Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 545-547

Эксперимент “Ковер-3”: поиск гамма-излучения сверхвысокой энергии от астрофизических объектов

В. С. Романенко 1*, В. Б. Петков 12, Ю. З. Афашоков 1, Е. А. Горбачева 1, Д. Д. Джаппуев 1, И. М. Дзапарова 123, Я. В. Жежер 1, К. В. Журавлева 1, И. С. Карпиков 1, А. У. Куджаев 1, Н. Ф. Клименко 1, А. Н. Куреня 1, А. С. Лидванский 1, О. И. Михайлова 1, Г. И. Рубцов 1, С. В. Троицкий 1, И. Б. Унатлоков 1, М. М. Хаджиев 1, А. Ф. Янин 13

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук
Москва, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт астрономии Российской академии наук
Москва, Россия

3 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”, Государственный астрономический институт имени П.К. Штернберга
Москва, Россия

* E-mail: vsrom94@gmail.com

Поступила в редакцию 19.10.2020
После доработки 19.11.2020
Принята к публикации 28.12.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Установка “Ковер-3” Баксанской нейтринной обсерватории предназначена для регистрации широких атмосферных ливней, образованных первичным космическим излучением с энергией более 100 ТэВ. Основной целью является поиск космического гамма-излучения сверхвысоких энергий. Описано текущее состояние установки, а также результаты поиска фотонов сверхвысоких энергий от областей локализации кандидатов в гравитационно-волновые события, зарегистрированных LIGO/Virgo в третьем наблюдательном периоде.

ВВЕДЕНИЕ

Ливневая установка “Ковер-3” Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН является новым этапом в развитии установки “Ковер” [1]. Установка “Ковер” была одной из первых установок для решения задач гамма-астрономии сверхвысоких энергий и состояла из 400 жидких сцинтилляционных счетчиков, занимавших непрерывную площадь 196 м2, и шести выносных пунктов площадью 9 м2 каждый, предназначенных для определения направления прихода ШАЛ. Среди ее основных результатов – регистрация вспышки в области энергий более 100 ТэВ от пульсара в Крабовидной туманности 23 февраля 1989 г. [2]. Данное событие было подтверждено другими установками, с различным уровнем достоверности: Kolar Gold Fields [3] и EAS-TOP [4]. Впоследствии на установке “Ковер” были установлены верхние пределы на потоки гамма-излучения сверхвысоких энергий [5] для трех различных источников: Лебедь Х-3, Крабовидной туманности и Геркулес Х-1. После введения в строй мюонного детектора площадью 175 м2 и нейтронного монитора установка получила название “Ковер-2” [6]. По экспериментальным данным установки “Ковер-2” были получены ограничения на потоки диффузного гамма-излучения с энергией выше 700 ТэВ, на потоки гамма-излучения с энергией выше 1 ПэВ от направлений прихода нейтрино высоких энергий, зарегистрированных IceCube, и от ряда астрофизических источников (Crab, Cyg X-3, Mrk 421 and Mrk 501) [710].

ДИФФУЗНОЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ

Толчком к развитию гамма-астрономии сверхвысокой энергии послужили результаты нейтринной обсерватории IceCube. В работе [11] сообщили о регистрации астрофизических нейтрино в области энергий от 30 до 1200 ТэВ, причем временных и пространственных корреляций между событиями не наблюдалось, что не позволило идентифицировать их источники. В более поздних работах [12, 13] говорилось о регистрации высокоэнергичных нейтрино с направления на блазар TXS 0506 + 056, а в работе [14] можно найти более подробную информацию о поиске точечных источников нейтрино по данным IceCube за 10 лет. На данный момент точечные источники не могут полностью объяснить потоки астрофизических нейтрино, зарегистрированных IceCube, поэтому были предложены различные модели их происхождения, см., напр., обзоры [1516]. Наиболее вероятно, что такие нейтрино рождаются в распадах, заряженных π± мезонов, появляющихся в адронных или фотоадронных процессах высоких энергий (см., например, [17]). Эти π± мезоны должны сопровождаться нейтральными π0 мезонами, распадающимися на два фотона. Таким образом, фотоны высоких энергий, если они не поглощаются, должны сопровождать нейтрино, зарегистрированные обсерваторией IceCube. Однако, на данный момент не было представлено достоверной информации о регистрации такого диффузного гамма-излучения.

Поэтому для задач гамма-астрономии в области энергий более 100 ТэВ, в том числе поиска диффузного гамма-излучения, необходимо создание ливневых установок, включающих мюонный детектор, необходимый для регистрации мюонной компоненты ШАЛ, с целью последующего разделения ливней, вызванных первичными адронами и фотонами. К классу таких установок относится “Ковер-3”, основной целью которого является поиск диффузного гамма-излучения с энергией более 100 ТэВ, оценка чувствительности к которому приведена в работе [7].

УСТАНОВКА “КОВЕР-3”

Планируется, что в 2021 году установка “Ковер-3” будет работать в расширенной конфигурации, показанной на рис. 1. В состав установки входит собственно “Ковер”, состоящий из 400 счетчиков на основе жидкого сцинтиллятора общей площадью 197 м2, пять выносных пунктов, состоящих из 18 счетчиков на основе жидкого сцинтиллятора, площадью 9 м2 каждый и тридцать девять пунктов регистрации, с детекторами на основе пластического сцинтиллятора, площадью 9 м2 каждый.

Рис. 1.

Схема установки “Ковер-3”. 1 – выносные пункты регистрации, 18 счетчиков на основе жидкого сцинтиллятора; прямоугольниками без подписи обозначены новые выносные пункты регистрации, 9 счетчиков на основе пластического сцинтиллятора.

Подземный мюонный детектор в настоящее время имеет площадь 410 м2 и состоит из двух параллельных туннелей, в каждом из которых находится по 205 сцинтилляционных счетчиков на основе пластического сцинтиллятора площадью 1 м2 каждый. Толщина грунта над мюонным детектором составляет 2.5 м, что соответствует пороговой энергии 1 ГэВ для вертикальных мюонов.

До введения в эксплуатацию всех пунктов регистрации, изображенных на рис. 1, для восстановления параметров и отбора кандидатов в гамма ливни используются алгоритмы и критерии, описанные в [7]. Новые алгоритмы обработки будут разработаны на основе Монте-Карло моделирования и тестового набора данных для полной конфигурации установки.

ПОИСК ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ГРАВИТАЦИОННО ВОЛНОВЫХ СОБЫТИЙ

В третьем наблюдательном периоде гравитационно-волновые антенны LIGO и Virgo зарегистрировали 56 кандидатов в гравитационно-волновые события [18]. Для дальнейшего анализа из них были отобраны 10 событий, в момент регистрации которых на установке “Ковер-3” шел набор информации, и для которых область локализации события находилась в поле зрения установки (в пределах зенитного угла θ = 40°). В качестве примера на рис. 2 приведены области локализации гравитационно-волнового события S191222n [19] и поле зрения установки “Ковер-3” (выделено светлым) в момент регистрации этого события. Поиск ливней от первичных гамма-квантов сверхвысокой энергии на установке проводился в пределах ±500 с относительно времени регистрации событий LIGO/Virgo [20]. Для отбора таких ливней использовались те же критерии, которые применялись ранее при поиске гамма-излучения сверхвысокой энергии от астрофизических источников в работах [810]. В пределах ±500 с относительно времени регистрации отобранных 10 событий LIGO/Virgo не было обнаружено ливней от первичных гамма-квантов сверхвысокой энергии.

Рис. 2.

Пример локализации гравитационно-волнового события на небесной сфере. Светлым выделено поле зрения установки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Запуск набора экспериментальных данных в полной конфигурации, указанной на рис. 1, состоится в 2021 г. Основными задачами работы установки будут являться поиск диффузного гамма-излучения с энергиями свыше 100 ТэВ, а также поиск новых и изучение существующих точечных источников. Проведен поиск фотонов сверхвысоких энергий от областей локализации кандидатов в гравитационно-волновые события, зарегистрированных LIGO/Virgo в третьем наблюдательном периоде. Ливней от первичных фотонов сверхвысокой энергии в совпадении с кандидатами в гравитационно-волновые события обнаружено не было.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 19-29-11027 и 20‑32-90213). Работа выполнена на уникальной научной установке Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп, Центр коллективного пользования Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН.

Список литературы

  1. Alexeenko V.V., Andreyev Yu.M., Chudakov A.E. et al. // AIP Conf. Proc. 1991. V. 220. P. 132.

  2. Alexeenko V.V., Andreyev Yu.M., Chudakov A.E. et al. // J. Phys. G. 1992. V. 18. P. 83.

  3. Sinha S., Acharya B.S., Bhat P.N. et al. // Proc. 21st ICRC (Adelaide, 1990). P. 366.

  4. Aglietta M., Alessandro B., Bandino G. et al. // EPL. 1991. V. 15. P. 81.

  5. Alexeenko V.V., Andreyev Yu.M., Chudakov A.E. et al. // Proc. 22nd ICRC. (Dublin, 1991). P. 289.

  6. Джаппуев Д.Д., Алексеенко В.В., Волченко В.И. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2007. Т. 71. С. 542; Dzhappuev D.D., Alekseenko V.V., Volchenko V.I. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2007. V. 71. P. 542.

  7. Петков В.Б., Джаппуев Д.Д., Лидванский А.С. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. С. 1038; Petkov V.B., Dzhappuev D.D., Lidvansky A.S. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. P. 941.

  8. Dzhappuev D.D., Dzaparova I.M., Gorbacheva E.A. et al. // JETP Lett. 2019. V. 109. P. 226.

  9. Dzhappuev D.D., Dzaparova I.M., Gorbacheva E.A. et al. // EPJ Web Conf. 2019. V. 207. Art. No. 03004.

  10. Dzhappuev D., Troitsky S., Zhezher Y. et al. // Proc. 36th ICRC. (Madison, 2019). Art. No. 808.

  11. Aartsen M., Abbasi R., Abdou Y. et al. // Science. 2013. V. 342. Art. No. 1242856.

  12. Aartsen M., Ackermann M., Adams J. et al. // Science. 2018. V. 361. No. 6398. Art. No. 147.

  13. Aartsen M., Ackermann M., Adams J. et al. // Science. 2018. V. 361. No. 6398. Art. No. eaat1378.

  14. Aartsen M., Ackermann M., Adams J. et al. // Phys. Rev. Lett. 2020. V. 124. Art. No. 051103.

  15. Ahlers M., Halzen F. // Prog. Part. Nucl. Phys. 2018. V. 102. P. 73.

  16. Palladino A., Spurio M., Vissani F. // Universe. 2020. V. 6. P. 30.

  17. Kalashev O., Troitsky S. // JETP Lett. 2015. V. 100. P. 761.

  18. https://gracedb.ligo.org/superevents/public/O3.

  19. https://gracedb.ligo.org/superevents/S191222n/view.

  20. Baret B., Bartos I., Bouhou B. et al. // Astropart. Phys. 2011. V. 35. P. 1.

Дополнительные материалы отсутствуют.