научная статья по теме ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР И МАССОВЫЙ СОСТАВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПО ДАННЫМ УСТАНОВКИ ТУНКА-133 Физика

Текст научной статьи на тему «ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР И МАССОВЫЙ СОСТАВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПО ДАННЫМ УСТАНОВКИ ТУНКА-133»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 377-380

УДК 537.591.15

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР И МАССОВЫЙ СОСТАВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПО ДАННЫМ УСТАНОВКИ ТУНКА-133

© 2015 г. С. Ф. Бережнев1, Н. М. Буднев2, О. А. Гресс2, А. В. Дьячок2, С. Н. Епимахов3, А. В. Загородников2, Н. Н. Калмыков1, Н. И. Карпов1, В. А. Кожин1, Е. Н. Константинов2, А. В. Коробченко2, Е. Е. Коростелева1, Л. А. Кузьмичев1, А. Кьявасса4, Б. К. Лубсандоржиев5, Н. Б. Лубсандоржиев1, Р. Р. Миргазов2, Р. Д. Монхоев2, Э. А. Осипова1, М. И. Панасюк1, Л. В. Паньков2, А. Л. Пахоруков2, Е. Г. Попова1, В. В. Просин1, В. С. Птускин6, Л. Г. Свешникова1, Ю. А. Семеней2, А. А. Силаев1, А. А. Силаев (мл.)1, А. В. Скурихин1,

О. А. Чвалаев2, К. Шпиринг7, И. В. Яшин1

E-mail: v-prosin@yandex.ru

Черенковская установка для регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ) Тунка-133 набирала данные в течение пяти зимних сезонов с 2009 по 2014 г. Для каждого ливня восстанавливаются направление прихода, координаты оси на плоскости наблюдения, первичная энергия, глубина максимума. Получены дифференциальный энергетический спектр всех частиц в диапазоне энергий 6 • 1015—3 • 1018 эВ за 1540 ч, зависимость средней глубины максимума от энергии в диапазоне 1016—1018 эВ. На основании этой зависимости оценено изменение среднего состава первичных космических лучей с энергией.

DOI: 10.7868/S0367676515030096

ВВЕДЕНИЕ

Установка Тунка-133, состоявшая в 2009 г. из 133 детекторов, сгруппированных в 19 кластеров по 7 детекторов в каждом, занимала площадь ~1 км2. В 2011 г. в структуру установки были добавлены 6 внешних кластеров, расположенных приблизительно симметрично по окружности радиусом ~1 км вокруг центра. В результате контролируемая площадь возросла примерно до 3 км2, а число детекторов до 175 [1]. За 5 зимних сезонов 2009— 2014 гг. было 262 ясных безлунных ночи. Триггер-ным условием было совпадение за 0.5 мкс импульсов в 4 детекторах любого из кластеров. В эти ночи накоплены около 10000000 триггерных со-

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына.

2 Научно-исследовательский институт прикладной физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет".

3 Гамбургский университет, Германия.

4 Туринский университет, Италия.

5 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук, Москва.

6 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова Российской академии наук, Москва.

7 ДЭЗИ-Цойтен, Германия.

бытий за 1540 часов работы. Обработка экспериментальных данных проводится с помощью оригинальных программ, в которых все аппроксимирующие и пересчетные функции получены из анализа искусственных событий, сгенерированных по программе СОЯ81КЛ для диапазона энергий от 1015 до 1018 эВ. Для каждого ливня восстанавливаются направление прихода, координаты оси на плоскости наблюдения, первичная энергия, глубина максимума по крутизне функции амплитуда—расстояние и по длительности импульса черенковского света на расстоянии 400 м от оси. В результате получен дифференциальный энергетический спектр всех частиц в диапазоне энергий 6 • 1015—3 • 1018 эВ за 1540 ч работы установки. Приведена зависимость средней глубины максимума от энергии в диапазоне 1016—1018 эВ. На основании этой зависимости оценено изменение среднего состава с энергией. Отмечается утяжеление состава в диапазоне 1016—1017 эВ, которое сменяется облегчением при последующем росте энергии.

1. РАЗВИТИЕ ЭКСПЕРИМЕТОВ В ТУНКИНСКОЙ ДОЛИНЕ

Продолжается развитие экспериментов в Тун-кинской долине. В Тункинскую долину перевезены сцинтилляционные детекторы, использовавшиеся ранее в Германии на установке KASCADE-Grande [2]. Эти детекторы были первоначально

изготовлены для установки ЕЛ8-ТОР [3] в Италии и принадлежали Туринскому университету. Площадь каждого детектора 0.64 м2. На установке Тунка-133 они будут сгруппированы в 19 станций, расположенных вблизи центров кластеров установки. На каждой станции 12 детекторов будут расположены в наземном помещении, и 8 детекторов — в подземном. Слой грунта над подземным помещением обеспечит выделение мюонов, имеющих энергию более 0.5 ГэВ. Сцинтилляционные детекторы обеспечат независимую регистрацию ШАЛ с энергией выше 1016 эВ. Темп набора статистики может увеличиться в 20 раз по сравнению с установкой, регистрирующей ШАЛ по черенков-скому свету.

Предполагается расширение диапазона измерений путем понижения порога регистрации. Для этого будет использована новая установка Тунка-Ш8СОЯЕ [4], станции которой расположены между детекторами установки Тунка-133. В 2013 г. была развернута установка из 9 станций на площади 0.09 км2. В сезон 2014—2015 гг. будут работать 33 станции на площади 0.25 км2. В дальнейшем предполагается увеличение площади до 1 км2.

2. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОГРАММ ОБРАБОТКИ

Как и раньше [1], данные каждого детектора записываются в виде точек временной развертки с шагом 5 нс. Импульсы фитируются специальной четырех параметрической функцией [5]. По результатам фитирования для каждого импульса определяются три основных параметра: пиковая амплитуда А, задержка фронта на уровне 0.25 от А, площадь импульса и вычисляется эффективная длительность импульса: т^ = 0(/(1.24А ¡).

Для определения положения оси ливня применяются измеренные значения пиковых амплитуд, а не площадей импульсов, так как функция амплитуда — расстояние (ФАР) круче, чем функция площадь — расстояние (ФПР) на больших (более 200 м) расстояниях от оси. Применение ФАР вместо ФПР улучшает точность локации оси ШАЛ, особенно для ливней за пределами плотной части установки. Точный вид ФАР, полученный из анализа искусственных ливней, разыгранных по программе СОЯ81КЛ, приведен в работе [6]. Функция ФАР имеет один параметр крутизны ЬА. В процессе минимизации функционала независимыми переменными считаются координаты оси и крутизна ФПР. Направление прихода ливня, характеризующееся зенитным и азимутальным углами оси, определяется путем фитирования измеренных задержек кривым фронтом ливня с переменным параметром Р: Т — Тр = Я(Я + 400)/(сР), где Тр — расчетная задержка для плоского фронта, Я — перпендикулярное расстояние от оси ливня в

метрах, с — скорость света. Эта приближенная формула получена также из анализа искусственных ливней, разыгранных по программе СОЯ81КЛ. Формула, с одной стороны, имеет ненулевое значение производной при Я = 0 (коническая форма, характерная для черенковского излучения на малых расстояниях от оси), а с другой стороны, имеет всего один параметр формы, что существенно для обработки ливней с небольшим числом сработавших детекторов. Энергия ливня определяется по плотности потока черенковского света на расстоянии 200 м от оси 0(200). Для интерполяции к 200 м от измеренных значений используется ФПР, описанная в [7]. Связь энергии с 0(200) получена также из расчета по программе СОЯ81КЛ [6]. Глубина максимума ШАЛ определяется по двум параметрам: крутизне ФАР и длительности импульсов на расстоянии 400 м от оси т(400) [6]. Дополнительное улучшение точности локации оси для ливней за пределами плотной части установки достигается путем коррекции крутизны ФАР на глубину максимума, определенную по т(400) так, чтобы глубина, определенная двумя методами, не отличалась более чем на 30 г • см-2. В плотной части установки это условие выполняется автоматически для всех ливней.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШАЛ

Ввиду сложности моделирования эксперимента с учетом всех возможных ошибок измерений представляют интерес экспериментальные оценки ошибок определения параметров ШАЛ. Одновременная регистрация ливней двумя независимыми установками предоставляет возможность таких оценок. Как выяснилось по результатам обработки данных, диапазоны установок Тунка-133 и Тунка-Ш8СОЯЕ перекрываются, что позволяет оценить ошибки при энергии вблизи порога установки Тунка-133. Реально сравнение было проведено для одной ночи 26 февраля 2014 г. Для энергии выше Е0 > 3 • 1015 эВ было найдено 74 совпадающих ливня, для которых средняя разность координат оси составила (АХ) = 8 ± 1 м, (А 7) = 8 ± ±1 м, а стандартное отклонение отношения энергий, восстановленных по данным разных установок, составило 12%.

Для больших энергий, когда срабатывает более 100 детекторов установки Тунка-133, был применен искусственный прием разделения детекторов установки на две независимые подустановки, состоящие одна из нечетных детекторов, а другая -из четных детекторов. Сравнение результатов обработки для двух подустановок было проведено по данным 50 ночей сезона 2013-2014 годов.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР И МАССОВЫЙ СОСТАВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

379

Для плотной части установки радиусом 450 м для энергии Е0 > 1016 эВ средняя разница положений оси (АЯ) = 8 м, стандартное отклонение отношения энергий, восстановленных по данным разных установок, составило 8%, для энергии Е0 >

> 3 • 1016 эВ средняя разница положений оси (АЯ) = = 6 м, стандартное отклонение отношения энергий, восстановленных по данным разных установок, составило 4%.

Для ливней с осями внутри круга радиусом 800 м и с энергией Е0 > 5 • 1016 эВ средняя разница положений оси (АЯ = 13 м, стандартное отклонение отношения энергий, восстановленных по данным разных установок, составило 12%.

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР

Для построения спектра отбирались события с зенитными углами 9 < 45° и положением осей в круге радиусом Яс < 450 м для энергий Е0 < 5 • 1016 эВ и в круге радиусом Яс < 800 м для ливней с энергией Е0 > 5 • 1016 эВ. Сравнение спектров для двух указанных эффективных площадей показало, что, начиная с указанной выше энергии, спектры в пределах ошибок совпадают, но статистика событий во втором круге, естественно, в 3 раза больше, что существенно для энергий

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