ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 381-384
УДК 537.591.15
ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ПРОТОТИПА УСТАНОВКИ ТУИКА-HiSCORE
© 2015 г. С. Ф. Бережнев1, Н. М. Буднев2, М. Бюкер5, M. Брюкнер7, Р. Вишневский5,
A. В. Гафаров2, О. А. Гресс2, Т. Гресс2, А. Н. Дьячок2, С. Н. Епимахов5, А. В. Загородников2,
B. Л. Зурбанов2, Н. Н. Калмыков1, Н. И. Карпов1, Е. Н. Константинов2, Е. Е. Коростелева1,
В. А. Кожин1, М. Куннас5, Л. А. Кузьмичев1, A. Кьявасса8, Б. К. Лубсандоржиев3, Н. Б. Лубсандоржиев1, Р. Р. Миргазов2, Р. Д. Монхоев2, Р. Нахтигал5, А. Л. Пахоруков2, М. И. Панасюк1, Л. В. Паньков2, А. Порелли6, В. А. Полещук2, Е. Г. Попова1, В. В. Просин1, В. С. Птускин4, М. Рюгер6, Г. И. Рубцов3, Ю. А. Семеней2, А. А. Силаев1, А. А. Силаев1 (мл.), А. В. Скурихин1, Л. Г. Свешникова1, М. Тлужиконт5, Д. Хамф5, Д. Хорнс5, О. А. Чвалаев2
E-mail: tfl10@mail.ru
В Тункинской долине (республика Бурятия) создается широкоугольная черенковская установка Тунка-HiSCORE, являющаяся частью планируемой комплексной гамма-обсерватории TAIGA и предназначенная для проведения исследований в области гамма-астрономии высоких энергий (>30 ТэВ) и физики космических лучей. В статье приведены первые результаты работы прототипа установки зимой 2013—2014 гг., который состоял из 9 станций, расположенных на площади ~0.1 км2. Приведено описание методов обработки, точности восстановления оси ливня, энергии и угла, а также полученный дифференциальный спектр всех частиц КЛ в интервале 2 • 1014—2 • 1016 эВ и его сравнение с имеющимися данными.
DOI: 10.7868/S0367676515030102
ВВЕДЕНИЕ
Для диапазона энергий гамма квантов выше 30 ТэВ (гамма-астрономия сверхвысоких энергий) существует ряд фундаментальных вопросов, ответов на которые сейчас нет, и прежде всего вопрос об источниках галактических космических лучей в районе ПэВ-ной области, непосредственно примыкающей к классическому "колену" в спектре всех частиц. Ввиду низкого потока гам-
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, Москва.
2 Научно-исследовательский институт прикладной физики федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет".
3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук, Москва.
4 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова Российской академии наук, Москва.
5 Институт экспериментальной физики университета Гамбурга, Гамбург, Германия.
6 ДЭЗИ, Цойтен, Германия.
7 Университет Гумбольдта, Институт информатики, Берлин, Германия.
8 Туринский университет, Италия.
ма-квантов в этой области энергий общая площадь установки ШАЛ должна быть не меньше 1 км2. Новым подходом, расширяющим возможности традиционных IACTs (Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes) гамма-телескопов в области высоких энергий, будет объединение в составе одной установки IACTs и широкоугольных черенков-ских детекторов. Широкоугольная черенковская установка позволяет восстанавливать направление прихода с погрешностью менее 0.1 градуса, положение оси, энергию и глубину максимума развития ШАЛ. Предварительные расчеты показывают, что эта информация, объединенная с формой изображения ШАЛ, существенно повышает уровень ре-жекции фоновых событий от космических лучей.
Для реализации этой идеи в ноябре 2013 г. ученые ряда российских и европейских институтов объединились в коллаборацию TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic rays and Gamma Astronomy [1]). Цель коллаборации — создание в Тункинской долине крупной установки для решения актуальных проблем гамма-астрономии высоких энергий, физики космических лучей и физики частиц. Установка будет состоять из широкоугольных (угол обзора ~1 ср.) оптических станций, расположенных на площади 3 км2 (установка Тунка-HiSCORE: Hundred*i Square-km Cosmic Origin Explorer [1—3]) , нескольких IACTs
F(E) Е2 6, м-2 • с-1 • ср-1 • ГэВ16 105 г
105 106 107 Е, ГэВ
2 6
Рис. 1. Спектр всех частиц (умноженный на Е ), полученный за 84 ч безлунных ночей с хорошей погодой по описанной в предыдущем пункте методике для двух триггерных условий по числу сработавших станций: N > 4, Ш > 5, в сравнении с расчетами по программе СОК£1КА (линии).
на базе сферических зеркал с полной площадью 10 м2 (Тунка-1АСТ) и мюонных детекторов с общей площадью свыше 2000 м2.
1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Сеть оптических станций установки Тунка-Н18СОЯЕ [1-3] развертывается в Тункинской долине на той же территории, где расположена установка Тунка-133 [4-6]. Расстояние между соседними станциями будет ~100 м. Осенью 2013 г. были развернуты первые 9 оптических станций прототипа. Станции расположены в узлах квадратной сетки с шагом 150 м. В каждой оптической станции установлены 4 ФЭУ с диаметром фотокатода 20 см. Площадь светосбора каждого ФЭУ увеличена в 4 раза с помощью конусов Уинстона. Телесный угол обзора станции 0.6 ср. Для понижения энергетического порога станции сигналы с анодов четырех ФЭУ суммируются, и суммарный сигнал поступает на вход компаратора системы выработки локального триггера. Сигналы с анодов и промежуточных динодов оцифровываются с шагом 0.5 нс. Порог компаратора системы локального триггера выбирается в области пересечения амплитудного спектра сигналов от ШАЛ (спектр плотностей) со спектром флуктуаций фона ночного неба. Темп счета станции составляет 12-16 Гц. Моделирование темпа счета одной станции показало, что такой темп соответствует пороговому потоку черенковского света 0.3 фото-на-см-2. При таком пороге ШАЛ от гамма квантов с энергией 30 ТэВ будет регистрироваться до 120 м от оси.
2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛИВНЯ
Восстановление параметров ливня по данным установки Тунка-Н18СОЯЕ производилось с помощью алгоритма, разработанного для установки Тунка-133 [4-6]. Направление прихода определяется по относительной задержке фронта ливня в каждой станции на первом шаге в предположении плоского фронта. Второй шаг - восстановление координат оси путем фитирования измеренных амплитуд импульсов априорной функцией амплитуда-расстояние с варьируемой крутизной, полученной из анализа искусственных событий, сгенерированных по программе СОЯ81КА [6]. Для пороговых событий, когда срабатывают всего 4 станции, образующие квадрат, применяется упрощенная методика восстановления координат оси по центру тяжести амплитуд в этих станциях. На третьем шаге восстановления параметров направление прихода ливня уточняется с учетом известного положения оси и кривизны фронта по методике, также разработанной для установки Тунка-133 [4]. Энергия первичной частицы определяется, как и в установке Тунка-133, по плотности потока черенковского света на расстоянии 200 м от оси 0(200) [6]: Е0 (ТэВ) = 595 • • (0(200) (фотон • см-2 • эВ-1))0 94.
3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Для построения спектра всех частиц использованы данные, полученные за 13 ночей наблюдения в январе-феврале 2014 г. (84 ч). Полная статистика событий с энергией более 2 • 1014 эВ составила 3 • 105, число событий с энергией более 1015 эВ - 20 тыс. Дифференциальный энергетический спектр всех частиц приведен на рис. 1 для двух значений триггерного условия по числу сработавших станций Nd: >4 и >5, которое определяет реальный порог спектра. При аппроксимации спектра степенной функцией показатель равен 2.65 ± 0.01 в диапазоне 3 • 1014-3 • 1015 эВ и 3.13 ± ± 0.05 в диапазоне 6 • 1015-2 • 1016 эВ.
Порог регистрации для всех ядер при 70% эффективности регистрации оказывается равным 150 ТэВ, 250 ТэВ, 350 ТэВ при отборе N > 4, N > 5, N > 6 соответственно. Вопрос о пороге регистрации гамма-квантов будет обсуждаться ниже.
Для определения точности восстановления параметров ливней было проведено моделирование по программе СОЯ81КА (вариант 6.9 с моделью взаимодействия QGSJET01). При моделировании выводилась не только плотность черенков-ских фотонов в каждом детекторе но и вре-
менная развертка импульса с шагом 1 нс. Процедура восстановления параметров искусственных событий была аналогична описанной выше процедуре для экспериментальных ливней. Сработав-
ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ПРОТОТИПА УСТАНОВКИ ТУНКА-ШЯСОРЕ 383
Погрешности определения параметров ливня (ЪЯ - оси ливня, ЪЕ - энергии , 8ф — угла прихода ливня) для ядер протонов и гелия для установки из девяти детекторов при отборе N3 > 4, N3 > 5, N3 > 6 сработавших станций
N3 (порог) ЪЯ, м ЪЕ, % 5ф, град Еш (70%), ТэВ
N3 > 4 27-33 25 0.23 150
N3 > 5 6 12 0.073 240
N3 > 6 6 10 0.064 300
шей считалась станция с пороговой плотностью Qthr > 0.3 фотонов см-2. В таблице приведены погрешности определения параметров ливня (SR — оси, SE — энергии, — направления прихода) для протонов и ядер гелия для установки из 9 детекторов. Видно, что при числе сработавших детекторов менее 5 точность резко ухудшается, поэтому триггер Nd > 4 скорее всего можно использовать для ограниченного круга задач таких, как спектр всех частиц. Для выделения гамма-квантов из фона требуется погрешность измерения направления прихода менее 0.1 градуса, поэтому, по-видимому, будут отбираться события с Nd> 5.
На рис. 1 для сравнения с экспериментом приведены также расчетные спектры всех частиц, полученные по программе CORSIKA в предположении, что первичный спектр частиц имеет наклон 2.6 и в точке 4 ПэВ показатель наклона меняется на 0.45. Они хорошо воспроизводят экспериментальные спектры, что свидетельствует о правильном понимании работы установки.
На рис. 2 приведено сравнение полученного спектра с рядом имеющихся данных, полученных в экспериментах: Тунка-25 [7], Tunka-133 [5], KAS-CADE-Grande [8, 9], Тибет [10], Argo YBJ [11], и в ряде прямых спутниковых и баллонных экспериментов: ATIC2 [12], CREAM [13], Протон-4 [14]. Данные в области энергий более 1 ПэВ хорошо согласуются с имеющимися данными по ШАЛ и не
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.