Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1066-1069

ВВЕДЕНИЕ

В международном космическом эксперименте PAMELA при наблюдении позитронов впервые при энергиях свыше нескольких ГэВ был надежно обнаружен избыток позитронов в космических лучах [1] вероятно локальной природы, связанный с генерацией пар электронов и позитронов в остатках недавних (~млн. лет) близких (~сотен пс) сверхновых. При энергии ~100 ГэВ эффект превышал ожидаемую интенсивность от позитронов галактических космических лучей в ~3 раза, а при ~300 ГэВ, согласно наблюдениям AMS-02 [2], возрастал до ~10 раз, т.е. вклад локальных источников при исследовании позитронов с энергией свыше десятков ГэВ являлся основным. Что касается возможного вклада локальных источников в ядерную компоненту, то при поиске удобно использовать данные наблюдений изотопного состава легких ядер в космических лучах, т.к. на короткой дистанции ~100 пс изотопы ²H и ³He практически не генерируются, ⁷Be сохраняется, т.к. на коротком пути практически не встречает электронов для реакции К-захвата, ¹⁰Be также распадается мало, а ⁷Li не производится при распадах ⁷Be. Все эти эффекты можно попробовать обнаружить, используя изотопный анализ полетных данных PAMELA, собранных в 2006–2014 гг.

Экспериментальная ситуация с данными для изотопов ядер Li и Be до эксперимента PAMELA была ограничена измерениями в космических экспериментах IMP-8, -7, Voyager, Ulysses, ACE в области энергий ~0.1–0.2 ГэВ/нуклон и при более высоких энергиях результатами AMS-01 и стратосферными данными ISOMAX98, California University, Berkley и New Hamshire University [3]. Собранные данные из-за статистических и методических неточностей позволяли делать только общие качественные выводы.

Орбитальные измерения с магнитным спектрометром PAMELA в 2006–2014 гг. позволили повысить статистическую и методическую точность измерений изотопного состава ядер Li и Be в практически неисследованной области энергий до ~1 ГэВ/нуклон. Дополнительным преимуществом новых измерений по сравнению со стратосферными экспериментами являлось отсутствие необходимости коррекции результатов измерений на вклад остаточной атмосферы.

МЕТОД АНАЛИЗА

Селекция изотопов ядер Li и Be в диапазоне жесткостей ~1–5 ГВ в международном космическом эксперименте PAMELA осуществляется с использованием данных траекторных измерений в трекере из стриповых детекторов в поле магнита прибора, дающих жесткость ядер, анализа времени пролета (TOF) ядер от их входа в прибор до выхода из магнита спектрометра и измерениями ионизационных потерь ядер в трекере и в калориметре PAMELA [3]. В настоящей работе основное внимание уделяли прежде всего области низких энергий ядер и использовали данные TOF. Нижние пределы регистрации и селекции изотопов по жесткости при TOF-анализе связаны с ионизационными потерями ядер в материале прибора до выхода из зазора магнита (~5 г ∙ см^–2) и временным разрешением прибора (~0.08 нс). Для дополнительной селекции незначительного вклада фоновых событий от ядерных взаимодействий был использован 2D-анализ распределений ионизационных потерь ядер в стриповых детекторах трекера в зависимости от времени пролета (точнее от 1/beta – отношения скорости света к скорости ядра) между сцинтилляционными детекторами.

Для определения числа событий ⁶Li, ⁷Li или ⁷Be, ⁹Be, ¹⁰Be в выбранных с шагом 0.2 ГВ интервалах жесткостей проводилось сравнение экспериментальных распределений 1/beta с результатами GEANT4-моделирования. Знание скоростей ядер (1/beta) и их жесткостей позволяет также строить распределения событий по массам. При анализе для моделирования использовались ожидаемые из различных вариантов теории [4] соотношения изотопов при заданных жесткостях, проводилась нормировка данных моделирования на экспериментальное суммарное число событий. В области перекрытия распределений изотопов определялась граница величины 1/beta (или ионизационных потерь при анализе данных калориметра), где из данных моделирования число событий анализируемых изотопов в области перекрытия распределений было одинаковым. Число ожидаемых событий в области перекрытия распределений 1/beta дополнительно включалось в статистические ошибки полученных отношений изотопов. Полученные экспериментальные значения соотношений изотопов практически одинаковы для используемых различных теоретических моделей распространения ГКЛ в Галактике (GP – GALPROP) или генерации ядер в локальных источниках КЛ (LIS – Local Interstellar Sources). Этот метод селекции изотопов использовался для получения предварительных данных о соотношения изотопов в зависимости от их жесткости. Использование стандартного метода максимального правдоподобия дает близкие итоговые результаты по отношению изотопов ⁷Li/⁶Li и ⁷Be/⁹Be + ¹⁰Be, но пока не позволяет определить отношение ¹⁰Be/⁹Be [5]. При анализе изотопов H и He при хорошей статистике событий без проблем флуктуаций оба метода давали практически одинаковые результаты.

В ходе работы выяснилось, что в использованной для моделирования программе PamVMC в связи с анализом данных калориметра был установлен нижний предел для жесткостей ядер 1 ГВ на входе в PAMELA, который ограничивал снизу энергетический диапазон анализа изотопов Li и Be [5] и давал искаженные результаты до ~2 ГВ для 1/beta-распределений при моделировании в области малых жесткостей, необходимых для анализа данных TOF. Для устранения проблемы в ФТИ было выполнено необходимое собственное GEANT4-моделирование.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Отношения ⁷Li/⁶Li, ⁷Be/⁹Be и ¹⁰Be/⁹Be в настоящее время проанализированы по данным, полученным при полете прибора в 2006–2014 гг. В результате анализа полетных данных PAMELA получены отношения ⁷Li/⁶Li, ⁷Be/⁹Be и ¹⁰Be/⁹Be в зависимости от жесткости ядер. При переходе от приборных результатов к космическому пространству использованы данные моделирования. Отношения ⁷Li/⁶Li, ⁷Be/⁹Be и ¹⁰Be/⁹Be в ГКЛ в зависимости от жесткости ядер после получения жесткостных и энергетических спектров изотопов Li и Be преобразованы в отношения в зависимости от энергии изотопов и в сравнении с расчетами [4, 5] представлены на рис. 1, 2. Новые предварительные данные PAMELA по изотопам Li и Be дополняют результаты [3, 5] за счет увеличения статистики, расширяют энергетический диапазон измерений в область низких энергий за счет анализа данных TOF и впервые указывают (в соответствии с ожиданиями) на возможный вклад локальных источников от остатков недавних близких взрывов сверхновых в потоки галактических космических лучей. Прецизионные (~2%) данные PAMELA по отношениям ²H/¹H, ³He/⁴He и ²H/⁴He [6] с учетом их солнечной модуляции [7] оказываются на ~20–30% меньше предсказаний GALPROP, что согласуется с предположением о генерации ядер ¹H и ⁴He в близких источниках. Объем публикации не позволяет это проиллюстрировать.

Рис. 1.

а – отношения ⁷Li/⁶Li в зависимости от жесткости ядер: ◼ – PAMELA, TOF, ◻ – PAMELA, калориметр, ▶ – CRIS (ACE), ▼ – VOYAGER, ⚪ – AMS-01, 1998, 600 МВ, ◻ – ISOMAX98, 1998, баллон [3]; расчеты, солнечный минимум (500 МВ): линия – Moskalenko I.V. et al. (2003) ГКЛ [4], пунктир – Moskalenko I.V. et al. (2003) локальные источники [4]; б – отношения ⁷Be/⁹Be в зависимости от жесткости ядер: ◼ – PAMELA, TOF, ◻ – PAMELA, калориметр; расчеты, солнечный минимум (500 МВ): линия – Moskalenko I.V. et al. (2003) ГКЛ [4], пунктир – Moskalenko I.V. et al. (2003) локальные источники [4]; в – отношения ¹⁰Be/⁹Be в зависимости от жесткости ядер: ◼ – PAMELA, TOF, ◻ – PAMELA, калориметр; расчеты, солнечный минимум (500 МВ): линия – Moskalenko I.V. et al. (2003) ГКЛ [4], пунктир – Moskalenko I.V. et al. (2003) локальные источники [4].

Рис. 2.

а – Отношения ⁷Li/⁶Li в зависимости от энергии ядер: ◼ – PAMELA, TOF, ◻ – PAMELA, калориметр, ▶ – CRIS (ACE), ▼ – VOYAGER, ◇ – NH, баллон, ▲ – UC, Berkley, ◻ – ISOMAX98, 1998, баллон [3]; расчеты, солнечный минимум (500 МВ): линия – Moskalenko I.V. et al. (2003) ГКЛ [4], пунктир – Moskalenko I.V. et al. (2003) локальные источники [4]; б – отношения ⁷Be/⁹Be в зависимости от энергии ядер: ◼ – PAMELA, TOF, ◻ – PAMELA, калориметр, ▶ – CRIS (ACE), ▲ – IMP-7,8, ▼ – VOYAGER, ◀ – ULYSSES, ◇ –NH, баллон [3]; расчеты, солнечный минимум (500 МВ): линия – Moskalenko I.V. et al. (2003) ГКЛ [4], пунктир – Moskalenko I.V. et al. (2003) локальные источники [4]; в – отношения ¹⁰Be/⁹Be в зависимости от энергии ядер: ◼ – PAMELA, TOF, ◻ – PAMELA, калориметр, ▶ – CRIS (ACE), ▼ – VOYAGER , ◀ – ULYSSES, ◻ – ISOMAX98, 1998, баллон [3]; расчеты, солнечный минимум (500 МВ): линия – Moskalenko I.V. et al. (2003) ГКЛ [4], пунктир – Moskalenko I.V. et al. (2003) локальные источники [4].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в работе предварительные данные анализа изотопного состава ядер лития и бериллия в космических лучах, полученные в эксперименте PAMELA при измерениях в 2006–2014 гг., вероятно позволяют впервые выделить вклад локальных источников изотопов Li и Be в ГКЛ. Данные PAMELA по изотопам ядер Н и Не также подтверждают это предположение. Эпоха “общей температуры по больнице” уходит в прошлое. Соавторами работы естественно являются члены коллаборации PAMELA [5], обеспечившие получение исходной полетной информации, использованной при настоящем анализе.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 16-02-00093).