Измерение спектров протонов и ядер гелия высоких энергий в

Измерение спектров протонов и ядер гелия высоких энергий…
С.В. БОРИСОВ, С.А. ВОРОНОВ, А.М. ГАЛЬПЕР,
А.В. КАРЕЛИН от имени коллаборации «ПАМЕЛА»
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРОВ ПРОТОНОВ И ЯДЕР ГЕЛИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
В КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧАХ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАЛОРИМЕТРА
В ЭКСПЕРИМЕНТЕ «ПАМЕЛА»
Разработаны методы определения потока протонов и ядер гелия в околоземном космическом пространстве на основе данных позиционно-чувствительного стрипового электромагнитного калориметра толщиной 0,6 яд. длин спутникового эксперимента ПАМЕЛА, а также модельных данных. Приведены предварительные экспериментальные результаты измерений энергетических спектров протонов и ядер гелия космических лучей от 50 ГэВ и выше.
Эксперимент «ПАМЕЛА» [1] – это космофизический эксперимент, проводящийся в настоящее время на борту ИСЗ «Ресурс ДК1», выведенного на околоземную эллиптическую орбиту на
высоте 350–610 км 15 июня 2006 года. Основными научными задачами эксперимента являются
прецизионные измерения состава и энергетического спектра частиц космического излучения в
околоземном пространстве в широком диапазоне энергий, в том числе ядер гелия и протонов. Новая информация о спектре протонов и ядер гелия поможет лучше понять процессы ответственные
за происхождение и распространение галактических космических лучей в межзвездном пространстве. Кроме того, например, спектр протонов используется при изучении нейтринных осцилляций.
В состав научного оборудования входят [1, 2]: позиционно-чувствительный электромагнитный калориметр, сцинтилляционная система измерения времени пролета из трех пар плоскостей
(ВПС), магнитный микростриповый спектрометр, ливневый сцинтилляционный детектор,
нейтронный детектор и система детекторов антисовпадений. Общий вид прибора представлен на
рис.1,а.
а
б
Рис. 1. Общий вид прибора «ПАМЕЛА» (a) и калориметра (б)
Калориметр дискретный (рис. 1,б) и состоит из 44 кремниевых чувствительных плоскостей
(толщиной 380 мкм), чередующихся с плоскостями из вольфрамового поглотителя. Полная толщина калориметра составляет 16.3 радиационных длин или 0.6 ядерных. Каждая из 44 чувствительных плоскостей состоит из 9 кремниевых детекторов размером 8080 мм, содержащих 32
стрипа (или полоски). Стрипы последовательных слоев расположены взаимоперпендикулярно, что
обеспечивает регистрацию ливня в двух проекциях. Наблюдение за продольным и поперечным
развитием ливня позволяет производить режекцию электромагнитного и адронного ливней [3].
Хотя калориметр, который используется в эксперименте «ПАМЕЛА», является тонким для адронных взаимодействий, он обладает способностью измерять энергии протонов.
Измерение спектров протонов и ядер гелия высоких энергий…
С помощью моделирования методом Монте-Карло были получены распределения энерговыделений в калориметре прибора «ПАМЕЛА» при прохождении через прибор протонов различных
энергий. В данном случае использовался специальный код на основе GEANT3 c адронным пакетом
FLUKA разработанный для эксперимента «ПАМЕЛА» – GPAMELA.
Чтобы избавиться от слабовзаимодействующих и невзаимодействующих частиц, был произведен предварительный отбор событий, который накладывал определенные ограничения на величины энерговыделений в слоях и стрипах калориметра, связанные с продольным и поперечным
развитием каскада вторичных частиц. Также было добавлено требование, чтобы частица проходила в аппертуре прибора. Последнее выполнялось путем восстановления направления прилета частицы с помощью метода наименьших квадратов, причем учитывалась величина «хи-квадрат».
Подробнее данный вопрос рассмотрен в работе [4]. Для каждого отдельного события была определена плоскость начала каскада вторичных частиц. Дополнительно были отобраны только те события, у которых ливень начался в верхней половине калориметра. Данное требование существенно по той причине, что чем глубже начался ливень, тем большая часть измеряемой энергии
приходится на недетектируемую энергию, и тем, следовательно, хуже энергетическое разрешение.
На рис. 2,а представлены распределения по полному энерговыделению в калориметре до отбора,
энерговыделение в калориметре выражено в единицах «мип» (энергия, выделяемая при прохождении минимально ионизирующей частицы), а на рис. 2,б для отобранных таким образом событий
для фиксированных первичных энергий протонов 1 ТэВ.
б
a
в
г
д
Рис. 2. Распределения по полному энерговыделению для моделированных протонов энергий 1 ТэВ:
до отбора (а), после отбора (б), после отбора с учетом количества сработавших стрипов (в-д),
энерговыделение в калориметре выражено в единицах «мип» (энергия, выделяемая при прохождени
и минимально ионизирующей частицы)
Измерение спектров протонов и ядер гелия высоких энергий…
Если применить такой параметр, как отношение полного энерговыделения в калориметре
Eсум к числу сработавших стрипов Nср вместо просто одной величины полного энерговыделения,
то распределение по такому параметру получается более симметричным, и может быть аппроксимировано кривой Гаусса (см. рис. 2,г).
Для данных функций бралось средневзвешенное значение величины отношения энерговыделения к числу сработавших стрипов, и строилась его зависимость от первичной энергии протонов. Зависимость получилась линейная до энергий порядка 3 ТэВ. Далее линейность нарушается,
что связано с насыщением стрипов (т.е. превышением предельно допустимого значения детектируемого энерговыделения) и утечками энергии из калориметра при больших энергиях протонов [5].
Кроме того, так как, в конечном счете, измерения проходят в космических лучах, которые
содержат в основном протоны, ядра гелия (10 % от общего состава) и электроны (1 %), то появляется проблема выделения протонов на фоне электронов и ядер гелия. Вероятность электронов
провзаимодействовать с веществом калориметра больше, чем для ядер, и так как электроны с
меньшей энергией будут имитировать протоны с большей энергией, их относительное (к протонам) количество в отобранных событиях возрастает. Поэтому, учитывая, что около 90 % электронов провзаимодействует в первых слоях калориметра, события с высоким энерговыделением (более 8 мип) в этих слоях были исключены, и таким образом устранена значительная примесь электронов [6].
Относительное количество событий (протонов), оставшееся после всех перечисленных отборов, в зависимости от первичной энергии протонов показано на рис. 3 (по модельным данным).
Данная зависимость может быть описана функцией вида:   A1  B1  exp Rig C1  .
Рис. 3. Эффективность регистрации протонов
Рис. 4. Разделение частиц по заряду в детекторе С1
Чтобы режектировать ядра гелия, были использованы измерения ионизационных потерь в
сцинтилляторах время-пролетной системы. На рис. 4 для примера показаны режекционные свойства первой плоскости время-пролетной системы для ядер гелия и протонов на выборке событий
из полетных данных. По вертикальной оси отложена величина эквивалентная заряду частица в
четвертой степени. Последняя плоскость обеспечивает худшее разрешение по сравнению с другими, что связано с так называемым обратным током из калориметра (она находится непосредственно над ним) – потоком вторичных частиц в направлении обратном прилету частицы. После данного отбора остается лишь 6 % примеси ядер гелия.
Для ядер гелия отбор был аналогичен вышеописанному для протонов. Кривая, показывающая отношения числа выживших после отбора событий к числу первоначальных, может быть
представлена аналогичной кривой, как и в случае протонов, но с соответствующими ядрам гелия
параметрами. Существующее различие в методике измерения энергии заключается лишь в том,
что вместо модельных данных использовались экспериментальные данные магнитного спектрометра. В этом случае экспериментальные распределения по параметру отношения полного энерговыделения в калориметре к количеству сработавших стрипов строились для некоторых небольших
интервалов энергий, измеренных магнитным спектрометром (рис. 5).
На рис. 6,а,б представлены измеренные потоки ядер гелия и протонов космических лучей
соответственно, полученные с помощью данного метода. Спектральный индекс получился равным
Измерение спектров протонов и ядер гелия высоких энергий…
–2.62±0.01 для ядер гелия и –2.8±0.1 для протонов. В случае протонов доступный измерению
энергетический интервал простирается вплоть до энергий порядка 15 ТэВ, в то время как для ядер
гелия он сегодня ограничен 70 ГэВ/нуклон.
Eсум/Nср, мип
Рис. 5. Распределение событий по параметру отношения полного энерговыделения в калориметре
к количеству сработавших стрипов для ядер гелия с жесткостью в интервале 90–110 ГВ
Последнее связано с особенностями методики для ядер гелия, которая использует данные
магнитного спектрометра. В дальнейшем подразумевается расширение этого энергетического интервала с развитием методики.
а
б
Рис. 6. Результаты измерений по спектру ядер гелия (a) и протонов (б)
Таким образом, описанный метод измерения энергии протонов и ядер гелия космических
лучей позволяет эффективно восстанавливать их потоки, при энергетическом разрешении не хуже
36 %. Предварительные результаты, полученные вышеизложенным способом дают показатель
спектра –2.62 ±0.01 для ядер гелия и –2.8±0.1 для протонов, что в целом вместе с абсолютными
значениями потоков согласуется с результатами предыдущих экспериментов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Papini P., Adriani O., Ambriola M. et al. // Nucl. Instr. and Meth. Res. A. 2008. V. 588.
2.
3.
4.
Casolino M., Picozza P., Altamura F. et al. // Adv. in Space Res. 2008. V. 42. P. 455.
Карелин А.В., Воронов С.А., Борисов С.В. // УФН. 2009. T. 179. №9. C. 937.
Карелин А.В., Воронов С.А., Борисов С.В. и др. // Письма в ЭЧАЯ. 2010. T. 7. №1. С.
P. 259.
8.
5.
Karelin A.V. // 31-th. Intern. Cos. Ray Conf. Lodz. Poland. 2009. HE. № 493. P. 1.
6.
Гальпер А.М., Воронов С.А., Карелин А.В. и др. // Научная сессия МИФИ–2009. Аннот. докл., Т. 2. М., 2009. С. 162.