Система сбора и обработки данных экспериментального комплекса невод-декор тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

ШУТЕНКО Виктор Викторович

СИСТЕМА СБОРА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА НЕВОД-ДЕКОР

01.04.01 ~ приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

11110111

ООЗ158781

Москва, 2007

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете).

Научный руководитель. доктор физико-математических наук,

профессор

Петрухин Анатолий Афанасьевич, МИФИ, г. Москва

Официальные оппоненты. доктор физико-математических наук,

зав. лабораторией Кузьмичев Леонид Александрович, НИИЯФ МГУ, г. Москва

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Мальгин Алексей Семенович, ИЯИ РАН, г. Москва

Ведущая организация: Государственный научный центр РФ

"Институт физики высоких энергий"

Защита состоится «24» октября 2007 г. в {Ó час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.130 07 в МИФИ по адресу 115409, Москва, Каширское шоссе, дом 31, телефон 324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан «20» сентября 2007 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математическихна^к*_

профессор В.В.Дмитренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность

Современные физические установки представляют собой дорогостоящие многоцелевые крупномасштабные

экспериментальные комплексы, состоящие ■ из различных детекторов, и эффективность их использования в значительной степени определяется качеством программно-аппаратных систем сбора, анализа и последующей обработки получаемой информации

НЕВОД-ДЕКОР является именно таким экспериментальным комплексом, объединяющим два крупных, дополняющих друг друга детектора: уеренковский водный калориметр НЕВОД и координатный детектор ДЕКОР. Комплекс предназначен для проведения исследований основных компонент космических лучей на поверхности Земли во всём интервале зенитных углов, а именно: в интервале углов 0° + -60° - потоков мюонов и широких атмосферных ливней, 60° - 90° - одиночных мюонов и их групп; 90° - 180° - мюонов альбедо и от нейтринных взаимодействий. В 1994 году решением Минпромнауки РФ экспериментальный комплекс НЕВОД включён в перечень уникальных научных установок и стендов национальной значимости (per. № 01-63).

Естественно, создание такого комплекса потребовало решения многих физических, методических и программных задач, связанных, во-первых, с проблемами стыковки разнородных детекторов, распределённых в пространстве, во-вторых, быстрого отбора, записи и хранения большого объёма экспериментальной информации, в-третьих, организации оперативного on-line контроля работы установок и качества записываемой Информации; в-четвертых, оперативной реконструкции регистрируемых событий в режиме on-line для эффективного предварительного отбора событий в условиях высокого фона. Отдельной задачей явилась разработка методов, создание алгоритмов и подготовка комплекса программ для off-line обработки.

Данная работа проводилась в рамках заданий тематического плана НИР МИФИ, заданий Минобразования РФ и государственных контрактов с Минпромнауки РФ и Роснауки

Цель работы

Разработка и создание аппаратно-программного комплекса, обеспечивающего совместную работу двух разнородных детекторов: водного черенковского (НЕВОД) и координатного (ДЕКОР), -оперативный анализ и отбор событий в режиме on-line и последующую их off-line обработку Разработка и развитие специализированных методов и алгоритмов обработки и моделирования данных детекторов комплекса.

Научная новизна

1. Впервые разработаны алгоритмы и созданы программные средства для получения физических данных с черенковского водного детектора, созданного на базе квазисферических модулей, и координатно-трекового детектора из стримерных трубок, которые регистрируют основные компоненты космических лучей на поверхности Земли

2. С помощью созданных программных средств получены следующие новые результаты:

- впервые с хорошей статистической точностью измерено угловое распределение мюонов космических лучей под большими зенитными углами, включая альбедные мюоны,

- впервые измерены распределения характеристик групп мюонов под большими зенитными углами в широком диапазоне множественностей от 2 до 100 частиц,

- показана возможность достижения фактора режекции мюонов из верхней полусферы на уровне Ю10, который обеспечивает выделение нейтринных событий из нижней полусферы на поверхности Земли.

Научная и практическая ценность

1. Созданная система сбора и обработки данных экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР позволила провести в 1997-2007, гг. более десяти длительных измерительных серий, зарегистрировать и обработать сотни миллионов событий и обеспечила постоянное расширение круга задач проводимых исследований.

2 Разработанные алгоритмы и программы широко используются в учебном процессе при проведении учебно-исследовательских, курсовых и дипломных работ и в подготовке аспирантов.

3 Разработанные подходы и алгоритмы могут быть использованы в других физических установках, а также при проектировании новых.

Личный вклад автора

Автор участвовал в разработке и создании практически всех аппаратных средств комплекса. Все специализированное программное обеспечение для проведения экспериментальных измерений было разработано и создано лично автором или под его руководством. Лично автором были разработаны и созданы основные программные средства для обработки экспериментальных данных, программы моделирования, методы и алгоритмы реконструкции треков и отбора событий. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов и в получении физических результатов

Автор защищает

I. Структуру и логику программно-аппаратного обеспечения

экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР. 2 Комплекс программ, обеспечивших высокую эффективность

набора данных в режиме on-line. 3. Комплекс программ для обработки данных в режиме off-line.

4 Набор методов и алгоритмов реконструкции треков и отбора событий, которые позволили получить новые физические результаты

5 Программы и результаты моделирования отклика детекторов, которые позволили оценить уровень достоверности полученных результатов

Апробация работы и публикации

Результаты работы были доложены на российских и международных конференциях: Всероссийской конференции по

космическим лучам (BKKJI 2000, 2002, 2004, 2006), Европейском симпозиуме по космическим лучам (ECRS 2002, 2004, 2006), Международной конференции по космическим лучам (ICRC 1997, 1999, 2003, 2005), опубликованы в их трудах, а также в 12 журнальных статьях (1997-2005), перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы Объем диссертации: 134 стр., 90 рис , 19 табл , 31 наименование цитируемой литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении кратко рассматриваются схемы построения систем сбора данных на крупных физических установках.

По способу объединения детектирующих элементов выделяются два типа установок* компактные, использующие проводные соединения, и распределенные, использующие радиосвязь. Различаются также и типы установок: единые и кластерные. В единых установках возможно формирование единого триггерного сигнала, используя сигналы от входящих в ее состав детекторов Кластерные установки не имеют единой триггерной системы, каждый кластер собирает данные с детекторов, используя локальную триггерную систему. В качестве примеров рассматриваются три установки: большой жидкоаргоновый спектрометр БАРС, установка KASCADE и эксперимент ALTA. Общим в организации систем сбора данных на этих установках является: параллельный съем информации, маркировка событий и их буферизация, сборка событий eventbuilder-сервером. Использование системы глобального позиционирования GPS при организации временных меток событий позволяет формировать установки, состоящие из удаленных друг от друга кластеров. Доступ к данным эксперимента организуется в режиме клиент-сервер. Несмотря на общие черты, каждая крупная установка представляет собой достаточно уникальный физический объект и требует разработки собственного программно-аппаратного решения,

предназначенного для реализации поставленных перед ней физических задач

Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР расположен на поверхности Земли и предназначен для исследования основных компонент космических лучей во всем диапазоне зенитных углов. Комплекс включает два основных детектора- водный черенковский калориметр (НЕВОД), созданный на базе .квазисферических модулей, и координатно-трековый детектор (ДЕКОР), а также ряд других детектирующих систем (систему калибровочных телескопов, гидроакустическую антенну, мюонный годоскоп - и т.д.) Круг решаемых физических задач расширялся по мере развития как самого комплекса, так и методов обработки получаемых экспериментальных данных Одной из первых задач являлось исследование" возможности выделения нейтринных событий из нижней полусферы в черенковском водном детекторе на поверхности Земли После добавления в состав комплекса детектора ДЕКОР были начаты прецизионные исследования потоков как одиночных, так и групп мюонов

В главе 1 дано описание детекторов экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР и рассматривается программно-аппаратное обеспечение системы сбора данных комплекса

В состав комплекса входят: черенковский водный детектор НЕВОД, система калибровочных телескопов (СКТ), состоящая из сцинтилляционных счётчиков, и координатно-трековый детектор ДЕКОР. Детектор НЕВОД представляет собой водный бассейн объемом 9x25 7x9 м3, внутри которого размещены квазисферические модули (КСМ) с фотоумножителями. Сверху бассейна и на его дне располагаются сцинтилляционные счетчики размером 20x40 см2, образующие СКТ По бокам и сверху бассейна установлены супермодули детектора ДЕКОР. Каждый супермодуль состоит из восьми плоскостей газовых стримерных трубок, с расположенными с двух сторон плоскостями стрипов, с которых производится съем наведенных от стримера сигналов. Стримерные камеры в супермодулях, расположённых по бокам бассейна, размещены вертикально, а в расположенных сверху бассейна супермодулях -горизонтально. Для работы комплекса используются, в зависимости от количества включенных в эксперимент супермодулей ДЕКОР, до 8-ми ЭВМ Центральные машины комплекса (ЦМ НЕВОД и ЦМ ДЕКОР) включены в локальную сеть комплекса Связь между ЦМ

ДЕКОР и всеми ПМ ДЕКОР осуществляется по отдельной локальной сети. Каждая периферийная ЭВМ (ПМ ДЕКОР) обслуживает по два сулермодуля ДЕКОР. На рисунке 1 приводится расположение детекторов комплекса и схема подключения ЭВМ системы сбора данных.

Рис 1. Схема размещения детекторов и подключения ЭВМ системы сбора данных комплекса НЕВОД-ДЕКОР

На программное обеспечение комплекса возлагаются следующие задачи:

- управление триггерной системой и сбор информации с детекторов комплекса;

- мониторинг регистрирующих элементов;

- контроль окружающих условий проведения эксперимента,

- операторский контроль комплекса.

В основу построения программного обеспечения было положено условие сбора данных о физическом событии со всех детекторов комплекса в едином месте, сразу после регистрации события. Для реализации этого уеловия используются две локальные сети Ethernet. Диалог между ЭВМ комплекса осуществляется по принципу "запрос-ответ". ЭВМ комплекса выполняют следующие функции:

- шесть ПМ ДЕКОР - осуществляют мониторинг и сбор данных с супермодулей ДЕКОР;

- ЦМ ДЕКОР - управляет триггерной системой ДЕКОР, запрашивает и собирает данные с ПМ ДЕКОР;

- ЦМ НЕВОД - управляет центральной триггерной системой комплекса, собирает данные с установки НЕВОД, производит мониторинг установки НЕВОД, запрашивает и принимает данные с ЦМ ДЕКОР, сохраняет данные комплекса,

- ЭВМ контроля давления - отвечает за прием данных от датчика атмосферного давления и температуры и их рассылку по локальной сети комплекса,

- ЭВМ контроля высокого напряжения ДЕКОР - отвечает за прием данных от источника высоковольтного питания ДЕКОР и их рассылку по локальной сети комплекса;

- любая машина локальной сети комплекса — позволяет осуществлять операторский контроль во время проведения эксперимента и получать информацию, рассылаемую по локальной сети компьютерами комплекса.

К аппаратной части комплекса, с которой происходит непосредственное взаимодействие программ, можно отнести следующие элементы:

- платы сбора данных с плоскостей ДЕКОР;

- триггерные платы ДЕКОР;

- интерфейсные платы плоскостей КСМ,

- центральную триггерную систему комплекса (блоки стандарта "Вектор");

- датчики атмосферного давления и температуры;

- источник высоковольтного питания ДЕКОР.

Для осуществления on-line контроля ЦМ ДЕКОР и ЦМ НЕВОД производят периодическую отправку в локальную сеть контрольной информации с данными текущего зарегистрированного события и данными мониторирования. Для отображения контрольной информации, доступной на любой пользовательской машине комплекса, используется программа on-line контроля. Приводятся г описания структурированных данных комплекса.

В главе 2 изложены алгоритмы и методы реконструкции треков одиночных частиц, зарегистрированных в НЕВОД, приведены описание моделирования отклика установки и результаты проверки методов реконструкции треков.

В первой части второй главы рассматриваются алгоритмы реконструкции треков Для реконструкции используется специфика распространения черенковского излучения и расположение в детекторе регистрирующих его ФЭУ, а также особенности конструкции квазисферических модулей. Реконструкция трека производится в два этапа, на первом определяется точка, через которую прошел трек, на втором - направление вектора трека. Рассматриваются два способа определения точки трека: без использования амплитудной информации ФЭУ и с использованием Излагаются два способа определения вектора трека- векторный, использующий связь между сработавшими ФЭУ и их положением относительно трека, и по точкам в пространстве (для каждого сработавшего КСМ на основе информации от расположенных в нем ФЭУ определяется своя точка в пространстве) Приводятся дополнительные условия, накладывающие ограничения на возможность реконструкции трека, которые основываются на информации о количестве и взаимном расположении сработавших КСМ, об амплитуде откликов ФЭУ и их расположении внутри КСМ. Излагается перечень методов реконструкции треков, основанных на различных комбинациях способов определения параметров трека и дополнительных условий.

Во второй части главы приводится описание моделирования отклика установки НЕВОД. При моделировании используются следующие элементы:

- конфигурация установки и расположение в ней регистрирующих элементов;

- описание геометрии черенковского излучения;

- процесс формирования отклика фотоэлектронного умножителя (ФЭУ),

- порядок формирования отклика установки НЕВОД по триггерным сигналам от КСМ;

- характеристики потока мюонов.

Моделирование установки НЕВОД предназначено не только для сопоставления отклика установки в модели и в эксперименте, но и получения одной из характеристик установки - светосилы Поэтому,

по возможности, учитываются все особенности, наличие обратного света от 5-электронов, шумы ФЭУ, логика срабатывания КСМ, логика формирования триггера установки НЕВОД Моделированные данные имеют тот же формат, что и экспериментальные.

В третьей части второй главы приводится проверка методов реконструкции треков с использованием экспериментальных и моделированных данных. В экспериментальных событиях, выделенных аппаратно триггером СКТ, для определения истинных параметров трека используются координаты двух сработавших сцинтилляционных счетчиков (сверху бассейна и на дне). Моделирование событий проводится с помощью имитации события СКТ, с учетом зенитного распределения потока мюонов. Проведенная проверка показывает, что лучший метод реконструкции позволяет оценивать направление реконструированного трека с точностью до 9° и его положение в пространстве с точностью до 40 см. Для оценки возможных искажений исходных угловых распределений было проведено моделирование распределения, близкого к угловому распределению потока мюонов с учетом условий регистрации, а затем эти данные были реконструированы разными методами Показано, что существенное изменение в исходные угловые распределения вносят условия регистрации и угловая зависимость светосилы, а лучшие методы искажают угловое распределение регистрируемого потока в интервале зенитных углов 10°-70° не более 20%. Приводятся зенитные и азимутальные распределения реконструированных треков, полученных в событиях, которые были выделены различными аппаратными триггерами, основанными на тригтерных сигналах КСМ

В главе 3 приводятся методы обработки данных ДЕКОР, относящиеся к реконструкции треков частиц и выделению событий с группами мюонов Отмечается, что эти методы предназначены для решения следующих физических задач: исследования потока мюонов, анализа потока групп мюонов и исследования альбедного потока мюонов. Приведено описание моделирования отклика супермодуля установки ДЕКОР.

В первой части третьей главы излагаются методы реконструкции треков частиц, алгоритм выделения трека одиночной частицы, прошедшей через два супермодуля, и методика определения относительных смещений плоскостей супермодулей ДЕКОР

Реконструкция треков проводится по следам частиц, оставленным в детекторе Используются две системы координат система координат установки НЕВОД (рис 2) и система координат супермодуля (рис 3)

1— Тор-ДЕКОР

>Z

Side-ДЕКОР +

+ * 13 □

+ +Н-

- 5 = \

X

Рис 2 Система координат комплекса НЕВОД

Рис 3 Локальные системы координат супермодулей SIDE и ТОР в системе координат НЕВОД

На рисунке 4 приведен пример зарегистрированного события (следы, оставленные частицами в боковом (SIDE) и верхнем (ТОР) супермодулях, в двух проекциях).

Проекция YZ

Проекция YX Проекция YX --Г - " - '-1

-- - " - гт_ь-.--■■- г-^--^-

SIDE TOP

Рис 4 Пример события ДЕКОР

Так как ориентация стрипов относительно стримерных камер в супермодулях SIDE и ТОР различна, то для них применяются различные способы определения координат следов частиц. Реконструкция треков проводится независимо в каждом сработавшем супермодуле. Для супермодулей SIDE определяются все проекции треков, на основе которых вычисляются параметры треков в пространстве. Для супермодулей ТОР сначала реконструируются треки в проекции YZ, а затем, используя параметры полученной проекции трека, производятся вычисления возможных координат следов в проекции YX, которые используются при определении параметров трека в этой проекции Так как проекции в супермодулях (SIDE) независимы, то для многочастичных событий нельзя однозначно определить, какие из проекций относятся к одной и той же частице. Напротив, в супермодулях ТОР проекции являются зависимыми, и для любых треков существует возможность точно определить положение и направление треков частиц в пространстве. Чтобы произвести реконструкцию треков в проекциях, используются два метода реконструкции- метод гистограммирования и метод проецирования.

Метод гистограммирования использует следующий подход - поворот координат следов и формирование гистограммы количества плоскостей, в которых есть следы. По пику в гистограмме определяются те следы, по координатам которых затем t производится линейная аппроксимация, дающая параметры проекции трека. Проекции треков по следам определяются

последовательно. Следы, которые были отнесены уже к какому-либо треку, исключаются при дальнейшем поиске треков.

Метод проецирования также использует повороты, но в отличие от метода гистограммирования, предварительно набирается массив кластеров. Кластер - набор следов, отстоящих друг от друга на расстояние, не превышающее допустимой ширины кластера. При формировании кластеров вычисляется дисперсия координат следов, входящих в него. После проведения всех поворотов, на основе дисперсии полученных кластеров, производится последовательный выбор тех кластеров, по которым будут определяться проекции треков. Как и в методе гистограммирования, следы, которые были уже отнесены к какому-либо треку, исключаются из других кластеров.

По координатам следов, отнесенных к треку, проводится линейная аппроксимация, которая дает параметры проекции трека Метод проецирования ориентирован на реконструкцию параллельных треков групп частиц, но может быть использован и при реконструкции простых треков. Приводятся результаты сравнения двух методов реконструкции при отборе кандидатов в события с группами мюонов

Далее излагается алгоритм выделения трека одиночной частицы, прошедшей через два супермодуля. Этот алгоритм обеспечивает определение параметров трека одиночной частицы (ОпеТгаск) по данным двух супермодулей. Поиск таких треков проводится по всем допустимым комбинациям супермодулей. Этот алгоритм используется при определении относительных смещений плоскостей супермодулей, анализе потока альбедных мюонов и выделении событий с группами мюонов.

Методика определения относительных смещений плоскостей супермодулей (координатная калибровка) необходима для уточнения координат следов при проведении реконструкции треков. Методика использует параметры трека одиночной частицы, пересекшей два супермодуля, и координаты сработавших в них стрипов. Смещения определяются для всех супермодулей ДЕКОР по данным, получаемым в процессе работы установки, относительно крайних (внешних) плоскостей. Результатом являются таблицы относительных Смещений, формируемые для каждой серии долговременных измерений. Эти таблицы используются при обработке данных ДЕКОР.

Во второй части третьей главы описывается моделирование отклика супермодуля ДЕКОР. Данное моделирование необходимо для оценки погрешности., реконструкции параметров трека. Для оценки "геометрической" погрешности, обусловленной дискретностью регистрирующей системы и использованием наведенных на стрипы электромагнитных сигналов, использовалась следующая модель. Трек частицы в модели представляется прямой линией, которая может пересекать чувствительный объем трубок, заполненных газовой смесью. При пересечении заряженной частицей чувствительного объема трубок, заполненных газовой смесью, возникает самогасящийся разряд (стример). Стример, в свою очередь, создает электромагнитную волну, которая наводит импульс на стрипах, расположенных по обеим сторонам трубок. В модели предполагается, что импульс возникнет лишь на тех "X"-стрипах, которые располагаются вдоль пересекаемой трубки, и на тех "У'-стрипах, которые находятся над областью пересечения трека чувствительного объёма трубок (рис. 5).

Рис 5 Прохождение заряженной частицы через плоскость супермодуля ДЕКОР Для образования стримера достаточно возникновения одного электрона ионизации. На отрезке трека, расположенного внутри области трубки, может возникнуть несколько стримеров. Затухание ' электромагнитной волны от стримера в данной модели полагается по закону 1/г3 (другие законы не позволили согласовать

моделированные и экспериментальным данные) В модели используются следующие параметры

- среднее число ионов, образующихся на треке частицы, на единицу длины;

- минимальное расстояние между двумя стримерами,

- пороги регистрации сигналов со стрипов

Настройка модели .. производилась по соответствию с экспериментальной зависимостью среднего числа сработавших стрипов в области реконструированного трека одиночной частицы. В модели учитывались относительные смещения плоскостей супермодуля Приводятся таблицы зависимостей ошибок реконструкций зенитного и азимутального углов для различных направлений треков частиц. Для околоперпендикулярных к плоскости, супермодуля направлений расчетная "геометрическая" погрешность составляет- для зенитного угла ~0 43°, для азимутального угла ~0.34° С увеличением угла относительно перпендикуляра погрешность уменьшается. Для оценки погрешности реконструкции при исследовании альбедных мюонов используется следующий подход. При обработке экспериментально полученных событий выделяются треки одиночных частиц таким же образом, что и при исследовании альбедных мюонов. Параметры трека, направление и координаты его пересечения с супермодулем, в который частица приходит перед попаданием внутрь водного объема, запоминаются. Моделирование производит имитацию прохождения частицы через этот же супермодуль, в том же направлении и в том же месте, что и в эксперименте. Несмотря на то, что по результатам моделирования погрешность оценки азимутального угла для околоперпендикулярных направлений ниже, чем зенитного, в данных эксперимента проявляется большая дополнительная погрешность в оценке азимутального угла, чем для зенитного. При этом погрешности оценки азимутального угла и погрешность оценки зенитного угла становятся близкими (-0.7°).

В третьей части главы излагаются методы выделения событий с группами мюонов в ДЕКОР. Эти события используются для исследования космических лучей в широком диапазоне энергий. Используется информация только с тех супермодулей, которые располагаются на боковых сторонах бассейна НЕВОД. Считается, что треки частиц образуют группу, если и£ направления находятся

внутри конуса 5°, этот угол учитывает как рассеяние частиц, так и точность реконструкции. Другим критерием является условие того, что треки группы должны располагаться не менее, чем в трех супермодулях. Для исследования используются группы двух типов в зависимости от зенитных углов (9) и множественности (т). группы категории 3 - 6 > 30° и ш > 3; группы категории 2 - 6 ^ 15° и пг> 10. Для уменьшения фона от низкоэнергетичных частиц сопровождения для групп категории 3 вводится ограничение и по азимутальному углу, при этом супермодули, в которые частицы вошли, минуя водный объем, не рассматриваются Напротив, для групп категории 2 ограничений по азимутальному углу и супермодулям нет. Особенности категорий групп в азимутальных углах и рассматриваемых супермодулях приводят к тому, что для выделения событий групп этих категорий применяются разные методы В обоих методах используются два этапа На первом этапе производится поиск пространственных треков, которые лежат в конусе 5°, на основе проекций предварительно реконструированных треков Так как при наличии нескольких проекций треков в одном супермодуле из них нельзя точно сформировать пространственный трек, то при поиске используются все возможные комбинации проекций треков Результатом проведения поиска является количество треков в группе, их направления в пространстве и направление группы На втором этапе на основе предварительно определенного направления группы проводится уточняющая реконструкция треков, при которой треки ищутся уже вблизи направления группы. Проводится повторный поиск группы по новым проекциям треков После проведения поиска проводится проверка на, наличие треков от частиц, пересекших два супермодуля При выделении групп категории 3 используется реконструкция треков методом проецирования. А при отборе групп категорий 2 используется и метод гистограммирования, и метод проецирования Выделенные события с группами отбираются для последующей визуальной обработки. Приводится статистика отбора групп мюонов, отобранных программно, а затем визуально, по данным, полученным в течение 2001-2006 гг. (таблица 1).

Категория групп Множественность Зенитный угол 6, ° Живое время, час Программно отобрано событий Визуально отобрано событий

2 >10 9 >75 16670 16 18570 332

3 >3 30 < 9 < 60 524 7 ' 12757 12700

3 >3 е>бо 1552 4186 4109

3 >5 в >60 6090 4 5586 4100

В главе 4 приводятся некоторые физические результаты, полученные с помощью с помощью разработанной системы сбора и обработки данных- угловое распределение потока мюонов;

- выделение нейтринных событий из нижней полусферы,

- исследование альбедного потока мюонов,

- группы мюонов под большими зенитными углами

В первой части четвертой главы приводится рассмотрение углового распределения потока мюонов, регистрируемых установкой НЕВОД. Для определения угловых характеристик потока необходимо знать зависимость светосилы установки и эффективности регистрации от зенитного угла. Для черенковского водного детектора со сложной регистрирующей системой трудно аналитически получить эти зависимости. Поэтому задача решается с помощью моделирования. Так как установка может срабатывать не только при - прохождении частиц внутри объёма ограниченного крайними модулями, но и вне его, то светосила имеет не очевидную зависимость от направления движения частиц. Приводятся зависимости полной светосилы от различных триггерных условий, с учетом и без учета шумов ФЭУ, с учетом и без учета затенения модулями черенковского света. Используя зависимость светосилы от зенитного угла, приводятся угловые зависимости потоков зарегистрированных мюонов. На основе сравнения реконструированных моделированных и экспериментальных треков определяется а - показатель степени углового спектра (соза0). На рисунке 6 приводятся угловые зависимости сравнения

реконструированных спектров, для различных наклонов а, используемых при моделировании потока.

02

01

00

с 0)

1-01 Z

-0 2

i_L

а=1 7

а=1 85

i=2 0

í Í

-+-Í-

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 cose

Рис б Сравнение модели и эксперимента для разных показателей степени углового спектра В интервале зенитных углов 0°-80° показатель степени экспериментального спектра одиночных мюонов, регистрируемых установкой НЕВОД, близок к величине 1.85.

Во второй части четвертой главы приводится методика выделения нейтринных событий из нижней полусферы по данным установки НЕВОД. Поток атмосферных и альбедных мюонов на много порядков превышает поток мюонов, образованных в нейтринных взаимодействиях из нижней полусферы.

Так как черенковский водный детектор НЕВОД регистрирует частицы со всех направлений, то, получив характеристики отклика установки на околовертикальные атмосферные мюоны, были априорно оценены ожидаемые характеристики для мюонов, приходящих снизу. Для выделения нейтринных событий используется следующий порядок подавления фоновых событий:

- аппаратный триггер, выделяющий события по количеству сработавших ФЭУ, смотрящих вниз (NJ);

- ограничение на количество сработавших КСМ для подавления многочастичных событий (No);

- ограничение на количество сработавших ФЭУ (Nu), смотрящих вверх, и разницу между количеством сработавших ФЭУ (AA/z),

смотрящих вверх и вниз, по требованию преимущественной направленности черенковского света снизу вверх,

- ограничение на разницу сработавших ФЭУ (ЛЛх, ЛЖу), смотрящих в противоположных горизонтальных направлениях, для подавления краевых событий;

- ограничение на положение "центра тяжести" сработавших КСМ для подавления фона окологоризонтальных мюонов;

- ограничение по зенитному углу реконструированного трека для исключения альбедных мюонов (в)

С использованием такого порядка подавления фоновых событий можно достичь фактора режекции ~1010. Тем самым показана возможность выделения мюонов из нижней полусферы в черенковском водном детекторе на поверхности Земли. На рисунке 7 приведено два зарегистрированных "зеркальных" события мюон из верхней полусферы и мюон из нижней полусферы

В третьей части четвертой главы описывается исследование потока альбедных мюонов с помощью методики определения направления движения частицы по данным двух детекторов НЕВОД и ДЕКОР. Методика основана на комбинации двух методов. КСМ-метода, использующего данные НЕВОД, и ¿-метода, использующего данные ДЕКОР о времени срабатывания супермодулей Рассматриваются события, в которых через два супермодуля, расположенных на противоположных дальних сторонах бассейна НЕВОД, прошла только одна частица В ЖЖ-методе направление определяется по превышению количества засвеченных ФЭУ, ориентированных против движения частицы и по ходу движения, на некоторую пороговую величину. В ¿-методе направление определяется по превышению порогового значения разности времени срабатывания супермодулей. Пороги определяются экспериментально по событиям, в которых направление трека одиночной частицы находится в пределах 85°-89° зенитного угла. С помощью комбинации методов достигается фактор режекции ~10"6, который позволяет подавить фон атмосферных мюонов, в окологоризонтальных направлениях На рисунке 8 представлено распределение событий по зенитному углу, полученное после обработки экспериментальных данных по данной методике.

Чкаю событий

Ш -Ш 90 93. градусы -Рис 8 Распределение треков частиц по зенитному углу

Из рисунка 8 видно, что поток частиц начинает резко убывать при углах больших 90° и отношение количества событий с одиночными мюонами близи горизонта сверху (0 = 87°) и снизу (6 = 93°) составляет ~104. Таким образом, достигнутый фактор режекции (10"6) приводит к относительной ошибке не более 1% в определении количества альбедных мюонов.

В четвертой части главы рассматривается исследование групп мюонов под большими зенитными углами. Вертикальное расположение супермодулей ДЕКОР, их высокое пространственное и угловое разрешение позволяют эффективно регистрировать группы мюонов Результаты расчета по программе СОЯБЕКА показывают, что интервал энергий первичных частиц для их исследования на установке ДЕКОР с помощью групп мюонов имеет ограничение снизу низкой плотностью мюонов (~1015 эВ), а сверху — малой статистикой (~1019 эВ).

На рисунке 9 двух типов групп мюонов представлены их распределения по зенитному углу и кратности мюонов в группе.

60 64 68 72 76 80 84 88 it tf aw'

0 в ЫшпЬег ef traces

Рис 9 Распределение групп мюонов по зенитному углу (а) и по кратности (б) для двух типов групп

Предварительный анализ экспериментальных данных иллюстрирует возможности детектора небольших размеров, каковым является комплекс НЕВОД-ДЕКОР, для проведения исследований в широком энергетическом диапазоне с использованием мюонной компоненты ШАЛ.

В заключении приводятся следующие результаты работы:

1. Разработана и реализована система сбора и обработки данных экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР:

- разработана структура и логика программно-аппаратного обеспечения;

-разработан комплекс программ, обеспечивающих высокую

эффективность набора данных в режиме on-line; -разработана и реализована программа on-line контроля за ходом эксперимента;

- разработан набор унифицированных подпрограмм для обработки экспериментальных данных комплекса.

2 Разработана и создана система обработки и анализа данных установки НЕВОД.

- разработана структура экспериментальных данных черенковского водного детектора на базе квазисферических модулей,

- проведено моделирование отклика детектора на прохождение одиночной релятивистской заряженной частицы,

- разработаны методы реконструкции треков по отклику детектора;

- разработаны и реализованы программы для обработки экспериментальных данных, статистический анализ, контроль за эффективностью регистрации, поиск мюонов из нижней полусферы

3 Разработана и создана система обработки и анализа данных установки ДЕКОР:

- разработана структура экспериментальных данных координатно-трекового детектора;

- разработаны методы реконструкции треков частиц;

- промоделирован отклик супермодуля на прохождение заряженных частиц;

- разработан метод выделения групп мюонов;

- разработаны и реализованы программы обработки экспериментальных данных: статистический анализ, отбор , мюонных групп и одиночных частиц

4. С использованием созданной системы сбора и обработки данных комплекса НЕВОД-ДЕКОР в 1997-2007 гг было проведено 10

многомесячных серий измерений (около 25 тыс. часов живого времени), зарегистрировано свыше 1 миллиарда событий, получено много научных и методических результатов, в том числе следующие, представленные в данной диссертации

- измерено угловое распределение потока мюонов космических лучей на поверхности Земли, которое описывается функцией -cos1850. Полученный результат ' хорошо согласуется с результатами других экспериментов, что свидетельствует о правильности методик получения и обработки экспериментальных данных;

- впервые с хорошей статистической обеспеченностью измерена интенсивность потока альбедных мюонов в интервале зенитных углов 90° - 94°, показано, что основным их источником является рассеяние атмосферных мюонов в окружающем грунте,

-показана возможность достижения фактора режекции ~Ю10, обеспечивающего выделение нейтринных событий из нижней полусферы в черенковском водном детекторе на поверхности Земли;

- измерены распределения групп мюонов в интервале зенитных углов 60° - 88° и множественностей 2 - 100, которые открывают новые возможности исследования энергетического спектра, состава и взаимодействия первичных космических лучей в области энергий выше 1015 эВ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 В М.Айнутдинов, В.В Киндин, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, П В.Ткаченко, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Регистрация мюонов в черенковском водном детекторе на поверхности Земли //Изв. РАН, серия физич, 61, №3 (1997) 566-570

2 V.M Aynutdinov, V.V Kindin, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko,

11 Yashin. Cosmic ray neutrino detection on the ground level II Nuclear Physics В (Proc. Suppl) 66 (1998) 235-238

3 V MLAynutdinov, V.V Kindin, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko, 11 Yashin Cherenkov neutrino telescope on the ground level II Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 70 (1999) 489-491

4. V M Aynutdinov, A.Castellina, D.V.Chernov, A.AJEzubchenko, W.Fulgione, V V Kindin, R.P Kokoulin, К G.Kompaniets, A.A.Konovalov, G.Mannocchi, A.A.Petrukhin, Yu.N Rodm, O.Saavedra, V V Shutenko, G.Trinchero, S.Vernetto, N.N.Vonsovsky, E.E.Yanson, I.I Yashin. Detection of muon bundles at large zenith angles И Nuclear-Physics В (Proc. Suppl.) 75A

(1999)318-320.

5. В.М.Айнутдинов, С.Вернетто, Н.Н.Вонсовский, A.A Езубченко, А.Кастеллина, В В.Киндин, Р П Кокоулин, К Г Компанией,

A. А Коновалов, Дж Маннокки, А А Петрухин, Ю Н Родин, О.Сааведра, Дж Тринкеро, В Фульджоне, Д В.Чернов,

B.В Шутенко, Э Е Янсон, И И Яшин Координатный детектор , для исследования горизонтального потока космических лучей П

Изв РАН, серия физич., т.63, №3 (1999) 581-584.

6 Н Н Вонсовский, К Г.Компаниец, Ю Н Родин, В.В.Шутенко Многофункциональный контроллер для сбора данных со стримерных камер координатного детектора IIПТЭ, № 2

(2000) 58-62

7 В М Айнутдинов, М Б Амельчаков, Н.С.Барбашина,

В В Киндин, К.Г Компаниец, А А Петрухин, Д.А Роом, В В Шутенко, Э.Е Янсон, И И.Яшин. НЕВОД-многоцелевой нейтринный детектор на поверхности Земли II "Инженерная физика", №4 (2000) 71-80

8 Н.С.Барбашина, А А.Езубченко, Р П Кокоулин, К Г Компаниец, А А.Коновалов, А.А.Петрухин, Д В Чернов, В В.Шутенко,

Э.Е Янсон Координатный детектор для исследования горизонтального потока космических лучей // ПТЭ, №6 (2000) 20-24

9 М.Б Амельчаков, Н.С.Барбашина, Н.Н.Вонсовский, В.В.Киндин, Р.П Кокоулин, К.Г Компаниец, Дж.Маннокки, А.А.Петрухин, Ю Н.Родин, Д.А.Роом, О.Сааведра, Д.А.Тимашков,

Дж Тринкеро, Д В.Чернов, В.В.Шутенко, Э.ЕЛнсон, И И Яшин. Координатный детектор ДЕКОР для исследования космических лучей под большими зенитными углами И Изв РАН, серия физич , т 66, №11 (2002) 1611-1613.

J 0. М.Б.Амельчаков, Н.С.Барбашина, О.С.Золина, В.В.Киндин, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, Дж.Маннокки, А.А.Петрухин, Д.А Роом, О.Сааведра, Д.А.Тимашков, Дж.Тринкеро, Д В.Чернов, В.В.Шутенко, И И Яшин. Исследование алъбедного потока мюонов вблизи поверхности Земли II Изв. РАН, серия физич., т. 66, № 11 (2002) 1618-1620.

11. О.С.Золина, Р.П.Кокоулин, К Г.Компаниец, Дж.Маннокки, А.А.Петрухин, О.Сааведра, Д.А.Тимашков, Дж.Тринкеро,

Д В.Чернов, В В.Шутенко, Э.Е.Янсон, И.И.Яшин. Исследование групп мюонов под большими зенитными углами с помощью координатного детектора ДЕКОР II Изв РАН, серия физич., т. 66, №11 (2002) 1614-1616.

12. I.I Yashin, M.B.Amelchakov, N S.Barbashina, A G.Bogdanov,

D.V Chernov, V V.Kindin, R.P.Kokoulin, К G.Kompahiets,

E.O Konoreva, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko, D.A Timashkov,

E E.Yanson, O S.Zolina, G.Mannocchi, G.Trinchero and O.Saavedra. Observation ofUHECRs in horizontal flux // Int. Journal of Modern Physics A, 20, №29 (2005) 6937-6940

Подписано в печать 12 >69. О? Заказ о Тираж 7 ^ ь'е^у

Типография МИФИ, Каширское шоссе, 31

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НЕВОД-ДЕКОР.

1.1. Установка НЕВОД.

1.2. Установка ДЕКОР.

1.3. Программно-аппаратное обеспечение.

ГЛАВА 2. ОБРАБОТКА ДАННЫХ УСТАНОВКИ НЕВОД.

2.1. Алгоритмы реконструкции треков в НЕВОД.

2.1.1. Определение точки, через которую проходит трек.

2.1.2. Определение единичного вектора направления трека.

2.1.3. Дополнительные условия для реконструкции.

2.1.4. Методы реконструкции, используемые в первичной обработке событий.

2.2. Моделирование отклика установки НЕВОД.

2.3. Проверка и результаты реконструкции треков в НЕВОД.

2.3.1. Проверка точности методов реконструкции.

2.2.2. Результаты реконструкции треков экспериментальных событий.

ГЛАВА 3. ОБРАБОТКА ДАННЫХ ДЕКОР.

3.1. Реконструкция треков частиц в координатном детекторе.

3.1.1. Локальные системы координат супермодулей.

3.1.2. Метод гистограммирования.

3.1.3. Метод проецирования.'.

3.1.4. Алгоритм выделения трека одиночной частицы, прошедшей через два супермодуля (OneTrackFull).

3.1.5. Определение относительных смещений плоскостей супермодулей (координатная калибровка).

3.2. Моделирование отклика супермодуля.

3.3. Выделение событий с группами мюонов.

3.3.1. Алгоритм поиска групп мюонов категории 2 (GroupMuonAll).

3.3.2. Выделение событий с группами категории 2.

3.3.3. Алгоритм поиска групп мюонов категории 3 (GroupMuonAU3).

3.3.4. Выделение событий с группами категории 3.

3.3.5. Результаты отбора групп мюонов.

ГЛАВА 4. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА КОМПЛЕКСЕ НЕВОД-ДЕКОР.

4.1. Угловое распределение потока мюонов.

4.1.1. Светосила установки НЕВОД.

4.1.2. Угловое распределение потока мюонов на поверхности Земли.

4.2. Выделение нейтринных событий из нижней полусферы.

4.3. Исследование потока альбедных мюонов.

4.3.1. Определение направления с помощью КСМ-метода.

4.3.2. Определение направления с помощью t-метода.

4.3.3. Взаимная калибровка методов.

4.3.4. Обработка данных серии 2002 года.

4.4. Группы мюонов под большими зенитными углами.

Современные физические установки представляют собой дорогостоящие многоцелевые крупномасштабные экспериментальные комплексы, состоящие из различных детекторов, и эффективность их использования в значительной степени определяется качеством программно-аппаратных систем сбора, анализа и последующей обработки получаемой информации.

Развитие вычислительной техники и систем связи дало возможность создавать крупные установки, с площадью регистрации до десятков тысяч км2, для исследования космических лучей в области высоких и сверхвысоких энергий, недоступных в обозримом будущем на ускорителях. Отличительной особенностью экспериментальных установок, регистрирующих космические лучи, по сравнению с установками, использующими поток частиц от ускорителей, является отсутствие внешней информации о моменте прохождения частицы. Поэтому момент события определяется с помощью аппаратных триггерных систем, использующих информацию только регистрирующих элементов установки. Возможны регистрирующие системы и без использования триггерной системы, в которых происходит непрерывное сканирование показаний детекторов через определенные промежутки времени. В этом случае выделение событий может производиться на основе анализа данных программным образом.

Системы сбора экспериментальной информации на крупных физических установках, предназначенных для исследований в космических лучах, организуются по следующей схеме. Триггерная система определяет момент события, и данные с детекторов передаются в систему хранения. Количество регистрирующих каналов, расстояние между ними, объем снимаемой с них информации оказывают влияние на то, каким образом будет построена триггерная система, и на уровень сложности системы сбора данных. По способу объединения детектирующих элементов можно выделить два типа установок: компактные, использующие проводные соединения между элементами установки, и распределенные, использующие радиосвязь. Различны также и типы организации установок: единые и кластерные. В единых установках возможно формирование единого триггерного сигнала с использованием сигналов от входящих в их состав детекторов. Кластерные установки не имеют единой триггерной системы, каждый кластер собирает данные со своих детекторов по команде локальной триггерной системы. Возможно комбинирование единой организации с кластерной.

Распределенные установки можно организовать только по кластерному типу. Проводные установки можно организовать и по единому типу, и по кластерному. В качестве примеров рассмотрим три экспериментальные установки: БАРС, KASCADE и ALTA.

В большом жидкоаргоновом спектрометре БАРС [1] количество аналоговых каналов 27648, которые объединены в 24 секции, но расположены они в пределах 40 метров. Хотя БАРС первоначально был предназначен для исследований, проводимых на ускорителе, его триггерная система была расширена для исследований и в космических лучах. Основная работа по предварительной обработке информации с регистрирующих каналов возложена на аппаратные средства, размещенные в специализированных блоках КАМАК. Для управления съемом информации, калибровки, тестирования и буферизации данных используются 24 микрокомпьютера (по количеству секций), также расположенных в крейтах стандарта КАМАК. Для выработки единого триггера используются триггеры отдельных секций; предусмотрена работа и по внешнему триггерному сигналу. Работой каждого микрокомпьютера (по параллельному каналу длиной 40 метров) управляет главный компьютер, он же осуществляет прием и хранение буферов данных. Параллельная работа микрокомпьютеров обеспечивает малое мертвое время, для одного события ~420 мксек.

Установка KASCADE [2] размещена на площади 200 мх 200 м и содержит большое количество разнообразных детекторов: пластиковых и жидких сцинтилляторов, стримерных трубок и камер и т.п. Детекторы организованы по кластерам. Кластеры имеют собственную триггерную систему и систему сбора данных, и обслуживаются собственным процессором. Электроника кластера и процессор размещены в крейте стандарта VME. Каждый кластер использует для маркировки событий импульс синхронизации, передаваемый по оптическим кабелям всем кластерам из центральной станции. По локальному триггеру в кластере происходит формирование блока данных события, в который добавляется временная метка. Блок данных события сохраняется в памяти FIFO. Формируемый в кластере триггерный сигнал передается по оптическому кабелю в единую триггерную систему, где производится выработка единого триггерного сигнала при регистрации ШАЛ. По приходу в кластер единого триггерного сигнала блоки данных, набранные за последние 8 мксек, передаются по транспьютерному каналу через шлюз transputerl ink/Ethernet в центральный компьютер, в котором и производится объединение данных, относящихся к одному событию.

Эксперимент ALTA [3] не имеет определенных размеров, так как состоит из отдельных самостоятельных базовых модулей, размещаемых на территории многих тысяч км2. Базовый модуль содержит три сцинтилляционных детектора, систему приема GPS и один крейт с электроникой. Обслуживает модуль один компьютер, имеющий выход в глобальную сеть Интернет. Базовые модули производят регистрацию и накопление событий по собственному триггерному сигналу. Мертвое время после каждого триггерного сигнала, необходимое для снятия информации события, составляет 12 мксек. Каждое событие маркируются меткой времени, сформированной относительно секундного сигнала, полученного от GPS. Данные с базовых модулей передаются через Интернет в единый центр обработки информации, в котором и происходит окончательная сборка событий.

Можно выделить общие черты в системах сбора данных в упомянутых выше установках. Это организация параллельного съема информации, маркировка событий и их буферизация, сборка событий eventbuilder-cepeepoM. Используемые аппаратные средства не имеют принципиального значения, так как зависят и от времени создания установок, и от финансовых возможностей, но они лежат в основе построения систем сбора. Использование системы глобальной связи GPS для формирования временной метки данных, удаленных друг от друга детекторов, позволяет формировать независимые кластеры детекторов, имеющие свои системы триггирования, сбора и хранения данных. Хранение данных, полученных с различных установок по отдельности, и последующая, по мере необходимости, сборка событий с близкими метками времени облегчают разработку систем сбора информации, но при этом увеличивается время доступа к данным при off-line обработке. С ростом производительности коммуникационных и вычислительных систем, а также систем хранения информации, появляются возможности для передачи, хранения и обработки всей доступной получаемой с детекторов информации о событии, например, можно хранить не только амплитуды сигналов, но и их форму. Организация доступа к данным эксперимента в режиме клиент-сервер предоставляет возможность получать и сопутствующую ходу эксперимента контрольную информацию: температуру, давление и т.п.

Обработка данных, получаемых на физических установках - следующий, после регистрации, этап физического эксперимента, так как экспериментальную информацию не всегда можно сразу интерпретировать как физический результат. Требуется учитывать конструктивные особенности детекторов и условия регистрации. Для некоторых детекторов достаточно построить калибровочные зависимости. По данным трековых детекторов определяется направление движения частиц и, по возможности, их количество и состав. В черенковских водных детекторах, имеющих большое количество регистрирующих элементов, картина прохождения частиц имеет сложный пространственный вид из-за специфики распространения черенковского излучения. Поэтому результаты обработки можно выразить понятиями "когда", "что", "куда" и "сколько", которые являются основой для получения физических результатов.

Моделирование откликов установки проводится и на этапе её разработки, и на этапе обработки данных и позволяет оценить параметры установки: светосилу, эффективность, точность, и проверить алгоритмы обработки.

Несмотря на общие черты, каждая крупная установка представляет собой достаточно уникальный физический объект и требует разработки собственного программно-аппаратного решения, предназначенного для реализации поставленных перед ней физических задач.

Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР расположен на поверхности Земли и предназначен для исследования основных компонент космических лучей во всем диапазоне зенитных углов. Комплекс включает два основных детектора: водный черенковский калориметр (НЕВОД), созданный на базе квазисферических модулей, и координатно-трековый детектор (ДЕКОР), а также ряд других детектирующих систем (систему калибровочных телескопов, гидроакустическую антенну, мюонный годоскоп и т.д.). Круг решаемых физических задач расширялся по мере развития как самого комплекса, так и методов обработки получаемых экспериментальных данных. Одной из первых задач являлось исследование возможности выделения нейтринных событий из нижней полусферы в черенковском водном детекторе на поверхности Земли. После добавления в состав комплекса координатного детектора ДЕКОР были начаты прецизионные исследования потоков как одиночных, так и групп мюонов.

Цель представляемой диссертации:

Разработка и создание аппаратно-программного комплекса, обеспечивающего совместную работу двух разнородных детекторов; водного черенковского (НЕВОД) и координатного (ДЕКОР), оперативный анализ и отбор событий в режиме on-line и их последующую off-line обработку. Разработка и развитие специализированных методов и алгоритмов обработки и моделирования данных детекторов комплекса.

Структура диссертации:

В первой главе приводится описание установок, структур данных и программного обеспечения комплекса.

Во второй главе излагаются алгоритмы реконструкции треков в детекторе НЕВОД, оценка точности реконструкции и результаты измерений угловых распределений треков частиц в экспериментальных событиях.

В третьей главе изложены алгоритмы реконструкции треков в ДЕКОР. Описаны методика калибровки супермодулей и методы выделения событий с группами мюонов.

В четвертой главе приводятся некоторые физические результаты, полученные на комплексе НЕВОД-ДЕКОР.

Научная новизна:

1. Впервые разработаны алгоритмы и созданы программные средства для получения физических данных с черенковского водного детектора, созданного на базе квазисферических модулей, и координатно-трекового детектора из стримерных трубок, которые регистрируют основные компоненты космических лучей на поверхности Земли.

2. С помощью созданных программных средств получены следующие новые результаты:

- впервые с хорошей статистической точностью измерено угловое распределение мюонов космических лучей под большими зенитными углами, включая альбедные мюоны;

- впервые измерены распределения характеристик групп мюонов под большими зенитными углами в широком диапазоне множественностей от 2 до 100 частиц;

- показана возможность достижения фактора режекции мюонов из верхней полусферы на уровне Ю10, который обеспечивает выделение нейтринных событий из нижней полусферы на поверхности Земли.

Научная и практическая ценность: 1. Созданная система сбора и обработки данных экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР позволила провести в 1997-2007 гг. десять длительных измерительных серий, зарегистрировать и обработать свыше миллиарда событий и обеспечила постоянное расширение круга задач проводимых исследований.

2. Разработанные алгоритмы и программы широко используются в учебном процессе при проведении учебно-исследовательских, курсовых и дипломных работ и в подготовке аспирантов.

3. Разработанные подходы и алгоритмы могут быть использованы в других физических установках, а также при проектировании новых.

Личный вклад автора:

Автор участвовал в разработке и создании практически всех аппаратных средств комплекса. Все специализированное программное обеспечение для проведения экспериментальных измерений было разработано и создано лично автором или под его руководством. Лично автором были разработаны и созданы основные программные средства для обработки экспериментальных данных, программы моделирования, методы и алгоритмы реконструкции треков и отбора событий. Автор принимал непосредственное участие в проведении экспериментов и в получении физических результатов.

Автор защищает:

1. Структуру и логику программно-аппаратного обеспечения экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР.

2. Комплекс программ, обеспечивших высокую эффективность набора данных в режиме on-line.

3. Комплекс программ для обработки данных в режиме off-line.

4. Набор методов и алгоритмов реконструкции треков и отбора событий, которые позволили получить новые физические результаты.

5. Программы и результаты моделирования отклика детекторов, которые позволили оценить уровень достоверности полученных результатов.

Апробация результатов:

Результаты работы были доложены на российских и международных конференциях: Всероссийской конференции по космическим лучам (ВККЛ 2000, 2002, 2004, 2006), Европейском симпозиуме по космическим лучам (ECRS 2002, 2004, 2006),

Международной конференции по космическим лучам (ICRC 1997, 1999, 2003, 2005), опубликованы в их трудах, а также в 12 журнальных статьях (1997-2005):

1. В.М.Айнутдинов, В.В.Киндин, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, П.В.Ткаченко, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Регистрация мюонов в черенковском водном детекторе на поверхности Земли //Изв. РАН, серия физич., 61, №3 (1997) 566-570.

2. V.M.Aynutdinov, V.V.Kindin, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko, I.I.Yashin. Cosmic ray neutrino detection on the ground level II Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 66 (1998) 235-238.

3. V.M.Aynutdinov, V.V.Kindin, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko, I.I.Yashin. Cherenkov neutrino telescope on the ground level II Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 70 (1999) 489-491.

4. V.M.Aynutdinov, A.Castellina, D.V.Chernov, A.A.Ezubchenko, W.Fulgione, V.V.Kindin, R.P.Kokoulin, K.G.Kompaniets, A.A.Konovalov, G.Mannocchi,

A.A.Petrukhin, Yu.N.Rodin, O.Saavedra, V.V.Shutenko, G.Trinchero, S.Vernetto, N.N.Vonsovsky, E.E.Yanson, I.I.Yashin. Detection of muon bundles at large zenith angles //Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 75A (1999) 318-320.

5. В.М.Айнутдинов, С.Вернетто, Н.Н.Вонсовский, А.А.Езубченко, А.Кастеллина,

B.В.Киндин, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, А.А .Коновалов, Дж.Маннокки,

A.А.Петрухин, Ю.Н.Родин, О.Сааведра, Дж.Тринкеро, В.Фульджоне, Д.В.Чернов,

B.В.Шутенко, Э.Е.Янсон, И.И.Яшин. Координатный детектор для исследования горизонтального потока космических лучей // Изв. РАН, серия физич., т.63, №3 (1999)581-584.

6. Н.Н.Вонсовский, К.Г.Компаниец, Ю.Н.Родин, В.В.Шутенко. Многофункциональный контроллер для сбора данных со стримерных камер координатного детектора И ПТЭ, № 2 (2000) 58-62.

7. В.М.Айнутдинов, М.Б.Амельчаков, Н.С.Барбашина, В.В.Киндин, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, Д.А.Роом, В.В.Шутенко, Э.Е.Янсон, И.И.Яшин. НЕВОД -многоцелевой нейтринный детектор на поверхности Земли И "Инженерная физика", №4 (2000) 71-80.

8. Н.С.Барбашина, АЛ.Езубченко, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, А.А.Коновалов, А.А.Петрухин, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, Э.Е.Янсон. Координатный детектор для исследования горизонтального потока космических лучей II ПТЭ, №6 (2000) 20-24.

9. М.Б.Амельчаков, Н.С.Барбашина, Н.Н.Вонсовский, В.В.Киндин, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, Дж.Маннокки, ААПетрухин, Ю.Н.Родин, Д.А.Роом, О.Сааведра,

Д.А.Тимашков, Дж.Тринкеро, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, Э.Е.Янсон, И.И.Яшин. Координатный детектор ДЕКОР для исследования космических лучей под большими зенитными углами И Изв. РАН, серия физич., т. 66, №11 (2002) 16111613.

10. М.Б.Амельчаков, Н.С.Барбашина, О.С.Золина, В.В.Киндин, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, Дж.Маннокки, А.А.Петрухин, Д.А.Роом, О.Сааведра, Д.А.Тимашков, Дж.Тринкеро, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Исследование альбедного потока мюонов вблизи поверхности Земли // Изв. РАН, серия физич., т. 66, № 11 (2002) 1618-1620.

11. О.С.Золина, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, Дж.Маннокки, А.А.Петрухин, О.Сааведра, ДАТимашков, Дж.Тринкеро, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, Э.Е.Янсон, И.И.Яшин. Исследование групп мюонов под большими зенитными углами с помощью координатного детектора ДЕКОР И Изв. РАН, серия физич., т. 66, №11 (2002) 1614-1616.

12. I.I.Yashin, M.B.Amelchakov, N.S.Barbashina, A.G.Bogdanov, D.V.Chernov, V.V.Kindin, R.P.Kokoulin, K.G.Kompaniets,E.O.Konoreva, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko, D.A.Timashkov,E.E.Yanson, O.S.Zolina, G.Mannocchi, G.Trinchero and O.Saavedra. Observation of UHECRs in horizontalflux II Int. Journal of Modern Physics A, 20, №29 (2005) 6937-6940.

Основные результаты)

1. Разработана и реализована система сбора и обработки данных экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР:

- разработана структура и логика программно-аппаратного обеспечения;

- разработан комплекс программ, обеспечивающих высокую эффективность набора данных в режиме on-line;

- разработана и реализована программа on-line контроля за ходом эксперимента;

- разработан набор унифицированных подпрограмм для обработки экспериментальных данных комплекса.

2. Разработана и создана система обработки и анализа данных установки НЕВОД:

- разработана структура экспериментальных данных черенковского водного детектора на базе квазисферических модулей;

- проведено моделирование отклика детектора на прохождение одиночной релятивистской заряженной частицы;

- разработаны методы реконструкции треков по отклику детектора;

- разработаны и реализованы программы для обработки экспериментальных данных: статистический анализ, контроль за эффективностью регистрации, поиск мюонов из нижней полусферы.

3. Разработана и создана система обработки и анализа данных установки ДЕКОР:

- разработана структура экспериментальных данных координатно-трекового детектора;

- разработаны методы реконструкции треков частиц;

- промоделирован отклик супермодуля на прохождение заряженных частиц;

- разработан метод выделения групп мюонов;

- разработаны и реализованы программы обработки экспериментальных данных: статистический анализ, отбор мюонных групп и одиночных частиц.

4. С использованием созданной системы сбора и обработки данных комплекса НЕВОД-ДЕКОР в 1997-2007 гг. было проведено 10 многомесячных серий измерений (около 25 тыс. часов живого времени), зарегистрировано свыше 1 миллиарда событий, получено много научных и методических результатов, в том числе следующие, представленные в данной диссертации:

- измерено угловое распределение потока мюонов космических лучей на поверхности Земли, которое описывается функцией ~cos1859; полученный результат хорошо согласуется с результатами других экспериментов, что свидетельствует о правильнрсти методик получения и обработки экспериментальных данных;

- впервые с хорошей статистической обеспеченностью измерена интенсивность потока альбедных мюонов в интервале зенитных углов 90° 94°; показано, что основным их источником является рассеяние атмосферных мюонов в окружающем грунте;

- показана возможность достижения фактора режекции ~Ю10, обеспечивающего выделение нейтринных событий из нижней полусферы в черенковском водном детекторе на поверхности Земли;

- измерены распределения групп мюонов в интервале зенитных углов 60° 88° и множественностей 2 + 100, которые открывают новые возможности исследования энергетического спектра, состава и взаимодействия первичных космических лучей в области энергий выше 1015эВ.

В заключение, выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю А.А. Петрухину за внимание и поддержку настоящей 'работы. Я благодарен М.Б. Амельчакову, Н.С. Барбашиной, В.В. Киндину, Р.П. Кокоулину, К.Г. Компанийцу, Д.А. Роому, Д.В. Чернову, Э.Е. Янсону и И.И. Яшину за совместную работу при разработке и создании комплекса НЕВОД-ДЕКОР, а также всем сотрудникам комплекса за плодотворное сотрудничество.

Я благодарен также А.В. Абину, В.М. Айнутдинову, В.Г. Алалыкину, И.А. Данильченко, Г.А. Потапову и П.В. Ткаченко за сотрудничество при разработке и создании установки НЕВОД. Особо хочу отметить вклад трагически погибшего С.Б. Гавшина, с которым мне посчастливилось тесно работать на начальной стадии разработки и создания НЕВОДа.

Я благодарю В.М. Айнутдинова за совместную работу по исследованию возможности регистрации нейтринных событий, Д.А. Тимашкова за работу по исследованию альбедного потока мюонов, А.Г. Богданова и Р.П. Кокоулина за сотрудничество при исследовании групп мюонов.

Я благодарен Р.П. Кокоулину и И.И. Яшину за большой вклад при подготовке публикаций и представлении результатов на научных конференциях.

Заключение

1. С.В.Беликов, В.В.Липаев, С.В.Лось. Организация сбора данных на детекторе БАРС 1. Препринт ИФВЭ 97-33, Протвино (1997).

2. T.Antony et al. The Cosmic-Ray Experiment KASCADE II Nucl.Instr. and Meth., A513 (2003)490-510.

3. W.Brower et al. The ALTA cosmic ray experiment electronics system II Nucl.Instr. and Meth., A539 (2005) 595-605.

4. В.МЛйнутдинов, М.Б.Амельчаков, Н.С.Барбашина, В.В.Киндин, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, Д.А.Роом, В.В.Шутенко, Э.Е.Янсон, И.И.Яшин. НЕВОД -многоцелевой нейтринный детектор на поверхности Земли // "Инженерная физика", №4 (2000) 71-80.

5. А.В.Абин, В.М.Айнутдинов, В.Г.Алалыкин, С.Б.Гавшин, И.А.Данильченко, И.В.Пенин, А.А.Петрухин, Г.А.Потапов, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Квазисферический черепковский детектор заряженных частиц в воде. II Препринт МИФИ №069-86, (1986).

6. Г.А.Потапов. Измерительная система установки НЕВОД // Кандидатская диссертация: МИФИ (1989).

7. В.М.Айнутдинов. Черепковский водный детектор на поверхности Земли II Кандидатская диссертация: МИФИ (1996).

8. Н.С.Барбашина, АА.Езубченко, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, А.А.Коновалов, А.А.Петрухин, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, Э.Е.Янсон. Координатный детектор для исследования горизонтального потока космических лучей //ПТЭ, №6 (2000) 20-24.

9. Н.Н.Вонсовский, К.Г.Компаниец, Ю.Н.Родин, В.В.Шутенко. Многофункциональный контроллер для сбора данных со стримерных камер координатного детектора П ПТЭ, №2 (2000) 58-62.

10. И.А.Яшин. Методика регистрации одиночных мюонов в водном детекторе на базе черепковских квазисферических модулей // Кандидатская диссертация: МИФИ (1996).

11. R. Brun et al. GEANT31 ICERN DD/EE/84-1 (Revised), September 1987.

12. V.M.Aynutdinov, V.V.Kindin, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko, I.I.Yashin. Cherenkov neutrino telescope on the ground level //Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 70 (1999) 489491.

13. V.M.Aynutdinov, A.Castellina, D.V.Chernov, A.A.Ezubchenko, W.Fulgione, V.V.Kindin, R.P.Kokoulin, K.G.Kompaniets, A.A.Konovalov, G.Mannocchi,

14. A.A.Petrukhin, Yu.N.Rodin, O.Saavedra, V.V.Shutenko, G.Trinchero, S.Vernetto, N.N.Vonsovsky, E.E.Yanson, I.I.Yashin. Detection of muon bundles at large zenith angles //Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 75A (1999) 318-320.

15. В.М.Айнутдинов, С.Вернетто, Н.Н.Вонсовский, АЛ.Езубченко, А.Кастеллина,

16. B.В.Киндин, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, А.А.Коновалов, Дж.Маннокки,

17. A.А.Петрухин, Ю.Н.Родин, О.Сааведра, Дж.Тринкеро, В.Фульджоне, Д.В.Чернов,

18. B.В.Шутенко, Э.Е.Янсон, И.И.Яшин. Координатный детектор для исследования горизонтального потока космических лучей // Изв. РАН, серия физич., т.63, №3 (1999) 581-584.

19. N.S.Barbashina at al. Ultra-high energy cosmic ray investigations by means of EAS muon density measurements II Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 165 (2007) 317-323.

20. Peter K.F. Grieder. Cosmic Rays at Earth И Elsevier Science (2001) 372-373.

21. Masayuki Nakahata. Kamiokande and Super-Kamiokande IIAAPS Bulletin, 13, №4 (2003) 7-12.

22. A. Belolaptikov et al. (BAIKAL Collaboration). The Baikal underwater neutrino telescope: Design, performance andfirst results. II Astropart. Phys. 7 (1997) 263-282.

23. V.M.Aynutdinov, A.A.Petrukhin, G.A.Potapov, V.V.Shutenko, I.I.Yashin. Possibility to select neutrino induced muons in Cherenkov water detector on the Earth's surface II Proc. 24ICRC, Roma, I (1995) 773-776.

24. V.M.Aynutdinov, S.R.Kelner, R.P.Kokoulin, A.A.Petrukhin, D.A.Timashkov. Problem of the background in neutrino-induced muon investigations II Proc. 7th Intern. Workshop on Neutrino Telescopes, Venezia, (1996) 429-434.

25. В.М.Айнутдинов, В.В.Киндин, К.Г.Компаниец, А.А.Петрухин, П.В.Ткаченко, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Регистрация мюонов в черепковском водном детекторе на поверхности Земли //Изв. РАН, серия физич., 61, №3 (1997) 566-570.

26. V.MAynutdinov, V.V.Kindin, A.A.Petrukhin, V.V.Shutenko, I.I.Yashin. Cosmic ray neutrino detection on the ground level // Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 66 (1998) 235238.

27. P. Le Coultre. Cosmic Ray Observations and Results from Experiments Using LEP Detectors at CERN/I Proc. 29ICRC, Pune, 10 (2005) 137-150.

28. J.Abdallah et al. (DELPHI Collaboration). Study ofmulti-muon bundles in cosmic ray showers detected with the DELPHI detector at LEP И arXiv:0706.2561; CERN-PH-EP-2007-008,- Geneva: CERN, 28 Feb 2007. 22 p.

29. M.Aglietta et al. Study ofhorizonthal air showers at EAS-TOP Я Proc. 26 ICRC, Salt Lake City, 2 (1999) 24.

30. С.Золина, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец, Дж.Маннокки, А.А.Петрухин,

31. О.Сааведра, Д.А.Тимашков, Дж.Тринкеро, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, Э.Е.Янсон, И.И.Яшин. Исследование групп мюонов под большими зенитными углами с помощью координатного детектора ДЕКОР // Изв. РАН, серия физич., т. 66, №11 (2002) 1614-1616.

32. Heck D. et al. //Forschungszentrum Karlsruhe Report, FZKA 6019, Karlsruhe (1998).