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. 556-559

Моделирование отклика установок ПРИЗМА-32 и УРАН на прохождение широкого атмосферного ливня

З. Т. Ижбулякова 1, *, А. Г. Богданов 1, Ф. А. Богданов 1, Д. М. Громушкин 1

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

* E-mail: izhbulyakovazarina@yandex.ru

Поступила в редакцию 19.10.2020
После доработки 19.11.2020
Принята к публикации 28.12.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Для исследования нейтронной компоненты широкого атмосферного ливня (ШАЛ) в составе экспериментального комплекса НЕВОД созданы установки ПРИЗМА-32 и УРАН. Для интерпретации экспериментальных данных проведено моделирование отклика установок на прохождение ШАЛ. В результате модельных расчетов получены функции пространственного распределения заряженной компоненты ШАЛ, а также зависимости среднего числа регистрируемых нейтронов от мощности ливня.

ВВЕДЕНИЕ

Исследования энергетического спектра и массового состава первичных космических лучей (ПКЛ) позволяют получать важную информацию о процессах, происходящих в нашей Галактике и во Вселенной. В настоящее время для изучения ПКЛ в области энергий выше 1015 эВ используется метод широких атмосферных ливней (ШАЛ), которые представляют собой ядерно-электромагнитные каскады, образующиеся при взаимодействии ПКЛ с атмосферой. Несмотря на то, что адронная компонента является основой ШАЛ, она изучена недостаточно, поскольку ее регистрация представляет собой сложную и дорогостоящую задачу. Недавно был предложен новый метод изучения адронной компоненты с помощью установок из электронно-нейтронных детекторов (эн-детекторов) [1]. Метод основан на регистрации тепловых нейтронов, которые рождаются в результате расщепления ядер при прохождении адронов через атмосферу и вещество, окружающее эн-детектор.

В составе Экспериментального комплекса НЕВОД НИЯУ МИФИ совместно с ИЯИ РАН были созданы установки, предназначенные для изучения адронной компоненты ШАЛ на поверхности Земли в области ПэВ-ных энергий КЛ посредством регистрации тепловых нейтронов: ПРИЗМА-32 [2] и УРАН [3]. С целью корректной интерпретации данных, получаемых на этих установках, необходимо провести модельные расчеты и анализ отклика установок на электромагнитную и нейтронную компоненты ШАЛ. В частности, одной из важнейших задач проводимого моделирования является получение связи между числом нейтронов ШАЛ и мощностью ливня, что дает возможность оценивать мощность ШАЛ по числу регистрируемых установками нейтронов.

УСТАНОВКИ ПРИЗМА-32 И УРАН

Уникальность установок ПРИЗМА-32 и УРАН заключается в использовании сцинтилляционных детекторов, которые способны регистрировать одновременно электронную и нейтронную компоненты ШАЛ.

ПРИЗМА-32 состоит из 32 детекторов на основе сцинтиллятора ZnS(Ag) + LiF, которые разбиты на два кластера по 16 детекторов. Эн-детекторы расположены на четвертом этаже экспериментального комплекса НЕВОД вокруг бассейна. Общая площадь ПРИЗМА-32 составляет порядка 500 м2, детекторы располагаются с шагом 2.5 и 5 м.

Детектирующая часть установки УРАН состоит из 72 эн-детекторов на основе сцинтиллятора ZnS(Ag) + B2О3, которые объединены в 6 кластеров по 12 штук. Детекторы располагаются на крышах корпусов 47 и 47б (НЕВОД) на территории НИЯУ МИФИ на расстоянии 5 м друг от друга (в пределах одного кластера), суммарная площадь установки составляет ~1000 м2.

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Для корректной интерпретации данных, получаемых на этих установках, необходимо провести модельные расчеты. Для моделирования геометрии установок ПРИЗМА-32 и УРАН, а также их отклика на прохождение ШАЛ, использовался программный пакет Geant4.10.5 [4], который представляет собой набор библиотек на языке С++ для моделирования прохождения элементарных частиц через вещество с использованием метода Монте-Карло. Для выполнения поставленной задачи был выбран стандартный пакет библиотек, учитывающий взаимодействие тепловых нейтронов с веществом, QGSP_BIC_HP. Созданная единая модель установок ПРИЗМА-32 и УРАН описывает реальную геометрию и химический состав детекторов и окружающей среды. Моделирование ШАЛ проводилось с помощью программного пакета CORSIKA7.6900 [5]. Для достижения поставленных целей были выбраны модели QGSJET-II-04 (взаимодействие частиц высоких энергий) и FLUKA2011 (низкие энергии). Уровень наблюдения ШАЛ составлял 170 м над уровнем моря. Порог наблюдения вторичных частиц равен 50 КэВ. Координаты прихода первичной частицы ШАЛ распределены равномерно в пределах площадей каждой установки. Вторичные частицы ШАЛ генерировались непосредственно над крышей зданий. При моделировании первичными частицами ШАЛ являлись протоны с энергиями, соответствующими энергетическому спектру КЛ в диапазоне 1015–1017 эВ. Зенитные углы θ направления прихода ШАЛ также варьировались в диапазоне от 0° до 50°.

Установки ПРИЗМА-32 и УРАН способны одновременно регистрировать две основные компоненты широких атмосферных ливней адронную (нейтронную) и электромагнитную, при этом, в случае прохождения ШАЛ через установки, детекторы сначала (в пределах временных ворот ~1 мкс) срабатывают от электромагнитной компоненты, а затем в течение 20 мc осуществляют регистрацию запаздывающих тепловых нейтронов, сопровождающих ливень. Аналогичный подход к регистрации двух компонент ШАЛ использовался в ходе моделировании отклика установок ПРИЗМА-32 и УРАН на прохождение ШАЛ. Триггерные условия, используемые при моделировании, установлены в соответствии с экспериментом: регистрация 17 заряженных частиц в двух и более детекторах каждого из шести кластеров для установки УРАН и регистрация 32 заряженных частиц в двух и более детекторах каждого из двух кластеров для установки ПРИЗМА-32.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На сегодняшний день функция пространственного распределения (ФПР) электромагнитной компоненты ШАЛ является хорошо изученным параметром, который был получен в различных экспериментах [6]. Подобные измерения на установках ПРИЗМА-32 и УРАН проводятся с целью подтверждения корректности работы установок и правильности интерпретации получаемых данных. На рис. 1а представлена ФПР электромагнитной компоненты для различных мощностей ШАЛ по данным моделирования установки ПРИЗМА-32, на рис. 1б – установки УРАН. ФПР хорошо описываются функциями Нишимуры–Каматы–Грейзена (НКГ-функциями) (1):

(1)
$\begin{gathered} f\left( r \right) = \,\,~\frac{{{{N}_{e}}}}{{2\pi R_{M}^{2}}}{{\left( {\frac{r}{{{{R}_{M}}}}} \right)}^{{s - 2}}}{{\left( {1 + \frac{r}{{{{R}_{M}}}}} \right)}^{{s - 4.5}}} \times \\ \times \,\,\left( {\frac{{Г\left( {4.5 - s} \right)}}{{Г\left( s \right)Г\left( {4.5 - 2s} \right)}}} \right) \\ \end{gathered} $
Рис. 1.

ФПР электромагнитной компоненты ШАЛ для различных мощностей ливней, полученные по результатам моделирования установок ПРИЗМА-32 (а) и УРАН (б) (треугольники – диапазон мощностей ШАЛ 105 < Ne < 3 ⋅ 105, квадраты – 3 ⋅ 105 < Ne < 106, круги – 106 < Ne < 3 ⋅ 106, выбранные диапазоны мощностей соответствуют логарифмическому шагу, непрерывными линиями показана аппроксимация НКГ-функциями).

с радиусом Мольера RM = 80 м и средним возрастом s = 1.1 для установки ПРИЗМА-32 и s = 1.4 для УРАН. Возраст ливня 1.4 является нормальным для высоты 170 м над уровнем моря. “Омоложение” ШАЛ, регистрируемых на ПРИЗМА-32, может объясняться наличием бетонной крыши и стен, способных поглощать низкоэнергичную электромагнитную компоненту ШАЛ. Результаты моделирования находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными установок УРАН и ПРИЗМА-32 [7, 8].

Одним из наиболее важных результатов проведенных расчетов является определение связи между числом нейтронов и мощностью ШАЛ. На рис. 2 приведены зависимости среднего числа нейтронов, которые должны регистрироваться установками ПРИЗМА-32 и УРАН, от мощности ливня (Ne). В двойном логарифмическом масштабе зависимости имеют близкий к линейному характер. Тангенсы угла наклона прямых, которыми могут быть описаны представленные зависимости, составляют β = 0.65 ± 0.04 для установки ПРИЗМА-32 и β = 0.77 ± 0.07 для УРАН. Для эксперимента УРАН наблюдается разумное согласие с результатами эксперимента KASCADE [9] (обе установки находятся на уровне моря), по данным которого был получен тангенс угла наклона β = = 0.76 ± 0.03. В связи с эффектом “омоложения” ливней, наблюдаемом на установке ПРИЗМА-32, полученный в ходе моделирования тангенс угла наклона прямой не согласуется с результатами установок, расположенных на уровне моря.

Рис. 2.

Зависимость среднего числа зарегистрированных установками ПРИЗМА-32 (квадраты) и УРАН (круги) нейтронов ШАЛ от мощности ливня.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С использованием программных пакетов Geant4 и CORSIKA была создана единая модель установок для регистрации тепловых нейтронов ШАЛ ПРИЗМА-32 и УРАН. ФПР электромагнитной компоненты ШАЛ аппроксимируются НКГ-функциями, что подтверждает возможность регистрации заряженной компоненты детекторами подобного типа. По данным моделирования получены зависимости среднего числа нейтронов от мощности ШАЛ, которые могут быть описаны степенным законом: 〈Nн〉/NШАЛ~ $N_{e}^{{{\beta }}}$ с показателем β = 0.77 ± 0.07 для УРАН и 0.65 ± 0.04 для ПРИЗМА-32.

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., Hurtado A., Musalem O. // Proc. 26th ICRC. (Madison, 1999). V. l. P. 252.

  2. Gromushkin D.M., Alekseenko V.V., Petrukhin A.A. // J. Instrum. 2014. V. 9. Art. No. 08028.

  3. Громушкин Д.М., Астапов И.И., Барбашина Н.С. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2017. Т. 81. № 4. С. 544; Gromushkin D.M., Astapov I.I., Barbashina N.S. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2017. V. 81. No. 4. P. 506.

  4. https://geant4.web.cern.ch.

  5. https://www.iap.kit.edu/corsika.

  6. Grieder Peter K.F. Extensive air showers. V. 1. L.: Springer, 2010. 810 p.

  7. Gromushkin D.M., Bogdanov F.A., Petrukhin A.A. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2017. V. 798. No. 1. Art. No. 012202.

  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.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Серия физическая

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал