научная статья по теме ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ КАСКАДОВ, РОЖДЕННЫХ МЮОНАМИ В ВОДЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ КАСКАДОВ, РОЖДЕННЫХ МЮОНАМИ В ВОДЕ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 405-407

УДК 524.1

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ КАСКАДОВ,

РОЖДЕННЫХ МЮОНАМИ В ВОДЕ

© 2015 г. В. А. Хомяков, А. Г. Богданов, В. В. Киндин, Р. П. Кокоулин, А. А. Петрухин,

С. С. Хохлов, В. В. Шутенко, И. И. Яшин

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва E-mail: VAKhomyakov@mephi.ru

Рассматривается подход к оценке параметров каскадных ливней с неизвестной осью, рождаемых в че-ренковском водном детекторе НЕВОД мюонами в диапазоне зенитных углов 50°—90°. Предлагается метод оценки положения оси каскада на основе отклика черенковского водного детектора НЕВОД и критерии отбора событий с каскадами среди событий с большим энерговыделением. Метод и критерии опробованы на событиях с каскадами, генерируемыми окологоризонтальными мюонами высоких энергий, выделенными координатно-трековым детектором ДЕКОР. Представлены предварительные результаты измерения энергетического спектра каскадных ливней.

Б01: 10.7868/80367676515030278

ВВЕДЕНИЕ

Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР, расположенный на территории Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ", предназначен для регистрации всех основных компонент космических лучей на поверхности Земли [1, 2]. В основе комплекса — размещенный внутри специального здания черенковский водный детектор (ЧВД) НЕВОД, водный резервуар которого имеет размеры 9 х 9 х 26 м. Детектирующая система ЧВД НЕВОД представляет собой пространственную решетку с расположенными в ее узлах квазисферическими модулями (КСМ), регистрирующими черенковское излучение от релятивистских заряженных частиц (всего в решетке 91 КСМ). Каждый КСМ состоит из шести фотоумножителей ФЭУ-200 с плоским фотокатодом, которые ориентированы вдоль осей ортогональной системы координат.

Малый шаг пространственной решетки (2.5 м вдоль детектора, 2 м поперек и 2 м по глубине) и широкий динамический диапазон регистрируемых сигналов (1—105 фотоэлектронов для каждого ФЭУ [3]) позволяют исследовать каскадные ливни с измерением полной каскадной кривой в индивидуальных событиях.

Ранее была решена задача восстановления каскадной кривой для ливней с известным положением оси [4]. Методика восстановления использует предположение, что рожденные в ливне электроны и позитроны движутся вдоль оси ливня, которая совпадает с треком мюона, и при этом черенковские фотоны излучаются под одним и

тем же углом к оси. Алгоритм восстановления основан на пересчете отклика каждого ФЭУ, который "видит" черенковское излучение от частиц ливня, в число релятивистских частиц. Ось ливня определялась по мюонам, треки которых восстанавливались с помощью координатного детектора ДЕКОР [2]. Условие отбора соответствующих событий — срабатывание двух супермодулей (СМ) ДЕКОР, расположенных на противоположных коротких сторонах бассейна. Однако такие мюоны регистрируются лишь в узком диапазоне зенитных (85°—90°) и азимутальных углов (±15° от продольной оси ЧВД).

Для расширения геометрии отбора и увеличения статистики событий с каскадными ливнями рассмотрена задача оценки характеристик каскадов, рожденных мюонами, на основе только отклика ЧВД, без использования данных ДЕКОР. На триггерном уровне отбирались события с большим энерговыделением, в которых сработало одновременно не менее 60 из 91 КСМ, в каждом из которых сработало не менее двух ФЭУ (триггерное условие ">60 с"). Такие события могли быть вызваны а) широкими атмосферными ливнями; б) группами мюонов; в) каскадами от мюонов или адронов. Методы отбора и восстановления характеристик событий с каскадами основаны на компактности расположения КСМ с наибольшими амплитудами. Методы отрабатывались на событиях с известной осью, восстановленной по данным ДЕКОР (далее — обучающая выборка). Первым шагом к восстановлению параметров ливней являлась оценка положения оси каскада по отклику ЧВД.

7

405

406

ХОМЯКОВ и др.

1. МЕТОД ОЦЕНКИ ПОЛОЖЕНИЯ ОСИ КАСКАДНОГО ЛИВНЯ

Метод оценки положения оси ливня основывается на использовании порядковых статистик амплитуд откликов КСМ. Для каждого события, отобранного по триггерному условию ">60 с", анализируется выборка из 20 КСМ с наибольшими суммарными амплитудами ФЭУ. Для каскадных ливней такие КСМ обычно расположены вблизи их оси.

Ось ливня проводится через центр тяжести выбранных КСМ, рассчитанный с учетом амплитуд ФЭУ в качестве весов. Для восстановления направления оси ливня для каждого КСМ в выборке определяется вектор направления черенковского света, что возможно благодаря наличию ФЭУ, направленных по осям ортогональной системы координат. Сумма указанных векторов, взятых с учетом амплитуд КСМ как весов, дает оценку направления оси ливня при условии развития ливня внутри чувствительного объема детектора. Однако, поскольку КСМ с наибольшими откликами, расположенные ближе остальных к оси каскада, могут вносить существенную погрешность в определение результирующего вектора, были рассмотрены варианты с их исключением из исходных 20 КСМ. Применение этого метода к анализу событий из обучающей выборки показало, что среднее отклонение оценки направления оси от направления трека мюона, определенного по данным ДЕКОР, составляет примерно 16°, что достигается при исключении из исходной выборки одного-двух КСМ с наибольшими амплитудами. Среднее отклонение для координатного положения оси составило около 30 см.

Для дальнейшего восстановления каскадной кривой и оценки энергии ливня применялась методика [4] с той лишь разницей, что параметры известной оси ливня заменялись на полученные по данным ЧВД оценки.

2. МЕТОД ОТБОРА СОБЫТИЙ С КАСКАДАМИ

Для отбора событий с ливнями, рожденными мюонами в бассейне ЧВД, среди событий с триг-герным условием ">60 с" был разработан ряд критериев.

Главный критерий отбора событий с каскадами, генерируемыми мюонами или адронами, основан на том, что в ЧВД НЕВОД, имеющем плотную решетку измерительных модулей, при возникновении каскада модули с наибольшими амплитудами отклика должны образовывать компактную группу, геометрия которой может служить признаком каскада. Рассчитывался среднеквадратичный радиус кластера (^кл) КСМ с наибольшими амплитудами. В результате ана-

лиза значений данного параметра для событий обучающей выборки был принят критерий, ограничивающий ^кл величиной 2.35 м (доля отбрасываемых событий с каскадами с энергией выше 100 ГэВ не превышает при этом 5%).

Для обеспечения корректного восстановления энергии каскадов проводился отбор событий, в которых ливень развивается в пределах чувствительного объема детектора: центр тяжести кластера КСМ с наибольшими амплитудами должен находиться не ближе 1.5 м от границ решетки КСМ. Для исключения событий с каскадами, рожденными от адронов, отбирались события с оценкой зенитного угла оси ливня в диапазоне от 50° до горизонта.

Оценка качества и оптимизация критериев базировалась на следующем. Для событий с каскадами, рожденными в чувствительной области бассейна, суммарная амплитуда откликов КСМ в событии в среднем пропорциональна энергии каскада. Рассматривалось распределение величины п, равной логарифму отношения суммарной амплитуды откликов КСМ к величине восстановленной энергии каскада. По изменению значения среднеквадратичного разброса величины п оценивалось качество применяемых критериев: уменьшение разброса п позволяет сделать вывод об увеличении доли событий с каскадами в получившейся выборке. Кроме того, как один из критериев, был введен допустимый коридор отклонения значений п от среднего.

3. СПЕКТР КАСКАДНЫХ ЛИВНЕЙ В ВОДЕ

В результате применения перечисленных критериев отбора событий с каскадными ливнями, рожденными мюонами в бассейне ЧВД, было отобрано около 1 млн событий с каскадами с энергиями от 30 ГэВ из примерно 80 млн событий с большим энерговыделением, зарегистрированных в период экспериментальной серии с использованием условия ">60 с" с 04.04.2012 по 20.03.2013, составившей 5900 часов живого времени.

Энергия самого мощного из обнаруженных каскадных ливней — около 30 ТэВ; оцененный зенитный угол оси этого каскада составляет около 80°. Восстановленная каскадная кривая для данного события приведена на рис. 1: точками даны экспериментальные результаты восстановления, непрерывной кривой — результат фитирования приближенной аналитической функцией для каскадной кривой в одномерном приближении.

На основании оценок восстановленных энергий каскадов был построен дифференциальный спектр каскадов, рожденных в воде мюонами в диапазоне углов от 50°. На рис. 2 квадратиками представлены экспериментальные результаты. Кривыми даны результаты расчетов для различных значений показателя у интегрального спек-

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 3 2015

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ КАСКАДОВ

407

40 35 30 25 20

15 10 5

N, 103

х, рад. ед.

Рис. 1. Экспериментальная каскадная кривая ливня с энергией 30 ТэВ, рожденного мюоном в ЧВД: точки — эксперимент; кривая — результат фитирования.

108

106

104

102

10°

N

10-

100

101

102

103 104

E, ГэВ

Рис. 2. Спектр каскадных ливней, рожденных в воде мюонами: квадратики — данный эксперимент (зенитные углы 50°—90°); кружки — эксперимент [4] (зенитные углы 85°—90°); 1, 2 — результаты расчета для у = = 1.7 и 1.8; N — число каскадов в бине ДlgE = 0.2.

тра генерации пионов и каонов в атмосфере. Для сравнения кружками даны результаты восстановления энергий каскадов от окологоризонтальных мюонов, оси которых определялись по данным координатного детектора ДЕКОР [4]. Как видно из рисунка, восстановление каскадов по данным только ЧВД позволяет многократно увеличить статистическую обеспеченность результатов измерений спектра при высоких энергиях. Разработанная процедура может быть впоследствии усовершенствована путем применения итерационного метода восстановления параметров каскадов, включая параметры оси ливня, полученные в настоящей работе с помощью простых оценок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан и опробован подход к восстановлению параметров высокоэнер

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