Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 541-544

ВВЕДЕНИЕ

Прототип малого широкоугольного телескопа (small imaging telescope, SIT) был установлен в центре первого кластера детектор HiSCORE комплексной установки TAIGA [1, 2] и проработал в составе установки сезон измерений 2019–2020. SIT входит в сеть сопряжения установки HiSCORE [2] наравне с остальными ее станциями. Телескоп предназначен для регистрации вспышек излучения Вавилова–Черенкова (далее черенковский свет) от широких атмосферных ливней (ШАЛ).

SIT состоит из шестиугольного зеркала с большим диаметром 700 мм и радиусом кривизны 940 мм. Поле зрения ограничено диафрагмой диаметром 400 мм (с учетом камеры эффективная площадь 0.1 м²), отстоящей от центра зеркала на 710 мм. Между диафрагмой и зеркалом установлена камера телескопа диаметром 250 мм. Полный угол обзора установки составляет около 18°. Подробное описание установки приведено в [3]. Оптическая ось установки направлена строго на юг под углом 25° к вертикали.

Светочувствительная камера SIT, представляет собой шестиугольную матрицу, состоящую из 49 кремниевых фотоумножителей (SiPM) SensL MicroFC-SMTPA-60035 со светосборниками, обеспечивающими сбор света с 73% полной площади камеры. Оцифровка сигнала производится с частотой 80 МГц. По сигналу триггера записываются сигналы всех каналов течение 1 мкс до сигнала триггера и 5 мкс после, формируя один “кадр”. В телескопе SIT используются системы управления электроникой и сбора данных, ранее разработанные и испытанные в эксперименте СФЕРА-2 [4].

В течение всего периода измерений измерялись и записывались вместе с данными событий параметры телеметрии: температура матрицы SiPM, общий ток и напряжение питания матрицы, температура электроники, температура и давление воздуха. Данные телеметрии используются для определения калибровочных поправок по напряжению питания и температуре SiPM.

СТАТИСТИКА

SIT проработал c сентября 2019 г. по апрель 2020 г., в том числе в режиме сопряжения с установкой HiSCORE c конца декабря 2019 г. В течение этого времени набралось 110 ясных безлунных периодов наблюдений, из них 66 ночей в режиме сопряжения с установкой HiSCORE. За этот период зарегистрировано 1.92 млн событий. Все события вошли в анализ работы матрицы SiPM, определение зависимости усиления каждого SiPM от температуры и напряжения. Для оценки результатов работы самого детектора зарегистрированные события прошли процедуру отбора.

Первичный отбор событий заключался в поиске пика события в развертке суммарного сигнала всех 49 каналов. Частота работы триггерной платы отличалась в 8 раз от частоты работы плат оцифровки сигнала, поэтому положение триггерной метки известно с точностью около 100 нс. Событие в “кадре” считалось найденным, если в окне 150 нс вокруг ожидаемой метки триггера найден пик выше 5σ относительно остального сигнала в “кадре”.

Положение обнаруженного пика суммарного сигнала далее считалось временем прихода события. В интервале 60 нс вокруг него проводился поиск и интегрирование импульсов в развертке каждого канала, формируя изображение события. Далее проводился отсев случайных пиков, не относящихся к событию: тепловой шум SiPM, фотоэлектроны от фоновой засветки, проявляющиеся как изолированные пиксели.

В силу расположения матрицы SiPM вне фокуса зеркала размер пятна сведения параллельного пучка лучей превышал размер одного пикселя, т.е. свет от ШАЛ не мог формировать изображение, состоящее только из одного пикселя. Поэтому из рассмотрения исключались также события, в изображении которых присутствовал только один пиксель.

По этим критериям из исходных 1.92 млн записанных триггеров было отобрано 610 тысяч событий, из них 75 тысяч были одновременно зафиксированы установкой HiSCORE. Для каждого из этих событий были восстановлены направления прихода черенковского света от ШАЛ, суммарная амплитуда события S в фотоэлектронах, площадь изображения, длительность суммарного импульса, время прихода света для последующего более точного сравнения с HiSCORE и ряд других параметров.

АНАЛИЗ СОВМЕСТНЫХ СОБЫТИЙ

При анализе совместных событий SIT и HiSCORE использовались параметры, не регистрируемые SIT, но определяемые по данным HiSCORE: координаты оси ливня и энергия первичной частицы. Алгоритмы восстановления параметров ШАЛ в эксперименте HiSCORE описаны в работе [5]. Стоит отметить, что оценка расстояния до оси ШАЛ по данным SIT возможна по ширине импульса, однако точность этой оценки крайне низкая в силу недостаточной частоты оцифровки, поскольку требуется частота оцифровки сигнала выше 200 МГц.

В целях исключения случайных совпадений, для анализа брались только те события, в которых сработало несколько измерительных пунктов установки HiSCORE, включая один из четырех ближайших к телескопу SIT, расположенных на расстояниях около 75 м каждый.

На рис. 1 приведена средняя функция поперечного распределения черенковского света (ФПР ЧС) в диапазоне энергий 350–450 ТэВ. ФПР получена путем усреднения зарегистрированных суммарных амплитуд S событий с осью на выбранном расстоянии от детектора SIT. Данная ФПР по форме совпадает с модельными ФПР ЧС [6], т.е. регистрируемые SIT события в целом являются вспышками черенковского света от ШАЛ, а не случайными совпадениями.

Рис. 1.

ФПР ЧС, восстановленная по данным SIT для первичных частиц с энергией 350–450 ТэВ. Расстояние до оси и энергия ШАЛ получены от HiSCORE. Зарегистрированный сигнал S приведен в числе фотоэлектронов. Линией приведена теоретическая ФПР ЧС из работы [7].

Анализ эффективности регистрации, возможной ее неоднородности по полю зрения, фактической квантовой эффективности использованных SiPM и эффектов геометрических искажений будет проведен в последующих работах. Анализ работы отдельных SiPM приведен частично в [3].

Проведена привязка параметра S суммарной амплитуды события детектора SIT к первичной энергии события, полученной из данных HiSCORE. На рис. 2 показан средняя разность логарифма полной энергии ШАЛ в ТэВ и логарифма полной амплитуды события S в фотоэлектронах в зависимости от расстояния R до оси ливня. Кривой показана параметризация зависимости кусочно-непрерывной функцией, точками показаны экспериментальные данные, вошедшие в построение параметризации, косыми крестиками – исключенные из анализа данные в областях малой статистики, где полученные точки недостоверны.

Рис. 2.

Средняя разность логарифма энергии E первичной частицы ШАЛ в ТэВ и логарифма полной амплитуды S события SIT в фотоэлектронах в зависимости от расстояния до оси ливня. Сплошной линией показана параметризация этой зависимости. Точками показаны данные, вошедшие в построение параметризации, косыми крестами – не вошедшие.

С учетом полученной на предыдущем шаге кривой поправок энергии возможно оценить энергию ШАЛ по показаниям SIT с привлечением от HiSCORE лишь информации о положении оси ливня. Распределение событий по энергии, построенное по параметру S телескопа SIT приведено на рис. 3 вместе с распределением по энергии, определенной по данным установки HiSCORE.

Рис. 3.

Распределения событий по энергии, 1 – построенные по параметру S телескопа SIT, 2 – по энергии, определенной по данным установки HiSCORE.

В дальнейшем планируется провести прямое полное моделирование работы SIT и моделирование отклика детектора с известными свойствами SiPM. Такая работа позволит перейти от использования кривой на рис. 2 к использованию модельных соотношений для различных расстояний от оси ливня для различных первичных частиц с различными энергиями, т.к. учет зависимости от этих параметров позволит повысить точность оценки энергии первичной частицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Прототип малого широкоугольного телескопа SIT проработал в составе астрофизического комплекса TAIGA в течение измерительного сезона 2019–2020 гг. Реализована аппаратурная синхронизация телескопа SIT c установкой HiSCORE.

На основании данных установки HiSCORE проведена процедура энергетической калибровки телескопа SIT. В дальнейшем планируется разработка независимого метода оценки энергии событий по данным телескопа.

Работа поддержана РНФ (проект № 19-72-20230).