Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 694-695

ВВЕДЕНИЕ

В областях физики, связанных с космосом, в том числе физике источников космических лучей и астрофизике в целом, на текущий момент наблюдается повышенный интерес к данным по изотопному составу космических лучей, что связано с большим количеством физических задач, для которых эти данные необходимы. Эти задачи включают изучение локального окружения Солнца, в том числе измерение локального диффузионного коэффициента, поиск локальных источников и определение возраста космических лучей, изучение изотопных аномалий, возникающих при взрывах Сверхновых в обогащенную тяжелыми элементами среду, изучение нестандартных процессов ускорения космических лучей, особенностей инжекции частиц в них и исследование процессов нуклеосинтеза.

На сегодняшний день наблюдается сильный недостаток экспериментальных данных по изотопному и зарядовому составу космических лучей с Z > 32 для изотопного и Z > 40 для зарядового разрешения и с учетом того, что в ближайшее время эксперименты в данной области не планируются, новый эксперимент в данной области крайне актуален [1].

1. ЭКСПЕРИМЕНТ НУКЛОН-2

НУКЛОН-2 – это планируемый спутниковый эксперимент для прямого изучения космических лучей и их изотопного и зарядового составов. Диапазон Z для задачи зарядового разрешения протягивается от углерода до границы стабильных ядер, а для задачи изотопного разрешения – от 6 до 66. Планируемое время экспозиции и геометрический фактор составляют 5 лет и 0.8 м² · ср соответственно.

Для разделения изотопов в эксперименте используется модифицированная методика E-dE. Эта методика основана на измерении полной энергии частицы E и ее линейных потерь энергии dE/dx в одном из детекторов системы. Произведение этих двух величин пропорционально массе частицы M и квадрату ее заряда Z ².

Научная аппаратура эксперимента планируется к установке в качестве дополнительной нагрузки на российский коммерческий спутник. Планируемая орбита – солнечно-синхронного типа с высотой 400–600 км и наклонением в 97°.

Предполагаемая компоновка эксперимента состоит из 48 идентичных независимых спектрометров тяжелых изотопов космических лучей (СТИКЛ). Принципы их функционирования, управления и контроля максимально заимствованы из эксперимента НУКЛОН [2].

Каждый СТИКЛ состоит из 32 спаренных кремниевых калориметрических детекторов толщиной в 1 мм каждый и 8 трековых стриповых детекторов толщиной 300 мкм и имеет два симметричных входных окна с двух сторон. Масса и заряд частицы определяются через измерение потерь энергии частицей в каждом из детекторов вплоть до ее остановки с соответствующим пиком Брэгга.

2. ПРОТОТИП ЭКСПЕРИМЕНТА

Для проверки работоспособности аппаратуры и методов анализа был разработан прототип эксперимента НУКЛОН-2, состоящий из 13 миллиметровых и 18 300-микронных кремниевых детекторов. Устройство триггера прототипа позволяет настраивать его на регистрацию частиц, останавливающихся внутри калориметра и пролетающих его насквозь.

Прототип был протестирован на ускорителе SPS CERN на высокоэнергетическом (150 ГэВ/нуклон) фрагментированном пучке ядер с Z до 82 при различных соотношениях A/Z. Полученное зарядовое разрешение для A/Z = 2.2 представленное на рис. 1, составляет 0.17 зарядовых единиц вне зависимости от конкретного ядра и подтверждает работоспособность электроники прототипа и адекватный уровень ее шумов во всем планируемом диапазоне Z. Конкретное значение разрешения (0.17 зарядовых единиц) хорошо соответствует результатам, полученным для аналогичного эксперимента в Монте-Карло моделировании.

Рис. 1.

Полученное заряженное разрешение на пучке фрагментированных ядер Pb при A/Z = 2.2.

3. МОНТЕ-КАРЛО МОДЕЛЬ

Было также проведено Монте-Карло симулирование в программных пакетах FLUKA, GEANT3 и GEANT4 с упрощенной геометрией модели для проверки изотопного разрешения эксперимента, оптимизации его конструкции и получения допустимого уровня шумов. Полученные данные были обработаны различными методами (нейронные сети и многомерный анализ, основанный на методе максимального правдоподобия). Было получено изотопное разрешение вплоть до Z = 64. Полученное разрешение для ядер олова показано на рис. 2. При обработке события с фрагментационными процессами считались фоновыми и фильтровались методами, схожими с методами обработки.

Рис. 2.

Полученное изотопное разрешение для ядер олова в модели Монте-Карло.

В моделировании было также показано, что при уровне приведенных шумов электроники ниже 5 МэВ сильное ухудшение изотопного разрешения не наблюдается. Важно отметить, что полученный в прототипе уровень шумов электроники ниже 1 МэВ, и тем самым подтверждается возможность разрешения изотопов во всем заявленном зарядовом диапазоне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эксперимент НУКЛОН-2 – это планируемый спутниковый эксперимент по прямому изучению космических лучей и их изотопного и зарядового составов. Представленные результаты пучкового тестирования прототипа и Монте-Карло симуляции подтверждают работоспособность основных идей, заложенных в эксперимент. Эксперимент все еще находится в разработке и планируется к запуску в 2020–2022 годах.