1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 85, № 4, 2021

Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 472-474

Временные вариации потока ядер лития в галактических космических лучах с 2006 по 2014 гг. по данным эксперимента PAMELA

А. А. Епифанов 1, *, А. Г. Майоров 1

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

* E-mail: aepifanov.inbox@gmail.com

Поступила в редакцию 19.10.2020
После доработки 19.11.2020
Принята к публикации 28.12.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Впервые приводятся предварительные результаты измерения временной динамики дифференциальных энергетических спектров ядер лития галактического происхождения в диапазоне жесткостей 0.5–100 ГВ в период с 2006 по 2014 гг. с годовым усреднением по данным эксперимента PAMELA. Для этого составлены критерии отбора ядер лития, произведена оценка их эффективности, определена светосила прибора. Поведение полученных спектров согласуется с изменениями солнечной активности в рассматриваемом интервале времени.

ВВЕДЕНИЕ

По современным представлениям распространение космических лучей (КЛ) в гелиосфере определяется процессами диффузии и дрейфа в магнитном поле, конвекцией в плазме солнечного ветра, адиабатическими потерями энергии и дополнительным ускорением. Все эти механизмы зависят как от солнечной активности, так и от типа частицы. Как следствие, происходит изменение энергетического спектра галактических космических лучей (ГКЛ) при прохождении через гелиосферу, что особенно заметно в области низких энергий (при жесткости до нескольких десятков ГВ). Это явление называется солнечной модуляцией космических лучей [1].

На данный момент по результатам измерений в эксперименте PAMELA уже опубликованы временные вариации потоков протонов (диапазон жесткостей 0.4–50 ГВ) [2–4] и ядер гелия (0.8–50 ГВ) [2, 5]. В настоящей работе исследуются долговременные вариации потоков ядер лития по данным эксперимента PAMELA с 2006 по 2014 гг. в диапазоне жесткостей от ~0.5 до 100 ГВ.

Следует отметить, что непрерывные измерения потоков ядер с Z > 2 длительностью порядка нескольких лет на сегодняшний день отсутствуют, несмотря на то, что представляют интерес, как дополнительный источник информации о переносе КЛ в гелиосфере.

ЭКСПЕРИМЕНТ PAMELA И КРИТЕРИИ ОТБОРА ЯДЕР ЛИТИЯ

Эксперимент PAMELA [6, 7] проводился с июня 2006 по январь 2016 г. на околоземной орбите. Прибор PAMELA был предназначен для прецизионных измерений потоков заряженной компоненты космических лучей. В задачи эксперимента входило изучение характеристик потоков частиц и античастиц ГКЛ, исследование эффектов солнечной модуляции, регистрация частиц в высокоэнергичных солнечных вспышках и изучение вторичных КЛ в околоземном пространстве. Для этого прибор включает в себя набор детекторов, позволяющих измерять такие характеристики частиц, как магнитная жесткость R, скорость β, ионизационные потери dE/dx.

В работе для выделения частиц, попадающих в апертуру прибора и для которых были измерены все характеристики, использовались базовые критерии, приведенных в параграфе 3.1 статьи [3].

Для отбора ядер лития использовались измеренные в трековой системе [8] значения ионизационных потерь dE/dx и магнитной жесткости R частицы. Основным критерием отбора по заряду являются две характеристические линии на зависимости dE/dx от R, ограничивающие область наиболее вероятного нахождения изотопов в диапазоне жестокостей от 0.5 до 100 ГВ. Для построения ограничивающих линий использовались данные моделирования в Geant4 процесса прохождения ядер 6Li, 7Li через спектрометр PAMELA. При фиксированных R были установлены квантили распределения по dE/dx, исключающие 2% событий сверху и 1% снизу. По полученным точкам проводилось фитирование методом наименьших квадратов по параметрическому уравнению:

$\begin{array}{*{20}{c}} {\frac{{dE}}{{dx}} = \left\{ \begin{gathered} {{A}_{1}}\left( {1 + \frac{{{{A}_{3}}}}{{{{R}^{2}}}}} \right)\left[ {\ln \left( {\frac{{{{A}_{2}}R}}{{{{A}_{3}} + {{R}^{2}}}}} \right) - \frac{{{{R}^{2}}}}{{{{A}_{3}} + {{R}^{2}}}} + {{A}_{4}}} \right] + {{A}_{5}},~~R > 2\,\,\Gamma {\text{В}} \hfill \\ {{A}_{1}}\left( {1 + \frac{{{{A}_{3}}}}{{{{R}^{2}}}}} \right)\left[ {\frac{{{{R}^{2}}}}{{{{A}_{4}} + {{R}^{2}}}}} \right],\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,R \leqslant 2~\,\,\Gamma {\text{В}} \hfill \\ \end{gathered} \right.} \end{array},$
где R – жесткость частицы, Ai – параметры фитирования, а уравнение представляет собой параметризованную формулу Бете–Блоха, преобразованную к виду dE/dx(R). Полученные кривые приведены на рис. 1 вместе с данными моделирования близких по заряду к литию ядер КЛ.

Рис. 1.

Ограничивающие линии (6Li line, 7Li line) на зависимости ионизационных потерь dE/dx от жесткости для изотопов 6Li, 7Li. Также на графике приведены данные моделирования близких по заряду изотопов, которые могут являться источником фона при отборе.

Используя измеренные во времяпролетной системе [9] значения ионизационных потерь dE/dx и скорости частицы β, составлены и применены аналогичные описанным выше критерии с использованием зависимостей dE/dx в трекере и dE/dx во времяпролетной системе, но от скорости β.

Для оценки эффективности отбора полезных событий и качества режекции фона использована зависимость ионизационных потерь dE/dx в первой плоскости калориметра [10] от жесткости частицы R. Частицы попадают в калориметр после прохождения трековой и времяпролетной систем, что позволяет применить его для оценки качества критериев. На этой зависимости построены ограничивающие линии и произведена оценка доли фона, образуемого в результате взаимодействия ядер лития с веществом прибора, т.е. событий, находящихся на этой зависимости вне области ядер лития. Доли фона должны совпадать для данных моделирования и эксперимента. Их избыток в эксперименте предполагал бы низкое качество режекции других частиц, недостаток же – низкую эффективность отбора полезных событий. Вычисленные значения долей фона в 4-х диапазонах жесткостей представлены в табл. 1. Полученные для экспериментальных данных доли близки к определенным по моделированию (5–8%), что дает возможность утверждать о достаточности составленных критериев отбора.

Таблица 1.  

Доли событий вне области ядер лития (фона) на зависимости ионизационных потерь в первой плоскости калориметра от жесткости в 4 диапазонах жесткостей

  Доля фона
R, ГВ 0.5–2 2–5 5–10 10–100
Моделирование 8.7% ± 0.1% 5.0% ± 0.1% 4.8% ± 0.1% 4.0% ± 0.1%
Эксперимент 7.3% ± 0.5% 5.5% ± 0.3% 6.1% ± 0.4% 5.0% ± 0.7%

Для выделения галактической компоненты КЛ, рассматривались события, зарегистрированные только в областях, где номер магнитной оболочки > 5 в геомагнитных координатах Мак-Илвейна. Это область выделена на основе анализа зависимости темпа счета ядер лития от L при низких жесткостях частиц (0.5–2 ГВ).

РЕЗУЛЬТАТЫ

На основании построенных критериев отбора для ядер лития, была произведена обработка данных эксперимента PAMELA, полученных за 8 лет работы прибора (с 06.2006 по 09.2014), восстановлено время наблюдения (экспозиция) в области L > 5, а также вычислены значения эффективности детекторов и светосилы отбора событий.

В результате восстановлены дифференциальные энергетические спектры ядер лития ГКЛ в диапазоне жесткостей от 0.5 до 100 ГВ с интервалом усреднения в один год, что позволяет оценить эффекты солнечной модуляции в рамках 11-летнего цикла солнечной активности. На рис. 2а–2г представлены вариации потоков ядер лития ГКЛ в 6 выделенных диапазонах жесткостей (результат предварительный). Для сравнения приведены данные о среднемесячном количестве солнечных пятен [11], выбранных в качестве характеристики солнечной активности (рис. 2д). В период с 2006 до 2009 г. наблюдается рост интенсивности ядер лития, что соответствует периоду спада солнечной активности. Далее, с 2010 по 2014 г. наблюдается уменьшение потока, что совпадает с периодом роста солнечной активности. При этом амплитуда вариаций уменьшается с увеличением энергии частиц.

Рис. 2.

Вариации потоков ядер лития ГКЛ с 2006 по 2014 гг. в 4 выделенных диапазонах жесткостей: 0.5–1 ГВ (а), 1–2 ГВ (б), 2–5 ГВ (в), 5–20 ГВ (г). Для сравнения приведены данные о среднемесячном количестве солнечных пятен (д).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе восстановлены временные вариации дифференциальных энергетических спектров ядер лития ГКЛ по данным эксперимента PAMELA в диапазоне жесткостей от 0.5 до 100 ГВ на 8-летнем интервале с 06.2006 по 09.2014. Для этого построены критерии отбора ядер лития ГКЛ, проведена оценка их качества и вычислена светосила прибора. Наблюдается связь вариаций потоков с цикличностью солнечной активности. Полученные данные являются новыми и могут быть востребованы в изучении механизмов переноса КЛ через гелиосферу. В дальнейшем планируется провести подробный анализ полученных результатов.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (проект “Фундаментальные проблемы космических лучей и темная материя” № 0723-2020-0040) и при поддержке Российского научного фонда (проект № 20-72-10170).

Список литературы

  1. Potgieter M.S. // Living Rev. Sol. Phys. 2013. V. 10. Art. No. 3.

  2. Майоров А.Г., Адриани О., Базилевская Г.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2011. Т. 75. № 6. С. 828; Maiorov A.G., Adriani O., Barbarino G. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2011. V. 75. No. 6. P. 779.

  3. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A. et al. // Astrophys. J. 2013. V. 765. No. 2. Art. No. 91.

  4. Martucci M., Munini R., Boezio M. et al. // Astrophys. J. Lett. 2018. V. 854. No. 1. Art. No. L2.

  5. Marcelli N., Boezio M., Lenni A. et al. // Astrophys. J. 2020. V. 893. No. 2. Art. No. 145.

  6. Picozza P., Galper A.M., Castellini G. et al. // Astropart. Phys. 2007. V. 27. No. 4. P. 296.

  7. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A. et al. // Riv. Nuovo. Cim. 2017. V. 40. No. 10. P. 473.

  8. Adriani O., Bonechi L., Bongi M. et al. // Nucl. Instrum. Meth. A. 2003. V. 511. P. 72.

  9. Barbarino G., Boscherini M., Campana D. et al. // Nucl. Phys. B. Proc. Suppl. 2003. V. 125. P. 298.

  10. Boezio M., Bonvicini V., Mocchiutti E. et al. // Nucl. Instrum. Meth. A. 2002. V. 487. No. 3. P. 407

  11. http://www.sidc.be/silso/DATA/SN_m_tot_V2.0.txt.

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