Энергетические спектры средних и тяжёлых ядер по данным стратосферного полёта спектрометра ATIC тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им'. М. В. ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им Д. В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Батьков Константин Евгеньевич

Энергетические спектры средних и тяжёлых ядер по данным стратосферного полёта спектрометра АТ1С

01.04.23 — физика высоких энергий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского Государственного Университета им. М. В. Ломоносова

Научный руководитель:

Зацепин Виктор Иванович

доктор физико-математических наук НИИЯФ МГУ

Официальные оппоненты:

Калмыков Николай Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор

НИИЯФ МГУ

Котельников Константин Александрович

доктор физико-математических наук Физический институт РАН

Ведущая организация:

Институт ядерных исследований РАН, г. Москва

Защита состоится "30 " МАРТА 2006 г. в на заседании

диссертационного совета К 501.001.03 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Ленинские Горы, НИИЯФ МГУ, корп. 19, ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан " " года.

Учёный секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук А \\ А. К. Манагадзе

Общая характеристика работы Актуальность темы

Исследование космических лучей высокой энергии позволяет решить ряд фундаментальных задач, связанных с процессами, происходящими в источниках частиц космических лучей, а также со структурой магнитных полей в Галактике. В частности, необходимо знать энергетические спектры различных элементов первичных космических лучей с хорошей статистической точностью и методической надёжностью.

Однако, в результате многочисленных экспериментов, выполненных в области энергий больше 100 ГэВ, были получены противоречивые данные по спектральным индексам основных элементов космических лучей, по которым нельзя составить согласованной картины процессов, происходящих в источниках космических лучей и при их распространении к Земле. В связи с этим появилась потребность в детекторах нового поколения, одним из которых является спектрометр ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter), разработанный и построенный коллаборацией из нескольких научных групп США с учаг стием НИИЯФ МГУ.

Аппаратура прибора содержит две новые технологии: полностью активный висмуто-германиевый калориметр (для измерения энергии каскада) и высоко сегментированную матрицу кремниевых детекторов (для определения заряда первичной частицы).

Использование новых приборов позволяет выполнять измерения в широком диапазоне энергий и зарядов с помощью одного инструмента.

рос национальная

библиотека

Цель работы

Целью данной работы является определение энергетических спектров средних и тяжёлых ядер первичных космических лучей в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ с использованием полученных в эксперименте АТ1С спектров энерговыделений. Для решения этой задачи необходимо:

1. Выполнить моделирование отклика спектрометра АТ1С на прохождение в апертуре прибора различных ядер первичных космических лучей (С, О, Ке, 81 и Ре).

2. Решить задачу восстановления энергетических спектров первичных космических лучей по измеренным спектрам энерговыделений в калориметре с использованием аппаратных функций, полученных в результате моделирования отклика прибора методом Монте Карло. Проблема относится к классу обратных некорректно поставленных задач.

3. Исследовать стабильность решения обратной задачи путём сравнения различных методов восстановления энергетических спектров.

4. Исследовать возможность описания полученных результатов в рамках существующих моделей спектров космических лучей в источниках и моделей зависимости времени жизни космических лучей в Галактике от магнитной жёсткости частиц первичных космических лучей.

Научная новизна и практическая ценность работы

1. Научная значимость работы состоит в расширении области детальных экспериментальных данных для энергетических спектров ядер тяжелее лития от 35 ГэВ на нуклон (измеренной в эксперименте НЕАО-3-С2) до 1 ТэВ на нуклон.

2. Практическая значимость работы состоит в том, что результаты моделирования функций отклика прибора, фрагментации потока первичных космических лучей в остаточной атмосфере, а также разработанные автором методы решения обратной задачи могут быть использованы для дальнейших исследований участниками коллаборации АТ1С.

3. Новые результаты по спектрам средних и тяжёлых ядер, а также другие имеющиеся данные могут стать базой для создания новых, более реалистических, моделей образования галактических спектров.

На защиту выносятся:

1. Математическая компьютерная модель спектрометра АТ1С, созданная на базе программной системы РЫЖА, и методы расчёта отклика спектрометра на частицы первичных космических лучей.

2. Результаты моделирования отклика спектрометра АТ1С на средние и тяжёлые ядра (С, О, N6, Mg, и Ре).

3. Решение обратной задачи по восстановлению энергетических

спектров средних и тяжёлых ядер из измеренных в эксперименте ATIC спектров энерговыделений.

4. Решение задачи о фрагментации потока космических лучей в остаточной атмосфере.

5. Энергетические спектры средних и тяжёлых ядер в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ, восстановленные из спектров энерговыделений, полученных в стратосферном полёте спектрометра ATIC.

Вклад автора

1. Создана математическая модель спектрометра ATIC и разработан комплекс программ на основе пакета FLUKA, позволяющий моделировать процессы, сопровождающие прохождение ядер через спектрометр ATIC.

2. С использованием созданной математической модели вычислены матрицы отклика спектрометра ATIC на прохождение средних (С, О) и тяжёлых (Ne, Mg, Si, Fe) ядер первичных космических лучей в апертуре прибора. Моделирование производилось на 50 современных процессорах в течение 15 месяцев. Для расчётов использовались технологии распределённых (GRID) и параллельных (MPI) вычислений.

3. Разработан комплекс программ для решения задачи восстановления энергетических спектров из спектров энерговыделений с использованием метода сдвига и метода последовательных приближений.

4. С использованием пакета FLUKA решена задача о фрагментации потока первичных космических лучей в остаточной атмосфере. На основе полученных вероятностей фрагментации вычислены коэффициенты, позволяющие определить абсолютные потоки ядер на границе атмосферы.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИЯФ МГУ, на Ломоносовских чтениях в 2002, 2003 и 2004 г.г., а также на следующих конференциях:

1. 29th International Cosmic Ray Conference (Пуне, Индия, 2005);

2. 28-я Всероссийская конференция по космическим лучам (Москва, Россия, 2004);

3. 35th COSPAR Scientific Assembly (Париж, Франция, 2003);

4. 28th International Cosmic Ray Conference (Цукуба, Япония, 2003);

5. 18-й Европейский симпозиум по космическим лучам (Москва, Россия, 2002).

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 9 публикациях, список которых приведён в конце автореферата.

Структура диссертации

Диссертация изложена на 137 страницах, включает 40 иллюстраций, 20 таблиц; состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы из 68 наименований.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется основная цель, новизна исследования, раскрывается практическая и научная значимость работы, а также перечисляются положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор существующих экспериментов в области исследования спектров и зарядового состава первичных космических лучей при энергиях до 1000 ТэВ. Показано, что при энергиях до 100 ГэВ спектры различных ядер и их относительное содержание измерены достаточно хорошо. При более высоких энергиях данные различных групп о спектрах и зарядовом составе первичных космических лучей различаются. Это связано, прежде всего, с низкой точностью энергетической привязки, недостаточной статистикой и существенными методическими ошибками. Поэтому продолжение исследований в этой области является актуальным, особенно при использовании аппаратуры, работающей в широком энергетическом и зарядовом диапазонах.

Во второй главе содержится подробное описание эксперимента АТ1С: рассматриваются все детекторы прибора, их калибровки, а также описываются экспозиции прибора в стратосфере.

Баллонный эксперимент АТ1С предназначен для измерения энергетических спектров галактических космических лучей с индивиду-

альным разрешением по заряду от протонов до ядер железа в энергетическом интервале от 100 ГэВ до 100 ТэВ. В состав прибора входит полностью активный BGO калориметр для измерения энергии. Глубина калориметра по вертикали составляет ~ 18 каскадных единиц. Для измерения заряда используется высоко сегментированная матрица кремниевых детекторов, практически полностью решившая проблему обратного тока. Также в спектрометре присутствуют углеродная мишень, предназначенная для взаимодействий падающих частиц, и сцин-тилляционные годоскопы, служащие для выработки триггеров и являющиеся дополнительным детектором заряда. Для подъёма прибора в стратосферу используется высотный аэростат объёмом ~ 850 000 м3, наполненный гелием. Общая масса прибора равна 1500 кг. Геометрический фактор прибора составляет 0,22 м2-стер.

На сегодняшний день ATIC совершил два успешных полёта вокруг Южного Полюса: с 28 декабря 2000 г. по 13 января 2001 г. (тестовый полёт ATIC-1) и с 29 декабря 2002 г. по 18 января 2003 г. (научный полёт ATIC-2). В настоящей работе используются данные второго — научного — полёта.

Также во второй главе рассматриваются особенности методики измерения энергии, заряда и восстановления траекторий первичных чат стиц. Приводятся полученные зарядовые спектры и спектры энерговыделений для каждого типа первичных частиц.

В третьей главе описываются методы перехода от спектров выделенных энергий к энергетическим спектрам. Также приводятся детали моделирования прохождения частиц через прибор.

Искомые энергетические спектры ф{Е0) связаны со спектрами энер-

говыделений (р(Еа) интегральным уравнением Фредгольма:

Етат

I А(ЕЛ, Ео) ф{Ео) йЕ0 = <р(Ел) (1)

дпм

Ядро А(Ед, Ео) является аппаратной функцией, характеризующей прибор. Для численного решения (1) удобно перевести задачу в дискретные термины, то есть представить её в виде системы линейных алгебраических уравнений:

п

а^ = Мг, г, 2 = 1,2,... п, (2)

где \\Мг\\ соответствует <р{Е£) — экспериментальному спектру энерговыделений, а \\NjW соответствует ф(Ео) — искомому энергетическому спектру. Квадратная матрица ||ау|| называется матрицей отклика и соответствует функции А{ЕЛ, Еп) из уравнения (1). Элементы матрицы отклика вычисляются из моделирования отдельных событий методом Монте Карло и определяют вероятность того, что событие с первичной энергией из бина ] создает энерговыдсление в бине г.

Моделирование развития каскадов от первичных частиц высокой энергии производилось на базе пакета РЫЖА. Для этого был создан программный комплекс, содержащий математическую модель спектрометра АТ1С. Матрицы отклика для обильных чётных ядер С, О, Mg, и Ре были рассчитаны с хорошей статистикой в интервале энергий от 10 ГэВ до 10е ГэВ.

Проблема состоит в том, что искомые энергетические спектры ф(Ео) с искажением преобразуются измерительным прибором в спектры энерговыделений <р{Ев). Целью работы является решение обратной задачи — восстановление ф(Ео) из

Если бы и ||аг]\\, и ||Мг|| были известны точно, то система (2) имела бы единственное решение при (М ||а,^|| ^ 0. В реальности же ситуация не столь проста: матрица отклика определяется из моделирования, а вектор \\Мг\\— из данных эксперимента. Поэтому оба этих элемента содержат ошибки, связанные как с погрешностью метода, так и с ограниченной статистической точностью. Система (2) является плохо обусловленной, и в связи с этим её решение очень сильно зависит от малых изменений начальных данных. Ошибки начальных данных ведут к развитию неустойчивостей в виде "гребёнки" очень большой амплитуды. Поэтому ответ, который можно получить с помощью прямых методов решения линейной системы (2), лишён смысла.

Задача перехода от спектров энерговыдслений к энергетическим спектрам падающих частиц относится к классу некорректно поставленных обратных задач. Точного решения такие задачи не имеют, возможен поиск только приближённого решения, отвечающего некоторым априорным ограничениям, связанным со смыслом ожидаемого результата. Одним из важнейших априорных ограничений является требование гладкости полученного результата в том или ином смысле. Так как использование априорных ограничений неизбежно приводит к некоторому произволу, то для решения задачи важно применять несколько разных методов и сравнивать полученные результаты. Поэтому в настоящей работе были использованы следующие способы решения, максимально отличающиеся друг от друга:

• метод сдвига;

• методы деконволюции (решения обратной задачи):

— метод последовательных приближений;

— решение обратной задачи и регуляризация решения по методу А. Н. Тихонова (выполнено А. Д. Пановым).

Метод сдвига справедлив на степенных участках спектра, поэтому он был использован как первое приближение к ответу. Идея, положенная в основу метода, состоит в том, чтобы сдвинуть спектр энерговыделений, используя два коэффициента сдвига: по оси энергий (для учёта того, что калориметр является тонким, и в нём выделяется не вся энергия падающей частицы), и по оси ординат (для учёта того, что падающая частица может пройти мишень, не провзаимодействовав в ней).

Методы решения обратной задачи, в отличие от метода сдвига, не используют предположения о степенном характере спектра.

Метод последовательных приближений является стандартным итерационным методом решения систем линейных уравнений. Из-за неустойчивости задачи необходимо было произвести регуляризацию решения, которая была сделана разными методами, давшими схожие результаты.

Третий метод — с использованием регуляризации по методу А. Н. Тихонова — является наиболее хорошо разработанным, и в определённом смысле стандартным и строгим (если вообще можно говорить о строгости решения некорректно поставленных задач). Однако, из-за сложности задачи одного этого метода недостаточно для получения надёжного ответа. Важен перекрёстный контроль результатов, полученных при использовании всех трёх методов.

В работе показано, что все эти способы дают схожие результаты,

согласующиеся с данными других экспериментов.

В четвёртой главе описывается вычисление коэффициентов абсолютных нормировок для приведения интенсивностей полученных спектров к границе атмосферы. Для этого автором было выполнено моделирование фрагментации потока первичных космических лучей в слое атмосферы над прибором. В качестве первичных частиц использовались протоны и все ядра от гелия до железа. Траектории падающих частиц были распределены изотропно в пределах апертуры прибора. Для исследования зависимости вероятностей фрагментации от энергии падающей частицы моделирование проводилось при трёх фиксированных энергиях: 10 ГэВ на нуклон, 100 ГэВ на нуклон и 1 ТэВ на нуклон. Для исследования зависимости вероятностей фрагментации от глубины слоя остаточной атмосферы моделирование проводилось для трёх высот экспозиции прибора: дневной (4,55г/см2), ночной (5,58г/см2) и средней по всему полёту (4,87г/см2). Показано, что вероятности фрагментации слабо зависят как от энергии первичной частицы в рассматриваемом диапазоне энергий, так и от глубины слоя остаточной атмосферы на протяжении полёта прибора. Поэтому учёт фрагментации потока первичных космических лучей не изменяет форму спектра, а влияет лишь на величину абсолютной интенсивности энергетических спектров отдельных компонент.

Окончательные результаты приведены в виде таблиц абсолютных интенсивностей для каждого типа ядер. Выполнено сравнение с существующими моделями спектров в источниках и с существующими моделями распространения космических лучей в Галактике.

В заключении приведены основные результаты диссертации:

1. На основе программного пакета FLUKA разработан программный комплекс для расчёта функций отклика спектрометра ATIC на падающие в апертуру прибора первичные ядра.

2. С хорошей статистикой произведено моделирование матриц отклика спектрометра ATIC на средние и тяжёлые ядра (С, О, Ne, Mg, Si и Fe). Для моделирования были использованы самые передовые на сегодняшний день технологии распределённых (GRID) и параллельных (кластеры MPI) вычислений.

3. Исследованы разные методы восстановления энергетических спектров из измеренных спектров энерговыделений для ядер С, О, Ne, Mg, Si и Fe.

4. Решена задача о фрагментации потока космических лучей в остаточной атмосфере.

5. Построены энергетические спектры средних (С, О) и тяжёлых (Ne, Mg, Si, Fe) ядер в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ и выполнен анализ полученных результатов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

[1] В. И. Зацепин, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. Л. Башинджагян, К. Е. Батьков и другие. Зарядовое разрешение в эксперименте АТИК. Известия РАН: серия физическая 66(11), 1631-1633 (2002).

[2] Zatsepin, V. I., Adams, J. Н., Ahn, Н. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E., et al. Experience of Application of Silicon Matrix as a Charge Detector in the ATIC Experiment. In Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference, volume 4,1857-1860 (Universal Academy Press, Tsukuba, Japan, 2003).

¡3] Zatsepin, V. I., Adams, J. H., Ahn, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E., et al. Comparison of Measured and Simulated Albedo Signals in the ATIC Experiment. In Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference, volume 4,1861-1864 (Universal Academy Press, Tsukuba, Japan, 2003).

[4] Zatsepin, V. I., Adams, J. H., Ahn, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E., et al. Rigidity spectra of protons and helium as measured in the first flight of the ATIC experiment. In Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference, volume 4, 1829-1832 (Universal Academy Press, Tsukuba, Japan, 2003).

[5] Батьков, К. E. Моделирование энергетического отклика спектрометра АТИК. Труды четвёртой баксанской молодёжной школы экспериментальной и теоретической физики. Под редакцией А. А. Петрухина и М. X. Хоконова, 1-4 (КБГУ, Нальчик, 2003).

[6] В. И. Зацепин, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. Л. Башинджагян,

К. Е. Батьков и другие. Энергетические спектры и зарядовый состав галактических космических лучей, измеренные в эксперименте АТИК-2. Известия РАН. Серия Физическая. 68(11), 1593-1595

(2004).

[7] Zatsepin, V. I., Adams, J. Н., Aim, Н. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E.. et al. The silicon matrix as a Charge Detector in the ATIC Experiment. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 524, 195-207 (2004). doi:10.1016/j.nima.2004.01.071.

[8] H. В. Сокольская, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. Л. Башинджагян, К. Е. Батьков и другие. Альбедо в эксперименте АТИК: результаты измерений и моделирования. Ядерная физика 68(7), 1225-1232

(2005).

[9] Panov, A. D., Adams, J. Н., Ahn, Н. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E.; et al. The energy spectra of heavy nuclei measured by the ATIC experiment. Advances in Space Research (2005). doi:10.1016/j.asr.2005.07.040.

к исполнению 26/02/2006 Исполнено 26/02/2006

Заказ № 106 Тираж: 100 экз.

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56 (495) 747-64-70 www.autoreferat.ru

4&D

*31t

Введение

1 Обзор существующих экспериментов

1.1 Калориметрическая методика.

1.1.1 Эксперименты на спутниках "Протон".

1.1.2 Эксперимент "Сокол"

1.1.3 Эксперимент TIC.

1.2 Рентгеноэмульсионные камеры.

1.2.1 Эксперимент MUBEE.

1.2.2 Эксперимент JACEE.

1.2.3 Эксперимент RUNJOB.

1.3 Черенковские счётчики.

1.3.1 Эксперимент НЕАО-3-С2.

1.4 Рентгеновское переходное излучение.

1.4.1 Эксперимент CRN.

1.4.2 Эксперимент TRACER.

2 Описание эксперимента ATIC

2.1 BGO калориметр.

2.2 Графитовая мишень. 2.3 Сцинтилляционные годоскопы.

2.4 Кремниевая матрица.

2.5 Калибровка детекторов прибора.

2.5.1 Калибровка кристаллов ЕЮС) калориметра.

2.5.2 Калибровка годоскопических сцинтилляторов

2.5.3 Калибровка детекторов кремниевой матрицы.

2.6 Экспозиции в стратосфере.

2.7 Результаты.

2.7.1 Зарядовые спектры.

2.7.2 Спектры энерговыделений.

3 Переход к первичным спектрам

3.1 Построение матрицы отклика.

3.1.1 Моделирование.

3.2 Восстановление энергетических спектров.

3.2.1 Метод сдвига.

3.2.2 Методы решения обратной задачи.

3.2.3 Сравнение методов.

4 Энергетические спектры средних и тяжёлых ядер

4.1 Абсолютные нормировки

4.1.1 Геометрический фактор.

4.1.2 Время экспозиции.

4.1.3 Эффективность алгоритма реконструкции событий

4.1.4 Поправка на отбор событий в данную зарядовую группуЮЗ

4.1.5 Вычисление интенсивностей на границе атмосферы

4.2 Энергетические спектры.

4.2.1 Сравнение с литературными данными.

Актуальность работы

Исследование космических лучей высокой энергии позволяет решить ряд фундаментальных задач, связанных с процессами, происходящими в источниках частиц космических лучей, а также со структурой магнитных полей в Галактике. В частности, необходимо знать энергетические спектры различных элементов первичных космических лучей с хорошей статистической точностью и методической надёжностью.

Однако, в результате многочисленных экспериментов, выполненных в области энергий больше 100 ГэВ, были получены противоречивые данные по спектральным индексам основных элементов космических лучей, по которым нельзя составить согласованной картины процессов, происходящих в источниках космических лучей и при их распространении к Земле. В связи с этим появилась потребность в детекторах нового поколения, одним из которых является спектрометр ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter), разработанный и построенный коллаборацией из нескольких научных групп США с участием НИИЯФ МГУ.

Аппаратура прибора содержит две новые технологии: полностью активный висмуто-германиевый калориметр (для измерения энергии каскада) и высокосегментированную матрицу кремниевых детекторов (для определения заряда первичной частицы).

Использование новых приборов позволяет выполнять измерения в широком диапазоне энергий и зарядов с помощью одного инструмента. В рамках этого эксперимента предполагается решить следующие задачи:

1. Измерить элементные спектры ядер ПКЛ от протонов до железа в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ.

2. Определить, отличаются ли спектры протонов от спектров гелия и остальных ядер.

3. Определить, имеет ли спектр протонов особенность в области энергий > 1ТэВ.

4. Точно измерить отношение потоков Н/Не как функцию энергии.

5. Определить, различаются ли между собой наклоны спектров тяжёлых ядер.

Настоящая работа является составной частью проекта ATIC. Цель работы

Целью данной работы является определение энергетических спектров средних и тяжёлых ядер первичных космических лучей в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ с использованием полученных в эксперименте ATIC спектров энерговыделений. Для решения этой задачи необходимо:

1. Выполнить моделирование отклика спектрометра ATIC на прохождение в апертуре прибора различных ядер первичных космических лучей (С, О, Ne, Mg, Si и Fe).

2. Решить задачу восстановления энергетических спектров первичных космических лучей по измеренным спектрам энерговыделений в калориметре с использованием аппаратных функций, полученных в результате моделирования отклика прибора методом Монте Карло. Проблема относится к классу обратных некорректно поставленных задач.

3. Исследовать стабильность решения обратной задачи путём сравнения различных методов восстановления энергетических спектров.

4. Исследовать возможность описания полученных результатов в рамках существующих моделей спектров космических лучей в источниках и моделей зависимости времени жизни космических лучей в Галактике от магнитной жёсткости частиц первичных космических лучей.

Научная новизна и практическая ценность работы

1. Научная значимость работы состоит в расширении области детальных экспериментальных данных для энергетических спектров ядер тяжелее лития от ЗбГэВ на нуклон (измеренной в эксперименте НЕАО-3-С2) до 1 ТэВ на нуклон.

2. Практическая значимость работы состоит в том, что результаты моделирования функций отклика прибора, фрагментации потока первичных космических лучей в остаточной атмосфере, а также разработанные автором методы решения обратной задачи могут быть использованы для дальнейших исследований участниками коллабо-рации АТ1С.

3. Новые результаты по спектрам средних и тяжёлых ядер, а также другие имеющиеся данные могут стать базой для создания новых, более реалистических, моделей образования галактических спектров.

Личный вклад автора

1. Создана математическая модель спектрометра ATIC и разработан комплекс программ на основе пакета FLUKA, позволяющий моделировать процессы, сопровождающие прохождение ядер через спектрометр ATIC.

2. С использованием созданной математической модели вычислены матрицы отклика спектрометра ATIC на прохождение средних (С, О) и тяжёлых (Ne, Mg, Si, Fe) ядер первичных космических лучей в апертуре прибора. Моделирование производилось на 50 современных процессорах в течение 15 месяцев. Для расчётов использовались технологии распределённых (GRID) и параллельных (MPI) вычислений.

3. Разработан комплекс программ для решения задачи восстановления энергетических спектров из спектров энерговыделений с использованием метода сдвига и метода последовательных приближений.

4. С использованием пакета FLUKA решена задача о фрагментации потока первичных космических лучей в остаточной атмосфере. На основе полученных вероятностей фрагментации вычислены коэффициенты, позволяющие определить абсолютные потоки ядер на границе атмосферы.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Математическая компьютерная модель спектрометра ATIC, созданная на базе программной системы FLUKA, и методы расчёта отклика спектрометра на частицы первичных космических лучей.

2. Результаты моделирования отклика спектрометра ATIC на средние и тяжёлые ядра (С, О, Ne, Mg, Si и Fe).

3. Решение обратной задачи по восстановлению энергетических спектров средних и тяжёлых ядер из измеренных в эксперименте ATIC спектров энерговыделений.

4. Решение задачи о фрагментации потока космических лучей в остаточной атмосфере.

5. Энергетические спектры средних и тяжёлых ядер в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ, восстановленные из спектров энерговыделений, полученных в стратосферном полёте спектрометра ATIC.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИЯФ МГУ, на Ломоносовских чтениях в 2002, 2003 и 2004 г.г., а также на следующих конференциях:

1. 29th International Cosmic Ray Conference (Пуне, Индия, 2005);

2. 28-я Всероссийская конференция по космическим лучам (Москва, Россия, 2004);

3. 35th COS PAR Scientific Assembly (Париж, Франция, 2003);

4. 28th International Cosmic Ray Conference (Цукуба, Япония, 2003);

5. 18-й Европейский симпозиум по космическим лучам (Москва, Россия, 2002).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Заключение

1. На основе программного пакета FLUKA разработан программный комплекс для расчёта функций отклика спектрометра ATIC на падающие в апертуру прибора первичные ядра.

2. С хорошей статистикой произведено моделирование матриц отклика спектрометра ATIC на средние и тяжёлые ядра (С, О, Ne, Mg, Si и Fe). Для моделирования были использованы самые передовые на сегодняшний день технологии распределённых (GRID) и параллельных (кластеры MPI) вычислений.

3. Исследованы разные методы восстановления энергетических спектров из измеренных спектров энерговыделений для ядер С, О, Ne, Mg, Si и Fe.

4. Решена задача о фрагментации потока космических лучей в остаточной атмосфере.

5. Построены энергетические спектры средних (С, О) и тяжёлых (Ne, Mg, Si, Fe) ядер в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ и выполнен анализ полученных результатов.

Благодарности

Я выражаю искреннюю благодарность моему научному руководителю Виктору Ивановичу Зацепину, а также Наталье Владимировне Сокольской и Александру Дмитриевичу Панову за постоянное внимание, ценные советы и полезные замечания при написании этой работы.

Отдельное спасибо моим родителям и тебе, Женя, за огромную поддержку и заботу, просто за то, что вы есть.

1. В. И. Зацепин, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. JL Башинджагян, К. Е. Бать-ков и другие. Зарядовое разрешение в эксперименте АТИК. Известия РАН: серия физическая 66(11), 1631-1633 (2002).

2. АТИК. Труды четвёртой баксанской молодёж7юй школы экспериментальной и теоретической физики. Под редакцией А. А. Петрухина и М. X. Хоконова, 1-4 (КБГУ, Нальчик, 2003).

3. В. И. Зацепин, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. JI. Башинджагян, К. Е. Бать-ков и другие. Энергетические спектры и зарядовый состав галактических космических лучей, измеренные в эксперименте АТИК-2. Известия РАН. Серия Физическая. 68(11), 1593-1595 (2004).

4. H. В. Сокольская, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. JI. Башинджагян, К. Е. Батьков и другие. Альбедо в эксперименте АТИК: результаты измерений и моделирования. Ядерная физика 68(7), 1225-1232 (2005).

5. Panov, A. D., Adams, J. Н., Ahn, Н. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E., et al. The energy spectra of heavy nuclei measured by the ATIC experiment. Advances in Space Research (2005). doi:10.1016/j.asr.2005.07.040.

6. Guzik, T. G., Ahn, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Chang, J., et al. The ATIC Long Duration Balloon Project. Advances in Space Research 33, 1763-1770 (2004). doi:10.1016/j.asr.2003.05.018.

7. Ahn, H. S., Adams, J. H., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E., et al. ATIC Experiment: Flight Data Processing. In Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference, volume 4, 2109-2112 (Universal Academy Press, Tsukuba, Japan, 2003).

8. Н. JI. Григоров, В. Е. Нестеров, И. Д. Рапопорт и др. Изучение энергетического спектра первичных космических лучей высокой и сверхвысокой энергий на космических станциях "Протон". Ядерная физика 11(5), 1058-1069 (1970).

9. В. В. Акимов, Н. JI. Григоров, Н. А. Мамонтова и др. О нерегулярности в спектре первичных космических лучей в области энергий 1012 эВ. Известия АН СССР, серия физическая 35, 2439-2442 (1971).

10. Н. JI. Григоров, В. Е. Нестеров, В. JI. Пряхин и др. Энергетический спектр а-частиц первичных космических лучей в области высоких энергий по данным измерений на ИСЗ "Протон". Известия АН СССР, серия физическая 35, 2443-2445 (1971).

11. N. L. Grigorov, V. Е. Nesterov et al. Study of energy spectra of primary Cosmic Rays at very high energies on the "Proton" series of satellites. Space Research 12, 1617 (1972).

12. Григоров, H. JI. Изучение космических лучей высокой и сверхвысокой энергии на ИСЗ. Ядерная физика 51(1), 157 (1990).

13. Vernov, S. N., Kumpan, I. P., et al. Device for investigation of high energy primary cosmic rays. In Proceedings of the 17th International Cosmic Ray Conference, volume 8, 49 (Paris, Prance, 1981).

14. Fasso, A., Ferrari, A., Ranft, J., and Sala, P. FLUKA: present status and future developments. In Proc. IV Int. Conf. on Calorimetry in High Energy Physics, Menzione, A. and Scribano, A., editors, 493-502 (World Scientific, La Biodola (Italy), 1993).

15. В. И. Зацепин, Т. В. Лазарева, Г. П. Сажина, Н. В. Сокольская. Энергетические спектры и состав космических лучей в области энергий выше 10 ТэВ на частицу. Ядерная физика 57(4), 684-689 (1994).

16. Burnett, Т. Н., Dake, S., Fuki, М., Gregory, J., et al. JACEE emulsion chambers for studying the energy spectra of high-energy cosmic ray protons and helium. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 251, 583-595 (1986).

17. K. Asakimori, Т. H. Burnettd, M. L. Cherryb et al. Energy spectra and elemental composition of nuclei above 100 TeV from a series of the JACEE Balloon Flight, astro-ph/9509091 (1991).

18. Asakimori, K., Burnettd, Т. H., Cherryb, M. L., et al. Cosmic Ray Proton and Helium spectra — results from the JACEE experiment. The Astrophysical Journal 502, 278A (1998).

19. Takahashi, Y. Elemental abundance of high energy cosmic rays. Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 60B, 83-92 (1998).

20. Asakimori, K., Burnett, T. H., Cherry, M. L., Christl, M. J., Wefel, J. P., et al. Tickling the Knee with JACEE. In Proceedings of the 23rd International Cosmic Ray Conference, volume 4, 708-711 (The University of Calgary, Calgary, Canada, 1993).

21. Asakimori, K. et al. Energy spectra and composition of cosmic rays above 1 TeV per nucleon. In Proceedings of the 22nd International Cosmic Ray Conference, volume 2, 57 (Dublin, Ireland, 1991).

22. Biermann, P. L. Cosmic rays: origin and acceleration. What we can learn from radioastronomy. In Proceedings of the 23rd International Cosmic Ray Conference, 45-83 (World Scientific, Calgary, Alberta, Canada, 1993).

23. Engelmann, J. J., Ferrando, P., Soutoul, A., Goret, P., et al. Charge composition and energy spectra of cosmic-ray nuclei for elements from Be to Ni. Results from HEAO-3-C2. Astron. Astrophys 1(233), 96-111 (1990).

24. Gaisser, T. K. Cosmic rays and particle physics. Cambridge University Press, Cambridge, (1990).

25. Müller, D., Grunsfeld, J., L'Heureux, J., et al. The composition of the arriving cosmic flux at TeV energies and beyond. In Proceedings of the 22nd International Cosmic Ray Conference, volume 2, 25-28 (Universal Academy Press, Adelaide, 1990).

26. Swordy, S. P., L'Heureux, J., Müller, D., and Meyer, P. Measurements of x-ray transition radiation from plastic fibers. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 193, 591-596 (1982).

27. Müller, D., Swordy, S. P., Meyer, P., L'Heureux, Jacques, and Grunsfeld, J. M. Energy spectra and composition of primary cosmic rays. The Astrophysical Journal 374, 356-365, June (1991).

28. Müller, D., Ave, M., Boyle, P., Gahbauer, F., Hoppner, C., Horandel, J., and Ichimura, M. Measurements with tracer: Discussion of results and future prospects. In Proceedings of the 29th International Cosmic Ray Conference (Pune, India, 2005).

29. Wang, J. Z., Seo, E. S., Adams, J. H., et al. Cosmic-ray shower simulation and reconstruction for the ATIC experiment. In 25th International Cosmic Ray Conference (Durban, South Africa, 1995).

30. Seo, E. S., Adams, J. H., Bashindzhagyan, G. L., et al. Advanced Thin Ionization Calorimeter (ATIC) balloon experiment: expected performance. In SPIE (Colorado, USA, 1996).

31. Adams, J. J., Ampe, J., Bashindzhagyan, G., et al. The CR-1 chip: custom VLSI circuitry for cosmic rays. In Proceedings of the 26th International Cosmic Ray Conference, volume 5, 67-71 (Salt Lake City, USA, 1999).

32. Савин, А. А. Адрно-электорнная сепарация с помощью кремниевых1.детекторов в калориметре установки ЦОИС. Диссертация, МГУ имени М. В. Ломоносова, Москва, (1993).

33. Дж. Адаме, Г.Л. Башинджагян, В.И. Зацепин, М.М. Меркин, М.И. Па-насюк, Г.А. Самсонов, Н.В. Сокольская и Л.А. Хейн. Матрица кремниевых детекторов как детектор заряда в эксперименте АТИК. Приборы и техника эксперимента 4(4), 38-44 (2001).

34. Бабенко, В. В. Измерение характеристик и моделирование зарядового разрешения элементов кремниевой матрицы для эксперимента ATIC. Дипломная работа, МГУ имени М. В. Ломоносова, (1999).

35. Худсон, Д. Статистика для физиков. Мир, Москва, (1970).

36. А.Н. Тихонов, В. А. Методы решения некорректных задач. Наука, Москва, (1979).

37. Ranft, J. The physics models of FLUKA: status and recent developments. In Computing in High Energy and Nuclear Physics 2003 Conference (CHEP2003), volume C0303241 (eCONF, La Jolla, California, USA, 2003). arXiv:hep-ph/0306267.

38. Empl, A., Fass6, A., Ferrari, A., Ranft, J., and Sala, P. R. Progress and applications of FLUKA. In electronic proceedings of 12th RPSD Topical Meeting (American Nuclear Society, Santa Fe, New Mexico, USA, 2002). ISBN 8-89448-667-5.

39. Ferrari, A., Sala, P. R., Fassb, A., and Ranft, J. FLUKA user manual INFN, CERN, (2005). http://www.fluka.org.

40. Беклемишев, Д. В. Дополнительные главы линейной алгебры. Наука, Москва, (1983).

41. М. П. Лапчик, М. И. Рагулина, Е. К. Хеннер. Численные методы. Академия, Москва, (2004).

42. Batkov, К. Е., Panov, A. D., et al. Deconvolution of energy spectra in the ATIC experiment. In Proceedings of the 29th International Cosmic Ray Conference (Pune, India, 2005).

43. Батьков, К. Моделирование энергетического отклика спектрометра АТИК. Дипломная работа, МГУ имени М. В. Ломоносова, (2002).

44. Мурзин, В. С. Физика космических лучей. Издательство Московского Университета, Москва, (1970).

45. Wefel, J. P., Adams, J. H., Ahn, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E., et al. Energy spectra of H and He from the ATIC-2 experiment.

46. Proceedings of the 29th International Cosmic Ray Conference (Pune, India, 2005).

47. В. А. Березовская, В. И. Галкин, Р. А. Мухамедшин, И. В. Ракоболь-ская, Т. М. Роганова, JI. Г. Свешникова, И. В. Яшин. Моделирование энергетических спектров различных первичных ядер в атмосфере на глубине Юг/см2. Препринт НИИЯФ МГУ-97-43/494 (1997).

48. Ю.А. Глаголев. Справочник по физическим параметрам атмосферы. Гидрометеорологическое издательство, Ленинград, (1970). Под редакцией д.т.н. А.А. Кмито.

49. Osborn, J. L. and Ptuskin, V. S. Cosmic-ray reacceleration in the interstellar medium. Sov. Astron. Lett. 14(2), 132-134 (1988).

50. Swordy, S. P. Expectations for cosmic ray composition changes in the region 1014 to 1016 eV. In Proceedings of the 24th International Cosmic Ray Conference, volume 2, 697-700 (INFN, Roma, Italy, 1995).

51. В. Л. Гинзбург, С. И. Сыроватский. Происхождение космических лучей. Издательство Академии наук СССР, Москва, (1963).

52. Boezio, М., Carlson, P., Franeke, Т., Weber, N., et al. The cosmic ray antiproton flux between 0.62 GeV and 3.19 GeV measured near solar minimum activity. The Astrophysical Journal 487, 415-423, January (1997).