Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 5, стр. 688-690

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с Федеральными космическими программами России на 2009–2015 гг. и 2016–2025 гг. продолжаются работы по созданию γ‑телескопа ГАММА-400 [1–3]. Гамма-телескоп ГАММА-400 предназначен для исследования высокоэнергичного космического γ-излучения и электронно-позитронной (далее электронной) компоненты космических лучей (КЛ) в диапазоне высоких энергий. Полученные данные будут способствовать решению проблемы природы “темной материи” во Вселенной и развития теории происхождения высокоэнергичных КЛ.

В настоящее время исследования высокоэнергичного космического γ-излучения осуществляется как в космосе (AGILE, Fermi-LAT, CALET, DAMPE), так и на поверхности Земли (H.E.S.S., MAGIC, VERITAS, HAWC). Телескопом Fermi-LAT зарегистрировано γ-излучение с энергией от 0.1 до 100 ГэВ от ~3000 дискретных источников, при этом около 1/3 источников не идентифицировано с астрофизическим объектами [4]. Наземные γ-телескопы зарегистрировали γ-излучение с энергией более 100 ГэВ всего от ~200 источников (http://tevcat.uchicago.edu/). Отметим, что энергетические спектры γ-излучения в области энергий около 100 ГэВ от многих источников, зарегистрированные как телескопом Fermi-LAT, так и наземными установками, практически не перекрываются. Энергетические спектры потоков первичных электронов КЛ, полученные Fermi-LAT, PAMELA, AMS-2, CALET, DAMPE в области энергий более 50 ГэВ, практически не совпадают [5]. Поэтому для поиска, идентификации источников и уточнения спектров γ-излучения и электронной компоненты КЛ необходимо разрабатывать телескопы нового поколения с существенно лучшими угловым и энергетическим разрешениями для прямой регистрации γ-излучения высоких и сверхвысоких энергий и электронной компоненты КЛ на космических аппаратах. Именно таким уникальным прибором нового поколения станет телескоп ГАММА-400, который будет установлен на российской астрофизической обсерватории. ГАММА-400 представляет собой следующее после Fermi-LAT поколение космических γ-телескопов.

ГАММА-ТЕЛЕСКОП ГАММА-400

На рис. 1 представлена физическая схема телескопа ГАММА-400, который включает в себя:

Рис. 1.

Физическая схема гамма-телескопа ГАММА-400: АС_верх – верхний антисовпадательный детектор; АС_бок –боковые антисовпадательные детекторы; К – конвертер-трекер; С1 (ВПС) и С2 (ВПС) – сцинтилляционные детекторы времяпролетной системы; КК1 и КК2 – координатно-чувствительный калориметр; С3 и С4 – сцинтилляционные детекторы; БДК – боковые детекторы калориметра.

– верхний (АС_верх) (1280 × 1280 × 20 мм) и четыре боковых (АС_бок) (1280 × 600 × 20 мм) двухслойные антисовпадательные сцинтилляционные детекторы, обеспечивающие эффективность регистрации заряженных частиц 0.99995 и временное разрешение 300 пс;

– конвертер-трекер (К), состоящий из 13 пар плоскостей кремниевых стриповых детекторов (X- и Y-координаты) с шагом стрипов 0.08 мм (0.24 мм у Fermi-LAT) и аналоговым съемом информации, что улучшает точность определения места прохождения частицы в два раза, по сравнению с бинарным, используемым у Fermi-LAT. На 11 верхних панелях расположены вольфрамовые конвертеры: на 7 панелях толщиной по 0.1 р.е.д. и на 4 панелях толщиной по 0.025 р.е.д. (р.е.д. – радиационная единица длины). Полная толщина конвертера-трекера для вертикального падения частиц ~1 р.е.д.;

– времяпролетную систему (ВПС) из двухслойных пластиковых сцинтилляционных детекторов С1 (1000 × 1000 × 20 мм) и С2 (1000 × 1000 × × 20 мм). Детекторы С1 и С2 разнесены на расстояние ~500 мм; ВПС обеспечивает коэффициент разделения событий, идущих сверху и снизу, не менее 1000 и имеет временное разрешение лучше 300 пс;

– координатно-чувствительный калориметр (КК) площадью 1000 × 1000 мм². КК состоит из двух частей КК1 и КК2: а) КК1 состоит из 2 слоев. Каждый слой представляет набор сцинтилляционных кристаллов CsI(Tl) и двухслойных (с взаимно перпендикулярным расположением стрипов) кремниевых стриповых детекторов с шагом 0.08 мм. Толщина КК1 составляет 2 р.е.д.; б) КК2 состоит из 28 × 28 кристаллов CsI(Tl). Каждый кристалл размером 36 × 36 × 370 мм расположен в решетке из углепластика толщиной 0.4 мм. Толщина КК2 составляет ~20 р.е.д.; в) Общая толщина калориметра для нормального падения частиц составляет ~22 р.е.д. (8.6 р.е.д. у Fermi-LAT) или 1.0 я.е.д. (я.е.д. – ядерная единица длины). Общая толщина калориметра при регистрации частиц сбоку – 54 р.е.д. или 2.5 я.е.д.;

– двухслойные пластиковые сцинтилляционные детекторы калориметра С3 и С4 размером 1000 × 1000 × 20 мм;

– двухслойные пластиковые боковые детекторы калориметра (БДК).

Для исключения “обратного” тока частиц (в основном ~1 МэВ фотоны), возникающего при взаимодействии с веществом калориметра и направленного во все стороны, в том числе вверх, что блокирует детектор АС, используются сегментационные и временные методы.

ГАММА-400 способен исследовать потоки γ‑квантов в диапазоне энергий от ~20 МэВ до нескольких ТэВ и потоки электронной компоненты КЛ в диапазоне энергий от нескольких ГэВ до ~20 ТэВ от направлений как сверху вниз (поле зрения ГАММА-400 составляет ±45°), так и с четырех боковых направлений с общим геометрическим фактором более 3 м²ср. В γ-телескопе используется единый триггер $\overline {{\text{AC}}} \times {\text{C1}} \times {\text{C2}}$ для регистрации γ-излучения как высоких, так и низких энергий. На рис. 2 представлены эффективная площадь, угловое и энергетическое разрешения ГАММА-400 в зависимости от энергии γ‑квантов, а также зависимость эффективной площади от угла падения частиц. ГАММА-400 будет иметь беспрецедентные угловое (~0.01° при E_γ = 100 ГэВ) и энергетическое (~1% при E_γ = = 100 ГэВ) разрешения лучше, чем у Fermi-LAT, а также наземных γ-телескопов, в 5–10 раз. Коэффициент режекции протонов составляет ~5 × 10⁵. При калибровке макета калориметра на синхротроне С-25Р ФИАН на пучке позитронов с энергией 300 МэВ получено энергетическое разрешение 10%, что соответствует расчетам.

Рис. 2.

Характеристики гамма-телескопа ГАММА-400: а – зависимость эффективной площади от энергии для вертикально падающих частиц; б – зависимость эффективной площади от угла падения частиц для: (1) E_γ = 1 ГэВ; (2) E_γ = 10 ГэВ; (3) E_γ = 100 ГэВ; в – зависимость энергетического разрешения от энергии для частей конвертера: (1) из 4 панелей с вольфрамом толщиной по 0.025 р. е. д; (2) из 7 панелей с вольфрамом толщиной по 0.1 р. е. д.; г – зависимость углового разрешения от энергии для: (1) ГАММА-400 (шаг 80 мкм, аналоговый съем информации); (2) Fermi-LAT(шаг 228 мкм, цифровой съем информации).

Основной режим ГАММА-400 – прецизионные измерения отдельных участков небесной сферы, например, области центра Галактики с продолжительностью непрерывных наблюдений до 100 сут на высокоэллиптической орбите вне радиационных поясов и без затенения поля зрения γ-телескопа Землей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Гамма-телескоп ГАММА-400 по сравнению с Fermi-LAT обеспечит улучшение углового и энергетического разрешений во всем диапазоне энергий от ~20 МэВ до ~1000 ГэВ, а для энергий более 10 ГэВ в несколько раз. Для E_γ = 100 ГэВ угловое разрешение составляет ~0.01° и энергетическое разрешение ~1%. Возможность непрерывного длительного наблюдения отдельных областей небесной сферы, например центра Галактики, позволяет значительно продвинуться в проведении прецизионного исследования дискретных источников γ-излучения, измерения энергетических спектров галактического и внегалактического диффузного γ-излучения, выделения потоков γ-излучения и электрон-позитронной компоненты КЛ, которые могут быть связаны с аннигиляцией или распадом частиц темной материи.