Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 606-609

ВВЕДЕНИЕ

Разработанный в 1960-х гг. в ИКФИА метод глобальной съемки [1] и другие ее варианты [2–4] позволяют рассматривать мировую сеть нейтронных мониторов как единый многонаправленный прибор, охватывающий в каждый измеряемый момент времени практически всю небесную сферу. Получаемая при этом информация о распределении КЛ отражает глобальную картину процессов модуляции и их динамику в межпланетной среде.

Развитие мировой сети мюонных телескопов, позволяет реализовать на основе их данных, аналогичную методику по исследованию КЛ. Эффективные энергии регистрации мюонной компоненты много выше, чем у нейтронных мониторов, и получаемая информация при таком подходе позволит исследовать динамику процессов в распределении КЛ, отражающих структуру гелиосферы в ее удаленных областях. Современные мюонные телескопы регистрируют КЛ одновременно с более чем 10-ти различных узкоугольных направлений. Поэтому использование данных даже нескольких разнесенных по долготе и широте стабильно работающих станций мюонных телескопов, позволит реализовать достаточно информативную методику определения параметров распределения КЛ в гелиосфере. Это стало практически возможным с созданием глобальной сети мюонных детекторов GMDN (http://cosray.shinshu-u.ac.jp/crest/db/public/archives/gmdn.php) и базы данных мировой сети мюонных телескопов MDDB с ее приложениями (http://crsa.izmiran.ru/phpmyadmin). В данной работе приводятся результаты реализации методики, аналогичной методу глобальной съемки, основанной на измерениях сети мюонных телескопов.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ

Для анализа использованы данные измерений в 2012 г. станций: Хобарт (43.0 S, 147.3 E), Кувейт (29.4 N, 48.0 E), Нагоя (35.2 N, 137.0 E) и Сао-Мартиньо (29.4 S, 53.8 W) по направлениям: V, N 30°, E 30°, S 30°, W 30°, NЕ 39°, SE 39°, NW 39°, SW 39°, N 49°, E 49°, S 49°, W 49°. Также привлечены данные мюонного телескопа на поверхности Земли станции Якутск по направлениям: V, N 30° и S 30° (www.ysn.ru.ipm). Таким образом, общее количество каналов информации составило 55. К этим данным с помощью приложения базы MDDB рассчитаны температурные коэффициенты и введены соответствующие поправки.

Новый метод обработки указанных данных является аналогией метода глобальной съемки [1], который основан на использовании приемных векторов ${R_{n}^{m}}$ [5]. Приборы, имеющие различные приемные векторы ${R_{n}^{m}},$ регистрируют соответствующую интенсивность $I$, которую можно определить следующим образом:

где ${x_{n}^{m}},$ ${y_{n}^{m}}$ – компоненты ${R_{n}^{m}},$ ${a_{n}^{m}},$ ${b_{n}^{m}}$ – компоненты многомерного вектора распределения КЛ ${\vec {A}}.$ Компоненты ${\vec {A}}$ в каждый измеряемый момент времени могут быть найдены из решения системы вышеприведенных линейных уравнений, которая в матричном виде имеет вид [6]:

здесь $I$ – вектор-столбец данных наблюдений и $M$ – прямоугольная матрица коэффициентов приемных векторов. Полученная система решается методом наименьших квадратов в предположении, что ряд быстро затухает.

2. ПРИЕМНЫЕ ВЕКТОРЫ МЮОННЫХ ТЕЛЕСКОПОВ СТАНЦИЙ ХОБАРТ, КУВЕЙТ, НАГОЯ И САО-МАРТИНЬО

Расчет приемных векторов реальных приборов ${R_{n}^{m}}$ проводится [6], если известны: коэффициенты связи между вторичными и первичными частицами W(E) [7], диаграммы направленности детектора ${N(\theta ,\varphi )d\omega }$ [8], отражающие как геометрические особенности прибора, так и зенитно-азимутальную зависимость регистрируемых частиц, энергетический спектр ${{{f}_{n}}\left( E \right)}$ исследуемых вариаций интенсивности КЛ и асимптотические углы прихода частиц. Разложение распределения КЛ в ряд по сферическим функциям быстро сходится. Поэтому, кроме изотропной составляющей, обычно учитывают лишь первые две сферические гармоники распределения, эффекты от которых в эксперименте наблюдаются. В соответствии с этим в векторе ${R_{n}^{m}}$ определяют первые 9 компонент.

Для расчета приемных векторов использованы коэффициенты связи W(E), приведенные в аналитическом виде в работе [9]. Диаграммы направленности N(θ,φ) для станций GMDN определены на основе их геометрии и принципиальных схем совпадений, представленных в http://cosray.shinshu-u.ac.jp/crest/DB/Documents/documents.phр. Выбор энергетических спектров 1-й и 2-й сферических гармоник зависит от поставленных задач по исследованию распределения КЛ. В нашем случае для определения компонент первой сферической гармоники выбран спектр ${{{f}_{{\text{1}}}}\left( E \right)}$ вида: ${{f}_{{\text{1}}}}\left( E \right) = {\text{const,}}$ если $E \leqslant {{E}_{{\text{0}}}},$ и ${{f}_{{\text{1}}}}\left( E \right) = {\text{0,}}$ если $E > {{E}_{{\text{0}}}},$ где ${{{E}_{{\text{0}}}}}$ = 40, 60, 80, 100 ГэВ. Спектр для второй сферической гармоники ${{{f}_{{\text{2}}}}\left( E \right)}$ имеет следующий вид [6]: ${{f}_{{\text{2}}}}\left( E \right) = \left( {E{\text{/}}{{E}_{{\text{0}}}}} \right){\text{,}}$ если ${E \leqslant {{E}_{{\text{0}}}}}$ и ${{f}_{{\text{2}}}}\left( E \right) = {{\left( {E{\text{/}}{{E}_{{\text{0}}}}} \right)}^{{ - {\text{2}}}}},$ если $E > {{E}_{{\text{0}}}},$ где ${{{E}_{{\text{0}}}}}$ = 50, 70, 100, 150 ГэВ. Асимптотические углы прихода частиц $\Psi \left( {E,\theta ,\phi } \right),$ $\Phi \left( {E,\theta ,\phi } \right)$ рассчитывались с разрешением в 3° по зениту от 0° до 64° и азимуту от 0° до 357°. Расчеты траекторий проводились согласно методике, приведенной в работе [10]. Результаты проведенных расчетов коэффициентов связи, диаграмм направленности, траекторий КЛ и приемных векторов приведены на сайте ИКФИА по адресу: www.ysn.ru/smt.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведена реализация нового метода определения углового распределения КЛ в межпланетном пространстве на основе измерений вышеуказанных мюонных телескопов. Параметры рассчитанных с помощью нового метода радиальной ${a_{{\text{1}}}^{{\text{1}}}}$ и азимутальной ${b_{{\text{1}}}^{{\text{1}}}}$ компонент первой сферической гармоники распределения КЛ ${{{{\vec {A}}}_{{{\text{11}}}}}}$ сопоставлялись с результатами, полученными с применением метода глобальной съемки по данным нейтронных мониторов (рис. 1). Как следует из рисунка, при схожей средней временной динамике поведения их величин, результаты определения указанных компонент вектора ${{{{\vec {A}}}_{{{\text{11}}}}}}$ по данным мюонных телескопов являются относительно более устойчивыми. На рис. 2 в системе координат GSE показано поведение векторов ${{\vec {A}}_{{11}}},$ полученных по данным мюонных телескопов и нейтронных мониторов в периоды спокойного (a) и возмущенного (б) состояний межпланетной среды.

Из этих рисунков также следует, что использование нового метода дает более надежные результаты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование в предложенном методе глобальной съемки данных многонаправленных мюонных телескопов Хобарт, Кувейт, Нагоя, Сао-Мартиньо и Якутск дает новые результаты в определении параметров суточной анизотропии в распределении КЛ в межпланетной среде. Есть все основания полагать, что дальнейшее развитие предложенного варианта метода глобальной съемки и использование его результатов в научных исследованиях даст новые сведения о структуре и динамике гелиосферы в ее отдаленных областях и в целом.

Работа была выполнена при поддержке РФФИ (проекты № 18-02-00451-а, № 18-32-00064-мол_а) и с использованием оборудования УНУ Сеть СКЛ.