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. 475-477

Измерение потоков протонов прямого и возвратного альбедо в эксперименте PAMELA

О. А. Голуб 1, *, А. Г. Майоров 1

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

* E-mail: ogolub394@gmail.com

Поступила в редакцию 19.10.2020
После доработки 19.11.2020
Принята к публикации 28.12.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

При помощи моделирования прохождения частиц через прибор PAMELA в среде Geant 4 выбраны критерии отбора для идентификации протонов прямого и возвратного альбедо. Полученные критерии применены к экспериментальным данным PAMELA и после проведенной обработки и анализа восстановлены дифференциальные энергетические спектры протонов прямого и возвратного альбедо для низких и высоких геомагнитных широт.

ВВЕДЕНИЕ

Частицы альбедо образуются в результате взаимодействий первичных высокоэнергичных космических лучей с ядрами атомов остаточной атмосферы Земли. Полученные вторичные заряженные частицы движутся вдоль магнитных силовых линий в двух направлениях: к Земле – возвратное альбедо и от Земли – прямое альбедо [1].

Частицы альбедо широко изучаются с 1950-х гг., но до сих пор существует множество нерешенных проблем, которые сохраняют научный интерес к этой теме. Измерения потоков протонов альбедо проводились на аэростатах [2], космических аппаратах и искусственных спутниках Земли (ИСЗ) [3, 4]. Экспериментальные данные NINA и NINA-2 представляют информацию о потоках вторичных протонов в области низких энергий от 10 до 35 МэВ. Наоборот, в эксперименте AMS-01 измерены потоки протонов прямого и возвратного альбедо энергий области пенумбры на разных геомагнитных широтах. Тем не менее, этих экспериментальных данных недостаточно для полного понимания процессов образования частиц альбедо в атмосфере и их движения в магнитном поле Земли. Международный научный спутниковый эксперимент PAMELA [5], предназначенный для изучения потоков заряженных частиц в космическом излучении, дает возможность провести независимые прецизионные измерения потоков протонов прямого и возвратного альбедо в широком энергетическом диапазоне в различных областях околоземного пространства.

ЭКСПЕРИМЕНТ PAMELA

С июня 2006 г. до января 2016 г. на околоземной орбите проводился эксперимент PAMELA, который был основан на магнитном спектрометре и проводил измерения потоков космических лучей различного типа в широком диапазоне энергий (от нескольких сотен МэВ до ~1 ТэВ). Прибор PAMELA включает в себя набор детекторов [6–12], общая совокупность которых позволяет исключать фоновые события, определение характеристик которых затруднено или невозможно.

Задачей магнитного спектрометра является измерение координат точек прохождения ионизирующей частицы внутри магнита и ионизационных потерь вдоль трека. С их помощью восстанавливается траектория, по кривизне которой определяется жесткость (отношение импульса частицы к заряду) и знак заряда частиц. Зависимость ионизационных потерь от жесткости позволяет определять абсолютную величину заряда частицы.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИБОРА PAMELA В СРЕДЕ GEANT4

Основной целью работы является восстановление дифференциальных энергетических спектров протонов прямого и возвратного альбедо. Для этого необходимо подобрать критерии для отбора таких частиц. Подбор критериев проводился с помощью моделирования методом Монте-Карло прохождения частиц через спектрометр PAMELA в программном обеспечении, написанном и применяемом в коллаборации PAMELA на основе GEANT4 [13]. Необходимо выделить невзаимодействующие в спектрометре частицы, отобрать из них протоны (одиночный положительный заряд) и определить направление прилета. Исключение фоновых событий и выделение “чистого” трека необходимо из-за того, что при взаимодействиях частица теряет некоторую долю энергии или превращается в другие типы, что вызывает сложности в определении ее начальных параметров, особенно для частиц летящих снизу, на пути которых перед трековой системой расположен калориметр. В зависимости от того, с какой стороны прилетела частица (сверху или снизу), путь от момента попадания в прибор до регистрации трековой системой различен. В связи с этим и критерии отбора для таких частиц будут отличаться. Для выделения летящих сверху вниз частиц были подобраны базовые критерии отбора (1.1–1.4):

1.1. в трековой системе идентифицирован 1 трек, не касающийся стенок магнита;

1.2. траектория в трековой системе восстановлена с использованием 4-х и более точек в отклоняющей проекции X, 3-х и более точек в ортогональной проекции Y;

1.3. отсутствует сигнал во всех счетчиках системы антисовпадений;

1.4. в каждой из 6 плоскостей время-пролетной системы не более 1-го сработавшего сцинтилляционного счетчика.

Критерии отбора 1.1 и 1.2 позволяют исключить из анализа события с заведомо неправильно измеренными характеристиками. Критерии 1.3 и 1.4 позволяют отсеять “ложные” триггеры, вызванные вторичными частицами, образованными во взаимодействиях космических лучей с веществом прибора.

Для выделения частиц летящих снизу вводятся дополнительные критерии отбора для отсечения взаимодействий в калориметре. Далее полученные критерии отбора применены к экспериментальным данным.

ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

На основании обработки экспериментальных данных спектрометра PAMELA, собранных в период работы с июля 2006 по март 2007 г., отобраны протоны прямого и возвратного альбедо, и построены спектры для различных диапазонов геомагнитных широт (θм). Погрешности на графиках являются статистическими, систематические ошибки в работе не оценивались.

На рис. 1 изображены спектры протонов прямого и возвратного альбедо, и галактических космических лучей (ГКЛ), восстановленные по данным эксперимента PAMELA в области геомагнитного экватора (0 < |θм| < 0.35)

Рис. 1.

Дифференциальные энергетические спектры протонов прямого и возвратного альбедо, а также ГКЛ по данным эксперимента PAMELA для области геомагнитного экватора (0 < |θм| < 0.35). Обозначения: ⚪ – базовые критерии отбора (для частиц, летящих сверху). ◻ – Дополнительные критерии отбора (для частиц, летящих сверху), ◇ – для частиц, летящих снизу.

Область 1 на графике соответствует частицам с жесткостью больше жесткости геомагнитного обрезания – это галактические космические лучи. В область 2 проникновение галактических частиц осложнено – это область пенумбры. Наконец, в области 3 проникновение галактических частиц запрещено, и регистрируемые здесь события относятся к частицам возвратного альбедо. Следует отметить, что спектры возвратного альбедо, измеренного при разных критериях отбора, согласуются между собой. Спектры прямого и возвратного альбедо согласуются между собой в области 3, как и ожидалось. Так как галактические частицы не могут прилететь в направлении “от Земли”, в области 2 удалось измерить непосредственно поток частиц прямого альбедо.

На рис. 2 представлены дифференциальные энергетические спектры протонов прямого и возвратного альбедо для высоких геомагнитных широт (|θм| > 1). На высоких широтах выделить потоки возвратного альбедо с прибором, ориентированным в только космос, невозможно, поскольку они “тонут” в потоке галактических космических лучей. Регистрация прибором PAMELA частиц, прилетающих в направлении от Земли, и созданная в работе методика позволяют восстановить спектр частиц альбедо даже в приполярных областях.

Рис. 2.

Дифференциальные энергетические спектры протонов прямого и возвратного альбедо, а также ГКЛ по данным эксперимента PAMELA для приполярных областей (|θм| > 1). Обозначения: ⚪ – базовые критерии отбора (для частиц, летящих сверху). ◻ – Дополнительные критерии отбора (для частиц, летящих сверху), ◇ – для частиц, летящих снизу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе создана методика идентификации протонов прямого альбедо в эксперименте PAMELA, которая применена к экспериментальным данным, накопленным в период работы с июля 2006 до марта 2007 г. Восстановлены дифференциальные энергетические спектры протонов прямого и возвратного альбедо в различных диапазонах геомагнитных широт. Результаты, полученные разными критериями отбора событий, согласуются между собой, подтверждая достоверность результатов. На высоких геомагнитных широтах, где доминирует галактическое излучение, также восстановлен дифференциальный энергетический спектр протонов альбедо.

В дальнейшем будет проведено детальное исследование пространственного распределения частиц альбедо (уменьшение диапазона по геомагнитной широте, введение разбиения по геомагнитной долготе), увеличение статистики обработкой большего объема научной информации, а также будет проведено сравнение с данными других экспериментов.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 19-72-10161).

Список литературы

  1. Treiman S.B. // Phys. Rev. 1953. V. 91. P. 957.

  2. Verma S.D. // J. Geophys. Res. 1967. V. 72. P. 915.

  3. AMS Collaboration // Phys. Lett. B. 2000. V. 472. P. 215.

  4. Bidoli V., Casolino M., Pascale De et al. // Ann. Geophys. 2002. V. 20. P. 1693.

  5. Picozza P., Galper A.M., Castellini G. et al. // Astropart. Phys. 2007. V. 27. P. 296.

  6. Adriani O., Bonechi L., Bongi M. et al. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2007. V. 572. P. 471.

  7. Picozza P., Galper A.M., Castellini G. et al. // Astropart. Phys. 2007. V. 27. P. 296.

  8. Osteria G., Barbarino G., Campana D. et al. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2004. V. 518. P. 161.

  9. Russo S., Barbarino G., Campana D. et al. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2007. V. 572. P. 495.

  10. Straulino S., Adriani O., Bonechi L. et al. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2006. V. 556. P. 100.

  11. Ricciarini S. (PAMELA collaboration) // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2007. V. 582. P. 892.

  12. Boezio M., Albi M., Bonvicini V. et al. // Astropart. Phys. 2006. V. 26. P. 111.

  13. Agostinelliae S., Allisonas J., Amakoe K. et al. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. 2003. V. A506. P. 250.

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