«Определение оптимального временного интервала для измерения вариации интенсивности частиц космических лучей на уровне земли» Гридин Андрей Олегович г. Ставрополь, ГОУ ДОД Центр Поиск, 11 класс, науч. рук.: Шелков Георгий Александрович, кандидат физико-математических наук, зам директора по науке Лаборатории Ядерных Проблем ОИЯИ (г. Дубна), зам зав базовой кафедрой МФТИ в ОИЯИ, старший научный сотрудник. Космическое излучение – поток частиц высоких энергий, прилетающих на Землю из глубин Космоса, названных позже космическими лучами, было экспериментально обнаружено в 1912 году. Это явление продолжает быть предметом научного исследования до сих пор. От Солнца и из глубин Космоса на Землю непрерывно прилетают частицы различной (до 10 21 эВ) энергии. Некоторые летят несколько тысяч лет, так что такой путь могут проделать только стабильные частицы – прежде всего электроны, протоны и дейтроны - ядра водорода и дейтерия. Этот поток частиц называют первичным космическим излучением. Атмосфера Земли, толщина которой составляет 1 кг/см 2 , защищает планету от этого потока. Частицы малых энергий целиком поглощаются в атмосфере, а частицы высоких энергий образуют целый конус вторичных частиц, которые принято называть Широкими Атмосферными Ливнями (ШАЛ). Частица первичных космических лучей, двигаясь в атмосфере Земли, рано иди поздно сталкивается (взаимодействует) с ядрами газов атмосферы. В этом столкновении рождается множество вторичных частиц, а энергия первичной частицы уменьшается. Эти рожденные частицы также испытывают соударения с ядрами газов атмосферы, и в итоге образуется ШАЛ. Рис 1. Явление Широкого Атмосферного Ливня Важно, что все частицы ШАЛ движутся со скоростями близкими к скорости света и достигают поверхности Земли практически одновременно. Этот продолжающийся уже почти сто лет научный интерес в сочетании с важной особенностью космических лучей – их доступностью (они непрерывно падают на поверхность Земли в любой ее точке, и поэтому для их получения не трубуется создания каких-либо специальных 1 устройств) привели к появлению идеи создания физиками специализированых установок для регистрации КЛ и организации специальных научно-учебных проектов, использующих получаемую информацию для вовлечения школьников в актуальные научные исследования. В 2005 году идею создания установки для регистрации Широкого Атмосферного Ливня (ШАЛ) - потока вторичных частиц космических лучей подхватили ученые Объединенного Института Ядерных Исследований (г. Дубна). На сегодняшний день подобные проекты действуют в нескольких странах (США, Канада, Германия и др.). Особенность проекта, который получил название «Ливни Знаний» в том, что он не только первый в России, но и открытый, т.е. принять участие в исследовании космических лучей могут все желающие со всего мира, в отличие от других проектов, в которых установки устанавливаются в школах и привлекают прежде всего учащихся именно той школы. Работа и общение с физиками происходит с помощью интерактивного сайта, http://livni.jinr.ru, который собирает данные с Распределенной Установки для регистрации Атмосферных Ливней (РУСАЛКИ) и позволяет в режиме реального времени выбирать инетресующие участника данные и анализировать их строя всевозможные гистограммы и графики, с помощью которых можно исследовать самые разные эффекты как работы самой установки, так и ШАЛ. В задачи проекта «Ливни Знаний» входит: - Дать учителям и школьникам представление о современных проблемах науки. - Проект позволит участвовать школьникам и их учителям на конференциях (в том числе международных) со своими научными результатами. - Пропаганда научной деятельности и привлечение молодежи к участию ней. Исследования проводятся на Распределенной Установке для регистрации Атмосферных Ливней (РУСАЛКА), которая расположена в Дубне (ОИЯИ). Регистрация вторичных космических лучей происходит с помощью сцинтилляционных детекторов. Вся установка сейчас представляет собой кластер из 7 станций, но при успешном развитии проекта планируется как добавления новых станций в этом кластере, так и создание новых кластеров. Станция включает в себя два расположенных рядом детектора (сцинтилляционный счетчик размером 60х80 см) приемник системы глобального позиционирования GPS/ Глонасс, блок электроники и одноплатный компьютер для временного хранения информации и дальнейшей передачи и непрерывного накопления в центральный сервер установки. Рис 3. Схема станции установки РУСАЛКА Рис 2. Станция установки 2 Исключение составляет станция №1, имеющая иную конструкцию, которая сейчас находится в стадии запуска. С помощью приемника GPS системы (возможен переход и к системе ГЛОНАСС) становится возможным определить точное (с точностью нескольких десятков наносекунд) абсолютное время (в шкале Всемирного времени) появления сигнала в каждой отдельной станции. В дальнейшем, при обработке, это даст возможность выделять события появивишиеся в разных станциях одновременно (случаи пояления ШАЛ) и, кроме того выделять случаи временных совпадений сигналов от станций, расположенных в любой точке Земли. Вся информация о событиях временно накапливается в компьютере каждой станции, раз в 2 часа передается на центральный сервер, где перерабатывается в события формата ROOT и постоянно хранится на дисковой памяти центрального сервера установки. Любой участник проекта через интернет получает доступ к этим данным, а также к ряду готовых программ (с интерактивным управлением) с помощью которых он может анализировать выбранные им данные и получать результаты в виде одномерных и двумерных гистограмм. Особенность данного проекта состоит в том, что авторы проекта дают доступ не только к конечным данным о регистрации ШАЛ, но и данные методических измерений, цель которых состоит в демонстрации особенностей работы установки и методов ее диагностики и настройки. Для выделения случаев образования ШАЛ в атмосфере, в установке Русалка используется следующий способ. На полу в помещениях Лаборатории Ядерных Проблем ОИЯИ устанавливается два сцинтилляционных счетчика размером (60х80) см. каждый. В сцинтилляторе (особый вид пластмассы) такого счетчика частица ШАЛ дает слабую световую вспышку. Этот свет с помощью волоконной оптики собирается на фотоумножитель (ФЭУ) в котором свет образует электрон и усиливается. Рис 4. Передача света через оптоволокно в ФЭУ Таким образом, после попадания на сцинтиляционный счетчик заряженной частицы ШАЛ, на выходе ФЭУ появляется короткий электрический сигнал. Специальная электронная схема, анализируя сигналы, поступающие с этих двух детекторов, выбирает события, в которых сигналы от счетчиков появляются достаточно близко по времени (в нашей установке в диапазоне +- 1,2 мксек). Такие события очень похожи на искомые события ШАЛ, в которых на Землю одновременно падает множество частиц и имеется достаточная вероятность одновременного попадания в оба счетчика. Таким образом, в установке Русалка происходит предварительный отбор событий для дальнейшего анализа. Как это реально происходит? Сигналы со счетчиков поступают в блоки дискриминаторов для преодоления порога. Порог это разделительный уровень, для «принятия решения» дискриминатором о поступившем на него сигнале от счетчика. Сигналы ниже уровня порога игнорируются. Превышающий уровень порога (который надо правильно выбрать), сигнал поступает на 2 выхода. Один сигнал стандартной амплитуды идет в схему совпадений, в которой сигналы с обоих детекторов сопоставляются во времени в указанном выше временном интервале ±1,2 мксек, а второй сигнал идет в блок оцифровки, где определяется длительность сигнала с детектора на уровне пересечения им порогового уровня и с помощью GPS/Глонасс системы определяется время появления сигналаов с обоих детекторов с точностью 5 нсек. Отобранные и сформированные таким образом данные записываются в память одноплатного компьютера, с которого 3 периодически через компьютерную сеть ОИЯИ переписываются в память центрального сервера, на котором они пстоянно сохраняются. Несколько раз в сутки накопленные данные преобразуются в принятый у специалистов физиков Root data формат и также сохраняются в дисковой памяти центрального сервера. Именно эти данные используются при выполнении заданий по заказам пользователей. Рис 5. Блок схема работы электроники для отбора событий Рис 6. Блок с электроникой станции Работа и общение экспертов (физиков) с участниками ведется с помощью интерактивного сайта http://livni.jinr.ru. Создатели сайта сделали специальную программу, с помощью которой даже малоподготовленномый посетитель сайта имеет возможномть выбирать данные, набранные установкой в интересующий его временной период, и строить некоторый (постоянно расширяющийся) набор зависимостей в виде гисторгамм, котрые после выполнения созданного посетителем задания появляются на экране его компьютера. Анализируя эти зависимости можно выполнять ряд интерсных исследований, что прежде всего дает возможность ознакомиться с методами анализа и представления данных, принятых в современной науке. Задача участников – анализ полученных графиков и описание явлений. Пример такого исследования описан в данной работе. На данный момент доступны следующие основные задачи: (список задач будет со временем увеличиваться) - Rate(time) - Зависимость скорости счета выбранной станции в заданный период времени. - dT in one station - Распределение временных интервалов между сигналами в двух детекторах одной и той же станции в отобранных триггером событиях. 4 - Rate(time) for classes A and B - Зависимость скорости счета выбранной станции в заданный период времени для отобранных событий классов «А» (истинные совпадения) и «В» (случайные совпадения). - Rate for classes A and B for different stations - отношение скоростей счета событий классов А и В для разных станций - Signal duration - построение двумерного распределения длительностей сигналов с детекторов выбранной станции - Signal duration AB - построение двумерного распределения длительностей сигналов с детекторов выбранной станции для событий классов «А» и «В» Рассмотрим подробнее задачи dT in one station, Rate(time) и Rate(time) for classes A and B. Назовем события, большая вероятность которых, что это события ШАЛ событиями класса «А». Остальные (фоновые) события – событиями класса «В». В результате выполнения задач Rate(time) и Rate(time) for classes A and B строятся графики зависимостей скоростей счета (частоты регистрации) в заданный промежуток времени. Отличие задач в том, что в результате выполнения второй задачи – строятся зависимости для событий классов «А» и «В» раздельно. По горизонтальной оси этих гистограмм отложено время (дата) набора данных , а по вертикали – количество событий за выбранный временной интервал (цена канала гистораммы). Работая с этими гистограммами, можно определять интенсивность регистрации частиц ШАЛ за указанный промежуток времени. В частности, при запуске этих заданий, кроме указания времени начала и конца для анализируемых данных и номеров изучаемых станций, необходимо указывать количество каналов (бинов) в гистограмме, т.е количество частей, на которые разобьет программа гистограмму. Задача представленной работы – найти зависимость точности измерений от размера единичного канала гистограммы и определить оптимальный размер канала для изучения тех или иных зависимостей и наиболее ясного представления графика. Построим графики задачи Rate (time) для станции №2 в период с первого по 7 февраля 2010 года с разной длиной канала: неделя, сутки, 8 часов, 1 час, 5 минут. Сравним точность измерений для заданных значений канала. Усреднение за неделю Количество бинов: 1 Средняя частота регистрации вторичных частиц ШАЛ: ≈0,29 Гц Количество событий: 7*24*60*60*0,29 = 175392 Ошибка измерения вычисляется по формуле N N , где N – число событий С учетом ошибки количество событий N=175392±419. 5 Обозначим процент ошибки N * 100% ; =0.2% N Усреднение за сутки Количество бинов: 7 С этого момента и далее нет смысла писать значение средней частоты, т.к. оно не будет меняться, ведь на следующих нескольких графиках будут показаны все те же события за тот же промежуток времени, только с другой длиной бина. Среднее количество событий в одном бине: 24*60*60*0,29 = 25056 Количество событий в одном бине с учетом возможной ошибки: 25056±158 =0.6% Усреднение за 8 часов. Количество бинов: 21 Среднее количество событий в одном бине: 8*60*60*0,29 = 8352 Количество событий в одном бине с учетом возможной ошибки: 8352±91 =1% Усреднение за 1 час 6 Количество бинов: 168 Среднее количество событий в одном бине: 1*60*60*0,29 = 1044 Количество событий в одном бине с учетом возможной ошибки: 1044±32 =3% Усреднение за 5 минут Количество бинов: 2016 Среднее количество событий в одном бине: 1*60*0,29*5=87 Количество событий в одном бине с учетом возможной ошибки: 87±9 =10% На основании полученных данных построим график зависимости точности измерения от длины бина: Зависимость точности измерения от длины бина: ошибка измерения, % 12 10 8 6 4 2 0 168 24 8 1 Длина канала, ч 7 0.08 Длина бина Ошибка измерения, % 168 часов (неделя) 24 часа (сутки) 8 часов 1 час 5 минут 0,2 0,6 1 3 10 Вывод: На графике видно, что чем меньше длина бина, тем больше абсолютная ошибка измерения. Если нас интересуют вариации космических лучей с временной шкалой несколько часов, то построение графика с ценой канала в одни сутки бессмысленна, несмотря на высокую точность полученных данных. Если мы хотим наблюдать эффекты вариации на уровне процента, то при данной интенсивности регистрации ШАЛ мы сможем наблюдать эффекты с временем вариации не менее 8 часов. Измерение вариации интенсивности ШАЛ на уровне 1 часа возможна лишь с точностью 3 процента. Наблюдения вариаций ШАЛ можно также наблюдать, строив и анализируя гистограммы задачи Rate(time) for classes A and B. В полученных графиках отображается частота регистрации событий классов «А» и «В» в заданный промежуток времени, что позволяет проводить достаточно точную настройку станций, оценивать природу регистрируемых событий. 8