ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 3, с. 463-466
УДК 539.122.04
ПОИСК ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ ОТ КОСМИЧЕСКИХ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ
© 2011 г. В. Б. Петков12, А. С. Позаненко3, В. М. Лозников3, А. Н. Гапоненко1,
М. В. Андреев24, А. В. Сергеев24
E-mail: vpetkov@yandex.ru
Приведены результаты поиска космических гамма-всплесков высокой энергии на установке "Ан-дырчи" Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН по экспериментальным данным за 1996— 2006 г. (2290 суток чистого времени), полученным при работе установки в режиме регистрации одиночной компоненты космических лучей.
ВВЕДЕНИЕ
Впервые гамма-излучение в ГэВ-ном энергетическом диапазоне от космических гамма-всплесков (КГВ) было обнаружено прибором EGRET на борту космического аппарата CGRO с максимальной энергией фотона 18 ГэВ от всплеска GRB 940217 [1, 2]. В последнее время появились данные эксперимента LAT/Fermi, где в нескольких КГВ было обнаружено у-излучение в ГэВ-ном энергетическом диапазоне с максимальной энергией фотона ~33 ГэВ [3]. Интерес к поиску у-излучения высокой и сверхвысокой энергии (в диапазоне ГэВ — ТэВ) от КГВ вызван тем, что регистрация и подробное изучение характеристик такого излучения могут быть достаточно жестким тестом для моделей излучения КГВ [4].
Гамма-всплески с энергией фотонов больше нескольких ГэВ могут быть зарегистрированы наземными установками большой площади, расположенными на высоте гор и работающими в режиме регистрации одиночной компоненты космических лучей. Это означает, что в подобном эксперименте измеряется суммарный темп счета всех детекторов установки. Направление прихода частиц при работе установок в таком режиме не определяется, эффективная энергия первичных у-квантов зависит от высоты расположения установки над уровнем моря (в основном) и от типа используемых детекторов. В такого рода экспериментах КГВ должны проявить себя как кратковременное увеличение темпа счета ([5—7], см. также [8] и ссылки в этой работе).
1 Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований РАН, Баксанская нейтринная обсерватория.
2 Учреждение Российской академии наук Терскольский филиал Института астрономии РАН.
3 Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН.
4 Международный Центр астрономических и медико-экологических исследований НАН Украины.
1. ЭКСПЕРИМЕНТ
Эксперимент проведен на ливневой установке "Андырчи" Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН [9]. Установка находится на склоне горы на высоте 2060 м над уровнем моря (глубина в атмосфере 800 г • см-2) и состоит из 37 сцинтил-ляционных детекторов. Для регистрации одиночной компоненты космических лучей каждую секунду измеряется суммарный темп счета всех детекторов установки. Поиск КГВ по данной методике проводится в условиях большого фона космических лучей (ю = 11390 с-1 за весь период наблюдения), что требует высокой стабильности и надежности работы всей аппаратуры. Контроль осуществляется посредством одновременных измерений (также каждую секунду) темпов счета четырех частей установки, содержащих 10, 9, 9 и 9 детекторов. Анализ этой информации позволяет исключить секундные точки с неразумно большими отклонениями в темпе счета между частями установки, т.е. частично исключить аппаратурные погрешности и несинхронные импульсные электромагнитные помехи. По результатам такого анализа из всего объема экспериментальных данных было отброшено ~0.01% событий. Следует отметить, что синхронные электромагнитные помехи, возникшие в цепях питания регистрирующей системы или наведенные на сигнальные кабели всех детекторов установки, таким способом не отсекаются.
Вероятности регистрации Р(Е, 9) вторичных частиц, рожденных первичными у-квантами с энергией Е и падающих на установку бесконечной площади под зенитным углом 9, были получены посредством моделирования электромагнитных каскадов в атмосфере и детекторе установки [10]. Для моделирования электромагнитных каскадов в атмосфере использована программа СОЯ81КЛ [11]. Характеристики дошедших до уровня установки вторичных частиц поступали на вход программы расчета отклика детектора установки "Андырчи",
Рис. 1. Зависимость плотности потока энергии в диапазоне 1 ГэВ — 104 ГэВ от зенитного угла для степенного спектра с показателями степени —2.0 и —3.0 при ¥ = 6.
в которой вычислялось энерговыделение в детекторе. Первичный у-квант считался зарегистрированным, если хотя бы одна из дошедших до уровня наблюдения вторичных частиц давала энерговыделение, превышающее порог срабатывания детектора установки. Используя функции отклика установки (вероятности регистрации, умноженные на дифференциальный спектр первичных у-квантов), мы можем для конкретного вида спектра и зенитного угла определить диапазон чувствительности к регистрируемым установкой первичным у-квантам и их эффективную энергию. В качестве эффективной энергии первичных у-квантов будем использовать медианную энергию.
2. ОГРАНИЧЕНИЕ НА ЧАСТОТУ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ
Для поиска отклонений в темпе счета установки "Андырчи" используется параметр ¥, который представляет собой отклонение (в единицах стан-
Распределение коротких КГВ по диапазонам зенитных углов
Диапазон 9, град Число КГВ (9), град ЕтеФ ГэВ
0-10 0 5 99.3
10-20 4 15.2 119.0
20-30 5 24.5 171.3
30-40 6 36.5 362.6
40-50 14 45.5 783.0
дартного отклонения) числа отсчетов за -ю секунду в течение 15-минутного интервала от среднего значения за интервал. Поскольку вариациями интенсивности космических лучей за 15 мин в первом приближении можно пренебречь и средний темп счета достаточно велик, можно ожидать, что параметр ¥ подчиняется нормальному распределению со средним значением V = 0 и среднеквадратичным отклонением а = 1.0.
Распределение по параметру ¥ было получено за время набора информации с 79 дня 1996 г. по 68 день 2006 г. (2290.1 сут чистого времени) [12]. Экспериментальные данные хорошо аппроксимируются до ~6а нормальным распределением со средним значением V = —(0.0025 ± 0.0004) и среднеквадратичным отклонением а = 1.01. Единственное событие с большим превышением в темпе счета "Андырчи" (7.9а) произошло 17 апреля 2002 г. в 17 : 31 : 29 ит, причем КГВ на космических аппаратах в этот момент не были зарегистрированы. Обнаруженное в нашем эксперименте событие вызвано скорее всего синхронной электромагнитной помехой. Дело в том, что на выносных пунктах установки "Ковер-2" не были обнаружены значимые превышения в темпе счета. Расстояние между установками в горизонтальной плоскости ~1 км, т.е. они просматривают один и тот же участок небесной сферы, а вероятности регистрации событий от первичных у-квантов для выносных пунктов и "Андырчи" примерно одинаковы [12].
Следует заметить, что в аналогичном эксперименте на установке ЕА8-ТОР также было обнаружено событие с большим превышением в темпе счета (10.6 стандартных отклонений) [13], оно произошло 15 июля 1992 г. в 13 : 22 : 26 ит. Гамма-всплески в экспериментах на космических аппаратах в этот момент не были зарегистрированы ([5, 6]) и можно предположить, что это событие также было вызвано синхронной электромагнитной помехой. Однако полностью исключить космическую природу этих событий невозможно, так как большинство орбитальных экспериментов по регистрации КГВ не охватывает всю сферу.
Отсутствие значимых превышений над средним темпом счета в данных может быть интерпретировано как отсутствие КГВ длительности At < 1 с с соответствующим потоком энергии. Зависимости потока энергии от зенитного угла для ¥ = 6 приведены на рис.1 для степенного спектра с показателями степени —2.0 и —3.0. Ограничение на частоту таких событий составляет 0.73 год-1 на 99%-ном доверительном уровне.
ПОИСК ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ
465
3. ПОИСК ИЗЛУЧЕНИЯ КОРОТКИХ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ
Рассмотрим зарегистрированные в экспериментах на борту космических обсерваторий короткие (Т90 < 2 с) КГВ, попавшие в поле зрения установки. Это означает, что они видны с установки под зенитным углом 9 < 50°. За период наблюдения в поле зрения установки попало 29 коротких КГВ, для которых есть информация о темпе счета установки во временном промежутке от -650 до +900 с относительно начала КГВ. Отобранные таким образом события делятся на пять групп, соответствующих пяти диапазонам зенитных углов с шагом 10° (таблица). В последней колонке таблицы приведена медианная энергия первичных фотонов, соответствующая среднему значению зенитного угла данной группы событий. Значения медианной энергии были вычислены для степенного спектра (с показателем -1.92), измеренного в эксперименте ЕЛТ/Еегш1 во временном интервале 0.9 с - 1.0 с для короткого гамма-всплеска 090510 [14].
Для каждого КГВ была получена соответствующая кривая блеска, которая представляет собой полный темп счета установки (в рассматриваемом временном интервале относительно начала всплеска) после вычета фона. Фон определяется из двух интервалов длительностью 600 с, до и после интервала - длительностью 350 с (от -50 с до +300 с относительно начала КГВ), в котором проводится поиск сигнала. Вследствие достаточно крутого спектра первичных космических лучей фон представляет собой поток вторичных частиц, рожденных первичными частицами (в основном протонами) с энергией 10-100 ГэВ. Была использована линейная модель фона, так как поток вторичных космических лучей модулируется с характерным временем порядка нескольких часов. Для дальнейшей обработки был использован метод наложения эпох: кривые блеска в каждой группе были просуммированы относительно времени регистрации всплеска космической обсерваторией.
Распределение отклонений от среднего для различных временных интервалов в целом согласуется с ожидаемым от флуктуаций фона космических лучей. Небольшое превышение над фоном (2.63а) найдено во временном интервале длительностью 24 с, начинающемся при t = 5 с, для группы из четырех КГВ со средним значением зенитного угла 15.2°. Такое превышение можно, в принципе, объяснить продленным излучением высокой энергии, близким по характеристикам к продленному излучению коротких КГВ, обнаруженному ранее в области низких энер
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.