Численное моделирование гамма-астрономического эксперимента сверхвысокой энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

О Я П

ТОМСКИМ ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАНИИ П0Л1ГГЕХШЧЕСКИИ ИНСТИТУТ ИМ. С.М. КИГОВА

спецсовят К OG3.eO.O2

На правах рукописи

КОНОПЕЛЬКО Александр Козьмич

ЧИСЛЕЮЮЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГАША-ЛСГРШОМЙЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА СВЕРХВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ

( 01.04.16 - физика ядра и &лементар1!ых частиц )

АВТОРЕФЕРАТ

дассертвции на соискание ученой стопеги кандидата физико-математических наук

ТОКСК - 1990

Работа выполнена в Томском ордена Октябрьской революции и Трудового Красного Знамени политехническом института им. C.U. Кирова

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Ксльчухкин A.M.

Официальны« оппоненты - доктор физико-математических наук Ерлыкин А.Д. (ШЛИ СССР, г. Москва)

кандидат <£иэико-математическиз наук, Рыков Р.В. (ИСЭ СО АН СССР, г. Томск) .

Водущая организация - Ереванский физический институт, г. Ерован.

Защита состоится199Оу. в часов

&о м. на заседании специализированного Совета К 063.80.02 в Томском политическом институте им. C.N. Кирова (634004, г. Томск, пр. Ленина, 30, Томский политехнический институт).

О диссертацией можно ознакомиться в научное библиотеке Tffli.

Автореферат разослан "_"____199_года.

Учений секретарь споцислнзировашого Сов а та

iB.K. Кононов)

■ : - Я -

0Г.111ЛЯ ХЛГЛЮ КГИОТИКЛ ГЛКОТН

Актуальность теми. Пг,-П1 к? гамма астрономического эксперимента пшрШ1ешо{Г БморгтГ яилп'чг.ч регистрации котокоп гамма -излучения п лизназсно энергии ОЛ ! ГС Т:>И кпк от лшжро'пшх источников, так н диффузионного происхождения. Анализ ¡»«.чюримонтолыю регистрируем« потокоп гочмч- нплучешм нопполяог судить о характере фИЗИЧОСКИХ ироцуссов. Происходящих I! НОДрПХ изуч&емих КОСМИЧОСКИХ оСтоктоп.

Широков рпснрострэиенио р гпмм.ч астрономии сверхвысокой энергии получило ТОХННКП. ОСНОРП1ШПЯ пп регистрации чяреикопского свети от широких этмосфзрнчх димюй (!1(ЛЛ). В настоящее время г миро эксплуатируется, в тпкжо рпзрабатнпаетсл иолиП ряд черенкопо-ких гамма-телескопов стрхвисокой энергии.

Основная проблема гамма-астрономических наблюдения спорхгасо-коП энергии с исгсш-оовянием 'трвнкорпкой техники состоит п необходимости появления полезного спптло на ({юно большого числа ливней, порождпомчх заряженной компонентой перпичшх космических лучеЯ ШКЛ). Интенсипно-ть фонп.кпч правило, в сотни раз пропитает ОКИДЭ6МНО ПОТОКИ гамма-излучеиин. ГегистрнруомнЯ ИЗЙНТОК п число ШАЛ в направлении из предполагаемый источник является свидетельством наличия гвшо-иэлучепия ог обт-.екта р рпссмптриппеиом диапазоне энергии.

Получение статистически обоснованного результата в шделении избытка при значительном числе фоногзнх собнтий зптрудпоно длительностью времени проведения гамма-пстрснсмичоских наблюдений па изучаемым объектом (год и более). Поэтому еутестаоншй прогресс в повышении эффективности гамма--астрономического эксперимента спчрх -високой энергии в настоящее время сняпнпяется с возможность») осуиостплять 1фи ооряботко результатов наблюдений режакции протон-ядерного компонента ПКЛ на оигоно анализа двумерных углорнх черепковских. образов !Ш, регистрируемых гдача-толескопаш с многокпналышми свптслгриемникпми. Н спяэи с чтим, актуалмшм янляотся разработки ¡хйоктишшх методов /тснри/.-инпши '!»ноних ливней ПКЛ по параметрам черепковского обрччп ШАЛ, л ттоге оптимизация конструкции и условия эксплуатации черчтоп'^их гамма телескопов с многоканвлмммя сгтоприоонютшп !П «.'«в чи';л"111г/го моделироппнип м»толем Монте-Кар.™ конкретного ги>т- ••♦»ппн'Ачто-

кого эксперимента.

Ссвершанствовишю мотодои рошкщш протон-ядсрних ливнай 11КЛ позволяет сущесгвошю иовиоить статпйтичоскуи достоверность гамма-астрономических наблюдений. Это долног возможным получении Осло а дательной информации о космических источниках гамма-излучения сверхвысокой энергии, в частности, изучение их энергетического спектра. Поэтому октуальним является разработка штодов измерения энергии гамма-лиской, способов определения параметров энергетического спектра гьша-излучания от локалыш космических ооъьктов мри регистра 1(Ш1 черепковских образов ШАЛ гамма-толескопаш с многоканальными ссвтоприомшшаш), а такие проведение оценок достигаемо!! при этом точности.

При теоретическом ра осмотре ниц указанных ешм задач чрезшчаПно важным является вопрос точного учета всех физических Флуктуация изучаемых процессов в используемых алгоритмах моделирования. В слодстии этого, шсомденшП интерес с методическом плана представляет анализ точности учета флуктуацпй в сущастаувдих на сегодняшняя день расчоудах методах.

Дли поиска гамма-источников в диапазоне ультраьнсокой энергии О 100 ТаВ) в настоящее в ром л сооружаются установки по регистрации злзкгромагнитаой и мюошой компонента ШАЛ. Самими крупными из них являются детектор САйА (США), ШАЛ-1000 (СССР).

Создании той или иной установки по регистрации ШАЛ, как правило, лродаосгвувт обширные модальные расчати различных характеристик гемма- и протон-ядерных ливней 11101 б атмосфера применительно к условиям регастра.цш данной установки. Подосяшо ръсчети проводятся с целью оптимизации расположения детекторов установка, расчета аффективной чувствительной площади регистрации, позподйыдеП оценить минимальную величину интенсивности доступши для исследования потоков гамма-излучения. В связи с этим, актуальную является проведение систематических расчетов Функций про с раиотвашого распределения (ШР) потоке электронов, энарго-иотврь в сцттишционном детекторе, полного потока энергии для моктрокш-фоташого каскада (34«; ультравысокой энергии, разви-натштсюа р ачмзсЗеро.

Гс'шс-ши указлш-;с!Го вшм круга задач поевлщыт настоявдл Ы1С№;'.'пцио»тая работа.

Целые данной работы Hpjiiioiсл:

Г. Го я Jiii ls rj i 1Й н алгори iMoñ t«\n.i'jinpüii;imm мптодом Монте Карло улектроино Фотонного и ядерного каскажл; еворхвнсокой и ультря-гисокой энергии, ралниппшихся ti итмосффо, применительно к оадачо расчета пространственно угле тих характеристик чероикопского свети, а также пространственного распределения »локтромапшной компоненты ШАЛ, с учетом особенностей регистрации п конкретном гамма-астрономическом ;жсгюрименто.

2. Разработка па бпзе численного моделирования гамма-встроно-мичоского эксперимента ,:верх высокой энергии гкМ»жтшшых методой отбора полезных соитий и роки кипи irporoii -ядерннх ливней ПКЛ, позволяющих существенно повнепть уровень достоверное«! получаомих. в эксперименте результатов, о такяи сократить г.ремн наблюдение.

3. оптимизация конструкции и условий эксплуатация черен -ковеши гамма-толоскоиои с кшгокональними свотоприошшками с цолью достижения наимаяей эф|»эктивности дискриминации фонопнх ливней.

4. Разработка методой измерения энергии гамма-ливней, а также мотодов определения Форш энергетического спектра гамма- излучения от локалышх космических источников но результатам нволюлений, получешшх на установках по регистрации черепковского света ШАЛ све рхвисокой энергии.

Ь. Проведение систематических расчетов пространственного распределения частиц ЭФК ультрявисокоЯ энергии п этмоа^ере о учетом свойств используемых детекторов частиц.

Новизна работа. К числу чоинх результатов следуя? отнести проведешйй тттТз вошнит флуктуация чорешеонекого слота ШАЛ. регистрируемого гама телескопом сверх п?)соиоП энергии. Покапано, что lü.'coKüíl уровень флуктуация г числе черепковских ф~>токов, регистрируемых телескопом с конечной плоиадыи .черкала, определяется кластерной структурой сигнала » детектор;.

Исследзпана зависимость Э'М<'ктдвнс,с;ти мчтодон дискриминации фоиогих ливней ПКЛ но пчрнметрам чоропко.че.'чн'о оОргшп 1Ш от величины угла обзора гаг.ма-телеокопп, углоглго р.чг^мчра им :ичг'>-приемника, используемого масти [¡но го критгр.и запуска устачм)ки, пловяди нриемного зеркал*. Га'";М'">трен i'"¡r¡¡'v, vu". »p*i '.к ¡-и'хздмюя Konf.!<7pa!»!H с!1 т ч1рИ'Ч<М1Ч'Л1 и у.-'.укЯ '."н;у"''! •/ :-í'wr.Kit и тян/.

- й -

дос*кю»шм максимального отпивши "аи'иил/^уьтуыцш фона" ни примере гамма-телескопа обсерватории им. Уипла (США) (в дальнейшим }'ШО) и крупномасштабного международного екопорименть 1ШСЯА. Обоснован вывод о возможности пошшешш &ф{ыстивности дискриминации фоновых событий в 2 раза при сокращении углових размеров ФЭУ светоприемника до 0.26" шеста традиционно исиолььуььшх 0.4*0.Ь°.

Впервые многомерный корреляционный анализ, основашшй на решающих правилах Байасо и напараматричаскоы сшсобо оцешшания многомерной плотности вероятности, применен в задаче классификации гамма- и протон-ядерных лианой по параметрам двумерного черепковского образа ШАЛ, регистрируемых гаыма-телес.копом сверхвысокой энергии. Показано, что дашшй подход обеспечивает достнкошш существенно солее высокого эйекта в выделении полезного сигнала по сравнению с одшдершш и многопарг'мэтрнче сними методами, известными ранее. Оригинальным является ташка рассмотрение возможностей методов дискриминации фоновых событий в рамках указанного подхода для случая системы черепковских гамма- телескопов установки НЕС.П&.

Предлагается и обоснована«тся новая методика измерения энергии гаша-лиьшй по параметрам черепковского образа ШАЛ, регистрируемого одиночным или системой гамма-телескопов с многоканальными сввтоприешшкьми, обеспечивающая достаточно высокое энергетическое разрешение.

Показано, что иапояьзоваииа аМективних методов режькции 4х)1 ювих дивной 11КЛ и рассматриваемых методов измерения энергии гпмма-ливнеП обеспечивает ьозмокность проведения исследований дифференциального ьшргатпчэокога спектра гамма-излучения локаль-1шх космических объектов. Дается оцзшш достигаемой при этом точности восстановления параметров энергетического спектра.

Впервые проведена систематические расчеты ФЛР полного потока электронов, энерговыдоления в сиинтилляционном детекторе, полного потека &нарпш частиц развивающегося в атмосфере, в широком диапазоне значений шрвмчной аыергии 0.1 ЯО4 ТэВ, для расстояний от оси лншы (I (600) м. Диизнстрируется, что на ферму пространст-вешкго распределения электронов ЭДК, развиващегося в атмосфере, существенное ышнма оказывает геометрический и переходный эффекта в используемых детекторах частиц.

Научная и практическая цннность диссортагчонной работа определяется pîiTmifiïoM мотодсчГрлробогкн яксппричентплышх дпшшх, получаема* и гяммп-пстр01'0мичпск('м эксперимента сворхпнсокой энергии. иригипяпышЯ подход, обеспечивающий высокую эффективность отОора гамма-лишей и рожекции протон-ядерного компонента Г1КЛ но комбинации параметром черепковского образа ¡¡¡АЛ. рекомендации в отношении оптимальной конфигурации свотопрмемника и условия закуска гамма-телескоп«, s также метода измерения анергии гамма-липнвй и определения параметров энергетического спектра гамма-излучения сверхвысокой о!'оргии от локолышх космических источников находят в настоящее громя применении на эксплуатирующихся и строящихся экспериментальных установках: обсерватории им. Уипла, ЕрСИ. HEiiîU. Систематические расчета И1Р полного потока электронов, энпргопогерь в ецкнтилляторо, полного потока энергии частиц ЭФК ультраеасокой энергии, рззБиввшэгося в атмосфере, представляют нопосредственшй практический интерес при обработке эк"пернмен-талышх данных, получаемых нп установках по регистрации ШАЛ, в частности, но Тянь-ШаньскоЯ высокогорной станции ФИ АН СССР.

На защиту выносится:

1. Теоретический-анализ зависимости максимально достигаемой эффективности дискриминации ¡фоновых ливней ГП(Л но черепковском гаммэ-телескопе с га'сгокшишлшм свотоприемником от апертуры угла оОзора, углового размера ФЭУ светоприомпика, мпстериого критэрия отбора сосытиЯ, площади приемного зеркала.

2. Вывод о возможности погашения в два раза эффективности дискриминации фоновых ливней ПКЛ 1фи умошлении углового размера ТОУ с традиционно используемого 0.4«0.&° до 0.25".

а. Оригинальны!! метод дис!СрИМИВШШ IJOI'OIÏUX лисной ПКЛ в гамма-встронсмическом эксперименте гщэрхвчеокой энергии, учитннзп-щий различия в корреляциях параметров двумерных черошюаских образов гамма- и протон-ядерних линией и пояиоляший достигать подавления фона до < 0.5 % при сохранении гуОД^ктивмсти регистрации гьмма-липнчй на уровне 30150 ï, как для случая одиночного гамма- телескопа с большой плододи»\ так и системы гамма -телссксиов с зеркалами малой плошали.

Новая мотоди.чя взмеромя анергии гпммгьлимя по параметрам да/мерного •■»ерешоьского образа для одиночного /

систбш гаша-телоекшов сверхвысокой энергии.

5. Методика определения по показаниям гамма-телескопа формы шшргатичоского спектра гамма-излучошт от локалышх космических источников, обеспечивающая достаточно высокую точность для существующих и строящихся гамма-телескопов при условии использования развитых в диссертации методов дискриминации фоновых ШАЛ.

6. Результаты массовых расчетов ©£Р полного потока электронов. зиергопотерь в сцднтидляциотюм детектора, полного потока энергии части! 34«, развиващагосн в атмосфере, в .диапазоне значений первичной энергии 0Л+104 ТэО и расстояний от осп лквня (1;500) и.

7. Вывод о важности учета геометрического и переходного а^ктсв ц сцинтилляционшх в годосксшческих детекторах чватнц ЭИ ультрявисокой энергии, раззивещихся а нтмосфора.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались «Ооейясой^ПккЬлв "Ноупругио взаимодействия вдроцов и ядер при сверхвысоких энергиях" Шор-Амлард, 1988, 19рр); на Всесоюзном семинаре по рентгеновской и гамыа-встрочомш (Звенигород, I9SQ), а таккэ представлены в трудах Всесоюзной конференции по космическим лучам (Тбилиси, 1986; Алма- Ата, 1965). Ые однородных конференций по космическим лучам (Москва, 1987} Adelaide, 1990), Международного семинара но гамма-астрономии сверхвысокой энергии (Симферополь,' 1989), Кроме того, результат» работы докладывались на нлучиих семинарах в ЕрИ-1, КрАО АН СССР, НИИ ЛФ Ш'.У, <ШН СССР.

Личное участие автора. Постановка задач, рассмотренных э дцссартаЩш7~йх тёораййёскоа обоснованна, а также некоторые выводы сделаны автором совмеотно с Шшешниковым A.B. Реализация метода расчета на ЭВМ. а таккз анализ результатов выполнены автором самостоятельно.

Публикации. Основные результаты диссертации представлены » II еечитшх ршзЗтах, из которых 7 опубликовано в международных а центральных ьзданадх.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введений, четщюГТлав и ТакЗшчеыйя о ЬЪщан сйъаиоы 167 страниц, включая 23

рисунков и ?Л таблицу. Список литератур' содержит ИЗ наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГАВОТН

Со впелешш оОоснотшаэ гсл актуальность тонн, определяется цель риЯтй'ГТ^Зс.уздаотсн ноние-на, научная и практическая ценность исследования, дчетск краткое изложение содержания диссертации.

В первой главе обсукдается воп|юс о применимости числ°шш !/лтодо^~рдашо1йю исаоЛьэуемих в расчетах различных характеристик ШАЛ, для теоретического рассмотрения задач гаимя-астрономпи сверлвпсокоЯ энергии. Ло.паетим виюд, что наиболее последова-телышм является моделирование гагаа-астроно^нчоского эксперимента методом Монте-Карло, ток кап только тяноП подход позволяет и полной мере учесть всы специфику рассматрииаемнх процессов. Дзотся описание росчотноЛ схоми полного метода Монте-Карло, используемого для мололироианин ЭПС в атмосфере, о танго нолузналигичоекого (•«•года Монте-Карло (ПуявйеекЩкот .А."., УогоМег Х.У., 1981), иадедуого в данной роботе нрттонение в росчетах характеристик Э1К ультровлсокоЯ ¡мюргин.

Ошсицаются особенности моделирования методом Монте-Карло процессов исиуска!шя и регистрации черепковского свото ¡НАД в гамма-астрономическом ексгезрнменто скорхвнеокоЯ агаргии. При этом процедура генерации случаШшх двуиярних черепковских образов гачио- и протои-ядорпих лиыгой, представляющих собоЯ матрицу амплитуд сигналов ФЭУ многоканального свотоприомпшш, максимально приближена к условиям проведения конкретного эксперимента.

Расчот параметров чорепковского образа производился го мотодеко, аналогичной применяемой в эксперименте. (МЬЬа К., 1586). Представлены основпь""1 параметры рассматриваемых в работе экспэрга.юптолышх установок: гаша-толесксп обсорватории ПЛ?0, система черепковских телескопов НЕЙ ЯЛ. Обсугщается структура банков двумерных черепковских образов £!АЛ, сформированных методом Моите-Карло применительно к указанным вшяе экспо рименталмшм установкам.

Излагается мэтодикг. расчета пространство шшх характеристик ЭХМ ультравысокой энергии с учетом свойств детекторов частиц, основанная на комбинации полного и полуаналитического методов Монте-Карло.

Льется краткое описание используемой в расчетах характеристик черепковского света ШАЛ модели адрон-идерннх взаимодействий, основанной на инклшмнних спектрах (¡ЯПаз A.N., 1WJ), полученных в предположении радиального скейлинга.

Хорошие согласие представляемых в работе распределений значений параметров черепковского образе ИАЛ с результатами независимого моделирования (Hlllas A.N., 1931.) и экспериментальными дашшми (Cawley К., 1990) является свидетельством состоятельности используемой в настоящей работе расчетной схемы метода Монте-Карло.

Анализируется природа флуктуация числа черепковских Фотонов ОФК сверхвысокой энергии, регистрируемых -у-телвскопом с конечной площадь») приемного зеркале. Показано, что флуктуации числа фотоэлектронов, вибиваемнх с катода ФЭУ светоприемника гамма телескопа с хорошей точностью аппроксимируются выражением елвдуицэго вида:

„ п »-е

cr3WT* Гп tl)

где j Флуктуации плотности потока 1 ренковских фотонов в точке

размещения детектора г , >1 - среднее число регистрируемых детектором черепковских фотонов, е - средний квантовый выход ОЗУ,

п - среднее число черепковских фотонов в одном кластера, приходящем в светонриемник телескопа. Каадий кластер содержит фотоны, испускаемые одним из "светящихся" электронов ливня &а воемя, в течении которого конус черенковского излучения пересекает поверхность приемного зеркала.

Показано, что нспользованиэ известных схем неполного метода Монте-Карло с пуассоноьской рандомизацией вкладов приводит к значительному заниюнию уровня флуктуация в числе черенковских ^отоноа, регистрируемых mwa-толесколом. В атой связи делается buro* о том, что при рассмотрении задач гамма-астрономия сверхвысокой энергии, треСуюиа корректного учета флуктуация всех изучаемых процессов, наиболее оправданным является использование полного м-.года Мэн те- Кирх,о, несмотря на относительно высокую трудоемкость атого метода.

Комплгко вичислатвльвдх программ, реализухадц рзссмвтриаЕеше плгчригмц mvp дарования, нвлиоан г.е алгоритмическом лейке РОЯГКАК.

t'iic'it tu проводились на OHM типа ЕП, FDP, VAX.

Ьторпя глг'.ва посвящена теоретическому анализу эф1<жтиыюсти vio т с д о в ди с крТо«! н я 1 un 1 фоновых лиши-й ПКЛ на черепковских гемма-тплескопвх оверхвиоокой анергии.

В начале главы дается краткая историческая справка развития |.редст;11июнн£! по проблеме дискриминации протон-ядаршх ливней Ш<Л по параметрам двумерного черепковского образа ШАЛ, регистрируемого гамма-телескопом с многоканальном еветоприешшком, я также эбзор основных результатов, получошшх в этгч направлении к чгютоящему времени.

Далее представлены результаты расчетов оффективных площадей и энергетического порога регистрации для одиночного и системы гамма-телескопов ННПЦ. Обсувдаегся характер зависимости мЮектившх площадей регистрации гомма- (S^) и протон-ядерных ливней ПКЛ (S^j.) от первичной энергии ливня К.

Показано, что во всем рассматриваемом диапазоне онор1ии К справедливо соотношение S.^:;,^,. Данный результат важен при определении знаргогаческого порога установки, а также для корректней оценки абсолютной величины потока гамма- излучения, регистри руемого телескопом.

Проводится анализ зависимости величины максимально достигав-■юго отношения "сигнал/Флуктуации фена" при использовании "жесткого" и "мягкого" критериев отбора событий от конфигурацию свегсприемникэ, используемого мастерного критерия, площади зеркала гемма- телескопа. Результаты расчетов, проведанных применительно к гамма-телескопу I'L'A'O, свидетельствуют о целесообразности умешлм-¡гая угловых размеров $ЭУ евьтоприемкжа с традиционно используемых 3.4+0.5° до 0.25°, что сбеспечаьеег увеличение ь-деиктиптсти дискриминации приблизительно в 2 раза. Данный вывод в настоящие время подтвержден экспериментально (Cawiey Ы. et al, 1950). Найден эптимум в размере апертуры многоканального сшзтопри^-мьлкй - '¿Л/' п. точки зрения достижения максимальней эффективности дискриминации 5оновых ливней. Показано, что для одиночного гамма-телескопа НгЯРЛ зказнь-ется выгэдпьм использование более жесткого маета;неге критерия отбора событий, чем критерий, опр»даляеныЯ иа coocpav-Hia надежного подавления Зонового свечения ночного яе'з.

Белзгпша »максимально достигаемой ~-ф>зкгл1Н'.сти даскркмй1*г.^и эяредедле .ся уроьнем ^¡яуктузци» реги~г[ируеыого ч^жсвского