1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Серия физическая
  4. T. 85, № 9, 2021

Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 9, стр. 1347-1350

Сравнение долговременных изменений потока космических лучей по данным сети наземных детекторов, PAMELA и AMS-02

А. В. Белов 1, Р. Т. Гущина 1, Н. С. Шлык 1, В. Г. Янке 1, *

1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова Российской академии наук
Москва, Россия

* E-mail: yanke@izmiran.ru

Поступила в редакцию 25.03.2021
После доработки 22.04.2021
Принята к публикации 28.05.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены результаты сравнения долговременных изменений потока космических лучей, полученных по данным сети наземных детекторов, с прямыми измерениями потоков на магнитных спектрометрах PAMELA, AMS-02 и в стратосферных зондированиях.

ВВЕДЕНИЕ

Галактические космические лучи (КЛ) вплоть до жесткостей >100 ГВ постоянно модулируются солнечным ветром. Эта модуляция давно наблюдается наземными детекторами (мюонными телескопами и нейтронными мониторами). Чтобы получить изменения первичных галактических КЛ, решается обратная задача восстановления характеристик вариаций КЛ за пределами магнитосферы. Такую задачу решает глобально спектрографический метод (GSM) [1–3].

В последние десятилетия проводятся и прямые измерения потоков частиц больших жесткостей (десятки ГВ) на космических аппаратах около Земли.

Цель настоящей работы является сравнение результатов наземных измерений, обработанных методом GSM, с прямыми измерениями потока космических лучей на космических аппаратах. Такая возможность появилась с запуском магнитных спектрометров PAMELA и AMS-02, измеряющих потоки частиц в широком диапазоне жесткостей.

Работ, в которых проводились сравнения прямых и косвенных измерений выполнено много [4–10], но конечной их целью являлась реконструкция в рамках приближения силового поля потенциала модуляции.

НАЗЕМНЫЙ МОНИТОРИНГ И МЕТОД GSM

Земля представляет собой гигантский естественный магнитный спектрометр, разделяющий первичные заряженные частицы по жесткости до 59 ГВ, так что регистрация космических лучей на различных широтах и различных глубинах в атмосфере дает существенно отличающиеся результаты.

Непосредственно измерению подлежат скорости счета N детекторов. Измеренные вариации в приближении нулевой гармоники связаны с отражающим межпланетные процессы спектром первичных вариаций ${{{{\delta }}J} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\delta }}J} {J\left( R \right)}}} \right. \kern-0em} {J\left( R \right)}}$ системой интегральных уравнений Фредгольма I рода:

(1)
${{\nu }^{i}} = {{\left. {{{{{\delta }}N} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\delta }}N} N}} \right. \kern-0em} N}} \right|}_{{R_{C}^{i}}}} = \int\limits_{R_{C}^{i}}^\infty {W\left( {R_{C}^{i},h_{0}^{i},R} \right)} {{{{\delta }}J} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\delta }}J} {JdR}}} \right. \kern-0em} {JdR}},$
где в качестве ядра уравнения выступает функция связи ${{W}^{i}}\left( {R_{C}^{i},h_{0}^{i},R} \right)$ первичных и вторичных вариаций, регистрируемых детектором i(1, .., m), расположенного в пункте с жесткостью геомагнитного обрезания $R_{C}^{i}$ на глубине в атмосфере $h_{0}^{i},$ а в качестве неизвестной функции ${{{{\delta }}J} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\delta }}J} {J\left( R \right)}}} \right. \kern-0em} {J\left( R \right)}}$ – спектр вариаций. Важным обстоятельством является то, что искомое решение можно найти в виде аналитической функции спектра вариаций и ${{{{\delta }}J} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\delta }}J} J}} \right. \kern-0em} J}$ c некоторым числом параметров, что увеличивает устойчивость найденного решения. Для спектра вариаций часто используется параметрическое представление в виде [11]:
(2)
${{{{\delta }}J} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\delta }}J} J}} \right. \kern-0em} J} = {{a}_{1}}{{({{R}_{0}} + R)}^{{ - {{\gamma }}}}}\,\,\,\,{\text{при}}\,\,\,\,R \leqslant {{R}_{u}},$
где ${{R}_{u}}$ – верхняя граничная жесткость области модуляции. В результате выполненных расчетов за период мониторинга космических лучей получены амплитуда и параметры спектра вариаций плотности КЛ с жесткостью 10 ГВ, близкой к эффективной жесткости частиц, регистрируемых нейтронными мониторами.

ДАННЫЕ МАГНИТНЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ PAMELA И AMS-02

Прямые измерения галактических космических лучей в интересующем нас диапазоне жесткостей около 10 ГВ, проводились с помощью магнитных спектрометров на космических аппаратах PAMELA [12–15] и AMS-02 [16, 17].

Геометрический фактор магнитного спектрометра PAMELA 21.5 см2 ∙ ср [15], спектрометра AMS-02 ~0.5 м2 ∙ ср [18]. Соответственно статистические ошибки данных спектрометра PAMELA составляют ~4% (после 2010 г. ~8%), спектрометра AMS-02 – 1.5% для жесткости ~10 ГВ для всего периода мониторинга. Цифровые данные детекторов доступны в базе данных [19] и описаны в работе [20].

МЕТОД АНАЛИЗА

Для сравнения потоков PAMELA и AMS-02 необходимо сформировать данные PAMELA и AMS-02 для жесткости 10 ГВ, для которой имеются ряд данных наземных измерений, обработанных методом GSM. Экспериментально поток протонов определялся в некотором интервале жесткостей, и оценка средней жесткости частиц проводилась в соответствии с работой [21].

Поскольку результатом GSM-анализа является спектр вариаций v космических лучей при ~10 ГВ, то необходимо провести прямую калибровку и привязку данных такого многонаправленного наземного детектора к реальным спектрам частиц. Процедура калибровки следующая. Вариации относительно базового периода (поток JB) в этот период, по определению, равны

(3)
$\nu = {{\left( {J - {{J}_{B}}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {J - {{J}_{B}}} \right)} {{{J}_{B}}}}} \right. \kern-0em} {{{J}_{B}}}},$

откуда для калибровки мы получаем:

(4)
$J = {{J}_{B}}\left( {\nu + 1} \right).$

Калибровка проводилась относительно базового периода 2009 года по данным магнитного спектрометра PAMELA, для которого JB = = 26.94 протон/(м2 ∙ ср · ГВ) для жесткости 10 ГВ.

СРАВНЕНИЕ ДАННЫХ PAMELA И AMS-02 С ДАННЫМИ GSM

За весь период работы проведено сравнение данных магнитных спектрометров PAMELA и AMS-02, пересчитанные к 10 ГВ, с калиброванными данными GSM в единицах потока (левая шкала) и их вариаций (правая шкала) (см. рис. 1). Вариации вычислены относительно базового периода 2009 г. по данным PAMELA. Следует отметить очень хорошее согласие данных AMS-02 и GSM за весь представленный период. Согласие данных PAMELA и GSM удовлетворительное. Исключение составляет период с 13 января 2010 по январь 2014 г., когда наблюдаются очень большие вариации для данных PAMELA и общий сдвиг относительно данных GSM и AMS-02. Чтобы согласовать данные PAMELA с данными AMS-02 и GSM за этот период, мы ввели эффективность детектора PAMELA ε = 1.049 для ~10 ГВ, т.е. на 4.9% поток завышен, что уже учтено на рис. 2. Эта проблема обсуждалась и авторами проекта PAMELA [22], AMS-02 было обнаружено, что высокоэнергетическая часть результирующего спектра имеет систематическую временную зависимость, выходящая за рамки статистической неопределенности, и потоки отклонялись от нескольких до 8 процентов в зависимости от энергии.

Рис. 1.

Сравнение данных спектрометров PAMELA и AMS-02с данными GSM. Горизонтальный отрезок – базовый период 2009 г. Данные PAMELA приведены без коррекции на эффективность ε = 1.049 с 2010 г.

Рис. 2.

Временные изменения потока протонов галактических космических лучей на 1 а. е. по данным наземной сети детекторов и сравнение с прямыми измерениями. Приведены также потоки AMS-01 и данные баллонного стратосферного зондирования согласно с каталогом [24 ] , в частности, данные запусков MASS (1989, 1991), IMAX (1992), серии BESS (1997, 1998, 1999, 2000, 2002) и BESS Polar (2004, 2007-08).

Важно отметить, что вариации данных магнитометров PAMELA и AMS-02 вычислялись относительно базового периода 2009 г. по базовому значению PAMELA (горизонтальный отрезок на рис. 1). Поэтому согласие вариаций PAMELA, AMS-02 и GSM свидетельствует о правильной калибровке GSM и об отсутствии дрейфа данных магнитных спектрометров PAMELA и AMS-02. Но вариации на среднемесячном масштабе (особенно в максимуме) по данным AMS-02 в полтора раза превышаю вариации, полученные в результате GSM анализа. Причину предстоит еще выяснить.

На рис. 2 приведены временные изменения потока протонов на 1AU по данным наземной сети нейтронных мониторов. Проведено также сравнение с прямыми измерениями с помощью магнитных спектрометров PAMELA и AMS-02 и некоторыми данными баллонного стратосферного зондирования из каталога [23], в частности, данные запусков MASS (1989, 1991), IMAX (1992), серии BESS (1997, 1998, 1999, 2000, 2002) и BESS Polar (2004, 2007-08).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Благодаря своим уникальным возможностям магнитный спектрометр PAMELA позволил провести калибровку спектра вариаций космических лучей, найденного в результате GSM анализа. Прямые измерения потока частиц в экспериментах PAMELA и AMS-02, также как данные серии баллонных зондирований, позволили провести сравнение с долговременными изменениями потока космических лучей по данным сети наземных детекторов, которое показало хорошее согласие и отсутствие признаков аппаратурного дрейфа.

Исключение составляют потоки PAMELA с 2010 г., для которых необходимо было ввести эффективность ε = 1.049 для ~10 ГВ. Эта проблема обсуждалась также авторами проекта PAMELA [22].

Проведена оценка потока КЛ со среднемесячным разрешением за пределами магнитосферы за весь период мониторинга космических лучей, полученная методом GSM. Космическая радиация является существенным препятствием для пилотируемых полетов, и точные измерения космического излучения необходимы для планирования соответствующих мер защиты.

Работа выполнена с использованием оборудования УНУ “Сеть СКЛ”.

Список литературы

  1. Крымский Г.Ф., Алтухов А.М., Кузьмин А.И. и др. // Геомагн. и аэроном. 1966. Т. 6. № 6. С. 991.

  2. Nagashima K. // RISRJ. 1971. V. 25. No. 3. P. 189.

  3. Belov A.V., Dorman L.I. and Yanke V.G. // Proc. 18‑th ICRC. V. 10. (Bangalore, 1983). P. 144.

  4. Alanko K., Usoskin I.G., Mursula K., Kovaltsov G.A. // Adv. Space Res. 2003. V. 32. No. 4. P. 615.

  5. Usoskin I.G., Alanko-Huotari K., Kovaltsov G.A., Mursula K. // JGR Space Phys. 2005. V. 110. Art. No. A12108.

  6. Usoskin I.G., Gil A., Kovaltsov G.A. et al. // JGR Space Phys. 2017. V. 122. Art. No. 3875.

  7. Usoskin I.G., Bazilevskaya G.A., Kovaltsov G.A. // JGR Space Phys. 2011. V. 116. Art. No. A02104.

  8. Koldobskiy S.A., Kovaltsov G.A., Usoskin I.G. // J. Geophys. Res. 2018. V. 123. Art. No. 4479.

  9. Koldobskiy S.A., Bindi V., Corti C. et al. // Proc. ICRC 2019. (Madison, 2019). Art. No. 1094.

  10. Koldobskiy S.A., Bindi V., Corti C. et al. // J. Geophys. Res. 2019. V. 124. Art. No. 2367.

  11. Белов А.В., Гущина Р.Т., Янке В.Г. // Геомагн. и аэроном. 1998. Т. 2. № 4. С. 131; Belov A.V., Gushchina R.T., Yanke V.G. // Geomagn. Aeronom. 1998. V. 38. No. 4. P. 131.

  12. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A. et al. // Astropart. J. Lett. 2011. V. 742. P. 102.

  13. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A. et al. // Astropart. J. Lett. 2013. V. 765. No. 2. Art. No. 91.

  14. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A. et al. // Phys. Rep. 2014. V. 544. No. 4. Art. No. 323.

  15. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A. et al. // Riv. Nuovo Cimento 2017. V. 40. P. 473.

  16. Aguilar M., Aisa D., Alpat B. et al. // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. Art. No. 171103.

  17. Aguilar M. et al. // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 121. Art. No. 051101.

  18. Ting S. // Nucl. Phys. B. Proc. Suppl. 2013. V. 243–244. Art. No. 12.

  19. https://tools.ssdc.asi.it/CosmicRays/chargedCosmicRays.jsp.

  20. https://pos.sissa.it/301/1073/pdf.

  21. Lafferty G.D., Wyatt T.R. // Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A. 1995. V. 355. P. 541.

  22. Martucci M. et al. // Astropart. J. Lett. 2018. V. 854. Art. No. L2.

  23. https://stratocat.com.ar/globos/indexe.html.

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