1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 5, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 696-698

Обсерватория лучей высоких энергий. текущий статус

Д. М. Подорожный 1, *, Д. Е. Карманов 1, А. Д. Панов 1, Л. Г. Ткачев 2, А. Н. Турундаевский 1

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”, Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына
Москва, Россия

2 Объединенный институт ядерных исследований
Дубна, Россия

* E-mail: dmp@eas.sinp.msu.ru

Поступила в редакцию 15.09.2018
После доработки 06.11.2018
Принята к публикации 28.01.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Определены цели и научные задачи космического эксперимента “Обсерватория лучей высоких энергий”. Представлен проектный облик научной аппаратуры, характерной особенностью которой является ее беспрецедентно высокий геометрический фактор (~20 м2 · ср) и достаточно высокая точность в измерениях. Технические характеристики аппаратуры позволяют прецизионно исследовать космические лучи в широком энергетическом диапазоне, включая совершенно неисследованную область энергий 1015–1016 эВ. Определен текущий статус космического эксперимента.

ВВЕДЕНИЕ

За последние два десятилетия были осуществлены несколько успешных миссий [1–8] по исследованию энергетических спектров и химического состава космических лучей (КЛ). В энергетической области до ~5 × 1013 эВ собран достаточно обеспеченный статистический материал по обильным ядрам. Обнаружены ряд особенностей в энергетических спектрах разных компонентов КЛ. Это усилило интерес по исследованию прямыми методами КЛ с максимально возможным продвижением в область высоких энергий. В настоящее время одновременно на околоземной орбите осуществляются четыре космических проекта с близкими целями: НУКЛОН [9], CALET [10], DAMPE [11], ISS-CREAM [12]. При успешной реализации этих проектов можно ожидать, что приблизительно к 2020 г. будет получен статистически обеспеченный материал вплоть до энергий ~5 × 1014 эВ [13, 14]. Однако область сверхвысоких энергий 1015–1016 эВ (область “колена”) остается недоступна как для действующих, так и планируемых миссий. Область “колена” в энергетическом спектре КЛ является критической для изучения процессов их ускорения и распространения, поэтому необходим новый, “прорывной” эксперимент – Обсерватория Лучей Высоких Энергий (ОЛВЭ), основным требованием к которому является радикальное повышение его светосилы.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ОЛВЭ

1. Определение химического состава КЛ с элементарным разрешением зарядов области “колена Христиансена–Куликова” (энергия ~3 × 1015 эВ).

2. Исследование обильных КЛ в области за “коленом”, вплоть до 1016 эВ.

3. Прецизионное определение состава КЛ в диапазоне энергий 1012–1015 (высокая статистика и разрешение энергии), в том числе для редких вторичных ядер.

4. Изучение анизотропии КЛ с превышением статистики более чем на два порядка.

5. Исследование электронного спектра в диапазоне энергий до десятков ТэВ.

5. Изучение ядер за пиком железа, включая сверхтяжелые экзотические ядра.

6. Измерение диффузного спектра гамма-излучения в широком диапазоне энергий с разрешением сверхвысокой энергии (до 0.1–0.2% при энергии вплоть до ~10 ТэВ).

7. Поиск сильно взаимодействующей “странной” материи, либо поиск верхнего порога ее изобилия в Галактике.

2. ПРОЕКТНЫЙ ОБЛИК ОЛВЭ

Главный сдерживающий фактор по исследованию КЛ прямыми методами в высокой и сверхвысокой области энергий определяется тем, что на сегодняшний день ионизационный калориметр (ИК) [15] остается единственной универсальной методикой для построения спектрометра энергий. Светосила и точность измерений ИК напрямую зависят от массы. Исходя из этого основным требованием в реализации ОЛВЭ служит использование предельно допустимой массы полезной нагрузки для существующих и проектируемых отечественных ракетоносителей тяжелого класса – 12.5 т. После широкомасштабного моделирования для ИК ОЛВЭ массой 10 т. предлагается сцинтилляционно-вольфрамовый ИК 3D в виде призмы. Дополнительной функцией ИК служит использование всего объема сцинтилляторов (борированных) в качестве нейтронного детектора, что дает дополнительную возможность независимой регистрации энергии каскада и выделение каскадов от лептонной компоненты. Средняя энергетическая точность регистрации протонов при 1015–1016 эВ не хуже 30%, для более низких энергий и ядер точность повышается в зависимости от типа ядра и энергетического диапазона. Для лептонной компоненты в области 0.1–10 ТэВ энергетическая точность лучше 1%. Угловое разрешение определяется по оси каскада в ИК и относительно невелико ~1°. Поэтому ОЛВЭ не ставит перед собой задачи классического гамма-телескопа, а будет нацелена на поиск линий в диффузном излучении.

ИК содержит 62 шестиугольных слоя, каждый из которых состоит из вольфрамового листа ~2 мм и слоя сцинтиллятора из шестигранных призм высотой 2 мм диаметром 25 мм. Светосбор осуществляется по оптоволокнам, проложенным в пазах призм в трех направлениях при углах 0°, 60°, 120°, и снимается ФЭУ, расположенными по краям плоскости (рис. 1). Вокруг ИК (рис. 2) размещена система измерения заряда, которая представляет собой четырехслойную кремниевую падовую матрицу, аналогичную аппаратуре НУКЛОН [9]. Для повышения точности при сверхвысоких энергиях размер пада уменьшен до 1 см2. Структура матрицы устойчива к воздействию обратного тока и дает разрешение не хуже 0.2 зарядовых единиц во всем диапазоне зарядов. Основные характеристики научной аппаратуры ОЛВЭ приведены в табл. 1.

Рис. 1.

Проектный облик ИК ОЛВЭ.

Рис. 2.

Проектный облик зарядовой системы ОЛВЭ.

Таблица 1
Эффективный геометрический фактор Протоны ~ 12 м2 ср
ядра (в среднем) ~ 16 м2 ср
γ и e± ~20 м2 ср
Срок активного существования ОЛВЭ >7 лет
Точность измерений энергии Протоны <30%
ядра ~20–10%
γ и e± <1%
Точность измерений заряда ~0.2 з.е.
Уровень режекции Протоны к γ и e± 105–106
γ к e± > 103
Общая масса ОЛВЭ ~12.5 т
Энергопотребление <4.5 кВт
Габаритные размеры В транспортном положении не выходят за габарит цилиндра ∅2.5 м и h = 2.5 м

3. ТЕКУЩИЙ СТАТУС

Проект ОЛВЭ поддержан Российской академией наук, Роскосмосом и включен в Федеральную космическую программу России. В 2018–2020 гг. проект находится на стадии НИР. С 2021 г. проект переходит в опытно-конструкторскую стадию развития. Планируемый запуск после 2025 г. не позднее 2030 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для продвижения на порядок по энергетической шкале в прямых исследованиях КЛ альтернатива ОЛВЭ в ближайшие десятилетия не планируется. При успешной реализации эксперимента объем информации будет превышать более чем на два порядка банк данных, собранный за почти 60 лет исследований в данной области естествознания, причем с радикально качественно улучшенными характеристиками, в первую очередь в части статистической обеспеченности экспериментального материала. Впервые в прямых измерениях КЛ с полным разрешением частиц по заряду будет исследована область энергий 1015–1016 эВ. Именно в этой области можно ожидать наиболее интересных открытий, несущих в себе информацию о наиболее катастрофических процессах в Галактике.

Список литературы

  1. Ahn H.S., Seo E.S., Ganel O. et al. // Adv. Space Res. 2006. V. 37. P. 1950.

  2. Panov A.D., Adams J.H., Ahn H.S. et al. // Adv. Space Res. 2006. V. 37. P. 1944.

  3. Yoon Y.S., Ahn H.S., Allison P.S. et al. // Astrophys. J. 2011. V. 728. P. 122.

  4. Ahn H.S., Allison P.S., Bagliesi M.G. et al. // Astrophys. J. 2009. V. 707. P. 593.

  5. Obermeier A., Ave M., Boyle P. et al. // Astrophys. J. 2011. V. 742. P. 14.

  6. Aguilar M., Aisa D., Alpat B. et al. // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 115. Art. no. 211101.

  7. Aguilar M., Aisa D., Alpat B. et al. // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. Art. no. 171103.

  8. Ivanenko I.P., Shestoperov V.Ya., Chikova L.O. et al. // Proc. 23rd ICRC (Calgary. Canada). 1993. V. 2. P. 17.

  9. Atkin E., Bulatov V., Dorokhov V. et al. // Nucl. Instr. Meth. Sec. A. 2015. V. 770. P. 189.

  10. Brogi P., Marrocchesi P., Maestro P., Mori N. // Proc. 34th ICRC. 2015. Hague, Netherlands. PoS ICRC. 2016. P. 595.

  11. Wu X., Ambrosi G., Asfandiyarov R. et al. // Proc. 34th ICRC. 2015. Hague, Netherlands. PoS ICRC. 2016. P. 1192.

  12. Seo E.S. et al. // Adv. Space Res. 2014. V. 53. № 10. P. 1451.

  13. Atkin E., Bulatov V., Dorokhov V. et al. // Astropart. Phys. 2017. V. 90. P. 69.

  14. Atkin E., Bulatov V., Dorokhov V. et al. // JCAP. 2017. № 7. P. 20.

  15. Григоров Н.Л., Мурзин В.С., Рапопорт И.Д. // ЖЭТФ. 1958. Т. 34. С. 506.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал