Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1088-1091

ВВЕДЕНИЕ

Исследование космических лучей (КЛ) является фундаментальной задачей современной физики. Низкая интенсивность КЛ с энергией E₀ > 1 ПэВ затрудняет их прямую регистрацию детекторами, установленными на аэростатах и космических спутниках. Поэтому исследования высокоэнергичных КЛ проводятся по измерениям широких атмосферных ливней (ШАЛ) с помощью крупномасштабных установок, которые состоят из множества детекторов, распределенных на большой площади, таких как KASCADE-Grande [1], TibetASγ [2], Якутск [3], ШАЛ МГУ [4]. К сожалению, информация, полученная от таких установок, касается в основном данных по электронно-фотонной составляющей ливней. Мюонные и адронные детекторы также входят в состав некоторых установок в качестве дополнительных элементов, но при этом имеют ограниченные возможности. Поэтому известный энергетический спектр [5] для первичных КЛ был восстановлен в основном по данным об электронно-фотонной компоненте ШАЛ на поверхности Земли.

Экспериментальный комплекс НЕВОД является уникальной научной установкой, объединяющей несколько полнофункциональных детекторов, на которых проводится регистрация электронной, мюонной и адронной компонент ШАЛ. Совместная работа этих детекторов позволяет исследовать КЛ в широком интервале зенитных углов и в диапазоне энергий первичных частиц от 10¹⁵ до 10¹⁸ эВ.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС НЕВОД

Основой экспериментального комплекса НЕВОД является черенковский водный детектор (ЧВД) объемом ~2000 м³ [6]. ЧВД работает в режиме калориметра и позволяет измерять энерговыделение групп мюонов и стволов широких атмосферных ливней, а также каскадов, генерируемых одиночными мюонами в водном объеме в широком динамическом диапазоне. В качестве единицы измерения используется величина, равная числу всех фотоэлектронов, возникающих на внутренних поверхностях фотокатокатодов ФЭУ, установленных в оптических модулях ЧВД, при их засветке черенковским светом от проходящих через водный объем заряженных частиц.

Система калибровочных телескопов (СКТ) [7] создана для контроля параметров спектрометрических трактов ЧВД. СКТ и включает в себя две плоскости сцинтилляционных счетчиков. Сорок счетчиков расположены на крышке бассейна (верхняя плоскость) и сорок на дне водного резервуара (нижняя плоскость). Благодаря плотному расположению счетчиков в плоскостях и наличию между плоскостями водного объема СКТ позволяет регистрировать раздельно электронно-фотонную и мюонную компоненты ШАЛ, а также измерять спектры их локальных плотностей [8] в интервалах энергий ПКЛ от 10¹⁴ до 10¹⁵ эВ и от 10¹⁶ до 10¹⁸ эВ соответственно.

Координатно-трековый детектор ДЕКОР [9] располагается в галереях вокруг ЧВД и предназначен для изучения космических лучей на поверхности Земли под большими зенитными углами вплоть до горизонтальных направлений. Детектор ДЕКОР состоит из восьми вертикально расположенных супермодулей общей площадью ~70 м². Детектор обеспечивает пространственную точность восстановления трека мюона лучше 1 см, а угловую ~0.7°. Двутрековое разрешение супермодулей составляет ~3 см. Хорошие пространственно-угловые характеристики детектора ДЕКОР позволяют не только с высокой точностью реконструировать направление прихода групп мюонов наклонных ШАЛ, но и определять множественность и плотность мюонов в группе [10] в интервалах энергий ПКЛ от 10¹⁵ до 10¹⁸ эВ.

Установка ПРИЗМА-32 [11, 12] состоит из двух независимо работающих кластеров по 16 эн-детекторов, позволяющих регистрировать электронную (э) и нейтронную (н) компоненты, и размещена над водным бассейном ЧВД. Общая площадь установки составляет около 450 м². Диапазон измерений по заряженным частицам составляет от 20 до 75 000 частиц на детектор, диапазон по нейтронам от 1 до 1000 нейтронов на один детектор.

Установка НЕВОД-ШАЛ [13] предназначена для детектирования классическим методом электронно-фотонной компоненты широких атмосферных ливней в энергетическом диапазоне от 10¹⁵ до 10¹⁷ эВ. Ее детектирующие элементы размещаются на крышах корпусов университета и на поверхности Земли вокруг здания, в котором размещены все вышеуказанные детекторы. Разновысотность расположения детектирующих элементов НЕВОД-ШАЛ определяет кластерную организацию ее регистрирующей системы. Соответственно, формирование событий установки НЕВОД-ШАЛ проводится на основе измерения временной задержки между сработавшими кластерами внутри временных ворот 500 нс.

2. ОТБОР СОВМЕСТНЫХ СОБЫТИЙ

Для анализа отбирались события, в которых сработало не менее 5 кластеров в установке НЕВОД-ШАЛ, и при этом среди них должен быть кластер № 3, размещенный на крыше здания экспериментального комплекса. В период с 29.12.2017 по 08.02.2018 г. было зарегистрировано 244 825 таких событий, среди которых проводился поиск совместных событий с другими установками. Все установки, расположенные внутри здания экспериментального комплекса, объединены единой триггерной системой (ЕТС). События считались совместными, если сигнал с ЕТС попадал внутрь временного диапазона от 0 до 770 нс относительно времени срабатывания третьего кластера НЕВОД-ШАЛ. Используя данный критерий, мы отобрали 199284 совместных событий. Распределение по числу срабатываний установок в совместных событиях приведено в табл. 1. Отклик различных установок на одно из совместных событий визуализирован на рис. 1. Ось ШАЛ находится в стороне от здания экспериментального комплекса, вблизи первого кластера НЕВОД-ШАЛ. Численные параметры отклика приведены рядом с каждой установкой. Высота столбиков в местах расположения сцинтилляционных счетчиков установок НЕВОД-ШАЛ и ПРИЗМА-32 указывает на относительное количество зарегистрированных в них частиц. Отклик для установки ПРИЗМА-32 приведен в верхнем правом углу рис. 1 раздельно для электронно-фотонной и нейтронной компонент. В нижнем правом углу показан совместный отклик трех установок ЧВД, СКТ и ДЕКОР. Светлыми прямоугольниками показаны сработавшие счетчики в двух плоскостях СКТ, а темные кружки указывают на ФЭУ, сработавшие в ЧВД. Восстановленные треки мюонов, зарегистрированных в ДЕКОР, показаны прямыми линиями. Зарегистрированные треки заряженных частиц в супермодулях ДЕКОР приведены в левом нижнем углу рис. 1.

Рис. 1.

Визуализация совместного события, зарегистрированного на пяти установках экспериментального комплекса НЕВОД (см. описание в тексте).

3. АНАЛИЗ ДАННЫХ СОВМЕСТНЫХ СОБЫТИЙ

В совместных событиях параметры ливней восстанавливались классическим способом по данным установки НЕВОД-ШАЛ с использованием функции пространственного распределения заряженных частиц Нишимуры–Каматы–Грейзена [14].

Три установки (НЕВОД-ШАЛ, СКТ, ПРИЗМА-32) имеют в своем составе сцинтилляционные детекторы и регистрируют электромагнитную компоненту ШАЛ классическим способом, но в разных энергетических диапазонах. Распределения по числу заряженных частиц, зарегистрированных на этих установках в совместных событиях, приведены на рис. 2. В области пересечения диапазонов регистрации от 70 до 200 частиц/м² эти распределения имеют примерно одинаковый наклон с интегральным показателем γ ~ –1.3.

Рис. 2.

Распределения плотности электронов в совместных событиях для третьего кластера НЕВОД-ШАЛ (1), верхней плоскости СКТ (2) и установки ПРИЗМА-32 (3).

Если ось ливня проходит вблизи здания, то из-за большой плотности заряженных частиц на детекторе ДЕКОР становится невозможным их количественный анализ, а также определение направления их прихода. Если плотность зарегистрированных заряженных частиц при зенитном угле более 35° не превосходит ~2–3 мюона на м², то для большинства таких событий относительное отклонение направлений, восстанавливаемых установками НЕВОД-ШАЛ и ДЕКОР, составляет менее 2.5°.

ЧВД, как калориметр, регистрирует энерговыделение от всех компонент ШАЛ. Распределение отклика ЧВД на совместные события (рис. 3) имеет степенной характер в диапазоне от 10⁴ до 10⁷ фотоэлектронов (ф. э.) с показателем наклона дифференциального спектра ~–1.9 (линия на рис. 3).

Рис. 3.

Распределение числа фотоэлектронов в отклике ЧВД на совместные события.

Данные по адронной компоненте пока имеют ограниченную статистику, т.к. для ее регистрации необходимо прохождение оси ливня вблизи установки ПРИЗМА-32.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Созданный в НИЯУ МИФИ экспериментальный комплекс с пятью различными установками позволяет решать множество различных задач современной физики космических лучей в широком диапазоне энергий первичных частиц:

• исследование ШАЛ в диапазоне энергий от 1 до 100 ПэВ;

• исследование области излома спектра в разных компонентах ШАЛ (электронно-фотонной, мюонной и адронной);

• проверка моделей взаимодействия частиц при сверхвысоких энергиях;

• исследование анизотропии первичных КЛ.

Работа выполнена на уникальной научной установке “Экспериментальный комплекс НЕВОД” при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Программа повышения конкурентноспособности НИЯУ МИФИ, проект 02.а03.21.0005), а также гранта РФФИ № 16-29-13028-офи_м.