1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 83, № 8, 2019

Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1099-1101

Повышение точности восстановления максимума ливня в эксперименте TUNKA RADIO EXTENSION

П. А. Безъязыков 1, *, Н. М. Буднев 1, О. А. Гресс 1, А. В. Загородников 1, Ю. А. Казарина 1, М. Кляйфгес 2, Е. Е. Коростелёва 3, Д. Г. Костюнин 4, Л. А. Кузьмичёв 3, В. В. Ленок 4, Н. Лубсандоржиев 3, Т. Н. Маршалкина 1, Р. Д. Монхоев 1, Э. А. Осипова 3, Л. В. Паньков 1, А. Л. Пахоруков 1, В. В. Просин 3, О. Л. Федоров 1, Р. Хиллер 4, А. Хонгс 4, Т. Хьюге 4, Д. О. Черных 1, Д. А. Шипилов 1, Ф. Г. Шрёдер 2, 5

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Иркутский государственный университет”, Научно-исследовательский институт прикладной физики
Иркутск, Россия

2 Технологический институт Карлсруэ, Институт обработки данных и электроники
Карлсруэ, Германия

3 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

4 Технологический институт Карлсруэ, Институт ядерной физики
Карлсруэ, Германия

5 Университет Дэлавера, факультет физики и астрономии
Ньюарк, США

* E-mail: domifa@rambler.ru

Поступила в редакцию 10.10.2018
После доработки 20.02.2019
Принята к публикации 26.04.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Tunka-Rex – антенная решетка, расположенная в Тункинской долине, регистрирующая радиоизлучение широких атмосферных ливней, инициированных космическими лучами с энергиями свыше 100 ПэВ. В работе представлен уточненный метод восстановления максимума ливня по данным Tunka-Rex. Разработана модель расчета эффективности детектора, учитывающая различные параметры: энергию и диапазон масс первичных частиц, геометрию ливня и конфигурацию детектора. Выполнена оценка систематической погрешности, вносимой атмосферой, на восстановление глубины максимума ливня и получено распределение среднего максимума ливня в зависимости от энергии.

ВВЕДЕНИЕ

Tunka-Rex [1] – антенная решетка, регистрирующая радиоизлучение широких атмосферных ливней (ШАЛ), инициированных космическими лучами (КЛ) высоких энергий. Регистрация проводится в диапазоне 30–80 МГц по триггеру от оптических (Тунка-133 [2]) и сцинтилляционных (Tunka-Grande [3]) детекторов. В сравнении с классическими оптическими методами, регистрация радиоизлучения ШАЛ представляет особый интерес ввиду независимости от погодных условий и времени суток.

На настоящий момент Tunka-Rex состоит из 63 антенных станций, покрывающих площадь около 3 км2. Каждая антенная станция состоит из двух перпендикулярных кольцевых антенн SALLA (Short Aperiodic Loaded Loop Antenna) [4] диаметром 120 см, закрепленных на столбе на высоте 2.5 м. В верхней части антенной станции антенны подключены к малошумящему усилителю, который, в свою очередь, подключен к фильтру-усилителю и далее к АЦП Тунки-133 или Тunka-Grande (частота дискретизации – 200 МГц, динамический диапазон – 12 бит, длина дорожки – 1024 значения).

РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Радиоизлучение ШАЛ обусловлено двумя основными эффектами. Первый эффект – геомагнитный [5] – заключается в изменении направления движения заряженной компоненты ливня под воздействием геомагнитного поля, зависит от направления прихода ливня (чем меньше угол к вектору геомагнитного поля, тем меньше амплитуда регистрируемого радиоизлучения) и вносит основной вклад в итоговую картину. Второй эффект – эффект Аскарьяна [6], заключается в изменении заряда ливня вследствие ионизации атмосферы и аннигиляции позитронов. Вклад этого эффекта в сравнении с геомагнитным достаточно мал (около 10%), однако остается существенным и должен учитываться при обработке данных и интерпретации полученных результатов [7]. Таким образом, для значительного количества событий существует зависимость эффективности регистрации в зависимости от направления прихода первичной частицы.

Рис. 1.

Среднее расстояние до максимума ливня в зависимости от зенитного угла и энергии первичной частицы по данным моделирования.

Для расчета эффективности регистрации радиоизлучения ШАЛ в условиях Tunka-Rex была разработана Монте-Карло модель, базирующаяся на данных моделирований CoREAS, и параметрах детектора. Модель рассчитывает след ливня (область на поверхности детектора, внутри которой амплитуда радиоизлучения превышает порог), применяет выборку по количеству антенн и рассчитывает эффективность регистрации событий в зависимости от энергии и направления прихода. Результаты работы модели были сравнены с реальным восстановлением Tunka-Rex. Были взяты входные данные с хост-детектора для событий 2012–2017 гг., для каждого события была рассчитана эффективность регистрации. Далее были выбраны события с рассчитанной эффективностью регистрации >90% и проведено их сравнение с реально зарегистрированными (прошедшими все фильтры, выборки и с успешно восстановленными параметрами ливня) событиями. Проверка показала хорошее согласие работы модели с данными хост-эксперимента (см. табл. 1.)

Таблица 1.  

Результаты работы модели расчета эффективности для разных сезонов измерений и их сравнение с результатами восстановления Tunka-Rex

Поколение
антенн 		Год Кол-во
антенн 		Ожидаемое число событий Зарегистрировано событий Эффективность
1а 2012/13 18 23 20 0.85
1b 2013/14 25 28 27 0.96
2 2015/16 44 14 14 1.00
3 2016/17 63 17 16 0.94
    Итого 82 77 0.94

ФИТИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ШАБЛОНОВ

Для увеличения точности восстановления максимума ливня был апробирован следующий подход. Для предобработанных событий Tunka-Rex была выполнена серия моделирований радиоизлучения ливня (для каждого отдельного событий по серии, свободный параметр – масса первичной частицы и глубина максимума ливня). По результатам моделирований были получены дорожки сигналов, огибающие которых сравнивались с огибающими, восстановленными из реальных данных, после чего находился минимум χ2 между моделированным и реальным сигналом, и соответственно, положение глубины максимума ливня, относящееся к соответствующему моделированию. Более подробно см. [8].

ВЛИЯНИЕ ИНДЕКСА ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Было проведено исследование влияния атмосферного индекса преломления на восстановление параметров ШАЛ [9]. Для расчета индекса преломления использовались данные спутниковой системы наблюдений атмосферы GDAS [10], включающие распределения плотности, влажности и температуры воздуха в зависимости от высоты с разрешением по времени 3 часа и по пространству 1°. Было проведено сравнение данных GDAS с данными модели атмосферы, заложенной в CORSIKA [11] и использующейся для обработки данных Tunka-Rex. Были построены профили индекса преломления (рис. 2), на основе которых был проведен расчет систематической ошибки определения максимума ливня на Tunka-Rex. Расчетная флуктуация максимума ливня вследствие изменения атмосферных условий незначительна.

Рис. 2.

Зависимость отклонения индекса преломления по данным GDAS от индекса преломления, используемого в моделировании CORSIKA, как функция высоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Описанные в данной работе методы позволили увеличить точность восстановления энергии до 10% и максимума ливня до 25–35 г/см2 в эксперименте Tunka-Rex. Также была разработана и протестирована модель расчета эффективности регистрации радиоизлучения ШАЛ, позволяющая рассчитывать апертуру и экспозицию детектора и, как следствие, получать более высокую точность в задачах восстановления энергетического спектра и массового состава КЛ. В дальнейшем мы планируем провести более детальную калибровку и изучение систематики и перейти к восстановлению массового состава с использованием комбинированных измерений радио и сцинтилляционного детекторов.

Работа поддержана Министерством науки и высшего образования РФ (гос. задания 3.9678.2017/БЧ, 3.904.2017/ПЧ, 3.6787.2017/ИТР, 1.6790.2017/ИТР), грантами РФФИ (16-02-00738, 17-02-00905, 18-32-00460). Работа выполнена с использованием оборудования ТАЦКП в рамках выполнения соглашения с Министерством науки и высшего образования РФ (уникальный идентификатор RFMEFI59317X0005).

Список литературы

  1. Prosin V.V., Berezhnev S.F., Budnev N.M. et al. // EPJ Web Conf. 2015. V. 99. Art. № 04002.

  2. Буднев Н.М., Иванова А.Л., Калмыков Н.Н. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 3. С. 430; Budnev N.M., Ivanova A.L., Kalmykov N.N. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2015. V. 79. № 3. P. 395.

  3. Bezyazeekov P.A. et al. (Tunka-Rex Collaboration) // Phys. Rev. D. 2018. V. 97. Art. № 122004.

  4. Abreu P. et al. (Pierre Auger) // JINST. 2012. V. 7. Art. № 10011.

  5. Kahn F.D., Lerche I. // Proc. Phys. Soc. 1966. V. A289. P. 206.

  6. Аскарьян Г.А. // ЖЭТФ. 1961. Т. 41. С. 616.

  7. Kostunin D. et al. (Tunka-Rex Collaboration) // Astropart. Phys. 2016. V. 74. P. 79.

  8. Marshalkina T.N. et al. (Tunka-Rex Collaboration) // Proc. 26th E + CRS and 35th RCRC. (Barnaul, 2018). P. 135.

  9. Mitra P. et al. (LOFAR Collaboration) // Proc. 35th ICRC. (Busan, 2017). P. 325.

  10. https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/model-data/ model-datasets/global-data-assimilation-system-gdas

  11. Heck D., Knapp J., Capdevielle J.N. et al. // FZKA-6019. CORSIKA: A Monte Carlo code to simulate extensive air showers. Karlsruhe: Forschungszentrum, 1998. 90 p.

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