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. 576-578

Моделирование отклика детектора ТРЕК при регистрации групп мюонов от первичных космических лучей сверхвысоких энергий

Р. В. Николаенко 1, *, А. Г. Богданов 1, В. С. Воробьёв 1, Е. А. Задеба 1, И. Ю. Трошин 1, Е. П. Хомчук 1

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

* E-mail: rvnikolaenko@mephi.ru

Поступила в редакцию 19.10.2020
После доработки 19.11.2020
Принята к публикации 28.12.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

В НИЯУ МИФИ создается крупномасштабный координатно-трековый детектор на дрейфовых камерах ТРЕК, предназначенный для регистрации окологоризонтального потока групп мюонов, генерируемых первичными космическими лучами сверхвысоких энергий. Для интерпретации экспериментальных данных проведено комплексное моделирование работы установки, включающее три стадии: моделирование широких атмосферных ливней в среде CORSIKA, расчет взаимодействий частиц ливня с детектором и несущими конструкциями в Geant4, получен отклик дрейфовых камер и электроники в Garfield++. Приводится описание каждого этапа моделирования, передачи данных между ними, а также первые полученные результаты.

ВВЕДЕНИЕ

В ряде экспериментов наблюдается избыток групп мюонов, генерируемых первичными космическими лучами с энергией выше 1017 эВ (т.н. “мюонная загадка”) [1]. Актуальность этой проблемы подчеркивается созданием международной группы WHISP [2], включающей представителей ключевых экспериментов, регистрирующих многомюонные события от первичных космических лучей (ПКЛ) сверхвысоких энергий (Pierre Auger, IceCube, НЕВОД и др.). Комплекс НЕВОД-ДЕКОР [3, 4], включающий черенковский водный детектор объемом 2000 м3 и координатно-трековый детектор ДЕКОР площадью 70 м2, позволяет исследовать энергетический интервал от 1015 до 1018 эВ. Для дальнейшего расширения диапазона исследуемых энергий в составе экспериментального комплекса создается крупнейший в мире координатный детектор ТРЕК [5, 6] на основе многопроволочных дрейфовых камер (ДК), имеющий площадь 250 м2.

Метод спектров локальной плотности мюонов [7], разработанный в НОЦ НЕВОД, рассматривает детектор ДЕКОР, как точечный в сравнении с размерами широких атмосферных ливней (ШАЛ) и не предполагает моделирования отклика на отдельные ливни. Детектор ТРЕК полностью не экранируется бассейном черенковского водного детектора (ЧВД), для него необходимо полное моделирование развития ШАЛ и отклика на все частицы, попавшие в его объем.

Для интерпретации экспериментальных данных новой установки, учета ее конструкционных особенностей, влияния вторичных частиц, образованных от взаимодействий частиц ливня с веществом, окружающем детектор, а также отработки методов реконструкции событий создан полный комплекс программ для моделирования всего процесса регистрации групп мюонов от первого взаимодействия первичных космических лучей с атмосферой Земли до формирования электронного сигнала. Комплекс состоит из трех основных стадий моделирования.

МОДЕЛИРОВАНИЕ В CORSIKA

Первая стадия реализуется на базе программы CORSIKA [8], с помощью которой моделируются широкие атмосферные ливни и формируются сведения о частицах, достигших уровня детектора. В файлы вывода CORSIKA записывает необходимую для следующей программы моделирования (Geant4 [9]) информацию о частицах, долетевших до установленной пользователем высоты над уровнем моря, то есть поверхность детектора в данной программе представляет собой горизонтальную плоскость. Такой формат записи неудобен при моделировании работы детектора ТРЕК, поскольку его плоскости ориентированы вертикально, и из всего массива частиц на плоскости невозможно выделить только те, которые попадут в установку, расположенную произвольным образом.

Для решения описанной проблемы создан алгоритм смены формата записи данных о частицах ШАЛ, получивший название IGESICA (Input for GEant4 SImulation from Corsika data generation Algorithm). В его основе лежит программа, реализованная в Geant4, позволяющая использовать для каждого сгенерированного ШАЛ до 106 вариантов его прохождения через установку. При этом из CORSIKA передается информация о треках частиц, попавших не на плоскость над детектором, а на поверхность параллелепипеда, в котором заключен его объем (это является ключевым отличием данного метода), что позволяет учитывать все частицы, прошедшие через детектор, и исключает розыгрыш частиц, не попадающих в установку, сокращая время вычислений.

МОДЕЛИРОВАНИЕ В GEANT4

Для моделирования прохождения частиц ливня через здание НЕВОД, рамную конструкцию и дрейфовые камеры детектора ТРЕК используется пакет Geant4. Сложная геометрия окружающих детектор конструкций потребовала применения дополнительной библиотеки CADMesh [10]. Она позволяет транслировать объемные модели, созданные в программах САПР, в тело в Geant4 на этапе инициализации геометрии. С помощью библиотеки транслированы модели металлоконструкций детектора ТРЕК, его облицовки и здания НЕВОД (рис. 1). На этом рисунке также представлен пример моделирования события, всего в настоящий момент разыграно более 1200 ШАЛ в диапазоне энергий от 1016 до 1018 эВ.

Рис. 1.

Результаты трансляции геометрии детектора ТРЕК и здания НЕВОД в Geant4. Для наглядности отключено отображение облицовки пристройки. Показан также результат моделирования события регистрации группы мюонов, прошедшей под зенитным углом 60° со стороны черенковского водного детектора.

Для дрейфовых камер в программе реализованы алгоритмы независимой регистрации частиц, с доступной для Geant4 точностью моделирующие работу дрейфовой камеры. Это позволяет проводить первичный анализ зарегистрированного события на предмет образования вторичных частиц и их влияния на определение множественности мюонов в данной группе. Помимо первичного анализа событий, используется алгоритм вывода информации о частицах, попавших в дрейфовые камеры для последующей загрузки в Garfield++ [11].

МОДЕЛИРОВАНИЕ В GARFIELD++

Третья стадия комплекса моделирования – среда Garfield++, в которой детально симулируется отклик дрейфовых камер и усилителей-формирователей АМР-4 по данным от Geant4. Для дрейфовых камер установки ТРЕК разыгрывается ионизация при прохождении заряженных частиц, дрейф высвобождающихся электронов и токовый сигнал при достижении электронами сигнальных проволок.

На рис. 2 показана модель дрейфовой камеры в среде Garfield++ с указанием всех проволок. Также показаны эквипотенциальные линии электростатического поля, пример прохождения мюона через рабочий объем и дрейф электронов к сигнальным проволокам.

Рис. 2.

Модель дрейфовой камеры, прохождение через нее мюона и дрейф электронов в среде Garfield++.

Получаемый в моделировании токовый сигнал может быть преобразован в более удобный сигнал по напряжению с учетом устройства усилителя-формирователя [12, 13] путем математической свертки, которая дает длительности сигналов, близкие к наблюдаемым в эксперименте.

В экспериментальных данных наблюдаются послеимпульсы – вторичные сигналы, возникающие вследствие разброса электронов в электронном облаке вдоль линии дрейфа. Моделирование в Garfield++ впервые позволило создать математический аппарат для их учета. Это необходимо при обработке данных с применением методов машинного обучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создан программный комплекс многоэтапного Монте-Карло моделирования координатно-трекового детектора от первого взаимодействия космических лучей с атмосферой до формирования электронных сигналов. Разработан оригинальный метод трансляции данных программы CORSIKA в Geant4, позволяющий использовать для каждого сгенерированного ШАЛ до 106 вариантов его прохождения через установку. Впервые в пакете Garfield++ смоделированы послеимпульсы, наличие которых необходимо учитывать при реконструкции событий.

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), а также РФФИ (проект № 20-32-90155).

Список литературы

  1. Petrukhin A.A. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 2014. V. 742. P. 228.

  2. Dembinski H.P., Arteaga-Velázquez J.C., Cazon L. et al. // EPJ Web Conf. 2019. V. 210. Art. No. 02004.

  3. Петрухин А.А. // УФН. 2015. Т. 185. № 5. С. 521; Petrukhin A.A. // Phys. Usp. 2015. V. 58. P. 486.

  4. Киндин В.В., Амельчаков М.Б., Барбашина Н.С. и др. // ПТЭ. 2018. № 5. С. 23; Kindin V.V., Amelchakov M.B., Barbashina N.S. et al. // Instr. Exp. Tech. 2019. V. 61. P. 649.

  5. Zadeba E.A., Borisov A.A., Vorobyev V.S. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2019. V. 1390. Art. No. 012132.

  6. Zadeba E.A., Ampilogov N.V., Barbashina N.S. et al. // J. Instrum. 2014. V. 9. Art. No. C08018.

  7. Богданов А.Г., Громушкин Д.М., Кокоулин Р.П. и др. // ЯФ. 2010. Т. 73. № 11. С. 1904; Bogdanov A.G., Gromushkin D.M., Kokoulin R.P. et al. // Phys. Atom. Nucl. 2010. V. 73. P. 1852.

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

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

  10. https://github.com/christopherpoole/CADMesh.

  11. https://garfieldpp.web.cern.ch.

  12. Vorobev V.S., Borisov A.A., Kozhin A.S. et al. // J. Instrum. 2020. V. 15. Art. No. C08007.

  13. Задеба Е.А., Барбашина Н.С., Борисов A.A. и др. // ЭЧАЯ. 2018. Т. 49. № 1. С. 147; Zadeba E.A., Barbashina N.S., Borisov A.A. et al. // Phys. Part. Nucl. 2018. V. 49. P. 86.

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