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. 1053-1056

Моделирование методом монте-карло эксперимента TAIGA

Е. Б. Постников 1, *, И. И. Астапов 2, П. А. Безъязыков 3, В. Ф. Борейко 4, А. Н. Бородин 4, М. Брюкнер 5, Н. М. Буднев 3, Р. Вишневский 5, А. Ю. Гармаш 6, 7, А. Р. Гафаров 3, Н. В. Горбунов 4, В. М. Гребенюк 4, 8, О. А. Гресс 3, Т. И. Гресс 3, А. А. Гринюк 4, О. Г. Гришин 3, А. Н. Дячок 3, Д. П. Журов 3, А. В. Загородников 3, В. Л. Зурбанов 3, А. Л. Иванова 3, Ю. А. Казарина 3, Н. Н. Калмыков 1, В. В. Киндин 2, П. С. Кириленко 6, С. Н. Кирюхин 3, В. А. Кожин 1, Р. П. Кокоулин 2, К. Г. Компаниец 2, Е. Е. Коростелева 1, Е. А. Кравченко 6, 7, Л. А. Кузьмичев 1, М. Куннас 9, А. Кьявасса 10, А. А. Лагутин 11, Ю. Лемешев 3, В. В. Ленок 3, Б. К. Лубсандоржиев 12, Н. Б. Лубсандоржиев 1, Р. Р. Миргазов 3, Р. Мирзоян 3, 13, Р. Д. Монхоев 3, Э. А. Осипова 1, М. И. Панасюк 1, Л. В. Паньков 3, А. Л. Пахоруков 3, А. А. Петрухин 2, В. А. Полещук 3, М. Попеску 14, Е. Г. Попова 1, А. Порелли 5, В. В. Просин 1, В. С. Птускин 15, А. А. Пушнин 3, Р. И. Райкин 11, Г. И. Рубцов 12, Е. В. Рябов 3, Б. М. Сабиров 4, Я. И. Сагань 4, 8, В. С. Самолига 3, Л. Г. Свешникова 1, Ю. А. Семеней 3, А. Ю. Сидоренков 12, А. А. Силаев 1, А. А. Силаев (мл.) 1, А. В. Скурихин 1, М. Слунечка 4, А. В. Соколов 6, 7, В. А. Таболенко 3, Б. А. Таращанский 3, Л. Г. Ткачев 4, 8, А. В. Ткаченко 4, М. Тлужиконт 9, О. Л. Федоров 3, Д. Хорнс 9, К. Шпиринг 5, И. И. Яшин

1 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

10 Университет Турина, физический факультет и Национальный институт ядерной физики
Турин, Италия

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

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

13 Институт Макса Планка
Мюнхен, Германия

14 Институт космических наук
Бухарест, Румыния

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

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

3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Иркутский государственный университет”, Научно-исследовательский институт прикладной физики”
Иркутск, 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 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области “Университет “Дубна”
Дубна, Россия

9 Университет Гамбурга, Институт экспериментальной физики
Гамбург, Германия

* E-mail: evgeny.post@gmail.com

Поступила в редакцию 10.10.2018
После доработки 20.02.2019
Принята к публикации 26.04.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Гамма-обсерватория TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma-ray Astronomy) ориентирована на исследования гамма-квантов с энергией от единиц до сотен ТэВ. В основе работы обсерватории – комбинированный метод выделения широких атмосферных ливней (ШАЛ) от гамма-квантов, объединяющий черенковские телескопы с анализом изображения ШАЛ (TAIGA-IACT) и широкоугольные черенковские детекторы с измерением времени прихода светового фронта ШАЛ (TAIGA-HiSCORE). Для оценки чувствительности экспериментальной установки и сравнения получаемых на ней данных с теоретическими предсказаниями было проведено моделирование установки методом Монте-Карло. В статье приводится описание программного обеспечения, параметров модели и алгоритмов моделирования и текущий статус работ по моделированию эксперимента TAIGA.

ВВЕДЕНИЕ

Гамма-обсерватория TAIGA является частью Тункинского астрофизического центра (Бурятия), включающего также компоненты для изучения физики заряженных космических лучей высокой энергии [1, 2]. Для гамма-астрономии предназначена сеть атмосферных черенковских гамма-телескопов (IACT) [3] в сочетании с сетью широкоугольных оптических станций с измерением времени прихода светового фронта ШАЛ TAIGA-HiSCORE [4]. Площадь установки планируется довести до 10 км2 без применения традиционных стереоскопических систем близкорасположенных телескопов IACT [5], т. к. подавлению фона космических лучей способствует очень хорошее угловое разрешение (~0.1° при энергии 100 ТэВ).

Установка будет регистрировать гамма-кванты с энергией от 30 ТэВ (IACT совместно с TAIGA-HiSCORE) и с более низким порогом ~1 ТэВ в режиме изолированной работы IACT без TAIGA-HiSCORE. Решение стоящих перед ней задач [1, 2, 6] требует тщательного моделирования всех ее компонентов: телескопов IACT и широкоугольных оптических станций.

1. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Моделирование ШАЛ осуществлено программой CORSIKA 7.3500 [7]. Отклик детекторов широкоугольной установки TAIGA-HiSCORE имитирован с помощью специального программного обеспечения sim_score [8], основанного на программном пакете IACT/ATMO [9]. Моделирование отклика телескопа IACT было проведено двумя независимыми способами: стандартной программой sim_telarray [9] и созданным в ОИЯИ, Дубна (ОПТИКА-TAIGA), и НИИЯФ МГУ программным обеспечением для симуляции телескопа TAIGA [10].

2. ПАРАМЕТРЫ МОДЕЛИРУЕМОЙ УСТАНОВКИ

Телескоп состоит из 29 зеркал диаметром 60 см, расположенных по схеме Дэвиса–Коттона [11] с фокусным расстоянием 4.75 м. В камере телескопа 560 пикселей гексагональной формы с угловым размером ~0.36°, составленных из фотоумножителя (ФЭУ) и конуса Винстона [12], увеличивающего площадь фотокатода ФЭУ в 3 раза. Камера разделена на модули по 28 ФЭУ (4 × 7). Диаметр угла обзора всей камеры телескопа составляет 9.6°.

Широкоугольная установка TAIGA-HiSCORE включает 43 станции (~100 в 2019 г.) в узлах регулярной сетки с шагом 106 м. Станции состоят из 4 ФЭУ, площадь каждого из которых увеличена в 4 раза с помощью конуса Винстона [12], а угол обзора составляет ~0.6 ср.

3. АЛГОРИТМЫ И МЕТОДЫ

Отклик IACT симулирован в 3 шага. Сначала методом трассировки лучей [13] прослежены все черенковские фотоны ШАЛ из CORSIKA с учетом таких факторов, как поглощение в атмосфере в зависимости от длины волны без учета многократного рассеивания; затенение зеркал камерой; отражение от зеркал в соответствии с законами классической оптики с коэффициентом отражения полированного алюминия 0.9; случайные повороты зеркал из-за неидеальности их юстировки (размытие в фокусе 10 мм); случайное отклонение направления отраженного луча из-за неидеальности поверхности зеркала (размытие в фокусе 1 мм); прохождение через защитный экран камеры из плексигласа, включая преломление и зависящие от угла падения коэффициенты отражения на входе и выходе и зависящий от длины волны коэффициент поглощения в толще материала; прохождение через конусы Винстона в соответствии с их чертежами и с учетом только отражения от идеальной поверхности с коэффициентом отражения 0.90.

Затем имитирован отклик ФЭУ, учитывающий зависимость квантовой эффективности и эффективности собирания электронов от длины волны фотона, в результате чего определено время образования и число фотоэлектронов в каждом ФЭУ камеры. На этом этапе также симулированы фотоэлектроны, образованные фоновой засветкой ночного неба (разыграно их число и время их образования в каждом ФЭУ).

Далее симулирован блок оцифровки импульсов на основе микросхемы MAROC3 [14], триггерные условия сбора данных и процедура их аналогового считывания. Фотоэлектроны на выходе ФЭУ размывались по времени в соответствии с формой на выходе формирователя импульсов (рис. 1), амплитуда импульсов разыгрывалась из экспериментального распределения, в том числе с учетом послеимпульса [15], после чего импульсы в каждый момент времени складывались в суммарный импульс одного ФЭУ. Триггер в одном модуле из 28 ФЭУ срабатывал при превышении амплитуды импульса как минимум в двух ФЭУ порогового значения, если интервал между превышениями в одном и втором ФЭУ менее 15 нс. Во всех ФЭУ модуля, в котором сработал триггер, фиксируются значения амплитуд импульсов на выходах формирователя через 35 нс после срабатывания триггера, в соответствии с результатами лабораторных измерений.

Рис. 1.

Симулированная форма однофотоэлектронного импульса на выходе формирователя импульсов: 1 – формирователя коротких импульсов, амплитуда суммы которых участвует в выработке триггера сбора данных; 2 – формирователя длинных импульсов: амплитуда их суммы фиксируется через 35 нс после срабатывания триггера.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ

Описанные алгоритмы и программное обеспечение позволили собрать банк модельных данных для отработки методов анализа данных и последующего сравнения с экспериментом. Банк данных состоит из наигранных методом Монте-Карло ШАЛ, порожденных первичными гамма-квантами с различными энергетическими распределениями и с зенитными углами прихода в диапазоне 10°–40°, а также из ШАЛ от первичных протонов и ядер, углы прихода которых отклоняются от направления оси телескопа на величину вплоть до ±10°.

Первые результаты сравнения моделирования с экспериментом опубликованы в [1] для тестовой работы прототипа телескопа с 6 зеркалами. Для телескопа с 29 зеркалами наблюдается согласие между модельными и экспериментальными значениями параметров Хилласа [16]: длина и ширина (рис. 2) и полное число фотоэлектронов изображения [6]. Оценена ожидаемая чувствительность установки для поиска локальных источников гамма-квантов: (0.5–1) ∙ 10–13 ТэВ · см–2 · с–1 в диапазоне 30–200 ТэВ при 300 ч наблюдения источника [1].

Рис. 2.

Распределение длины (l, рис. 2а) и ширины (w, рис. 2б) изображения в камере телескопа: 1 – эксперимент, 2 – моделирование первичных протонов энергий 3–100 ТэВ в условиях, идентичных условиям наблюдения в эксперименте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Осуществлено полное моделирование установок TAIGA-IACT (двумя независимыми способами) и TAIGA-HiSCORE эксперимента TAIGA. Проведено сравнение значений основных анализируемых в эксперименте физических параметров с их модельными предсказаниями. Продолжается усовершенствование модели путем учета дополнительных факторов, сравнение с экспериментом и дальнейший набор статистики.

Работа поддержана Минобрнауки России (госзадания 3.9678.2017/БЧ, 3.904.2017/ПЧ, 3.6787.2017/ИТР, 1.6790.2017/ИТР), грантом РФФИ 16-29-13035, выполнена с использованием оборудования ТАЦКП в рамках соглашения с Минобрнауки России (уникальный идентификатор RFMEFI59317X0005).

Список литературы

  1. Кузьмичев. Л.А., Астапов И.И., Безъязыков П.А. и др. // ЯФ. 2018. Т. 81. № 4. С. 469; Kuzmichev L.A., Astapov I.I., Bezyazeekov P.A. et al. // Phys. Atom. Nucl. 2018. V. 81. № 4. P. 497.

  2. Буднев Н.М., Астапов И.И., Безъязыков П.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 8. С. 1049.

  3. Weekes T.C., Cawley M.F., Fegan D.J. et al. // Astrophys. J. 1989. V. 342. P. 379.

  4. Астапов И.И., Барбашина Н.С., Богданов А.Г. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2017. Т. 81. № 4. С. 495; Astapov I.I., Barbashina N.S., Bogdanov A.G. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. V. 81. № 4. P. 460.

  5. Kohnle A., Aharonian F., Akhperdzhanian A. et al. // Astropart. Phys. 1996. V. 5. P. 119.

  6. Свешникова Л.Г., Астапов И.И., Безъязыков П.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 8. С. 1061.

  7. Heck D., Knapp J., Capdevielle J.N. et al. // Report FZKA 6019. Karlsruhe: Forschungszentrum, 1998.

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

  9. Bernlöhr K. // Astropart. Phys. 2008. V. 30. № 3. P. 149.

  10. Postnikov E.B., Grinyuk A.A., Kuzmichev L.A. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2017. V. 798. Art. № 012030.

  11. Davies J.M., Cotton E. S. // J. Sol. Energy Sci. Eng. 1957. V. 1. P. 16.

  12. Winston R. // J. Opt. Soc. Am. 1970. V. 60. P. 245.

  13. Spencer G.H., Murty M.V.R.K. // J. Opt. Soc. Am. 1962. V. 52. № 6. P. 672.

  14. Franz S., Barrillon P. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2009. V. 610. № 1. P. 35.

  15. Mirzoyan R., Lorenz E., Petry D. et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 1997. V. 387. P. 74.

  16. Hillas A.M. // Proc. 19nd ICRC. (La Jolla, 1985). V. 3. P. 445.

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