научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СКЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ БАКСАНСКИХ ДЕТЕКТОРОВ ШАЛ Физика

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СКЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ БАКСАНСКИХ ДЕТЕКТОРОВ ШАЛ»

ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 7, с. 972-974

УДК 537.591.5

ПОЛУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СКЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ БАКСАНСКИХ ДЕТЕКТОРОВ ШАЛ

© 2007 г. 3. М. Карпова1, Ю. В. Балабин2, Э. В. Вашеншк2, С. Н. Карпов1

E-mail: zkarpova@yandex.ru

Баксанские детекторы ШАЛ зарегистрировали 15 возрастаний интенсивности СКЛ из 30 исследованных событий GLE в период с 1981 г. по настоящее время. Эти данные позволяют уточнить высокоэнергичную часть спектров СКЛ, определенных ранее по данным мировой сети нейтронных мониторов. Кратко описан метод получения спектров СКЛ и расчета удельных функций сбора вторичных частиц для баксанских детекторов АНДЫРЧИ, КОВЕР и БМД. Приведены спектры СКЛ для различных моментов в событии GLE 20 января 2005 г.

ВВЕДЕНИЕ

Мировая сеть нейтронных мониторов (НМ) позволяет определять спектр солнечных космических лучей (СКЛ) для большинства случаев возрастаний СКЛ на уровне земли (событий GLE) только до жесткостей 4-5 ГВ [1, 2]. Исключение составляют гигантские события с жестким спектром (23 февраля 1956 г. [3, 4] и 29 сентября 1989 г. [2]), когда спектр СКЛ по данным НМ был измерен до 15 ГВ. При жесткостях СКЛ выше 5 ГВ чувствительнее нейтронных мониторов оказываются установки, регистрирующие ШАЛ (широкие атмосферные ливни). Имеется в виду темп счета одиночных частиц на этих установках. Эффективная площадь и темп счета таких детекторов на несколько порядков больше, чем у НМ. Минимальная энергия определяется в этом случае геомагнитным порогом. События GLE наблюдались установками ШАЛ и ранее: баксанский КОВЕР -29 сентября 1989 [5, 6], MILAGRITO - 6 ноября 1997 [7], GRAND - 15 апреля 2001 [8]. Анализ 30 событий GLE по данным баксанских детекторов показывает, что возрастания потока СКЛ с энергией >5 ГэВ наблюдаются в 50% событий [9, 10].

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ БАКСАНСКИХ ДЕТЕКТОРОВ ШАЛ

Баксанские установки ШАЛ имеют большие площади, покрытые сцинтиллятором: АНДЫРЧИ -37 м2, КОВЕР - 196 м2 и БМД (Баксанский мюон-ный детектор, 5 м.в.э.) - 175 м2. Это на один-два порядка выше эффективной площади нейтронного монитора. Статистическая погрешность НМ по 5-минутным данным составляет ~1%, а для АНДЫРЧИ, КОВРА и БМД она равна 0.055 , 0.03 и 0.04% соответственно. Это позволяет измерять в

10 раз более слабые потоки космических лучей, чем на НМ. Детекторы расположены в Баксан-ской долине на Северном Кавказе (43.28° с.ш. и 42.69° в.д.). Порог геомагнитного обрезания - около 6 ГВ. Высота над уровнем моря равна 1700 м для КОВРА и БМД (глубина в атмосфере - 835 мбар) и 2050 м - для АНДЫРЧИ (800 мбар).

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ВОЗРАСТАНИЯ

Для вычисления средней величины фона ГКЛ темп счета каждого баксанского детектора аппроксимировался полиномом в течение нескольких часов до начала события GLE и несколько часов после. Это необходимо для исключения вариаций ГКЛ, которые на ливневых детекторах в течение суток могут быть сравнимы и даже больше ожидаемого сигнала СКЛ. Затем вычислялось отклонение темпа счета детекторов от фона в процентах. По 5-минутным данным баксанских детекторов было проанализировано 30 событий GLE. В 15 из них наблюдалось превышение над фоном более четырех стандартных отклонений. Основные характеристики этих возрастаний приведены в таблице.

3. ВЫЧИСЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ФУНКЦИИ СБОРА ДЛЯ УСТАНОВОК ШАЛ

Для подобного анализа необходимы удельные функции сбора (УФС) вторичных частиц при регистрации одиночной компоненты КЛ на баксанских детекторах. Для вертикального первичного потока УФС определяется из выражения [11]

dN(p, x, t) = p x) dJ (p, t)

(1)

1 Институт ядерных исследований РАН, Баксанская нейтринная обсерватория.

2Полярный геофизический институт КНЦ РАН.

где dN(p, х, t)/dp - темп счета детектора, расположенного на глубине х, в момент ^ вызванный пото-

ПОЛУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СКЛ 973

События GLE по 5-минутным данным баксанских установок

№ GLE Дата, ГГММДД КОВЕР АНДЫРЧИ БМД

нач. макс. прев. % о нач. макс. прев. % о нач. макс. прев. % о

36 811012 0736 0822 0.26 8.7

38 821207 2356 2410 0.28 9.3

39 840216 0856 0910 0.14 4.7

42 890929 1144 1208 43.30 1443

45 891024 1816 1834 0.48 16

48 900524 2056 2114 0.36 12

49 900526 2128 2214 0.76 25

52 910615 0850 0920 0.66 4.1

55 971106 - - - 1205 1235 0.27 5.0

56 980502 1330 1350 0.43 14 1335 1400 0.40 7.4

60 010415 1355 1420 0.47 16 1350 1415 0.59 10 1355 1550 0.18 4.4

61 010418 0215 0320 0.58 19 0220 0315 0.60 11 0215 0300 0.35 8.2

65 031028 1105 1145 0.66 22 1115 1140 0.81 15 1100 1145 0.21 5.2

66 031029 2140 2150 0.56 19 2140 2155 0.50 8.7 2140 2150 0.29 7.2

69 050120 0655 0715 0.85 28 - - - 0655 0710 0.25 6.2

ком частиц с жесткостью от p до p + dp; dJ(p, t)/dp -спектр первичных КЛ; S(p, x) - УФС, определяет число отсчетов детектора на единицу потока первичных частиц с жесткостью p.

Эти функции для трех баксанских установок были вычислены методом Монте-Карло для вертикального и изотропного первичных потоков. Прохождение частиц через атмосферу до уровня детекторов моделировалось с помощью программного пакета CORSIKA (v.6.031, QGSJET [12]). Процессы регистрации частиц также моделировались методом Монте-Карло с использованием авторских программ, где учитывались устройство и конфигурация как отдельных счетчиков, так и установок в целом [13]. Результаты расчетов представлены на рис. 1. УФС ливневых установок на несколько порядков больше, чем у НМ при жесткостях выше геомагнитного обрезания на Баксане. Это обеспечивается лучшей чувствительностью баксанских детекторов к КЛ при жесткостях >6 ГВ.

4. СПЕКТР РЕЛЯТИВИСТСКИХ СКЛ В СОБЫТИИ 20.01.2005 г.

Событие СКЛ иа уровне земли 20.01.2005 г., самое крупное за последние 50 лет, было зарегистрировано также установкой "КОВЕР" [10, 14]. Его амплитуда составила ~1% (28а) [14]. Для сравнения, нейтронный монитор БНО зарегистрировал возрастание около 2% (3-4а0). Из нейтронных мониторов мировой сети максимальное возрастание ~5000% зарегистрировала южнополярная станция Ю. Полюс (2880 м над уровнем моря), а на уровне

моря ст. Мак-Мердо (~3000%). Это гигантское возрастание, как показано в [10], было обусловлено быстрой компонентой СКЛ, имевшей экспоненциальный энергетический спектр. Из-за сильной анизотропии БК она смогла вызвать эффект лишь на ограниченном числе южнополярных станций нейтронных мониторов. На большинстве остальных станций мировой сети возрастание было связано с медленной компонентой СКЛ, имевшей степенной энергетический спектр и более широкое питч-угловое распределение. Максимальное возрастание, обусловленное медленной компонентой, было на порядок меньшим: ст. Апатиты (200%), Ба-ренцбург на Шпицбергене (130%), Якутск (218%). Ориентация асимптотического конуса приема ст. БНО была такова, что она могла регистрировать только запаздывающую компоненту, имевшую более широкое питч-угловое распределение [10].

На рис. 2 сплошными линиями показаны спектры солнечных протонов, полученные из данных мировой сети НМ для моментов времени 7.00 (1) и 8.00 ит (2) без учета вклада КОВРА - штрихи и с его учетом - сплошная линия. В 7.00 в спектре РСП преобладала быстрая компонента и вклад КОВРА не давал заметного эффекта (оба спектра сливаются). Однако в спектре для 8.00 ит (кривая 2К) корректирующий эффект КОВРА существен. Расчетный спектр РСП оказывается жестче, чем полученный только из данных НМ.

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 7 2007

974

КАРПОВА и др.

УФС 1000

10

0.1

10-3 10-5

, (имп • c х) • (протон • м 2 • c 1 • ГВ х) 1

3 2

1

10 100 Жесткость, ГВ

Рис. 1. Удельная функция сбора (УФС) для установок ШАЛ БНО: АНДЫРЧИ (7), БМД (2), КОВЕР (3) в сравнении с аналогичной функцией нейтронного монитора (4). Вертикальной штриховой прямой показан геомагнитный порог для БНО.

lg I, протон • (м2 •с • ср • ГэВ) 1 7

5

3

1

2

1 10

Энергия, ГэВ

Рис. 2. Спектры релятивистских солнечных протонов, полученных по данным нейтронных мониторов и установки КОВЕР для моментов времени 7.00 иТ (7) и 8.00 иТ: 2 - без учета вклада КОВРА, 2К - с учетом вклада КОВРА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Баксанские установки ШАЛ: АНДЫРЧИ, КОВЕР и БМД зарегистрировали 15 возрастаний СКЛ из 30 исследованных событий СКЛ на уровне земли (GLE). Это означает, что СКЛ с жесткостя-ми >6 ГВ присутствуют не менее чем в 50% событий GLE. Амплитуда сигнала во всех случаях (за исключением 29 сентября 1989 г.) составляет десятые доли процента. Возрастания сравнимой амплитуды не могут быть зафиксированы стандартными НМ с близкими жесткостями геомагнитного обрезания. Благодаря высокой чувствительности и статистической точности баксанских детекторов, появляется возможность более точного измерения спектра СКЛ при жесткостях выше 6 ГВ. Удельные функции сбора (УФС) вторичных частиц для баксанских установок ШАЛ были рассчитаны методом Монте-Карло. В событии 20.01.2005 г. возрастание на установках ШАЛ БНО могло бы быть значительно большим при благоприятном расположении станции относительно узко колли-мированного потока быстрой компоненты релятивистских СКЛ. В последнем случае возрастание на КОВРЕ могло быть сравнимым с событием 29.09.1989 г., когда оно составило ~40%.

Работа поддержана РФФИ (проекты № 04-0216952 и 05-02-17143), а также Государственной Программой поддержки ведущих научных школ (грант НШ-1828, 2003, 02).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Базилевская Г.А., Вашенюк Э.В., Ишков В Н. и др.

Солнечные протонные события 1980-1986. Ката-

лог / Под ред. Логачева Ю.И. М.: Мировой центр данных - Б, 1990.

2. Сладкова А.И., Базилевская Г.А., Ишков ВН. и др. Каталог солнечных протонных событий 1987-1996 / Под ред. Логачев Ю.И. М.: Изд-во МГУ, 1998.

3. Miroshnichenko L I, Pérez Enríquez R., Mendoza B. // Solar Phys. 1999. V. 186. P. 381.

4. Webber W.R. // AAS-NASA Symposium on the Physics of Solar Fiares / Ed. Hese W.N., NASA, Washington, D.C. 1964. P. 215.

5. Алексеев Е.Н. и др. // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1991. Т. 55. С. 1874.

6. Alexseenko V.V. et al. // Proc. 23d ICRC. 1993. Calgary. V. 3. P. 163.

7. Ryan J.M. // Proc. 26th ICRC. 1999. Salt La

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