Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 538-540

ВВЕДЕНИЕ

В рамках международного высокогорного эксперимента LHAASO [1] на тибетском плато (пров. Сычуань, КНР) на высоте 4410 м создается установка нового типа (ENDA или electron-neutron detector array) для изучения спектра космических лучей и их химического состава при энергии выше 1 ПэВ. Установка будет состоять из 400 электронно-нейтронных детекторов (эн-детекторов), расположенных на поверхности земли в виде треугольной 60-градусной сетки с шагом 5 м. Разработанные в ИЯИ РАН эн-детекторы могут регистрировать две основные компоненты широкого атмосферного ливня (ШАЛ): электронную и адронную (через тепловые нейтроны) по всей площади установки, составляющей в окончательном варианте 10 000 м². Такого типа установки (проект PRISMA), предложенные в 2009 г. [2], пока работают лишь в виде прототипов и только с нашим участием.

ПАРАМЕТРЫ И ВОЗМОЖНОСТИ УСТАНОВКИ

Установка ENDA [3] в настоящий момент состоит из одного работающего кластера, состоящего из 16 нейтронных эн-детекторов (см. рис. 1). В детекторе используется сцинтилляционный компаунд из ZnS(Ag) и соединения необогащенного бора. Площадь сцинтиллятора 0.35 м², а толщина 50 мг/см², что обеспечивает эффективность регистрации тепловых нейтронов на уровне 20%. Порог для регистрации заряженных релятивистских частиц (mip) составляет около 6 частиц. Кластер имеет независимое питание и систему регистрации в виде 32-канального, 14-битного флэш-АЦП, оцифровывающего все импульсы с последнего и промежуточного 5-го динода ФЭУ после предварительного усиления зарядочувствительными предусилителями с интегрированием с постоянной 1 мкс. Данные разных кластеров синхронизированы с точностью 20 нс и будут “сшиваться” при обработке как между собой, так и с другими установками LHAASO [1]. Эта работа уже ведется и первые совместные с детекторами LHAASO события были продемонстрированы в докладе на конференции. Таким образом, точные параметры регистрируемых ШАЛ будут, при необходимости, определяться детекторами LHAASO, а кластерная система эн-детекторов позволит наращивать их количество, не прерывая набора данных. В ближайшее время планируется расширение установи до 4 кластеров, детекторы для которых уже готовы. Дальнейшее расширение установки будет зависеть от объема финансирования и от готовности инфраструктуры.

Рис. 1.

Конструкция эн-детектора установки ENDA. 1 – высоковольтный разъем; 2 – предусилитель 8‑го динода; 3 – предусилитель 5-го динода; 4 – полиэтиленовый корпус (бак для воды); 5 – крепеж ФЭУ; 6 – ФЭУ (CR-165); 7 – светособирающий конус; 8 – сцинтилляционный диск ∅70 см.

Математическое моделирование будущего эксперимента проводилось в течение нескольких последних лет. При этом расчеты проводились в три этапа: программа CORSIKA использовалась для моделирования ШАЛ, GEANT – для моделирования отклика эн-детекторов на частицы ШАЛ и затем полученные фитирующие функции использовались при моделировании отклика установки ENDA-64 на ШАЛ. В качестве примера на рис. 2 приведены результаты моделирования с целью определения пороговых энергий для первичных частиц различных масс. При этом отдельно строились спектры всех ливней и ливней с числом зарегистрированных нейтронов 3 и более. Как видно из рисунка, пороговые энергии для ливней с нейтронами лежат в районе Е = 1 ПэВ для протонов и около 2 ПэВ для кремния, тогда как для всех ливней (без отбора по нейтронам) порог расположен в районе Е = 100–200 ТэВ, т.е. на порядок величины ниже. Это объясняется тем, что при энергиях 0.1–1 ПэВ даже на такой высоте адронов еще мало и массовое рождение вторичных нейтронов начинается при более высоких энергиях. Причем с ростом энергии выше 100 ТэВ на частицу сначала начинают доходить адроны в протонных ливнях, затем в ливнях от гелия и т.д. поскольку, в соответствии с принципом суперпозиции, тут важна энергия на нуклон. Таким образом, ПэВ-ная область энергий является переходной от бесствольных к нормальным ливням. Только когда ливни от ядер железа становятся нормальными, тогда достигается равновесие для всех ливней (выше 10 ПэВ) и метод ШАЛ начинает работать корректно. Это обстоятельство играет огромную роль в феноменологии ШАЛ и приводит, по нашему мнению, к систематическим ошибкам при восстановлении первичного спектра из спектра мощностей ШАЛ в ПэВ-ной области, т.к. безадронные (бесствольные ливни) имеют не стандартную форму из-за нарушенного равновесия между основной адронной и прочими компонентами ШАЛ [4]. Именно поэтому полноценное измерение адронной компоненты ШАЛ является обязательным, поскольку только каскадирующие адроны определяют свойства наблюдаемых ливней, а их отсутствие свидетельствует о том, что ливень бесствольный и его надо анализировать не так, как стандартный ливень.

Рис. 2.

Полученные при моделировании установки ENDA-64 спектры регистрируемых ливней от первичных протонов и ядер кремния.

Возможность регистрации двух компонент ливня одними и теми же детекторами позволила нам разработать новый метод определения химсостава космических лучей при энергиях выше 1 ПэВ, используя отношение числа нейтронов к электронам n/e [5]. Применение для этого методов машинного обучения, а также использование для анализа всех компонент ШАЛ, позволит нам получить хорошую точность в восстановлении массового состава космических лучей [6] и их энергетического спектра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Высокогорная установка ENDA начинает работу по изучению спектра и массового состава космических лучей в области энергия 1–100 ПэВ. На территории эксперимента LHAASO, на высоте 4410 м развернут первый кластер из 16 эн-детекторов. Идет отладка онлайн программы, решаются проблемы синхронизации с детекторами LHAASO, проводится детальное математическое моделирование эксперимента. В ближайшие 1–2 года ожидается расширение установки до 4 кластеров, тогда же начнется штатный набор экспериментальных данных, а при наличии достаточного финансирования, установка будет в дальнейшем расширена до 25 кластеров (400 эн-детекторов). Результаты моделирования и разработанный нами новый метод изучения химического состава космических лучей при энергиях выше 1 ПэВ позволяют надеяться на скорое решение этой важнейшей проблемы и связанной с ней проблемы наблюдаемого “излома” в спектре космических лучей в ПэВ-ной области энергий.

Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проект № 18-02-00339) и Программы Президиума РАН “Физика фундаментальных взаимодействий и ядерные технологии”, а также при поддержке программами International Partnership Program of Chinese Academy of Sciences (grant no. 113111KYSB20170055) и National Natural Science Foundation (NSFC) (grant nos. U2031103, 11963004, 11873005, U1831129, 11905043).