Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 4, с. 246-249
© 2015 г. 25 февраля
Регистрация изменения отношения темпов счета "север—юг" частиц космических лучей высоких энергий во время перемены полярности
магнитного поля Солнца
А. В. Карелин"1), О. Адриаш^'с2\ Дж. Барбариноа,е2\ Г. А. Базилевская?, Р. Белотти9'к2\ М. Боецио12\ Э. А. Богомолов?, М.Бонджис2\ В. Бонвичини12\ С. Боттаи°2\ А. Бруно9^^, А.Вакки12\ Е.Вануччин^2\ Г.И.Васильевi, С. А. Воронов11, А. М. Гальпера, К. Де Донаток'12\ К.Де Сантиск'12\ Н.Де
Сишонек'12\ В.Де Феличек2\ Дж. 3aunai2), Н. 3aunai2), Ф.Кафаньяh2\ Д. Кампанае2), Р. Карбонее'12\ П. Карлсон171"2^, М. Казолннок2\ Д. Кастеллинип2\ А.Н.Квашнинf, С. В. Колдашова, С. А. Колдобскийа, С. Ю. КрутьковЗ, А. А. Леонов"1, Л. Марчеллик 2\ М. Мартучик^2\ А. Г. Майоров11, В. В. Малахов11, В. МеннР2\ М. Мергек'12\В.В. Михайлов11, Э. Мокьюттif 2), А. Монакоh, Я. Мор^^с2\ Р. Мунини^о2\ Дж. Остерияе2\ Ф.Пальмак'12\ Б.Паникое2\ П.Панинис2\ М.Пирст2\ П. Пикоццак'12\ М.Риччич, С. Риччиарини0, М.Л.Розеттот'2\ М. Сишонр2\ P. Capxapi2\ В. Скоттиа'е2\ Р. Снарволик>12\ П. СнилантиниЪ'с2\
В. Форшато1,о2\ Ю. Т. Юркин® а Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, 115409 Москва, Россия ь University of Florence, 1-50019 Sesto Fiorentiono, Florence, Italy c INFN, Sezione di Florence, 1-50019 Sesto Fiorentiono, Florence, Italy d University of Naples "Federico II", 1-80126 Naples, Italy eINFN, Sezione di Naples, 1-80126 Naples, Italy f ФИАН им. Лебедева, 119991 Москва, Россия 9 University of Bari, 1-70126 Bari, Italy hINFN, Sezione di Bari, 1-70126 Bari, Italy 4NFN, Sezione di Trieste, 1-34149 Trieste, Italy зфТИим. Иоффе, 194021 С.-Петербург, Россия kINFN, Sezione di Rome "Tor Vergata", 1-00133 Rome, Italy 1 University of Rome "Tor Vergata", 1-00133 Rome, Italy
rnKTH, Department of Physics, and the Oskar Klein Centre for Cosmoparticle Physics AlbaNova University Centre,
SE-10691 Stockholm, Sweden
"IFAC, 1-50019 Sesto Fiorentino, Florence, Italy
° University of Trieste, 1-34147 Trieste, Italy
p University of Siegen, D-57068 Siegen, Germany
qINFN, Laboratori Nazionali di Frascati, 1-00044 Frascati, Italy
Поступила в редакцию 22 декабря 2014 г.
С помощью калориметра, входящего в состав экспериментального комплекса спутникового эксперимента ПАМЕЛА, находящегося на орбите с июня 2006 г. по сегодняшний день, зарегистрировано изменение отношения интенсивностей частиц космического излучения высоких энергий, приходящих с севера и юга в период 2010-2014 гг. На часть данного периода времени пришлось изменение полярности магнитного поля Солнца. Таким образом, полученные результаты позволяют сделать выводы о связи северно-южной асимметрии потоков частиц космических лучей с магнитным полем Солнца.
DOI: 10.7868/S0370274X15040037
-'-'e-mail: karelin@hotbox.ru O. Adriani, G.C. Barbarino, R. Bellotti, M. Boezio, M.Bongi, V. Bonvicini, S. Bottai, A. Bruno, F. Cafagna, D. Campana, P. Carlson, M.Casolino, G. Castellini, C.De Donato, C.De Santis, N. De Simone, V. Di Felice, V. Formato, L. Marcelli,
M. Martucci, W. Menn, M.Merge', E. Mocchiutti, A.Monaco, N.Mori, R. Munini, G. Osteria, F.Palma, B. Pánico, P. Papini, M.Pearce, P. Picozza, M.Ricci, M.L.Rosetto, S.B. Ricciarini, R. Sarkar, V. Scotti, M. Simón, R. Sparvoli, P. Spillantini, A.Vacchi, E. Vannuccini,G. Zampa, N. Zampa
Регистрация изменения отношения темпов счета "север-юг".
247
В предыдущей работе [1] по данным спутникового эксперимента ПАМЕЛА за период 06.2006-08.2009 была зарегистрирована северно-южная асимметрия частиц космического излучения. О асимметрии потоков частиц космического излучения с северного и южного направлений в то же время свидетельствовал и ряд других измерений, выполненных с помощью нейтронных мониторов и на баллонах в верхних слоях атмосферы [2-4]. При этом величина асимметрии составляла около 3 % для частиц с энергией порядка 10 ГэВ и уменьшалась с ростом энергии. Одно из возможных объяснений этому факту было дано в ряде теоретических работ [5, 6]. В них было показано, что различие интенсивностей может быть связано с распространением космических лучей через разные части гелиосферы. Чтобы проверить гипотезу о связи наблюдаемой асимметрии с солнечным магнитным полем, в эксперименте ПАМЕЛА были проведены дополнительные измерения в период с 24.02.2010 по 31.07.2014. Данный период включает в себя временной интервал, в течение которого происходила смена полярности магнитного поля Солнца. Ожидалось, что такой глобальный процесс будет оказывать влияние на величину эффекта асимметрии.
Экспериментальный комплекс ПАМЕЛА в составе космического аппарата Ресурс ДК1 был выведен на орбиту Земли в июне 2006 г. Он находится в активном состоянии и по сегодняшний день. Орбита спутника - эллиптическая с наклоненом 70.4° и высотой 350-650 км до ноября 2010 и 510-610 км после. Основная задача эксперимента ПАМЕЛА -изучение состава и энергетических спектров частиц космического излучения в широком диапазоне энергий. Прибор ПАМЕЛА 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 С4, детектора нейтронов и счетчиков системы антисовпадений. Геометрический фактор для высокоэнергичных частиц (>1ГэВ), проходящих в пределах чувствительного объема магнитного спектрометра, равен 21.6 см2 ср, что соответствует угловой апертуре 19° х 16°. Эта апертура служит основной апертурой прибора. Одной из возможностей прибора является расширение угловой апертуры с помощью триггеров, вырабатываемых позиционно-чувствительным калориметром и нижним сцинтилляционным детектором С4. Это позволяет существенно увеличить статистику для регистрируемых частиц высоких энергий. Триггеры вырабатываются при условии превышения
энерговыделением внутри калориметра или С4 пороговых величин, которые соответствуют возникновению в калориметре мощного каскада вторичных частиц при взаимодействии падающих частиц с его веществом. С помощью разработанной методики восстановления направления прилета частиц в калориметр, речь о которой пойдет ниже, возможно 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 объем зарегистрированных высокоэнерге-тичных частиц. В дальнейшем будем называть расширенную таким образом апертуру широкой апертурой. Калориметр состоит из 22 слоев. Каждый слой образован двумя плоскостями кремниевых стрипо-вых детекторов и пластиной из вольфрама толщиной 2.3 мм. Каждая плоскость кремниевых детекторов включает в себя 96 стрипов с шагом 2.2 мм. Стри-пы в соседних плоскостях расположены ортогонально друг другу, что позволяет измерять пространственное распределение вторичных частиц в калориметре в двух проекциях. Суммарная толщина калориметра составляет 0.6 ядерной длины взаимодействия (17 рад. длин). Подробное описание калориметра прибора ПАМЕЛА приведено в работе [7].
Предметом анализа служили события, в которых частицы приходили в широкой апертуре. Основным критерием для первоначального отбора является пороговая величина полного энерговыделения в калориметре. Последнее измеряется в единицах "мип" -энерговыделении, регистрируемом при прохождении одной минимально ионизирующей частицы в одном слое 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 показал, что конкретно выбранное энерговыделение, отвечающее некоторой величине первоначальной энергии электронов, согласуется с в несколько раз большей кинетической энергией протонов. В отобранных по данному критерию событиях преобладают протоны и ядра гелия в соответствии с их подавляющим содержанием в космических лучах (около 90 % протонов, около 10 % ядер гелия, на остальные частицы приходится менее 1%). Вместе с тем, поскольку низкоэнергичные тяжелые ядра дают во много раз большее, чем протоны и ядра гелия, энерговыделение, то их доля в отобранных событиях значительно возрастает. Так, при пороге в 4000 мип относительное количество регистри-
248
А. В. Карелин, О. Адрпанп, Дж. Барбарпно и др.
руемых частиц примерно таково: 5 % низкоэнерге-тнчных тяжелых ядер, 55 % протонов с энергией выше 20 ГэВ, 15 % ядер гелия с энергией выше 10 ГэВ/н, 25% электронов с энергией выше 7 ГэВ. Для определения направления оси ливня в калориметре был использован итерационный подход, основанный на методе наименьших квадратов [8]. Направление первичной частицы совпадает с осью ливня в калориметре. Из отобранных событий рассматривались только зарегистрированные в то время, когда спутник находился в области выше 60° северной широты и ниже 60° южной широты в географической системе координат, а сами частицы приходили в прибор с направлений не меньше 60° и —60° в той же системе координат. Таким образом отбирались частицы, приходящие с северных и южных направлений.
Порядковый временного ла номер интерва- Период времени (ч. м.г.)
1 24.02.10.-02.04.10; 17.06.17-20.06.10; 19.11.00-05.01.11 10.05.28; 16.11.10;
2 06.01.11-07.04.11
3 08.04.11-06.07.11
4 08.07.11-02.08.11; 05.09.1120.09.11; 17.10.11-02.12.11
5 03.12.11-01.03.12
6 02.03.12-11.04.12; 27.06.12; 10.05.12-
7 28.06.12-24.07.12; 19.10.12; 16.08.12-
8 20.10.12-27.01.13
9 28.01.13-27.04.13
10 28.04.13-26.07.13
11 27.07.13-28.10.13
12 29.10.13-29.01.14
13 30.01.14-30.04.14
14 01.05.01-31.07.14
Для характеристики асимметрии была использована величина (№-Мп)/(Мп + №), где N8 - темп счета отобранных согласно описанной выше процедуре событий со стороны Северного магнитного полюса Земли, а N8 со стороны Южного. Изменение величины (№-Мп)/(Мп + №) со временем при пороге 4000 мип продемонстрировано на рис. 1.
Время отсчитывается с 2
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.