МАТЕРИАЛЫ
XXXII ВСЕРОССИЙСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ ПО КОСМИЧЕСКИМ ЛУЧАМ
(Москва, июль 2012 г.)
Председатель Оргкомитета ХХХП Всероссийской конференции по космическим лучам д-р физ.-мат. наук М.И. Панасюк
Материалы XXXII Всероссийской конференции по космическим лучам
под общей редакцией д-ра физ.-мат. наук Г.В. Куликова
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 11, с. 1548-1552
УДК 524.1,539.1
ПОИСК АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С ПОМОЩЬЮ КАЛОРИМЕТРА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА
© 2013 г. А. В. Карелин1, О. Адриани4, Дж. Барбарино5, Г. А. Базилевская2, Р. Белотти6, М. Боецио7, Э. А. Богомолов3, Л. Бонеки4, М. Бонджи4, В. Бонвичини7, С. В. Борисов1,8, С. Боттаи4, А. Бруно6, А. Вакки7, Е. Вануччини4, Г. И. Bасильев3, С. А. Воронов1, Ж. Ву9, A. M. Гальпер1, И. А. Данильченко1, М. П. Де Паскале8, K. Де Сантис8, Н. Де Симоне8, В. Де Феличе8, Дж. Джерси7, В. Г. Зверев1, Дж. Зампа7, Н. Зампа7, Ф. Кафанья6, Д. Кампана5, Р. Карбоне5,8, П. Карлсон9, М. Казолино8, Д. Кастеллини10, А. Н. Квашнин2, С. В. Колдашов1, С. А. Колдобский1, Л. Консилио4, С. Ю. Крутьков3, А. А. Леонов1, В. Мальвецци8, Л. Марчелли8, А. Г. Майоров1, В. В. Малахов1, В. Менн11, В. В. Михайлов1, Э. Мокьютти7, А. Монако6, Н. Мори4, Дж. Остерия5, П. Папини4, М. Пирс9, П. Пикоцца8, Ч. Пиззолотто7, М. Риччи12, С. Риччиарини4, Л. Россето9, М. Ф. Рунцо1, М. Симон11, Р. Спарволи8, П. Спилантини4,
Ю. И. Стожков2, Ю. Т. Юркин1
E-mail: karelin@hotbox.ru
Спутниковый эксперимент ПАМЕЛА направлен на изучение спектров космических лучей в широком диапазоне энергий. Прибор находится на орбите с июня 2006 г. по настоящее время. Позиционно-чув-ствительный калориметр является одной из основных частей прибора ПАМЕЛА. Данные калориметра служат для определения энергии провзаимодействовавших в нем частиц, разделения электронной и ядерной компоненты регистрируемого излучения, а также для восстановления трека проходящих сквозь прибор частиц. Использование специальных триггеров калориметра и ливневого сцинтилляционного детектора С4 позволяет существенно увеличить статистику. Таким образом, использование информации калориметра при выработке этих триггеров дает возможность исследовать анизотропию космических лучей с энергией выше десятков ГэВ. Разработанный метод поиска анизотропии основан на восстановлении направлений прилета частиц по оси каскада вторичных частиц в калориметре.
DOI: 10.7868/S0367676513110203
ВВЕДЕНИЕ
Магнитный спектрометр ПАМЕЛА предназначен для проведения прецизионных измерений
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва.
3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург.
4 INFN, Structure of Florence and Physics Department of University of Florence, Italy.
5 INFN, Structure of Naples and Physics Department of University of Naples, Italy.
6 INFN, Structure of Bari and Physics Department of University of Bari, Italy.
7 INFN, Structure of Trieste and Physics Department of University of Trieste, Italy.
8 INFN, Structure of Rome "Tor "Vfergata" and Physics Department of University of Rome "Tor "Vfergata", Italy.
9 KTH, Department of Physics, and the Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics, AlbaNova University Centre, 10691 Stockholm, Sweden.
10IFAC, Florence, Italy.
11 Universitat Siegen, Siegen, Germany.
12 INFN, Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy.
спектров частиц в широком интервале энергий. Прибор состоит из следующих детекторов: сцин-тилляционная времяпролетная система ВПС, магнитный спектрометр, система антисовпадений, электромагнитный калориметр, ливневой сцин-тилляционный детектор С4 и нейтронный детектор. Геометрический фактор прибора ПАМЕЛА, определяемый апертурой магнитного спектрометра, составляет 21.6 см2 • ср. Подробное описание как всего прибора ПАМЕЛА в целом, так и его отдельных детекторов и условий измерений приведено в [1].
Для увеличения геометрического фактора с целью повышения уровня статистической достоверности использовалась комбинация калориметра и детектора С4, включенного наряду с калориметром в триггер. Триггер С4 вырабатывается, если величина энерговыделения в детекторе превышает 510 mip (minimum ionization particle) вне зависимости от направления первичной частицы. Один mip — это энергия, выделившаяся в детекторе при прохождении одной минимально ионизирующей частицы. При этом апертура прибора определяется апертурой калориметра, что в конечном счете позволяет увеличить ее в ~100 раз.
ПОИСК АНИЗОТРОПИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА 1549
Остановимся более подробно на устройстве калориметра и детектора — С4.
Детектор С4 представляет собой сцинтиллятор размером 480 х 480 мм и толщиной 10 мм, просматриваемый шестью фотоэлектронными умножителями (ФЭУ-85). Детектор расположен непосредственно под калориметром и регистрирует все выходящие продукты ливней, рожденных в калориметре.
Калориметр [2] состоит из 44 (х, у)-слоев кремниевых стриповых детекторов, между которыми расположены 22 пластины из вольфрама ^ = 74, A = 183.85, р = 18.1 г • см-3, Х0 = 0.3735 см) толщиной 2.3 мм каждая. Один слой детекторов включает в себя в сумме 96 стрипов с шагом 2.2 мм. Это дает возможность измерять координаты частиц в двух проекциях и получать таким образом пространственное распределение частиц. Суммарная толщина калориметра составляет 0.6 ядерной длины взаимодействия или 17 радиационных длин.
Восстановление траектории первичной частицы в калориметре позволяет путем определения направлений прилета частиц измерить пространственную анизотропию всех частиц космического излучения, а также провести их разделение по сортам (ядра, протоны, электроны) и изучать анизотропию различных типов излучения. Естественно, что для дальнейшего анализа отбирались только те события, в которых можно выделить направление прилета частиц в калориметре.
1. ОТБОР СОБЫТИЙ
Событием мы называем совокупность данных, записанных в память при регистрации частицы при срабатывании какого-либо триггера прибора ПАМЕЛА. Триггеры калориметра и С4 вырабатываются только при условии превышения некоторой величины энерговыделения внутри калориметра или С4, что соответствует возникновению каскада вторичных частиц внутри калориметра при взаимодействии частиц с конструкцией или с веществом прибора в основном калориметра.
Первоначальным критерием отбора частиц являлась величина полного энерговыделения в калориметре. Данный критерий позволяет выделять частицы высоких энергий (более десятков ГэВ), траектории которых в меньшей степени подвержены влиянию магнитного поля Земли и сохраняют свое первоначальное "галактическое" направление. При этом был принят во внимание факт, что фиксированная величина полного энерговыделения в калориметре соответствует различным первоначальным энергиям для ядер, электронов и протонов. Если данная величина энерговыделения эквивалентна некоторой величине первоначальной энергии электронов, то она соответствует на
порядок меньшей кинетической энергии ядер и на порядок большей кинетической энергии протонов.
Следующий критерий отбора - отбор событий с хорошо измеряемым направлением в калориметре. На рис. 1а показан пример событий, которые не обладают видимым направлением первичной частицы внутри калориметра. Наиболее правдоподобно возникновение такого рода событий можно объяснить вторичными частицами от ливней, рожденных в магнитной системе, в веществе конструкции спутника или в стенках прибора теми частицами, которые сами не проходят через вещество калориметра. На рис. 1б показан пример событий с хорошо измеряемым направлением. При больших энергиях первичных частиц в калориметре положение стрипа с максимальным энерговыделением практически во всех плоскостях не отличается более чем на некоторое расстояние R (это расстояние находится экспериментально и зависит от полного энерговыделения) от траектории первичной частицы, определяемой по центрам тяжести энерговыделений в слоях калориметра. При малых энергиях, как и в случае отсутствия первичной частицы, в калориметре возможно значительное отклонение положения центра тяжести энерговыделения от стрипа с максимальным энерговыделением.
2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОСИ ЛИВНЯ В КАЛОРИМЕТРЕ
Измерение направления в калориметре возможно для частиц, приходящих под углом не более 75° к вертикали.
Для определения направления оси ливня был использован итерационный подход, который основан на методе наименьших квадратов и для вычисления координат оси ливня использует только те стрипы, которые ближе всего располагаются к оси ливня, что в конечном счете существенно улучшает угловое разрешение [3]. При первой итерации определяются положения центров тяжести энерговыделений в каждом из 44 слоев в пределах размеров областей, где энерговыделения в стрипах образуют кластер, т.е. последовательность стрипов, амплитуда сигналов в каждом из которых превышает наперед заданное значение. Затем методом наименьших квадратов [4] определяется уравнение оси ливня в каждой проекции. В последующих итерациях устанавливаются новые границы кластера вокруг оси, координаты которой были получены в предыдущей итерации. В пределах этих границ происходит новое вычисление центров тяжести, затем получается новое уравнение оси и т.д.
При математическом моделировании методом Монте-Карло с помощью ОЕЛМТ3 первоначальные координаты влета частицы в калориметр XмOд, Умод точно известны. Эти координаты были ис-
1550
КАРЕЛИН и др.
120 1 100
.Стрип с максимальным _ энерговыделением
80 - Центр тяжести
60
40
20
энерговыделения
100
80
60
40
20
20 40 60 80 Номер стрипа
б
Стрип с максимальным энерговыделением
Центр тяжести энерговыделения
20 40 60 80 Номер стрипа
0
§ 5
о 10
I20 ■■ ' ■'""■'■' 4
К 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Номер стрипа
10
0 5
е 10 ■ ■■■ ■■ ; ■
^15 ■
е
о
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.