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. 1049-1052

TAIGA – комплекс установок с гибридной системой совместно работающих детекторов для гамма-астрономии и физики космических лучей в Тункинской долине

Н. М. Буднев 1, *, И. И. Астапов 3, П. А. Безъязыков 1, А. Н. Бородин 4, Р. Вишневский 5, А. Ю. Гармаш 6, 7, А. Р. Гафаров 1, Н. В. Горбунов 4, В. М. Гребенюк 4, О. А. Гресс 1, Т. И. Гресс 1, А. А. Гринюк 4, О. Г. Гришин 1, А. Н. Дячок 1, Д. П. Журов 1, А. В. Загородников 1, В. Л. Зурбанов 1, А. Л. Иванова 1, Ю. А. Казарина 1, Н. Н. Калмыков 2, Н. И. Карпов 2, В. В. Киндин 3, П. С. Кириленко 6, С. Н. Кирюхин 1, В. А. Кожин 2, Р. П. Кокоулин 3, К. Г. Компаниец 3, Е. Е. Коростелева 2, Е. А. Кравченко 6, 7, Л. А. Кузьмичев 1, 2, М. Куннас 8, А. Кьявасса 9, А. А. Лагутин 10, В. В. Ленок 1, Б. К. Лубсандоржиев 11, Н. Б. Лубсандоржиев 2, Р. Р. Миргазов 1, Р. Мирзоян 12, Р. Д. Монхоев 1, Р. Нахтигал 7, Э. А. Осипова 2, М. И. Панасюк 2, Л. В. Паньков 1, А. Л. Пахоруков 1, А. А. Петрухин 3, В.А. Полещук 1, М. Попеску 13, Е. Г. Попова 2, А. Порелли 5, Е. Б. Постников 2, В. В. Просин 2, В. С. Птускин 14, А. А. Пушнин 1, Р. И. Райкин 10, Г. И. Рубцов 11, Я. И. Сагань 4, В. С. Самолига 1, Л. Г. Свешникова 2, А. Ю. Сидоренков 11, А. А. Силаев 2, А. А. Силаев (мл.) 2, А. В. Скурихин 2, М. Слунечка 4, А. В. Соколов 6, 7, В. П. Сулаков 2, В. А. Таболенко 1, А. Б. Танаев 1, Б. А. Таращанский 1, Л. Г. Ткачев 4, А. В. Ткаченко 4, М. Тлужиконт 8, О. Л. Федоров 1, Д. Хорнс 8, К. Шпиринг 5, И. И. Яшин 3

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

10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Алтайский государственный университет”
Барнаул, Россия

11 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук
Москва, Россия

12 Институт Макса Планка
Мюнхен, Германия

13 Институт космических наук
Бухарест, Румыния

14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова Российской академии наук
Москва, Россия

2 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

3 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”
Москва, Россия

4 Международная межправительственная организация Объединенный институт ядерных исследований
Дубна, Россия

5 Немецкий электронный синхротрон (DESY)
Гамбург, Германия

6 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования “Новосибирский национальный исследовательский государственный университет”
Новосибирск, Россия

7 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук”
Нижний Новгород, Россия

8 Университет Гамбурга, Институт экспериментальной физики
Гамбург, Германия

9 Туринский университет
Турин, Италия

* E-mail: nbudnev@api.isu.ru

Поступила в редакцию 10.10.2018
После доработки 20.02.2019
Принята к публикации 26.04.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

В статье описывается актуальность и преимущества новой гамма-обсерватории TAIGA, создаваемой в Тункинской долине в 50-ти км от оз. Байкал. Основная задачи гамма-обсерватории TAIGA – исследование высокоэнергетической части спектра гамма-излучения и поиск Галактических ПэВатронов. К 2019 г. построена первая очередь гамма-обсерватории площадью 1 км2, ее ожидаемая интегральная чувствительность для регистрации гамма-излучения с энергией 100 ТэВ при наблюдении в течение 300 ч за источником будет составлять (2–5) ∙ 10–13 ТэВ см–2 ∙ с–1. В дальнейшем планируется увеличить эффективную площадь гамма-обсерватории TAIGA до 10 км2.

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени наиболее значимые результаты в гамма-астрономии высоких энергий получены с помощью установок, включающих в себя от 2 до 5 т. н. Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope (IACT) с диаметром составного зеркала от 4 до 28 м и многоканальными камерами, регистрирующими изображение черенковского излучения широких атмосферных ливней (ШАЛ). Для достоверного восстановления параметров ШАЛ и определения природы породившей его частицы, ШАЛ должны регистрироваться несколькими IACT (стереоскопический режим), поэтому в существующих установках они расположены на расстоянии порядка 100 м друг от друга. Высокая стоимость установок на базе IACT с площадью, измеряемой квадратными километрами, необходимой для исследования высокоэнергетической части спектра гамма-излучения, сдерживает их создание.

В последние годы в Тункинской долине в 50 км от оз. Байкал в рамках проекта по созданию гамма-обсерватория TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma Astronomy) с гибридной системой совместно работающих детекторов развивается принципиально новый подход к исследованиям гамма-излучения сверхвысоких энергий. Основная его особенность состоит в том, что прецизионное восстановление энергии, положения и направления оси ШАЛ осуществляется по данным о пространственно-временных характеристиках черенковских импульсов ШАЛ, которые измеряются с помощью сети широкоугольных детекторов установки TAIGA-HiSCORE [1]. При наличии такой информации выделение гамма-квантов из адронного фона возможно с помощью только одного IACT, т.е. в монорежиме, поэтому расстояние между дорогостоящими IACT может быть увеличено, как минимум, до 600 м, а возможно и до 1000 м.

1. ШИРОКОУГОЛЬНАЯ ЧЕРЕНКОВСКАЯ УСТАНОВКА TAIGA-HISCORE

Каждая оптическая станция установки TAIGA-HiSCORE включает в себя два контейнера. В одном из них (черенковском) расположены 4 фотоэлектронных умножителя (ФЭУ) с диаметром фотокатода 20 или 25 см (ET9352KB, R5912 и R7081). Каждый ФЭУ снабжен конусом Винстона, изготовленным из зеркального материала, что увеличивает эффективную площадь светосбора в 4 раза. Угол обзора конуса ±30° (∼0.6 cтер). Аналоговые сигналы с анодов и с 5-ого динода каждого ФЭУ (для расширения динамического диапазона) передаются во второй расположенный рядом “электронный контейнер”, где происходит их суммирование, оцифровка и предварительный отбор по заданным критериям. Система сбора данных установки TAIGA-HiSCORE имеет иерархическую структуру. Оптические станции установки разбиты на кластеры, в каждом из которых около 30 станций. Система сбора данных каждого кластера включает два уровня: электронику сбора данных оптических станций, которая находится в термостабилизированных контейнерах, расположенных рядом c черенковскими контейнерами, и центральную электронику кластера, расположенную в геометрическом центре кластера. Каждая оптическая станция соединена с центральной электроникой кластера оптическим кабелем, по которому происходит передача данных и синхронизация. Последняя осуществляется с субнаносекундной точностью с помощью гибридной системы, которая объединяет систему традиционной синхронизации на частоте 100 МГц и White Rabbit Ethernet-based временную систему [2], она обеспечивает привязку к центральным часам на базе GSP-disciplined Rubidium Osciltor (GPSDO) с точностью порядка 0.2 нс.

В течение зимнего сезона 2017–2018 гг. в измерениях участвовало 43 оптических станции первого кластера установки TAIGA-HiSCORE, распределенных на площади 0.4 км2 в узлах регулярной сетки с расстоянием между станциями 106 м.

Восстановление параметров ШАЛ по данным установки TAIGA-HiSCORE проводится с помощью методик и алгоритмов, разработанных для обработки данных установки Tunka-133 [3, 4]. Направление прихода ШАЛ определяется по относительной задержке времени регистрации черенковского импульса каждой станцией. Энергия первичной частицы восстанавливается по плотности потока черенковского света (Q200) на расстоянии 200 м от оси с точностью около 15%. Угловое разрешение около 0.10° для событий с более чем 10 сработавшими станциями. Это было проверено при регистрации света от лидара, установленного на МКС [5].

2. УСТАНОВКА TAIGA-IACT

Телескопы установки TAIGA-IACT представляют собой телескоп-рефлекторы системы Дэвиса–Коттона (рис. 1а) Совокупная площадь составного зеркала около 10 м2, общий диаметр – 4.32 м, фокусное расстояние – 4.75 м. Для защиты от обмерзания все зеркала обдуваются подогретым воздухом. В фокусе зеркал телескопа установлена камера с углом обзора 9.72°, в которой черенковский свет ШАЛ регистрируется с помощью матрицы ФЭУ. Общий диаметр камеры около 110 см. Все 560 ФЭУ ХР1911 камеры разделены на кластеры, в каждом кластере 4 группы по 7 ФЭУ (рис. 1б), имеющих единую плату делителей и единый высоковольтный источник питания. Группы кластера объединяются одной кросс-платой, на которой установлен 64-х канальный блок оцифровки импульсов на основе специализированной интегральной микросхемы ASIC MAROC-3.

Рис. 1.

Первый АТЧ в гамма-обсерватории TAIGA (а), кластер ФЭУ камеры АЧТ установки TAIGA-IACT (б).

В течение зимнего сезона измерений 2017‒2018 гг. установками TAIGA-HiSCORE и TAIGA-IACT зарегистрировано больше 10 тысяч совместных событий, в том числе больше 300 событий в угле с раствором 0.7° относительно направления на Крабовидную туманность. Характеристики черенковского изображения большинства этих событий соответствуют ожидаемым для порожденных адронами ШАЛ (рис. 2а), но некоторые события, вероятно, связаны с гамма-квантами (рис. 2б).

Рис. 2.

Черенковские изображения ШАЛ: слева – адронно-подобное событие с параметрами: число сработавших пикселей – 124, сайз – 18 500 ф. э, ширина – 0.38° , альфа – 11.2°, справа – гамма-подобное событие с параметрами: число сработавших пикселей – 23, сайз – 709 ф. э, ширина – 0.18°, альфа – 8.8°. Линии и звездочка – направление и положение оси ШАЛ, восстановленные по данным установки TAIGA-HiSCORE и пересчитанные в систему координат камеры телескопа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наша ближайшая цель – построить до конца 2019 г первую очередь гамма-обсерватории TAIGA, которая будет включать в себя 110–120 широкоугольных оптических станций, расположенных на площади 1 км2, и 3 IACT. Ожидаемая интегральная чувствительность этого комплекса для регистрации гамма-излучения с энергией 100 ТэВ при наблюдении в течение 300 ч за источником будет примерно 2 · 5 · 10–13 ТэВ ∙ см–2 ∙ с–1, что выше, чем чувствительность эксплуатируемых и планируемых установок в этой области сверхвысоких энергий. В дальнейшем планируется увеличить эффективную площадь гамма-обсерватории TAIGA до 10 км2, количество оптических станций установки TAIGA-HiSCORE до 1000, IACT до 16, а также развернуть 3000 м2 подземных детекторов мюонов.

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), РФФИ (проекты №№ 16-02-00738, 17-02-00905, 18-32-00460, 16-29-13035). Работа выполнена с использованием оборудования ТАЦКП в рамках выполнения соглашения с Министерством науки и высшего образования РФ (уникальный идентификатор RFMEFI59317X0005).

Список литературы

  1. Tluczykont M., Hampf D., Horns D. et al. // Astropart. Phys. 2014. V. 56. P. 42.

  2. Porelli A., Bogorodskii D., Brückner M. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2015. V. 632. Art. № 012041.

  3. Berezhnev S.F., Besson D., Brückner M. et al. // Nucl. Instr. Meth. Sec. A. 2012. V. 692. P. 98.

  4. Бережнев С.Ф., Буднев Н.М., Бюкер М. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 3. С. 381; Berezhnev S.F., Budnev N.M., Büker M. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2015. V. 79. № 3. Р. 348.

  5. Wischnewski R., Porelli A., Garmash A. et al. // Proc. 35th ICRC. (Busan, 2017). P. 574.

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