Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 560-562

Исследование характеристик нейтронной компоненты широкого атмосферного ливня по данным установки УРАН

Ф. А. Богданов 1*, Д. М. Громушкин 1, З. Т. Ижбулякова 1, А. Д. Почестнев 1, И. А. Шульженко 1, К. О. Юрин 1

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

* E-mail: acoustic925@gmail.com

Поступила в редакцию 19.10.2020
После доработки 19.11.2020
Принята к публикации 28.12.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

В составе экспериментального комплекса НЕВОД функционирует установка УРАН, предназначенная для исследования адронной компоненты широких атмосферных ливней, путем регистрации нейтронов, сопровождающих ливень. В статье приводятся первые результаты исследования характеристик нейтронной компоненты широкого атмосферного ливня, зарегистрированных установкой УРАН в 2019 г.: пространственное распределение и зависимость числа нейтронов от мощности ливня.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из методов изучения адронной компоненты широких атмосферных ливней (ШАЛ) является регистрация нейтронов, которые рождаются в результате расщепления ядер среды при прохождении адронов через атмосферу и другие вещества вблизи детектора [1]. Большая часть нейтронов замедляется в результате последовательных соударений с веществом вокруг детектора. Это обстоятельство позволяет использовать данные о тепловых нейтронах для изучения параметров ШАЛ, энергии и типа первичной частицы космических лучей. В составе Экспериментального комплекса (ЭК) НЕВОД в НИЯУ МИФИ функционирует установка, предназначенная для изучения адронной компоненты ШАЛ на поверхности Земли в области ПэВ-ных энергий КЛ посредством регистрации тепловых нейтронов – УРАН [2]. Целью работы является получение характеристик нейтронной компоненты ШАЛ в зависимости от параметров зарегистрированных ливней на установке УРАН за 2019 г.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ “УРАН”

Установка УРАН включает в себя 72 электронно-нейтронных детектора (эн-детекторы) [3], которые позволяют регистрировать две основные компоненты ШАЛ (заряженную и нейтронную). Детекторы размещены на крышах двух лабораторных корпусов по 36 детекторов на каждой, расстояние между детекторами ~5 м, общая площадь установки ~103 м2. Детекторы объединены в независимо работающие кластеры, по 12 детекторов в каждом. Синхронизация кластеров осуществляется с использованием временной привязки с точностью 10 нс.

Корпус нейтронного детектора установки УРАН представляет собой светоизолированный цилиндрический полиэтиленовый бак черного цвета, на дно бака укладывается сцинтиллятор ZnS(Ag) + B2O3. Сверху сцинтиллятор накрывается светособирающим конусом (диффузное отражение 97% для видимого света), который вплотную прилегает к ФЭУ-200, закрепленному в верхней части детектора. Эффективная площадь сцинтиллятора составляет ~0.36 м2. Регистрация тепловых нейтронов сцинтиллятором ZnS(Ag) + + B2О3 происходит за счет захвата тепловых нейтронов изотопом 10B. Для защиты детекторов от воздействия окружающей среды используется внешний корпус цилиндрический формы с конической крышкой (оцинкованная сталь толщиной 0.9 мм).

ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Зарегистрированные детекторами события представляют собой две осциллограммы: первая осциллограмма содержит информацию о энерговыделении заряженной компоненты ШАЛ (5120 нс с шагом 5 нс), вторая осциллограмма содержит информацию о нейтронах ШАЛ (20 000 мкс с шагом 1 мкс). В первой части осциллограммы в диапазоне от 250 до 1000 нс определяется значение пьедестала, а от 1250 до 3500 нс энерговыделение от прохождения фронта ШАЛ. Во второй части осциллограммы определяется число тепловых нейтронов, зарегистрированных детектором; нейтроном считается сигнал с амплитудой более 10 мВ.

Триггером в кластере является срабатывание как минимум двух детекторов с энерговыделением по заряженной компоненте ШАЛ не менее 17 заряженных частиц. Проведена сшивка данных независимо работающих кластеров с января по декабрь 2019 г. во временных воротах 1 мкс. В результате проведенной сшивки выделено 2948 событий с максимальной кратностью срабатывания кластеров (шесть).

Для обработки экспериментальных данных, полученных на установке УРАН, был разработан алгоритм определения параметров зарегистрированных ливней по измеренному энерговыделению от заряженной компоненты ШАЛ. Предполагая, что пространственное распределение электронно-фотонной компоненты описывается функцией Нишимуры–Каматы в аппроксимации Грейзена, можно оценить основные параметры ливней: возраст (s), мощность (Ne) и положение оси. Направление прихода зарегистрированных ливней определялось с помощью установки НЕВОД-ШАЛ [45], которая работает с установкой УРАН от единой системы синхронизации.

НЕЙТРОННАЯ КОМПОНЕНТА ШАЛ

Определение положения оси и мощности ШАЛ позволяет изучить зависимость характеристик нейтронной компоненты от параметров ШАЛ. На рис. 1 представлены зависимости плотности нейтронов (ρn) от расстояния до оси ливня (r), для различных интервалов по Ne: 3 ∙ 1015–1016, 1016–3 ∙ 1016, 3 ∙ 1016–1017. Полученные распределения хорошо описываются экспоненциальной функцией с параметром r0:

(1)
$f(r) = {{p}_{0}} + {{p}_{1}} \cdot {{e}^{{\frac{r}{{{{r}_{0}}}}}}}.$
Рис. 1.

Функции пространственного распределения нейтронов ШАЛ для трех интервалов мощностей ливней (круги – Ne = 3 ∙ 1015–1016; квадраты – Ne = = 1016–3 ∙ 1016; треугольники – Ne = 3 ∙ 1016–1017).

Значения параметра r0 для трех интервалов Ne представлены в табл. 1. Из полученных распределений видно, что с ростом Ne растет и плотность регистрируемых нейтронов, в то же время среднее расстояние (r0), которое проходит нейтрон, прежде чем будет зарегистрирован, слабо изменяется. Важно отметить, что полученное пространственное распределение нейтронов является подобным распределению, полученному ранее на установке ПРИЗМА-32 [68].

Таблица 1.  

Значения параметра r0

Ne r0, м
3 ∙ 1015–1016 2.61 ± 0.86
1016–3 ∙ 1016 2.85 ± 0.37
3 ∙ 1016–1017 3.49 ± 0.42

На рис. 2 представлена зависимость числа зарегистрированных нейтронов от мощности ливня, которая в дважды логарифмическом масштабе имеет линейный характер, что говорит о степенном характере зависимости, с показателем β = = 0.84 ± 0.13. Данная зависимость является подобной результатам, полученным на адронном калориметре установки KASKADE [9], на которой изучалась связь числа адронов и мощности ШАЛ, где показатель, в зависимости от энергетического порога адронов изменялся в диапазоне от 0.7 до 0.8.

Рис. 2.

Зависимость числа зарегистрированных нейтронов (∑n) от мощности зарегистрированного ливня (Ne).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе впервые представлены результаты обработки данных установки УРАН за 2019 г., критериями отбора событий являлось срабатывание не менее двух эн-детекторов (≥17 заряженных частиц) в каждом из шести кластеров установки. По откликам детекторов на заряженную компоненту, получена оценка мощности зарегистрированных ливней и определено положение оси ливня. Представлены функции пространственного распределения нейтронов для трех интервалов мощностей ливней, которые хорошо описываются экспоненциальной функцией. Получена зависимость числа зарегистрированных нейтронов в ливне от его мощности, которая носит степенной характер, с показателем β = 0.84 ± 0.13.

Работа выполнена на уникальной научной установке “Экспериментальный комплекс НЕВОД” при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ, проект “Фундаментальные проблемы космических лучей и темная материя” № 0723-2020-0040.

Список литературы

  1. Stenkin Y.V., Valdes-Galicia J.F. // Proc. 27th ICRC (Hamburg, 2001). V. 4. P. 1453.

  2. Gromushkin D.M., Bogdanov F.A., Khokhlov S.S. et al. // J. Instrum. 2017. V. 12. Art. No. 07029.

  3. Громушкин Д.М., Богданов Ф.А., Лахонин А.А. и др. // физ. элем. частиц и атом. ядра. 2018. Т. 49. № 1. С. 78; Gromushkin D.M., Bogdanov F.A., Lakhonin A.A. et al. // Phys. Part. Nucl. 2018. V. 49. No. 1. P. 47.

  4. Shulzhenko I.A., Amelchakov M.B., Barbashina N.S. et al. // EPJ Web Conf. 2017. V. 145. Art. No. 07003.

  5. Chiavassa A., Shulzhenko I.A. // J. Phys. Conf. Ser. 2019. V. 1390. Art. No. 012137.

  6. Gromushkin D.M., Bogdanov F.A., Stenkin Y.V. et al. // Phys. Part. Nucl. 2018. V. 49. No. 4. P. 602.

  7. Gromushkin D.M., Bogdanov F.A., Bouchama L. et al. // Phys. Atom. Nucl. 2019. V. 82. No. 6. P. 822.

  8. Shchegolev O.B., Bogdanov F.A., Izhbulyakova Z.T. et al. // Phys. Atom. Nucl. 2020. V. 83. No. 2. P. 290.

  9. Antoni T., Apel W.D., Bekk K. et al. // J. Phys. G. 1999. V. 25. No. 10. P. 2161.

Дополнительные материалы отсутствуют.