ЖЭТФ, 2014, том 146, вып. 3 (9), стр. 513 517
© 2014
НОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ПРОТОНОВ И ЯДЕР ГЕЛИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ ПРИ ПОМОЩИ КАЛОРИМЕТРА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА
А. В. Карелин"* **, О. AdpuaHud, Дж. Барбарино*, Г. А. Базилевскаяь, Р. Белотти '. М. Воециоя, Э. А. Богомолов", Л. Б опекиd, M. Бонджи'1, В. Бонвичини9, С. Б оттайd, А. Бруно f, А. Вакки9, Е. Вануччиниа, Г. И. Васильев0, С. А. Воронов", А. М. Гальпер". К. Де Донато h, К. Де Сантис h, H. Де Симоне h, В. Де Фели че h, В. Г. Зверев а, Дмс. Зампа9, Н. Зампа9, Ф. Кафаньм '. Д. Кампана', Р. Карбоне* h, П. Карлсон ', М. Казолшюh. Д. Кастеллшш '. А. Н. Квашнинъ, С. В. Колдашое ". С. А. Колдобскийа, С. Ю. Крутьковс, А. А. Леонова, В. Мальвецциь, Л. Марчелли11, М. Мартуччи11,
А. Г. Майоров", В. В. Малахов", В. Меннк, M. Мергеь, В. В. Михайлов", Э. Мокьютти9, А. Монако f, H. Mopud, Дмс. Остерия'. Ф. Пальма h, П. HanuHud, M. Пирс1, П. Пикоццаь, Ч. Пизолотто9, М. Риччи1, С. Pu44uapuHud, M. Симонk, Р. Саркарh. Р. Спарволи11, П. Спилантини'1, Ю. И. Стожковh. Ю. Т. Юркин"
"■ Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 115409, Москва, Россия ь Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, 119991, Москва, Россия Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021, Санкт-Петербург, Россия. dINFN, Structure of Florence and Physics Department of University of Florence, 1-50019, Florence, Italy '4NFN, Structure of Naples and Physics Department of University of Naples, 1-80126, Naples, Italy
f INFN, Structure of Bart and Physics Department of University of Ban, 1-70126, Bart, Italy gINFN, Structure of Trieste and Physics Department of University of Trieste, 1-84012, Trieste, Italy hINFN, Structure of Rome Tor Vergata and Physics Department of University of Rome Tor Vergata, 1-00133, Rome, Italy ' KTH, Department of Physics, and the Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, AlbaNova University Centre
10691, Stockholm, Sweden ■' Institute of Applied Physics, 50019, Florence, Italy k Universitat Siegen, D-5706S, Siegen, Germany lINFN, Laboratori Nazionali di Frascati, 1-00044, Frascati, Italy
Поступила в редакцию 11 марта 2014 г.
Новые измерения энергетических спектров протонов и ядер гелия космических лучей с существенно увеличенной статистикой благодаря усовершенствованию методики отбора событий и вовлечению в анализ всех данных за период 2006-2013 гг. были проведены при энергиях выше 0.8 ТэВ/н с помощью позиционно-чувствительного калориметра по данным спутникового эксперимента ПАМЕЛА.
DOI: 10.7868/S0044451014090107
* E-mail: karelm'fflhotbox.ru
**A. V. Karelin, O. Adriani, G. C. Barbarino, G. A. Ba-zilevskaya, R. Bellotti, M. Boezio, E. A. Bogomolov, L. Boned, M. Bongi, V. Bonvicini, S. Bottai, A. Bruno, A. Vacchi, E. Vannuccini, G. I. Vasilyev, S. A. Voronov, A. M. Galper, C. De Donato, C. De Santis, X. De Simone, V. Di Felice, V. G. Zverev, G. Zampa, X. Zampa, P. Cafagua, D. Campana, R.. Carbone, P. Carlson, M. Casolino, G. Castellini, A. X. Kvashnin, S. V. Koldashov, S. A. Koldobskiy, S. Y. Krut-kov, A. A. Leonov, V. Malvezzi, L. Marcelli, M. Martucci, A. G. Mayorov, V. V. Malakhov, W. Menn, M. Merge, V. V. Mi-khailov, E. Mocchiutti, A. Monaco, X. Mori, G. Osteria, P. Pal-
1. ВВЕДЕНИЕ
Последние измерения энергетического спектра протонов космических лучей, проведенные в эксперименте АМБ-02 [1], демонстрируют при высоких энергиях вплоть до 1.8 ТэВ более крутое, чем по сте-
ma, P. Papini, M. Pearce, P. Picozza, С. Pizzolotto, M. Ricci, С. В. Ricciarini, M. Simon, R. Sarkar, R. Sparvoli, P. Spillantini, Y. I. Stozhkov, Y. T. Yurkin
7 ЖЭТФ, выи.З (9)
513
А. В. Карелин, О. Адриани, Дж. Барбарино и др.
ЖЭТФ, том 146, вып. 3 (9), 2014
ионному закону с показателем —2.7, убывание спектра. Для энергий в диапазоне 1 ТэВ и выше такое поведение спектра не совпадает с результатами, полученными в аэростатных экспериментах АТ1С [2] н СТ1ЕАМ [3], а также в спутниковом эксперименте ПАМЕЛА. В последнем эксперименте существуют два типа измерений. Первый тип измерений осуществляется с помощью магнитного анализа (спектрометра) вплоть до энергий 1.2 ТэВ [4], тогда как другой тип измерений выполняется с помощью калориметра и позволяет расширить энергетический диапазон до 10 ТэВ [5]. Последнее особенно важно с той точки зрения, что полностью перекрыть диапазон 1 10 ТэВ в прямых измерениях за последние 40 лет удалось только в аэростатном эксперименте
АТ1С [2].
В свете изложенных обстоятельств было особенно важно с большей надежностью, благодаря модернизации методики отбора событий и существенно увеличенной статистике, провести повторные измерения спектра протонов с помощью калориметра в диапазоне 1 10 ТэВ в эксперименте ПАМЕЛА.
Кроме того, следует отметить, что последние данные, полученные в упомянутых выше экспериментах АМБ-02, АТ1С, ПАМЕЛА, свидетельствуют о различии показателей степенных спектров протонов н ядер гелия космических лучей. При крайне малом количестве разрозненных результатов наблюдений чтобы проверить этот факт расхождения в поведении энергетических спектров протонов и ядер гелия при энергиях выше 1 ТэВ/и (ТэВ/нуклон), было важно увеличить диапазон энергий. Это удалось сделать с помощью калориметра. За счет существенно увеличенной статистики в измерениях при помощи калориметра ПАМЕЛА область измерения спектра ядер гелия была расширена вплоть до энергий 9 ТэВ,'н.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ ПАМЕЛА
Экспериментальный комплекс ПАМЕЛА [6] в составе космического аппарата «Ресурс ДК1» был выведен на орбиту Земли в июне 2006 г., и измерения на орбите продолжаются по сегодняшний день.
Прибор ПАМЕЛА (рис. 1) состоит из нескольких детекторов: системы времени пролета с тремя двойными плоскостями сцинтилляторов, магнитного спектрометра с системой координатных кремниевых детекторов, электромагнитного калориметра, нижнего ливневого сцинтилляционного детектора С*4, детектора нейтронов и счетчиков системы антисовпадений. Геометрический фактор для частиц
Магпитпый спектрометр (6 плоскостей)
Сн
Ш
1
О
ш
ш
Система аптисовпадепий
Калориметр
хеитроппыж 'детектор \
Протон Антипротон
Рис.1. Состав прибора ПАМЕЛА
высоких энергий (> 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.
Калориметр [7] состоит из 22 слоев. Каждый слой образован из двух плоскостей кремниевых стриповых детекторов и пластины из вольфрама толщиной 2.3 мм (г = 74, А = 183.84, р = 19.3 г/см3, А'о = 0.35 см). 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 частиц в событиях в калориметре в двух проекциях. Суммарная толщина калориметра составляет 0.6 ядерной длины взаимодействия (17 рад. длин). Подробное описание всех систем и устройство прибора ПАМЕЛА приводится в работе [6].
Одной нз возможностей прибора является увеличение светосилы вследствие регистрации частиц с помощью специальных триггеров, вырабатываемых познцнонно-чувствнтельным калориметром и нижним сцинтилляционным детектором С4. Эти триггеры вырабатываются при условии превышения энерговыделения внутри калориметра или детектора С4 пороговых величии, которые соответствуют возникновению мощного каскада вторичных частиц в ка-
лориметре при взаимодействии налетающих частиц с его веществом. При этом частицы приходят в более широкой, чем основная, апертуре. Это позволяет в несколько раз увеличить статистику регистрируемых частиц высоких энергий.
3. АНАЛИЗ СОБЫТИЙ
Отбор событий с последующим восстановлением энергетических спектров протонов и ядер гелия в основе своей осуществлялся согласно методике, подробно изложенной в работах [5,8 10], поэтому в данной работе речь пойдет только об основных различиях в методике отбора, которые позволили существенно увеличить статистику.
Для первоначального отбора событий основным критерием являлась пороговая величина полного энорговыдолония в калориметре. Она измеряется в единицах «мил», 1 мил соответствует энерговыделению, которое регистрируется при прохождении одной минимально ионизирующей частицы в одном слое детекторов. Установление порога по полному энорговыдолонию в калориметре позволяет выделять частицы высоких энергий, испытавшие взаимодействие в калориметре. Таким образом, в дальнейшем рассматривались только события, сопровождавшиеся ливнем в калориметре. В методике, использовавшейся ранее, порог по энорговыдолонию был установлен равным 4000 мип, что соответствовало энергии протонов 50 ГэВ. В новой модернизированной методике, созданной для измерений энергий около 1 ТэВ н выше, величина порога была поднята до 25000 мип.
В работах [5,8 10] отмечалось, во-первых, что полные энорговыдолония от развившихся в калориметре ПАМЕЛА ливней вторичных частиц, вызываемых электронами и протонами с одной и той же первичной энергией, при регистрации отличается примерно в три раза. Во-вторых, практически все электроны при прохождении калориметра ПАМЕЛА вызовут ливни, начинающиеся в первых плоскостях калориметра, тогда как около 2/3 протонов проходят калориметр без образования ливня. В-третьих, необходимо введение специальных критериев отбора для режекции электронов при выдел опии протонов. На основании этого при введении критерия на начало ливня частицы, давшие ливень в первых плоскостях калориметра, не проходили отбор. Таким образом, удалось исключить более 96% электронов. Однако при этом терялось и до 2/3 общего числа протонов, давших ливень в калориметре.
В настоящем анализе нижняя граница энер-
гий, соответствующая 25000 мип, при измерении энергетического спектра протонов лежит в районе 800 ГэВ, что с точки зрения регистрации калориметром ливней соответствует электронам с энергией не менее 260 ГэВ. С учетом доли электронов по сравнению с протонами в космических лучах при этих энергиях было определено, что пр
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.