научная статья по теме ТУНКА-133 – НОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ТУНКА-133 – НОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 3, с. 396-399

УДК 537.591.15

ТУНКА-133 - НОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

© 2011 г. Б. В. Антохонов1, С. Ф. Бережнев1, Д. Бессон7, Н. М. Буднев2, Р. Вишневский5, О. А. Гресс2, А. Н. Дьячок2, А. В. Заблоцкий1, А. В. Загородников2, Н. Н. Калмыков1, Н. И. Карпов1, В. А. Кожин1, Е. Е. Коростелева1, А. В. Коробченко2, Л. А. Кузьмичев1, А. Кьявасса6, Б. К. Лубсандоржиев3, Р. Р. Миргазов2, М. И. Панасюк1, Л. В. Паньков2, В. В. Просин1, В. С. Птускин4, Ю. А. Семеней2, А. А. Силаев1, А. А. Силаев (мл.)1, А. В. Скурихин1, М. Стокхам7, О. А. Чвалаев2, Б. А. Шайбонов (мл.)3, Д. Шнайдер7,

К. Шпиринг5, И. В. Яшин1

E-mail: v-prosin@yandex.ru

В 2009 г. в Тункинской долине в 50 км от озера Байкал начала работать установка для исследования космических лучей сверхвысоких энергий площадью 1 км2. Новая установка позволяет единым методом регистрации черенковского света от широких атмосферных ливней исследовать космические лучи в интервале энергий 1015—1018 эВ и вносит существенный вклад в понимание происхождения космических лучей сверхвысоких энергий. Описаны современное состояние эксперимента, новые методические подходы, первые результаты и планы дальнейшего развития установки.

ВВЕДЕНИЕ

В октябре 2009 г. коллаборация Тунка (НИИ-ЯФ МГУ, НИИПФ ИГУ, ИЯИ РАН, ИЗМИРАН, Туринский Университет (Италия), ДЭЗИ-Цойтен (Германия) и Канзасский университет (США)) завершила начатую в 2006 г. работу по созданию в Тункинской долине (в 50 км от западной оконечности озера Байкал) установки для изучения космических лучей сверхвысоких энергий по черен-ковскому свету ШАЛ [1]. Название новой установки — Тунка-133 — соответствует числу детекторов, расположенных на площади 1 км2, что в 10 раз больше площади предшествующей установки Тунка-25 [2]. Телесный угол наблюдений на новой установке в 3 раза больше, чем у ее предшественницы. Основная задача установки — изучение энергетического спектра и изменений состава космических лучей в области ожидаемого перехода от галактических к внегалактическим источникам (1016-1018 эВ).

1 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

2 Научно-исследовательский институт прикладной физики Иркутского государственного университета.

3 Учреждение Российской академии наук Институт ядерных исследований РАН, Москва.

4 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), Троицк.

5 ДЭЗИ-Цойтен, Германия.

6 Туринский университет, Италия.

7 Университет г. Канзаса, США.

В настоящее время только четыре установки в мире, кроме установки Тунка-133, исследуют или планируют исследовать космические лучи в этом энергетическом диапазоне. Это установки KAS-CADE-Grande в Германии [3], Невод-Декор [4] в Москве, Ice-Top [5], создаваемая на Южном полюсе, и AMIGO [6], планируемая в рамках проекта Auger.

1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Оптический детектор установки содержит фотоумножитель EMI-9350 с диаметром фотокатода 20 см. Детектор имеет широкий угол обзора. Относительная чувствительность детектора уменьшается плавно от 100% для вертикали до 80% при зенитном угле 35° и до 50% при 40°. Детекторы объединены в 19 кластеров, по семь детекторов в каждом. При создании установки были использованы все достижения современной электроники (передача информации по оптоволоконным кабелям, сверхбыстрые АЦП с частотой 200 МГц, перепрограммируемые логические матрицы), что качественно улучшило информацию о регистрируемом событии.

Детальное описание установки приведено в [2].

2. МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ

Методика обработки данных, полученных с помощью новой установки, претерпела существенные изменения по сравнению с вариантом

ТУНКА-133 - НОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ 397

предыдущей установки Тунка-25, связанные с такими усовершенствованиями, как значительное увеличение площади установки до примерно 1 км2 и регистрация формы импульса от каждого детектора. Детальное описание процедуры обработки данных приведено в [7].

Восстановление положения оси ливня производится двумя методами — классическим методом фитирования измеренных потоков света Q с помощью функции пространственного распределения (ФПР) и новым методом фитирования измеренных длительностей импульсов функцией длительность—расстояние (ФДР). Положение оси ливня восстанавливается тем точнее, чем больше производная фитирующей функции по расстоянию от оси для выбранного измеряемого параметра. Вид пробной ФПР получен из анализа расчетов по программе CORSIKA [8]. При этом выяснилось, что производная ФПР й 0 /йЯ сильно флуктуирует от случая к случаю в диапазоне от 0 до ~100 м от оси, и имеет практически стабильное отрицательное значение в диапазоне 100—200 м от оси. Именно поэтому установка для регистрации ШАЛ по черенковскому свету должна иметь радиус по крайней мере более 150 м. Форма ФПР определяется единственным параметром крутизны Р.

Вид пробной ФДР также получен из анализа расчетов по программе CORSIKA с учетом аппаратурных искажений импульсов в ФЭУ, предуси-лителе и коаксиальном кабеле:

1Ет (Я) = 1Ет (Я0) + ЬД — Я0),

т (Я) + 200 нс) = (1)

= т (Я0) + 200 нс) + Ь2(Я — До),

где все параметры выражаются через длительность на расстоянии 400 м т400:

Ь1 = 0.00196^ т400 — 0.00183, Ь2 = 0.0003811§ т400 — 0.000335, Д = 3976 — 34291Е тш + 786(1Е тш )2, 1§ т (Д0) = ^ т400 + Ь1(Я0 — 400 м), при Д > 400 м,

т (Д0) + 200 нс) = = 1§(т400 + 200 нс) + Ь2(Я0 — 400 м), при Я0 < 400 м.

Эта функция может быть применена для определения положения оси, т.е. ее производная имеет большое по модулю и достаточно стабильное значение на еще больших расстояниях от оси (>200 м), чем ФПР. С этим связаны надежды использования этой функции для ливней самых вы-

соких энергий (>1017 эВ) и на расстояниях до 1— 1.5 км от оси ШАЛ. Есть основания полагать, что ФДР позволит с достаточной точностью восстанавливать положение оси и за пределами геометрии расположения детекторов. Энергия первичной частицы Е0 определяется, как и раньше [2], по плотности потока черенковского света на расстоянии 175 м от оси Q175.

Согласно результатам расчетов по программе CORSIKA, и крутизна ФПР Р, и параметр ФДР т400 однозначно связаны с положением максимума ливня относительно установки. Зависимость для определения глубины максимума Хтах по крутизне ФПР приведена в [9], а связь параметра т400 с толщиной вещества между максимумом и установкой АХ = Х0/ео8 9 — Хтах — в [10]. Здесь Х0 — полная вертикальная глубина атмосферы, 9 — зенитный угол ливня.

Таким образом, для ливней самых высоких энергий ( выше 1017 эВ) возможно восстановление глубины максимума одновременно двумя методами, что увеличивает надежность измерений.

Согласно предварительным оценкам, погрешность локации оси ШАЛ составляет 6 м, восстановления энергии — 15%, а восстановления положения максимума развития ливня Хтах — 25 г • см—2.

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ УСТАНОВКИ

За период с октября 2009 г. по март 2010 г. установка включалась для набора данных в течение 350 ч в безлунные ночи. Относительная прозрачность атмосферы для черенковского света ШАЛ оценивалась по изменению частоты регистрируемых ливней. Исключив периоды, когда частота падала в 1.5 и более раз, из полного времени были отобраны для обработки 49 периодов ясной погоды общей продолжительностью 286 ч. Средняя частота ливней за отобранные периоды составила 2 Гц, полное число зарегистрированных событий — около 2 • 106. Среднее число детекторов, срабатывающих от ШАЛ с энергией выше 1016 эВ, равно 55. В течение одной ночи регистрируется около 10 событий, в которых участвуют все 19 кластеров установки.

Пример события с энергией 4 • 1017 эВ приведен на рис. 1. На рисунке показаны распределение плотностей черенковского света по площади установки, пространственное распределение света и экспериментальная зависимость длительности импульса от расстояния до оси ливня. Положения оси, восстановленные двумя описанными выше методами, различаются не более чем на 10 м.

398

АНТОХОНОВ и др.

400 200 0

-200 -400

N

W E

о

О О О О О О G О О Q

л О о о _ о О

® 0 ° О О

О

© .

S

_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_

_I_I_I_I_I_I_

-400 -200 0 200 400 lg(Q), фотон • см-2 • эВ-1 4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0 200

lg(T1/2), нс 2.4

2.2

2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

-I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1

400 600 800 1000

_1_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1

200 400 600 800

1000 R, м

3. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ УСТАНОВКИ

1. Дальние кластеры

Как было сказано выше, новый метод восстановления параметров ШАЛ по длительностям

Рис. 1. Пример экспериментального события: а — распределение света по плоскости установки, центры окружностей указывают положение детекторов, радиус каждой окружности пропорционален логарифму плотности потока света, зарегистрированной данным детектором, черным крестиком отмечено положение оси ШАЛ, восстановленное методом ФПР, черная окружность показывает положение оси, восстановленное методом ФДР; энергия ШАЛ = 4 ■ 1017 эВ, зенитный угол прихода 9 = 8.9°; б — пространственное распределение, точки — эксперимент, кривая — фитирующая ФПР; в — зависимость длительности импульсов черенковского света от расстояния до оси ШАЛ, точки — эксперимент, кривая — ФДР вида (1), аппроксимирующая экспериментальные точки.

импульсов позволит продвинуть измерения на большие расстояния от оси и в область больших энергий. Для освоения новых методов определения энергии и глубины максимума требуется увеличение эффективной площади установки. Такого увеличения можно добиться при сохранении разработанных для установки Тунка-133 принципов регистрации событий путем добавления отдельных кластеров на большом расстоянии от центра существующей установки. Предполагается установка шести дополнительных кластеров симметрично вокруг центра на расстоянии около 1 км. Эффективная площадь установки для ливней с энергией Е0 > 3 • 1017 эВ увеличится примерно в 4 раза. Для каждого ливня внут

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