Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 466-469

ВВЕДЕНИЕ

В международном космическом эксперименте PAMELA при исследовании первичного космического излучения впервые обнаружены источники позитронов высоких энергий, связанные с генерацией пар электронов-позитронов в остатках недавних (до ~млн лет) близких (до ~300 пк) взрывов сверхновых (SN) [1]. Данные по позитронам подтверждены в орбитальных наблюдениях коллаборации AMS-02 [2, 3]. При анализе данных PAMELA по изотопному составу легких ядер от водорода до бериллия также впервые получены вероятные свидетельства обнаружения вклада локальных источников легких ядер в галактических космических лучах (ГКЛ) [4]. За последние 2 тыс. лет люди наблюдали свыше 10 SN, причем в основном (~10) это были взрывы в двойных системах на расстояниях до ~20 тыс. световых лет от Земли, определяемых по наблюдениям остатков SN. При этих взрывах могли образовываться и ускоряться изотопы легких ядер, формируя суммарные спектры изотопов элементов от этих локальных источников. Данные о расстояниях до остатков SN с учетом датировки событий позволяют оценить современный возраст SN. Попытка изотопного анализа ядер бора в данных PAMELA с использованием информации о жесткостях ядер, их времени пролета через прибор и ионизационных потерь ядер в 44-х слоях стриповых детекторах калориметра PAMELA была представлена на ISCRA-2019 [5]. Статистика собранных данных PAMELA по изотопам бора ¹⁰В и ¹¹В не позволила достоверно выделить вклад локальных источников [6] и последующий дополнительный анализ 2019–2020 гг. принципиально не изменил этот вывод.

Сравнительно высокая интенсивность ядер углерода в космических лучах и период полураспада 5700 лет нестабильного изотопа ¹⁴С позволяет, согласно оценкам, провести поиск локальных источников ядер углерода от взрывов близких сверхновых в течение последних ~50 тыс. лет на расстояниях до ~100–200 пс. Данные по изотопному составу ядер углерода в космических лучах в настоящее время ограничены наблюдениями ¹³C/¹²С = 6.29 ± 0.33% на зондах Voyager 1, 2 в 1976–1994 гг. при энергиях 48–126 МэВ/нуклон [7] и верхним пределом для ¹⁴С/¹²С + ¹³С на уровне 2.3 ⋅ 10^–4 при энергиях 120–430 МэВ/нуклон, определенном в космическом эксперименте ACE/CRIS в 1997–1999 гг. [8]. Согласно расчетам, ожидаемое при распространении в Галактике отношение ¹³С/¹²C равно ~8%, а в звездах ~1% [9]. При временах, характерных для распространения космических лучей в Галактике, ядра ¹⁴С полностью распадаются и в случае их обнаружения указывают на локальное происхождение ¹⁴С. Положительный результат измерения отношения ¹⁴C/¹³C в широком энергетическом диапазоне позволяет оценить либо усредненное расстояние до локальных взрывов SN, либо до отдельных источников. Анализ данных PAMELA по регистрации ядер углерода в космических лучах предпринят с целью поиска ядер ¹⁴С и расширения энергетического диапазона наблюдений отношения ¹⁴C/¹²C до ~1.5 ГэВ/нуклон.

МЕТОД АНАЛИЗА

Селекция изотопов ядер до углерода в диапазоне жесткостей ~1–5 ГВ в международном космическом эксперименте PAMELA осуществляется с использованием данных траекторных измерений в трекере из стриповых детекторов в поле зазора 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 калориметре PAMELA [10]. Заряд ядер определяется из данных сцинтилляционного телескопа прибора. При жесткостях анализируемых событий свыше ~2 ГВ измерение скоростей ядер методом TOF не позволяет разделять изотопы и для селекции изотопов используются данные о ионизационных потерях ядер в стриповых детекторах многослойного калориметра PAMELA. При изотопном анализе в эксперименте PAMELA отбираются события, прошедшие через прибор без ядерных взаимодействий. Для каждого события в многослойном калориметре PAMELA возникает распределение ионизационных потерь (от 1 до 44 сигналов). По аналогии с анализом данных, полученных на идентификаторах релятивистских частиц из газовых пропорциональных камер на ускорителях высоких энергий, для улучшения разрешения изотопов из общего распределения ионизационных потерь (асимметричное распределение Ландау) отбирается половина минимальных сигналов (метод обрезания) и распределение сигналов приближается к распределению Гаусса с лучшей полушириной.

Для определения числа событий ¹²С, ¹³С и ¹⁴С в выбранных с шагом 0.2 ГВ интервалах жесткостей, измеренных в зазоре магнита PAMELA и отличающихся от жесткостей на входе в прибор, при TOF анализе в области 0.7–2.3 ГВ проводилось сравнение экспериментальных распределений 1/beta с результатами GEANT4 моделирования. В настоящее время пакет программ GEANT4 позволяет, к сожалению, моделировать только электромагнитные взаимодействия изотопов ядер углерода ¹²С, ¹³С, ¹⁴С при пересечении материала PAMELA и только для ядер ¹²С возможно моделирование ядерных взаимодействий. Из-за недостаточного разрешения изотопов ¹²С и ¹³С использовалось соотношение ¹³С/¹²C = 0.06, которое согласуется с наблюдениями Voyager 1, 2 и не противоречит расчетным данным. Для оценки отношения ¹⁴С/¹²C анализировались разности распределений экспериментальных данных и результатов моделирования суммы распределений ¹²С и ¹³С. Аналогичная процедура использовалась при анализе данных калориметра в диапазоне измеренных жесткостей ядер 1.7–5.0 ГВ. Полученные предварительные результаты на уровне ¹⁴C/¹²C ~ 0.02 привели к выводу, что использованные для ядер ¹²С и ¹³С модельные распределения Гаусса недостаточно учитывают эффекты рассеяния ядер в материале PAMELA. Для решения задачи оценки фона ¹²С + ¹³С при поиске ядер ¹⁴С были использованы с необходимой модификацией экспериментальные распределения ядер ¹⁰В + ¹¹В (только 2 изотопа!) при анализе данных TOF и калориметра. В результате применения нового подхода фон рассеяний ядер бора полностью исключил события с ядрами ¹⁴С и верхние пределы для соотношений ¹⁴C/¹²C определялись статистикой ядер ¹²С и статистическими ошибками используемого метода анализа. Данные времяпролетного анализа распределений и данных калориметра хорошо согласуются.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В результате анализа полетных данных PAMELA получены только верхние пределы для отношения ¹⁴С/¹²С в зависимости от жесткости ядер до ~5 ГВ. При переходе от приборных результатов измерения соотношений изотопов к космическому пространству использованы данные GEANT4 моделирования. Полученные в зависимости от жесткости ядер оценки отношений ¹³С/¹²С и верхних пределов ¹⁴С/¹²C в ГКЛ с использованием данных PAMELA о спектре ядер углерода [11] преобразованы после получения жесткостных и энергетических спектров изотопов углерода на входе в прибор в отношения в зависимости от энергии изотопов. Оценка ¹³С/¹²C и верхних пределов для ¹⁴С/¹²C отношений, а также оценки спектров изотопов ¹²С, ¹³С и ¹⁴С в зависимости от их жесткости представлены на рис. 1а и 1б. Аналогичные данные в зависимости от энергии ядер в сравнении с существующими экспериментальными данными для ¹³С/¹²C [7] и верхнего предела для ¹⁴С/¹²C [8] представлены на рис. 2а и 2б. Верхние пределы для отношения ¹⁴C/¹³C при жесткостях ~3–5 ГВ из данных PAMELA оценены на уровне ~0.014–0.029, а для ¹⁴С/¹²C на 2 порядка меньше.

Рис. 1.

◻ – ¹³C/¹²C, TOF, ◼ – ¹³C/¹²C, калориметр, ◇ – ¹⁴C/¹²C, TOF, верхние пределы, ▼ – ¹⁴C/¹²C, калориметр, верхние пределы в зависимости от жесткости ядер (а); линия – спектр углерода в ГКЛ [11], ◻ – ¹³C, TOF, ◼ – ¹³C, калориметр, ◇ – ¹⁴C, TOF, верхние пределы, ▼ – ¹⁴C, калориметр, верхние пределы в зависимости от жесткости ядер (б).

Рис. 2.

Линия – спектр углерода [11], ◻ – ¹³C, TOF, ◼ – ¹³C, калориметр, ◇ – ¹⁴C, TOF, верхние пределы, ▼ – ¹⁴C, калориметр, верхние пределы в зависимости от энергии ядер (а); ◻ – ¹³C/¹²C, TOF, ◼ – ¹³C/¹²C, калориметр, ◇ – ¹⁴C/¹²C, TOF, верхние пределы, ▼ – ¹⁴C/¹²C, калориметр, верхние пределы в зависимости от энергии ядер, △ – ¹³C/¹²C, Voyager 1, 2 [7], ◆ – ¹⁴C/¹²C, верхний предел, ACE/CRIS [8] (б).

Проведенный в 2019–2020 гг. с использованием новых подходов дополнительный анализ изотопного состава ядер бора не позволил изменить принципиальный вывод, полученный предварительно к конференции ISCRA-2019 [5], о невозможности из-за статистики данных PAMELA заметного выделения вклада локальных источников ядер бора при анализе соотношений ¹¹B/¹⁰B в зависимости от жесткости и энергии ядер. Соотношения изотопов меняются в пределах статистических ошибок, сохраняя общие тенденции распределения данных и подтверждая стабильность вывода. В дальнейшем возможно расширение изотопного анализа ядер бора до ~5 ГВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в настоящей работе предварительные данные анализа изотопного состава ядер углерода в космических лучах в энергетической области ~0.1–1.0 ГэВ/нуклон полученные в эксперименте PAMELA при измерениях в 2006–2014 гг., являющиеся основными результатами данной работы, согласуются с данными измерений на космических аппаратах Voyager 1, 2 и ACE/CRIS, расширяют диапазон измерений, методические ошибки PAMELA в ~3 раза меньше. Оценка соотношений изотопов ¹⁴С с периодом полураспада 5700 лет (c учетом Лоренц-фактора 1.154–2.517 в диапазоне измерений PAMELA ~ ~ 6600–14 300 лет) и стабильных изотопов ¹³C на уровне меньше ~0.01 с учетом процесса диффузии ядер от возможного источника при коэффициенте диффузии ~3.3 ⋅ 10²⁸ см² · с^–1 [6] позволяет заключить, что возможный источник ядер ¹⁴С не может находиться ближе ~190 пк и рождение сверхновой не могло произойти ранее ~73 тыс. лет назад. Из известных SN ближайшей является Geminga на расстоянии ~190 пк, но с возрастом ~342 тыс. лет. Анализ возможного наблюдения соотношения ¹⁴C/¹³C от локальных взрывов SN, наблюдавшихся на Земле в последние 2 тыс. лет показывает, что увеличение по сравнению возможностями PAMELA статистики регистрации изотопов ядер углерода примерно на 1–2 порядка, может привести к регистрации ядер ¹⁴С от локальных источников. Решение этой задачи может быть выполнено коллаборацией AMS-02 благодаря огромной светосиле прибора. Соавторами работы, естественно, являются члены коллаборации PAMELA [10, 11], обеспечившие получение исходной полетной информации.