Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1129-1133

ВВЕДЕНИЕ

Измерение спектра, массового состава и анизотропии космических лучей предельно-высоких энергий (КЛПВЭ) E ~ 10²⁰ эВ и поиск источников КЛПВЭ является одной из важнейших задач современной астрофизики высоких энергий. Несмотря на многолетние исследования, основные вопросы КЛПВЭ остаются открытыми, прежде всего из-за недостаточной статистики существующих экспериментальных данных с детекторов Оже [1] и ТА [2], а также их противоречивости. В связи с этим особый интерес представляют проекты новых исследований КЛПВЭ с борта космического аппарата на орбите спутника Земли. Важным преимуществом такого детектора является возможность получения данных со всех направлений небесной сферы одной и той же установкой, а также возможность одновременного измерения флуоресцентного и черенковского сигналов ШАЛ.

Существенной трудностью космического детектора по сравнению с наземными детекторами КЛПВЭ является уменьшение в 100 раз сигнала ШАЛ в оптике, а также присутствие разнообразных фоновых событий, отбираемых триггерной системой. Был разработан комплекс программ для моделирования работы детектора ТУС – TUSSIM [3], который также играет важную роль при анализе реальных событий – кандидатов ШАЛ, так как эффективность программы реконструкции ШАЛ проверяется с помощью сравнения событий на уровне генерации программой ESAF [4] и после их моделирования программой TUSSIM и реконструкции по программам TUSReadData и TUSFitData [5].

Рис. 1.

Схематический вид детектора ТУС на борту спутника “Ломоносов”.

Эксперимент ТУС является первым экспериментом для измерения флуоресцентного и черенковского излучения ШАЛ, рождаемого частицами КЛПВЭ, с космической орбиты. Флуоресцентное излучение ШАЛ распространяется изотропно, в том числе в сторону космического детектора. Черенковское излучение направлено вдоль оси ШАЛ, но часть его отражается от поверхности (снега, воды или облачного покрова) и рассеивается во все стороны, в том числе в сторону спутника, где и регистрируется находящимся на орбите детектором. Величина сигнала зависит от отражающих свойств поверхности. Будучи первым детектором для исследования КЛПВЭ с орбиты спутника Земли, ТУС является первопроходцем для последующих более совершенных детекторов KLYPVE [6] и JEM-EUSO [7]. Из проведенного Монте-Карло моделирования [8] следует, что измерение энергии и угловых параметров ШАЛ детектором ТУС возможно в области ГЗК обрезания спектра КЛПВЭ для E > 70 ЕэВ. Дополнительными научными задачами эксперимента являются изучение транзиентных атмосферных явлений (ТАЯ) в верхней атмосфере Земли, сигналов от (микро-)метеоров и космического мусора.

Несколько научных центров: НИИЯФ МГУ, ОИЯИ, “Космическая Регата” (г. Королев) и ряд институтов из Кореи и Мексики участвовали в создании детектора ТУС (рис. 1), запущенного 28 апреля 2016 г. на солнечно-синхронную орбиту высотой ~500 км и наклоном орбиты ~97°, с космодрома “Восточный” на борту спутника “Ломоносов”.

ПРОЦЕДУРА ПОИСКА КАНДИДАТОВ ШАЛ

Регулярный сбор данных начат с 16 августа 2016 г. с наибольшим приоритетом режиму регистрации ШАЛ. Уже зарегистрировано более 200 000 событий. С примерами измерений в других режимах можно ознакомиться в работе [9]. В процессе поиска КЛПВЭ было найдено большое количество фоновых событий различного происхождения, которые возникают в атмосфере Земли.

Анализ данных в эксперименте ТУС естественным образом разбивается на два этапа: этап поиска ФЭУ с сигналом от ШАЛ и этап анализа временных зависимостей амплитуд в активных пикселях в каналах, имеющих сигнал, относящийся к событию. Результатом анализа является определение зенитного и азимутального углов прихода КЛПВЭ события и его энергии.

С помощью программы визуализации отсеиваются очевидные фоновые события. Оставшиеся события анализируются программой реконструкции в полуавтоматическом режиме. Прежде всего, создается покадровая развертка события как показано на рис. 2.

Рис. 2.

Изображение сработавших пикселей на покадровой развертке с шагом 16 × 0.8 мкс. Точками показаны ожидаемые места срабатывания пикселей для получения триггера второго уровня.

Каждый кадр есть изображение сработавших пикселей, в которых сигнал превысил порог обнаружения, на матрице ФЭУ за 16 временных тактов. Временная эволюция сигнала в каждом пикселе анализируется в течении 256 временных тактов. Временная зависимость амплитуды сигнала A(t) фитируется суммой: константа р₀ плюс функция Гаусса

После фитирования, из-за неизвестной калибровки ФЭУ, амплитуды сигнала A(t) нормируются на величину р₀

и в последующем анализируются нормированные безразмерные амплитуды в разных пикселях. В каждый момент времени рассчитывается скользящая сумма амплитуды сигнала, представляющая собой среднее значение амплитуды за предшествующие 16 тактов. Для поиска кандидатов ШАЛ отбираются сработавшие пиксели, в которых значение скользящей суммы превышает пороговое значение T₁ триггера первого уровня, которое является свободным параметром программы реконструкции TUSReadData. На следующем шаге анализа, с помощью программы реконструкции создается некоторое количество «треков», в которые объединяются сработавшие пиксели в соседних кадрах. После визуальной проверки анализируются пиксели с отобранным треком.

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ КАЛИБРОВКА ФЭУ

Направление движения ШАЛ определяется по движению его изображения на матрице фотодетекторов. Неопределенности в коэффициентах усиления ФЭУ приводят к искажению этого изображения и неправильной оценке направления прихода первичной частицы. В то время, как для определения энергии первичной частицы, требуется абсолютная калибровка ФЭУ, для определения направления прихода достаточно относительной.

Относительная калибровка ФЭУ была произведена с использованием выборки переданных на Землю данных. В подавляющем большинстве полученных событий ФЭУ измеряют только фон. С помощью моделированных событий были выбраны статистические критерии отбора фоновых сигналов в ФЭУ, которые были затем применены в выборке фоновых сигналов в данных. В каждом событии и для каждого ФЭУ были отобраны только фоновые сигналы с помощью указанных статистических критериев случайных флуктуаций фона. Отношение фонового сигнала в ФЭУ к среднему фоновому сигналу по всем ФЭУ этого события затем усреднено по всем событиям. Полученная таким образом относительная калибровка каждого ФЭУ слабо зависит как от пространственной неоднородности фона, вызванной облаками, так и от систематического изменения фона со временем от события к событию. Стабильность относительной калибровки была проверена на 3-х татистически независимых наборах данных соответствующих 3 полугодиям работы детектора ТУС (рис. 3). Относительная калибровка использовалась при определении углов прихода ШАЛ. В настоящее время ведется работа по выполнению абсолютной калибровки ФЭУ с использованием данных, полученных в полете.

Рис. 3.

Относительная калибровка ФЭУ за 3 полугодия работы эксперимента.

ПРОЦЕДУРА АНАЛИЗА ОТОБРАННЫХ КАНДИДАТОВ ШАЛ

С использованием относительной нормировки ФЭУ, на гистограммах рис. 4 в безразмерных величинах (A(t) – р₀)/р₀ представлены результаты анализа наиболее убедительных ШАЛ-кандидатов, найденных с помощью описанного выше алгоритма. Стрелками указано прямолинейное движение сигнала по матрице фотодетектора. На верхней части рисунка показаны матрицы фотодетектора: ФЭУ с сигналами от ШАЛ-кандидатов помечены черным цветом, неработающие ФЭУ помечены серым цветом. Распространение сигнала ШАЛ определяется из анализа гистограмм амплитуд сработавших пикселей в зависимости от времени и показано стрелкой: в обоих случаях ШАЛ уходит за пределы поля зрения. В заголовке рисунка указано время (UTC) регистрации событий. Длина проекции ШАЛ на поверхности Земли составляет 15–20 км. Продолжительность событий – 120–140 мкс, что видно из нижних рисунков, где приведены стэковые гистограммы амплитуд сработавших пикселей.

Рис. 4.

ШАЛ-кандидаты. (а) Изображение матрицы фотодетектора с активными пикселями. ШАЛ-кандидату отвечают пиксели черного цвета, серым цветом обозначены неработающие ФЭУ. Стрелки указывают направление развития ШАЛ. (б) Гистограммы амплитуд сработавших пикселей в зависимости от времени после вычитания фона.

Следующим этапом анализа является восстановление направления прихода ШАЛ и его энергии. С этой целью определим локальную систему координат (x, y, t*с) детектора ТУС: направление возрастания номеров модулей определяет ось x, направление возрастания номеров ФЭУ в модуле определяет ось y. Проводится фитирование амплитуд A(x, y, t*с) активных пикселей, нормированных в соответствии с относительной калибровкой ФЭУ, прямолинейным треком в локальной системе координат. Получена предварительная оценка направлений прихода первичных КЛ частиц для значений зенитного и азимутального углов: левое событие θ = ~33° ± 8°, φ = ~225° ± 8°, правое событие θ = ~22° ± 8°, φ = ~253° ± 8°. Ошибка получена по разности углов прихода генерированных программой ESAF и их реконструированных значений после программ TUSSIM, TUSReadData и TUSFitData.

Измерение энергии ШАЛ представляет собой более трудную задачу и в настоящее время можно привести только ее теоретическую оценку E > > 70 ЕэВ, что является нижней границей чувствительности детектора ТУС по результатам моделирования [3]. Основная проблема оценки энергии заключается в отсутствии полетной калибровки ФЭУ, изменившей свои параметры на первых витках полета спутника.

Всего найдено несколько десятков ШАЛ-кандидатов. Их анализ показывает, что большая часть отобранных событий не является ШАЛ. Это следует из того, что одновременная аппроксимация активных пикселей прямолинейным треком в локальной системе координат ТУС дает зенитные углы вблизи нуля градусов. Это означает отсутствие горизонтального перемещения источника света. В то же время, это не вертикальные ШАЛ, так как длительности сигналов ~150 мкс, что намного больше, чем время развития вертикальных ШАЛ, которое не превышает 100 мкс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Детектор ТУС работает на спутнике “Ломоносов” с 28 апреля 2016 г. За время его работы получено более 200  000 событий. В процессе поиска КЛПВЭ было найдено большое количество фоновых событий различного происхождения, которые возникают в атмосфере Земли. Разработан многоуровневый алгоритм поиска ШАЛ-подобных событий, который был применен к анализу данных ТУС. Было найдено и проанализировано два наиболее убедительных кандидата ШАЛ с энергией E > 70 ЕэВ. Продолжается поиск новых событий – кандидатов ШАЛ.

Работа выполнена при поддержке Госкорпорации РОСКОСМОС, а также гранта РФФИ № 15-02-05498.