Методика измерения энергетического спектра первичного космического излучения в области энергий свыше 1016 эВ с помощью аэростатной установки "Сфера" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

_ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА_

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 537.591.15

Петрова Елена Алексеевна

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ПЕРВИЧНОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГИЙ СВЫШЕ 1016 ЭВ С ПОМОЩЬЮ АЭРОСТАТНОЙ УСТАНОВКИ "СФЕРА"

01.04.23 — физика высоких энергий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель — доктор физико-математических наук P.A. Антонов

МОСКВА 1998 Су

Оглавление

Введение 3

1 Энергетический спектр первичного космического излучения 8

1.1 Особенности энергетического спектра первичного космического излучения . ........„................................8

1.2 Экспериментальное измерение энергетического спектра ПКЛ 12

1.3 Метод измерения полного потока черенковского света ... 18

1.4 Проекты будущих экспериментов .............................20

2 Описание установки СФЕРА 25

2.1 Детекторы света .. ...............................................25

2.2 Измерительная аппаратура......................................28

2.2.1 Микрокомпьютер........................................31

2.2.2 Измерительные каналы..................................31

2.2.3 Блок питания ............................................34

2.3 Калибровка детекторов света..................................35

2.3.1 Квантовая эффективность ФЭУ......*............35

2.3.2 Коэффициент усиления ФЭУ ................42

2.3.3 Относительная калибровка детекторов света .... 46

2.4 Алгоритм автоматического управления работой аппаратуры 49

2.4.1 Контроль параметров работы установки..............51

2.4.2 Контроль за порогами срабатывания каналов .... 53

2.5 Выводы.............................. 54

3 Моделирование работы установки 55

3.1 Процедура моделирования искусственных событий..........55

3.1.1 Амплитуда сигнала в детекторе........................56

3.1.2 Учет сферической аберрации зеркала ................59

3.1.3 Время прихода света в детектор ....................62

3.1.4 Учет флуктуаций........................................64

3.1.5 Наложение аппаратурных критериев отбора..........66

3.2 Моделирование моноэнергетичных событий..................67 •

3.2.1 Эффективная площадь регистрации..................69

3.3 Моделирование энергетического спектра......................69

3.3.1 Переход к первичной энергии..........................70

3.3.2 Эффективный телесный угол установки..............73

3.4 Выводы..................................................77

4 Экспериментальные данные 78

4.1 Условия проведения эксперимента ............................78

4.1.1 Программа измерений....................................78

4.1.2 Контроль параметров работы установки..............82

4.1.3 Средний световой фон ..................................85

> ■. 4.2 * Амплитудные спектры .........................................86

4.3 Энергетический спектр..................... 89

4.3.1 Погрешность в определении первичной энергии ... 92

\

4.4 Фоновые события . .........\ . ■......•....... 94

4.5 Данные, полученные при условии М2.............100

4.6 Выводы..............................106

Заключение 110

Литература 113

Введение

Изучение особенностей энергетического спектра первичных космических лучей (ПКЛ) является важным для понимания особенностей условий происхождения и распространения космических лучей в межзвездном пространстве. Однако, имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные об энергетическом спектре ПКЛ в диапазоне энергий 1015 — 1019 эВ недостаточно хорошо согласуются друг с другом. В связи с этим представляется актуальным развитие нового метода, позволяющего измерять энергетический спектр в широком диапазоне энергий.

Настоящая работа посвящена практической реализации нового, ранее не использовавшегося1 метода измерения энергетического спектра первичного космического излучения путем регистрации потока черепковского света широких атмосферных ливней (ШАЛ), отраженного от заснеженной поверхности земли, с помощью прибора, поднятого над ней

на некоторую высоту на привязном аэростате. Этот метод является ка-

\

лориметрическим, в качестве калориметра используется вся толща атмосферы. Используя этот метод, можно обеспечить большую эффективную площадь регистрации с помощью компактного недорогого прибора. В отличие от наземных установок, регистрирующих черенковский свет с помощью ограниченного числа детекторов, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, в данном методе собирается весь черенковский свет ливня. Это уменьшает зависимость результатов от формы функции пространственного распределения черенковского света и ее флуктуаций.

Общее описание работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. В диссертации содержится 120 страниц, 36 рисунков, 4 таблицы. Библиография содержит 64 наименования. По теме диссертации опубликовано 5 работ. Их перечень приведен в заключении диссертации.

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель работы и изложена структура диссертации. Определен личный вклад автора в работу, новизна и практическая ценность исследования.

В первой главе кратко представлен астрофизический аспект темы изучения особенностей энергетического спектра первичного космического излучения в области энергий свыше 1015 эВ. Дан обзор методов изучения энергетического спектра первичных космических лучей (ПКЛ) при сверхвысоких энергиях, приведено краткое описание существующих установок, регистрирующих различные компоненты ШАЛ. Описан метод измерения полного потока черенковского света ШАЛ, применяемый в настоящей работе. Указаны его основные достоинства и трудности. Приведено описание новых разрабатвтающихся методов и проектов установок для регистрации частиц ПКИ предельно высоких энергий, отмечена возможность использования установки СФЕРА в качестве прототипа спутниковой установки.

Вторая глава содержит описание аэростатной установки СФЕРА, све-топриемников и измерительной аппаратуры. Приведены описание и результаты калибровочных измерений, проведенных с детекторами света. Описана процедура автоматического управления работой установки.

В третьей главе описана процедура моделирования работы аэростатной установки СФЕРА, поднятой на высоту Я = 1 км над снежной поверхностью земли и регистрирующей черенковский свет ШАЛ, отраженный от снега под установкой. Приведены основные результаты расчетов. Найдены эффективность регистрации событий, эффективные телесный

угол зрения и площадь регистрации установки, соотношения для перехода от' регистрируемых установкой потоков света к энергетическому спектру ПК Л.

В четвертой главе представлены результаты проведенных в феврале 1998 г. измерений энергетического спектра ПКЛ путем регистрации потока черенковского света ШАЛ с помощью установки СФЕРА, поднятой на привязном аэростате над заснеженной поверхностью земли на высоту 1 км. Описаны условия проведения измерений и параметры работы аппаратуры. Проведено сравнение полученных результатов с результатами других исследований.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

Актуальность диссертации состоит в том, что изучение особенностей энергетического спектра ПКЛ является важным для решения ряда астрофизических проблем: природы излома спектра в районе 3-Ю15 эВ, проблемы возможного изменения химического состава ПКЛ при энергиях в районе и за изломом в энергетическом спектре ПКЛ, а также для продвижения в изучении деталей механизма ускорения и распространения космических лучей в межзвездном пространстве. Однако, имеющиеся в настоящее время экспериментальные данные об энергетическом спектре ПКИ в диапазоне энергий 1015 — 1019 эВ недостаточно хорошо согласуются друг с другом. В связи с этим представляется актуальным развитие нового метода, позволяющего измерять энергетический спектр в широком диапазоне энергий.

Новизна работы. Реализована методика и впервые проведены аэростатные измерения энергетического спектра ПКЛ путем регистрации отраженного от снежного покрова земли черенковского света ШАЛ с помощью аэростатной установки, поднятой над землей на высоту 1 км.

Научная и практическая ценность работы. Доказана работоспособ-

ность методики измерения энергетического спектра ПКЛ путем регистрации с помощью аэростатной установки-полного потока черенковского излучения ШАЛ, отраженного от снежной поверхности земли. Результаты работы могут быть использованы при проведении детальных измерений структуры энергетического спектра установкой СФЕРА. Дальнейшее развитие метода может позволить применить его к изучению особенностей энергетического спектра в области более высоких энергий, что может оказаться полезным в связи с разработкой новых спутниковых методов регистрации ПКЛ предельно высоких энергий (> Ю20 эВ).

,,, Апробация работы. Основные материалы диссертации представлялись на 25-й Российской конференции по космическим лучам (1998 г.), 16-м Европейском Симпозиуме по космическим лучам (1998 г.), 25-й Международной конференции по космическим лучам (Дурбан, 1997 г.), а также докладывались на семинаре Л.А. Кузмичева (ОИВМ НИИЯФ МГУ), на семинаре отдела космических излучений ФИАН им. П.Н. Лебедева.

Личный вклад диссертанта состоит в создании програмного обеспечения работы аэростатной установки в автоматическом режиме, в проведении расчетов по моделированию эксперимента, а также в обработке экспериментальных результатов и результатов методических измерений. Автор участвовала в экспедициях в г. Вольск для проведения аэростатного эксперимента с установкой СФЕРА. Автор принимала участие в проведении цикла методических измерений с целью анализа роли светового фона ночного неба и фона темновых событий, анализа эффективности применения светофильтров и шифтеров, а также в проведении калибровочных измерений.

На защиту выносятся: 1. Разработка алгоритма управления работой аэростатной установки в

автоматическом режиме.

2. Результаты измерений влияния светофильтров и шифтеров на возможность борьбы с фоновыми событиями.

3. Результаты расчетов по моделированию работы установки.

4. Обработка данных, полученных при подъеме установки СФЕРА с помощью привязного аэростата на высоту 1 км зимой 1998 г., и результаты первых методических измерений энергетического спектра ПКЛ в области энергий 1016 - 1017- эВ.

Глава 1

Энергетический спектр первичного космического излучения

1.1 Особенности энергетического спектра первичного космического излучения

Энергетический спектр первичных космических лучей (рис. 1.1) простирается с небольшими изменениями в показателе у степенного закона спектра более чем на десять порядков по энергии: от 109 до ~ Ю20 эВ. Энергии, при которых происходит изменение наклона спектра называются "колено", "излом" — около 3-1015 эВ — и "лодыжка", "изгиб", "дип", "бамп" — в районе ~ 1019 эВ. Интенсивность космических лучей с энергиями выше ГО9, 1016 и Ю20 эВ составляет ~ 1 см"2 с-1, ~ 1 м-2 год-1 и ~ 1 км-2 век-1 соответственно.

Существование излома в спектре ПКЛ при энергии около 3 • 1015 эВ доказано разными методами в различных лабораториях мира. Впервые излом был открыт 40 лет назад на установке ШАЛ МГУ [1]. Излом в энергетическом спектре является важной характеристикой космических лучей, отражающей особенности формирования энергетического спектра в процессах ускорения либо при их распространении. Чаще всего его природу объясняют изменением характера распространения космических дучейв галактических магнитных полях, размерами областей

26

'сь

о

о

см

< 25

Кг

<

сп

о

со

<

ш

X 1—1 24

ст>

о

__1

1_од{Энергия, эВ)

Рис. 1.1: Дифференциальный энергетический спектр частиц первичного космического излучения [2]

неоднородности магнитных полей, добавлением к диффузному дрейфового .движения космических лучей в Галактике [3]. При этом изменение показателей парциальных спектров протонов, а-частиц и более тяжелых ядер следует ожидать при одинаковой магнитной жесткости частиц. Ядерный состав космических лучей таков, что область энергий частиц с одинаковой магнитной жесткостью превосходит один порядок. Однако экспериментальные данные ограничивают область изменения показателя спектра интервалом менее одного порядка. Изменение показателей парциальных спектров при одинаковой магнитной жесткости должно приводить в обогащению первичного потока космических лучей ядрами и значительному уменьшению доли протонов в этом потоке.

Некоторые авторы объясняют регистрируемый излом в спектре изменением элементарного акта взаимодействия адронов в этой области энергий: передачей значительной доли энергии в низкоэнергетическую электронно-фотонную компоненту в результате первого взаимодействия или передачей энергии в нижней части атмосферы в результате распада длиннопробежных частиц [4]. В пользу такой гипотезы свидетельствуют некоторые экспериментальные данные [5].

Детальное изучение структуры энергетического спектра ПКЛ и возможного изменения химсостава в области энергий 1016 — 1019 эВ может дать сведения о процессах ускорения частиц и их распространения в нашей галактике и за ее пределами. В то же время эти экспериментальные данные могут прояснить вопрос о возможном изменении характера взаимодействия адронов в области энергий 1016 -1017 эВ.

В районе предельно высоких энергий, при Е0 > 1019 эВ, ожидаются характерные особенности в энергетическом спектре и анизотропии космических лучей. Если космические частицы этих энергий имеют внегалактическое происхождение, для них становится существенным процесс фотопионизации космических лучей на фотонах микроволнового

\

реликтового излучения. Таким образом, при" энергиях в несколько еди-

ниц 1019 эВ должно регистрироваться обрезание наблюдаемого спектра космических лучей, даже в том случае, если первичный спектр простирается выше

1020

эВ. Это явление "реликтового обрезания", предсказанное Г.Т. Зацепиным, В.А. Кузьминым [6] и К. Грейзеном [7]. Если же эти частицы имеют галактическое происхождение, то распределение по направлениям прихода этих частиц не должно быть изотропным, т.к. из-за большой магнитной жесткости протоны с энергией Е0 > 1019 эВ слабо отклоняются в галактических магнитных полях и направление прихода частицы должно указывать направление на ее источник.

В настоящее время надежно зарегистрированы три события с энергиями выше Ю20эВ: на Якутской установке (1.5 -Ю20 эВ) [8, 9], установках AGASA (2 - Ю20 эВ) [10] и Fly's Eye (3 • Ю20 эВ) [11]. Еще два кандидата на такие события были представлены"в 1997 г. группой AGASA [12]. Регистрация этих частиц ставит перед исследователями вопрос об их происхождении. Протон с энергией 3 • Ю20 эВ может пройти не более 30 — 50 Мпк от места своего рождения до Земли [13]. Однако в пределах допустимых расстояний в указанных этими частицами направлениях не обнаружено астрономических объектов, способных ускорять частицы до таких гигантских энергий.

Происхождение этих частиц также можно объяснять "высыпанием" частиц "великого объединения" с массой 1024 эВ из "топологических дефектов", ожидаемых в космологической теории [14]. В качестве таких "дефектов" рассматривают магнитные монополи, космические струны, сверхпроводящие струны и т.д. Одним из следствий этой теории является предсказание "провала" в энергетическом спектре в районе Ю20 эВ и его последующее продолжение до энергий порядка ~ 1024 эВ [15].

1.2 Экспериментальное измерение энергетического спектра ПКЛ

Частицы космического излучения с энергиями выше 1012 — 1015 эВ регистрируются большими наземными установками по широким атмосферным ливням, порождаемым частицами в толще атмосферы Земли. Установки регистрируют различные компоненты ШАЛ: электронно-фотонную, мюонную и адронную компоненты, черенковский свет, ионизационное свечение, радиоизлучение ШАЛ [16]. В последнее время для комплексного исследования ШАЛ на одной территории размещают несколько установок, регистрирующих различные компоненты ШАЛ. Каждая установка может работать как независимо, так и по общему для всех установок комплекса триггерному условию. Таковы, например, установки HEGRA [17] на Канарских островах и комплекс установок в штате Юта, США (CASA, MIA, HiRes, DICE) [18].

Самой большой наземной установкой на сегодняшний день является японская установка AG ASA (Akeno Giant Air Shower Array) в Акено [2]. На площади 100 км2 на расстоянии примерно 1 км друг от друга расположены 111 детекторов. Каждый детектор состоит из пластического сцинтиллятора площадью 2.2 м2, обозреваемого одним фотоумножителем Hamamatsu R1512 с диаметром фотокатода 125 мм. Установка регистрирует частицы ПКЛ на протяжении более пяти порядков по энергии: от 3 • 1014 до Ю20 эВ.

Оценка первичной энергии частиц от 3 • 1014 до 1018 эВ базируется на измерении спектра ливней по числу заряженных частиц Ne установкой Акено-1 км2 (Al), расположенной в южной части установки AG AS А. Установка Al состоит из 156 сцинтилляционных детекторов площадью 1 м2 (до 1984 года было еще шесть детекторов площадью 2.25 м2), распределенных по площади 1 км2 на расстоянии 120 м друг от друга. Также существуют три района размером 90 х 90 м2, где детекторы распол�