ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 711-713
УДК 537.591.5
НОВАЯ ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
© 2015 г. Е. А. Маурчев, Ю. В. Балабин, Б. Б. Гвоздевский, Э. В. Вашенюк
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Полярный геофизический институт Кольского научного центра Российской академии наук, Апатиты
E-mail: maurchev@pgia.ru
Представлен программный комплекс, позволяющий проводить различные модельные эксперименты, такие как расчет функций откликов детекторов, а также моделирование прохождения частиц космических лучей через атмосферу Земли. Приведены некоторые полученные результаты.
Б01: 10.7868/80367676515050324
ВВЕДЕНИЕ
Свойство атмосферы поглощать космические лучи (КЛ) было обнаружено еще в первых экспериментах В. Гесса. Попадая в атмосферу Земли, космические частицы (а это в основном протоны и ядра более тяжелых элементов, чем водород) испытывают столкновения с ее атомами и молекулами. В результате происходит расщепление ядер и образование многочисленных вторичных частиц. Изучение этих каскадов частиц позволяет получить больше информации о процессах их рождения и распространения, о потоках первичных космических лучей, а также дает возможность оценить скорость ионообразования в веществе атмосферы.
На данный момент существует множество экспериментальных методов исследования космических лучей, включающие детекторы самых различных конструкций (счетчики Гейгера на шарах-зондах, сцинтилляционные детекторы, нейтронные мониторы и т.д.). Наряду с этим сравнительно молодой отраслью является численное моделирование взаимодействия частиц с веществом методами Монте-Карло [1], берущее свое активное начало с развитием вычислительной техники. Благодаря совмещению этих двух методик, становится возможным наиболее полное понимание физики процесса прохождения первичных адро-нов через атмосферу Земли и развития каскадов вторичных частиц. Модель подробно описывает состояние и пространственные характеристики КЛ, а экспериментальные данные позволяют эти результаты верифицировать.
В данной работе представлена новая численная модель, созданная на базе ОБЛМТ4 [2], позволяющая провести подробный расчет взаимодействия частиц КЛ с веществом и представляющая из
себя программный комплекс. В состав данного комплекса входят модели сцинтилляционного детектора NaI(Tl) и нейтронного монитора, а также модель для расчета прохождения КЛ через атмосферу Земли. В результате уже проведенных модельных экспериментов были получены функции отклика вышеописанных детекторов, а также энергетические спектры частиц вторичных КЛ на различных высотах (глубинах) атмосферы. Следует заметить, что эти данные находятся в хорошем согласии с данными, полученными с помощью нейтронного монитора и в ходе запусков шаров-зондов.
МОДЕЛЬ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ДЕТЕКТОРА Nal
Описание программного комплекса следует начинать именно с этой модели, поскольку она имеет наиболее простую геометрию и перечень применяемых в ней физических процессов. Как сказано выше, в основе лежит комплексный метод Монте-Карло [3], где функция плотности вероятности вычисляется как
n
f(x) = Y aifi(x)pi(x), (1)
i=1
где a¡> 0 — вероятность выборки нормированной функции плотности вероятности f(x), 0 < р((х) < 1 — случайная величина с непрерывным равномерным распределением. Именно с помощью данного метода и известных сечений взаимодействий [4] вычисляются углы рассеяния и длины свободного пробега частицы в веществе. В результате моделирования нами были получены эффективности регистрации сцинтилляционных детекторов различ-
712
МАУРЧЕВ и др.
Энергия, кэВ (для NaI(TI)) Энергия, МэВ (для HM)
1000
800 -
600
400 -
200
10000
- 8000
6000
- 4000
2000
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Эффективность, %
Рис. 1. Расчетные эффективности для сцинтилляци-онного детектора Ма1(И) с геометрическими размерами 63 х 20 мм и стандартного НМ.
ных физических размеров. На рис. 1 представлена эффективность регистрации квантов кристаллом Nal с геометрическими размерами 63 х 20 мм. Здесь также следует заметить, что особенностью данной работы является то, что нами были включены также процессы образования оптических квантов с помощью таблицы сцинтилляции кристалла. Этот шаг позволил приблизить модель к реальному устройству, насколько это возможно. Информация о фотонах, попадающих в детектирующий объем (окно фотоумножителя) собиралась в гистограммы в соответствии со светимостью кристалла (количество фотонов на единицу энергии).
МОДЕЛЬ СТАНДАРТНОГО НЕЙТРОННОГО МОНИТОРА (НМ)
Одним из наиболее важных и классических детекторов вторичных КЛ является НМ. Данное устройство состоит из полиэтиленового замедлителя, свинцового генератора, полиэтиленового отражателя и счетчика тепловых нейтронов (10BFз или 3Не). Так как энергии эффективной регистрации частиц детекторами такого типа лежат в диапазоне Е >~ 100 МэВ (на самом деле регистрируются и частицы более низких энергий, но с гораздо меньшей вероятностью), а в самом НМ образуются и тепловые нейтроны, то здесь присутствует целый ряд процессов взаимодействия. Для адронов с Е > 10 ГэВ используется кварк-глю-онная струнная модель [5], с 10 ГэВ > Е > 20 МэВ
каскады Бертини [6] и для взаимодействия нейтронов с энергиями Е < 20 МэВ используются экспериментальные сечения взаимодействий [4]. Модельный источник частиц (нейтронов) реализован таким образом, что частицы, падающие на его поверхность, имеют равномерное распределение, а их энергия пошагово изменяется (например, рассчитывается эффективность на 100000 частиц с энергией 10 МэВ, затем для 20 МэВ и т.д.). Функция эффективности регистрации представлена на рис. 1.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ КЛ ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ
Для изучения прохождения первичных КЛ через атмосферу Земли и дальнейшего детального исследования рождения каскадов в данной работе была создана модель прохождения частиц через атмосферу Земли. Если говорить более конкретно, то в качестве источника первичных частиц здесь выступает источник протонов. Таким образом, мы рассматриваем прохождение протонов КЛ через атмосферу Земли. Для решения данной задачи использованы данные модели NRLMSISE-00 [7], а в качестве моделей взаимодействий — описанные выше и дополнительные для электромагнитных и адронных взаимодействий. Итак, в данной работе использована так называемая "плоская геометрия", когда рассматривается часть атмосферы, с градиентным распределением физических параметров. На границе атмосферы (под "границей" здесь подразумевается высота 80 км) расположен источник первичных частиц с заданными спектральными характеристиками.
Основными данными, получаемыми в результате данной работы, являются энергетические распределения вторичных космических лучей в атмосфере Земли, которые могут использоваться в дальнейшем для прикладных задач. Подробнее ознакомиться с некоторыми результатами, полученными с помощью данной модели, можно ознакомиться в [8]. Для верификации вычислений использованы два метода. Первый заключается в том, что рассматривается и сравнивается суммарный поток, создаваемый заряженными частицами в атмосфере Земли (электроны, позитроны, протоны, мюоны и сотая часть гамма-квантов), с профилем полета, записанным в ходе запуска шара зонда. Смысл второго в том, что полученный в результате спектр частиц у Земли свертывается с функцией отклика НМ. Затем полученное значение сравнивается с экспериментальными данными, записанными с помощью НМ в заданный промежуток времени. Полученные в ходе моделирования результаты очень хорошо согласуются с экспериментальными данными, величина откло-
0
НОВАЯ ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
713
Поток, см 2 ■ с 1
Глубина, г ■ см 2
Рис. 2. Потоки частиц в зависимости от глубины, полученные в результате расчета прохождения протонов первичных КЛ через атмосферу Земли в отсутствие солнечной активности. Ширина линий определяет расчетную погрешность.
нения составляет всего порядка 5—10%. Некоторые результаты, полученные в ходе моделирования, представлены на рис. 2.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате данной работы были проведены вычисления, направленные на улучшение представления физики взаимодействия частиц не только в детекторах, повседневно использующихся в исследованиях КЛ, но и в такой глобальной системе, как атмосфера Земли. Несмотря на то что, казалось бы, данные задачи давно решены, по мере увеличения базы данных сечений взаимодействий и экспериментальной базы находятся все новые тонкости, и модели становятся точнее, продолжая свое развитие.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соболь И.М. Методы Монте-Карло: 4-е изд. М.: Наука, 1985.
2. Agostinelli S. // Nucl.Instrum. Methods Phys. Res. 2003. V. 506. Sect. A. P. 250.
3. Butcher J.C., MesselH. // Nucl. Phys. 1960. V. 20. P. 15.
4. Chadwick M.B. // Nuclear Data Sheets. 2011. V. 112. P. 2887.
5. Лыкасов Г.И., Аракелян Г.Г., Сергеенко М.Н. // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 1999. Т. 30. № 4. С. 817.
6. Bertini H.W. // Phys. Rev. 1969. V. 188. P. 1711.
7. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2002. V 107. I.A12. P. 15-1.
8. Maurchev E.A., Balabin Yu.V., Vashenyuk E.V., Gvozdevsky B.B. // J. Phys.: Conf. Ser. 2013.
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.