано с тем, что для измерения тени необходимо использовать частицы высоких энергий, так как, чем ниже энергия у регистрируемых частиц, тем сильнее искажается первоначальное направление, так как частицы с низкими энергиями сильнее отклоняются магнитным полем Земли и межпланетными магнитными полями и теряют информацию о своем первоначальном направлении [9].

И хотя магнитный спектрометр ПАМЕЛА позволяет измерять направления прилета частиц с высокой точностью, но, однако, из-за небольшого геомфактора области магнитного поля спектрометра статистический материал сильно ограничен. Преодолеть указанные трудности в эксперименте ПАМЕЛА помогло использование электромагнитного калориметра, позволяющего с хорошей точностью определять направление прилета частиц в широкой апертуре.

Помимо регистрации самого эффекта тени от Луны, ее наблюдение является показателем способности аппаратуры регистрировать области источников космических лучей и гамма квантов, имеющие небольшие угловые размеры.

ПРИБОР ПАМЕЛА

Экспериментальный комплекс ПАМЕЛА [10] в составе космического аппарата Ресурс ДК1 был выведен на орбиту Земли в июне 2006 г. и находится в активном состоянии по сегодняшний день. Основная задача эксперимента — изучение состава и энергетических спектров космического излучения в широком диапазоне энергий.

Прибор ПАМЕЛА (рис. 1) состоит из комплекса детекторов: системы измерения времени пролета с тремя двойными плоскостями сцин-тилляторов, магнитного спектрометра с набором координатных кремниевых детекторов, электромагнитного калориметра, нижнего ливневого сцинтилляционного детектора С4, детектора нейтронов и сцинтилляционных счетчиков системы антисовпадений. Триггерные сигналы при регистрации частиц вырабатывает время-пролетная система, и информация записывается в память прибора. Геометрический фактор для вы-

сокоэнергичных частиц (>1 ГэВ), проходящих в пределах чувствительного объема магнитного спектрометра, равен 21.6 см2ср, что соответствует угловой апертуре 19° х 16°. Эта апертура является основной апертурой при регистрации частиц магнитным спектрометром.

Одним из способов расширения возможностей прибора является увеличение его угловой апертуры с помощью использования триггеров, вырабатываемых позиционно-чувствительным калориметром и нижним сцинтилляционным детектором С4. Это позволяет увеличить статистику в десятки раз для регистрируемых частиц высоких энергий за счет увеличения светосилы. Эти триг-герные сигналы вырабатываются при условии превышения энерговыделения внутри калориметра или С4 пороговых величин, которые соответствуют возникновению мощного каскада вторичных частиц в калориметре при взаимодействии налетающих частиц с его веществом. С помощью разработанной методики по восстановлению направления прилета частиц с помощью 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 высокоэнерге-тичных частиц. В дальнейшем расширенную таким образом апертуру прибора, будем называть "широкой" апертурой.

Калориметр спектрометра ПАМЕЛА состоит из 22 слоев. Каждый слой образован из двух плоскостей кремниевых стриповых детекторов и пластины из вольфрама толщиной 2.3 мм. Каждая плоскость кремниевых детекторов включает в себя 96 стрипов с шагом 2.2 мм, причем стрипы в соседних плоскостях расположены ортогонально друг другу, что позволяет измерять пространственное распределение продуктов ливня, развившегося в калориметре в двух ортогональных проекциях. Суммарная толщина калориметра составляет 0.6 ядерной длины взаимодействия (или 17 радиационных длин).

ОТБОР СОБЫТИЙ. ВОССТАНОВЛЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИХ ПРИЛЕТА

Предметом настоящего анализа служили события, в которых частицы приходили в "широкой" апертуре. Для первоначального отбора основным критерием являлась пороговая величина полного энерговыделения в калориметре — 150000 мип, что позволило выделить частицы высокой энергии. Один "мип" эквивалентен энерговыделению, регистрируемому при прохождении одной минимально ионизирующей частицы в одной плоско-

Протон Антипротон

Рис. 1

сти детекторов. Этот критерий позволяет выделять частицы высоких энергий, испытавшие взаимодействие в калориметре. Фиксированная величина полного энерговыделения в калориметре соответствует различным первоначальным энергиям для ядер, электронов и протонов. Расчет c помощью моделирования в среде GEANT [11] показал, что энерговыделение более 150000 мип соответствует первоначальной энергии электронов не менее 400 ГэВ, в то время как для протонов соответствующая кинетическая энергия более 1.5 ТэВ.

Следующим критерием отбора являлось условие прохождения первичной частицы через калориметр. При регистрации частицы вблизи точки пересечения траектории первичной частицы с какой-либо плоскостью калориметра группируются стрипы с максимальными значениями регистрируемых энерговыделений. Центры "тяжести" этих групп образуют один трек в совокупности плоскостей, которые пересекла частица.

Для определения направления оси ливня, а следовательно, направления прилета первичной частицы, его вызвавшей, был использован итерационный подход, который основан на методе наименьших квадратов. Для определения направления первичной частицы в последовательных итерациях используются только те стрипы, которые ближе всего расположены к восстанавливаемой оси ливня, что существенно улучшает угловое разрешение. Подробное описание мето-

0 5 10

Е15

с

§ 20 о

ч

п

р 0 е

о Н

4102

10 1

102

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Номер стрипа

Рис. 2

1

дики приведено в работе [12]. На рис. 2 представлены примеры визуализации событий в калориметре с восстановленными направлениями прилета частиц.

При математическом моделировании событий методом Монте-Карло с помощью пакета GEANT первоначальные координаты влета частицы в калориметр Xsim, Ysim точно известны. Эти координаты были использованы для построения распределений (в основной апертуре прибора, определяемой магнитным спектрометром) по величине 5 R = VsX^sF, где SX = Xcal - Xsim, 87= = Ycal — Ysim, — разности полученных с помощью данного итерационного метода и взятых из параметров моделирования координат в проекциях X и Y соответственно. Эти распределения характеризуют точность измерения направления частицы. В полученных таким образом распределениях отклонения 8R от положения среднего не превышают величину 0.1 мм, что соответствует угловому разрешению около 8'.

НАБЛЮДЕНИЕ ТЕНИ ЛУНЫ

Для обнаружения тени такого космического объекта как Луна необходимо, измерив темпы счета частиц со всевозможных направлений, зарегистрировать недостаток темпа счета частиц высоких энергий с направлений, соответствующих ее положениям в данные моменты времени.

Положение Луны в момент регистрации отобранной частицы, а также направление прилета этой частицы для каждого события было определено в экваториальной системе координат. В этой системе отсчета любое направление определяется двумя координатами: наклонением — Deel (диапазон от —90 до 90 градусов) и прямым восхождением — Ra (диапазон от 0 до 360 градусов). Статистические распределения строились только по тем событиям, для которых разность направлений прилета частицы и положения Луны ADeel не превышало 10 градусов, а ARa оказывалось не более 20 градусов, где ADeel = Deel_p — Deelm, ARA = = RA_p — RA_m, где Deel_p, Ra_p — координаты частицы, Deelm, Ra m — координаты Луны.

Из-за неоднородностей распределения вещества в приборе и спутнике, неравномерной экспозиции, неизотропности эффективности регистрации частиц, неравномерности фона и других факторов прямое сравнение темпов счета с различных направлений использовать для решения поставленной задачи невозможно. Поэтому было проведено сравнение полученного экспериментального распределения темпов счета в ячейках ADeel, ARa с мод

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

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»

  • ПОИСК АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С ПОМОЩЬЮ КАЛОРИМЕТРА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА

    BАСИЛЬЕВ Г.И., АДРИАНИ О., БАЗИЛЕВСКАЯ Г.А., БАРБАРИНО ДЖ., БЕЛОТТИ Р., БОГОМОЛОВ Э.А., БОЕЦИО М., БОНВИЧИНИ В., БОНДЖИ М., БОНЕКИ Л., БОРИСОВ С.В., БОТТАИ С., БРУНО А., ВАККИ А., ВАНУЧЧИНИ Е., ВОРОНОВ С.А., ВУ Ж., ГАЛЬПЕР A.M., ДАНИЛЬЧЕНКО И.А., ДЕ ПАСКАЛЕ М.П., ДЕ САНТИС K., ДЕ СИМОНЕ Н., ДЕ ФЕЛИЧЕ В., ДЖЕРСИ ДЖ., ЗАМПА ДЖ., ЗАМПА Н., ЗВЕРЕВ В.Г., КАЗОЛИНО М., КАМПАНА Д., КАРБОНЕ Р., КАРЕЛИН А.В., КАРЛСОН П., КАСТЕЛЛИНИ Д., КАФАНЬЯ Ф., КВАШНИН А.Н., КОЛДАШОВ С.В., КОЛДОБСКИЙ С.А., КОНСИЛИО Л., КРУТЬКОВ С.Ю., ЛЕОНОВ А.А., МАЙОРОВ А.Г., МАЛАХОВ В.В., МАЛЬВЕЦЦИ В., МАРЧЕЛЛИ Л., МЕНН В., МИХАЙЛОВ В.В., МОКЬЮТТИ Э., МОНАКО А., МОРИ Н., ОСТЕРИЯ ДЖ., ПАПИНИ П., ПИЗЗОЛОТТО Ч., ПИКОЦЦА П., ПИРС М., РИЧЧИ М., РИЧЧИАРИНИ С., РОССЕТО Л., РУНЦО М.Ф., СИМОН М., СПАРВОЛИ Р., СПИЛАНТИНИ П., СТОЖКОВ Ю.И., ЮРКИН Ю.Т. — 2013 г.

  • НОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ПРОТОНОВ И ЯДЕР ГЕЛИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ ПРИ ПОМОЩИ КАЛОРИМЕТРА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА

    АДРИАНИ О., БАЗИЛЕВСКАЯ Г.А., БАРБАРИНО ДЖ., БЕЛОТТИ Р., БОГОМОЛОВ Э.А., БОЕЦИО М., БОНВИЧИНИ В., БОНДЖИ М., БОНЕКИ Л., БОТТАИ С., БРУНО А., ВАККИ А., ВАНУЧЧИНИ Е., ВАСИЛЬЕВ Г.И., ВОРОНОВ С.А., ГАЛЬПЕР А.М., ДЕ ДОНАТО К., ДЕ САНТИС К., ДЕ СИМОНЕ Н., ДЕ ФЕЛИЧЕ В., ЗАМПА ДЖ., ЗАМПА Н., ЗВЕРЕВ В.Г., КАЗОЛИНО М., КАМПАНА Д., КАРБОНЕ Р., КАРЕЛИН А.В., КАРЛСОН П., КАСТЕЛЛИНИ Д., КАФАНЬЯ Ф., КВАШНИН А.Н., КОЛДАШОВ С.В., КОЛДОБСКИЙ С.А., КРУТЬКОВ С.Ю., ЛЕОНОВ А.А., МАЙОРОВ А.Г., МАЛАХОВ В.В., МАЛЬВЕЦЦИ В., МАРТУЧЧИ М., МАРЧЕЛЛИ Л., МЕНН В., МЕРГЕ М., МИХАЙЛОВ В.В., МОКЬЮТТИ Э., МОНАКО А., МОРИ Н., ОСТЕРИЯ ДЖ., ПАЛЬМА Ф., ПАПИНИ П., ПИЗОЛОТТО Ч., ПИКОЦЦА П., ПИРС М., РИЧЧИ М., РИЧЧИАРИНИ С., САРКАР Р., СИМОН М., СПАРВОЛИ Р., СПИЛАНТИНИ П., СТОЖКОВ Ю.П., ЮРКИН Ю.Т. — 2014 г.

  • ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРОВ ЧАСТИЦ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА

    BАСИЛЬЕВ Г.И., АДРИАНИ О., БАЗИЛЕВСКАЯ Г.А., БАРБАРИНО ДЖ., БЕЛОТТИ Р., БОГОМОЛОВ Э.А., БОЕЦИО М., БОНВИЧИНИ В., БОНДЖИ М., БОНЕКИ Л., БОТТАИ С., БРУНО А., ВАККИ А., ВАНУЧЧИНИ Е., ВОРОНОВ С.А., ГАЛЬПЕР A.M., ДЕ ДОНАТО К., ДЕ САНТИС K., ДЕ СИМОНЕ Н., ДЕ ФЕЛИЧЕ В., ЗАМПА ДЖ., ЗАМПА Н., ЗВЕРЕВ В.Г., КАЗОЛИНО М., КАМПАНА Д., КАРБОНЕ Р., КАРЕЛИН А.В., КАРЛСОН П., КАСТЕЛЛИНИ Д., КАФАНЬЯ Ф., КВАШНИН А.Н., КОЛДАШОВ С.В., КОЛДОБСКИЙ С.А., КРУТЬКОВ С.Ю., ЛЕОНОВ А.А., МАЙОРОВ А.Г., МАЛАХОВ В.В., МАЛЬВЕЦЦИ В., МАРТУЧИ М., МАРЧЕЛЛИ Л., МЕНН В., МЕРГЕ М., МИХАЙЛОВ В.В., МОКЬЮТТИ Э., МОНАКО А., МОРИ Н., ОСТЕРИЯ ДЖ., ПАЛЬМА Ф., ПАПИНИ П., ПИКОЦЦА П., ПИРС М., РИЧЧИ М., РИЧЧИАРИНИ С., САРКАР Р., СИМОН М., СПАРВОЛИ Р., СПИЛАНТИНИ П., ЮРКИН Ю.Т. — 2015 г.

  • ИЗМЕРЕНИЕ ОТКЛОНЕНИЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ЗЕМЛИ ЭЛЕКТРОНОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ИНТЕРВАЛЕ ЭНЕРГИЙ 75-250 ГЭВ ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТА ПАМЕЛА

    ВОРОНОВ С.А., ГАЛЬПЕР А.М., КАРЕЛИН А.В., МАЛАХОВ В.В., МИХАЙЛОВ В.В. — 2013 г.