Спектры электронов галактических космических лучей с

Спектры электронов галактических космических лучей...
В.В. МИХАЙЛОВ1, Л.А. ГРИШАНЦЕВА1, С.В. БОРИСОВ1, С.А. ВОРОНОВ1, A.M. ГАЛЬПЕР1,
И.А. ДАНИЛЬЧЕНКО1, В.Г. ЗВЕРЕВ1, А.В. КАРЕЛИН1, С.В. КОЛДАШОВ1, А.А. ЛЕОНОВ1,
А.Г. МАЙОРОВ1, В.В. МАЛАХОВ1, М.Ф. РУНЦО1, Ю.Т. ЮРКИН1, О. АДРИАНИ5, Г.А. БАЗИЛЕВСКАЯ2,
ДЖ. БАРБАРИНО3, Р. БЕЛОТТИ4, Э.А. БОГОМОЛОВ6, М. БОЕЦИО7, В. БОНВИЧИНИ7, М. БОНДЖИ5,
Л. БОНЕКИ5, С. БОТТАИ5, А. БРУНО4, А. ВАККИ7, Е. ВАНУЧЧИНИ5, Г.В. BАСИЛЬЕВ6, ДЖ. ЗАМПА7,
Н. ЗАМПА7, М. КАЗОЛИНО8, Д. КАМПАНА3 , П. КАРЛСОН9, ДЖ. КАСТЕЛЛИНИ10, Ф. КАФАНЬЯ4,
А.Н. КВАШНИН2, В. МАЛЬВЕЦЦИ8, Л. МАРЧЕЛЛИ8, В. МЕНН11, Э. МОКЬЮТТИ7, ДЖ. ОСТЕРИЯ3,
П. ПАПИНИ5, М.П. ДЕ ПАСКАЛЕ8, П. ПИКОЦЦА8, М. ПИРС9, М. РИЧЧИ12, С. РИЧЧИАРИНИ5,
М. СИМОН11, Н. ДЕ СИМОНЕ8, Р. СПАРВОЛИ8, П. СПИЛАНТИНИ5, Ю.И. СТОЖКОВ2, В. ДИ ФЕЛИЧЕ8,
Д. ФЕДЕЛЕ5
1
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
2
Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН
3
INFN, Structure of Naples and Physics Department of University of Naples Federico II", Naples, Italy
4
INFN, Structure of Bari and Physics Department of University of Bari, Bari, Italy
5
INFN, Structure of Florence and Physics Department of University of Florence, Florence, Italy
6
Физико-технический институт им.Иоффе, С.-Петербург
7
INFN, Structure of Trieste, Trieste, Italy
8
INFN, Structure of Rome Tor Vergata ,Rome, Italy
9
KTH, Department of Physics, Stockholm, Sweden
10
IFAC,50019 Sesto Fiorentino, Florence, Italy
11
Physics Department of Universitat Siegen, Siegen, Germany
12
INFN, Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
СПЕКТРЫ ЭЛЕКТРОНОВ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
С ЭНЕРГИЕЙ ДО 100 ГЭВ ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТА «ПАМЕЛА»
Эксперимент «ПАМЕЛА» проводится на борту российского спутника «Ресурс ДК1», запущенного 15 июня
2006 г. на околоземную околополярную орбиту. Прибор, в состав которого входят магнитный спектрометр и
электромагнитный калориметр (16Хо), позволяет проводить измерения потоков электронов и позитронов в космических
лучах в широком интервале энергий от ~100 МэВ до сотен ГэВ. В данной работе приводятся данные по спектру
электронов и позитронов в первичных космических лучах, полученные с июля 2006 по декабрь 2008 гг.
Электроны и позитроны в первичных космических лучах менее изучены, чем адронная
компонента. Это связано с тем, что электроны составляют не более 1 % от общего потока
космических лучей. Полагают, что высокоэнергетичные электроны образуются в ускорительных
процесса в окрестности сверхновых или пульсарах. Электроны и позитроны образуются также при
взаимодействии космических лучей с межзвездной средой. Недавние измерения электронпозитронного отношения в эксперименте «ПАМЕЛА» [1] показали, что оно увеличивается с
ростом энергии, начиная с 10 ГэВ. Это противоречит «стандартной» диффузионной модели
распространения космических лучей [2]. Модель предполагает, что все позитроны являются
вторичными, т.е. происходят только от взаимодействия космических лучей с межзвездным
веществом. Так как спектр космических лучей в межзвездном пространстве мягче, чем в
источниках, спектр вторичных позитронов будет мягче спектра электронов и доля позитронов
должна убывать с ростом энергии.
В 2008–2009 гг. появились новые измерения спектров суммарного электрон-позитронного
потока в экспериментах ATIC и Fermi. Полученный спектр может быть приближенно фитирован
степенной функцией Е–3 вплоть до энергии ~1 ТэВ. Суммарный поток также несколько выше
предсказаний стандартной модели, что указывает на существование дополнительного источника
электронов и позитронов [3, 4]. Это могут быть пульсары, взаимодействия протонов в окрестности
сверхновых с рождением позитронов и последующим их ускорением в первичных источниках и,
наконец, аннигиляция гипотетических частиц темной материи. Для выяснения природы этого
избытка важно знать форму спектров электронов и позитронов раздельно.
Эксперимент «ПАМЕЛА» проводится на борту спутника «Ресурс ДК1», запуск которого
состоялся 15 июня 2006 г. Спутник был запущен на эллиптическую орбиту (высота 350–600 км,
наклонение 70,4). С 11 июля 2006 г. по настоящее время проводятся непрерывные измерения
потоков частиц космических лучей. Продолжительные измерения на спутнике обеспечивают
высокую статистическую точность результатов и в отличие от баллонных экспериментов не
требуют введения поправок на взаимодействия в верхних слоях атмосферы, что позволяет
надеяться на получение более надежных результатов.
Спектры электронов галактических космических лучей...
Прибор «ПАМЕЛА» состоит из магнитного спектрометра на основе постоянного магнита
~0,4 Т, окруженного детекторами антисовпадений, позиционно-чувствительного калориметра,
время-пролетной системы на основе трех сцинтилляционных детекторов, нижнего сцинтилляционного ливневого счетчика, а также нейтронного детектора.
Спектрометр предназначен для определения знака заряда частиц и их жесткости по
отклонению в магнитном поле. Спектрометр имеет 6 стриповых кремниевых плоскостей
толщиной 300 мкм и площадью 13,116,1 мм2. Каждая плоскость состоит их двух слоев со
взаимно перпендикулярными стрипами, что позволяет определить координаты трека с точностью
до 3 мкм. Кроме того, измерение ионизационных потерь частиц в каждом слое спектрометра
позволяет определить величину заряда релятивистских частиц вплоть до Z = 6.
Позиционно-чувствительный калориметр состоит из 22 перемежающихся слоев стрипового
кремниевого детектора и вольфрамового поглотителя. Толщина каждого слоя поглотителя 0,26 см,
что соответствует 0,74 Хо (радиационной длины). Детекторы состоят из двух пластин, стрипы
которых расположены взаимно перпендикулярно, позволяя определять Х и Y координаты треков
частиц. Каждый детектор имеет 96 стрипов шириной 2,4 мм. Электромагнитный калориметр
позволяет проводить разделение электромагнитных и адронных каскадов. Кроме того, калориметр
дает возможность определить энергию электронов и позитронов с точностью ~10 % вплоть до
сотен ГэВ.
Время-пролетная система обладает разрешением около 300 пс и дает возможность отделить
низкоэнергичные протоны от позитронов вплоть до 0,8–1 ГэВ.
Геометрический фактор прибора составляет 21,6 см2  ср. Подробное описание эксперимента,
характеристик прибора и условий на орбите приведено в работе [5].
Для анализа были отобраны события, имеющие одиночный трек в магнитном спектрометре,
время пролета, соответствующее движению в прямом направлении, и энерговыделение в
детекторах, соответствующее заряду |Z| = 1. Знак заряда частиц и жесткость определялись по
отклонению в магнитном поле. При энергии менее 100 ГэВ практически все события с
отрицательной жесткостью являются электронами. Небольшой фон антипротонов (и рассеянных
протонов с неправильно определенным знаком заряда) отсекается, если рассмотреть суммарное
энерговыделение в калориметре Qtot и отношение F суммарного энерговыделения к
энерговыделению вдоль оси ливня. Большая часть антипротонов проходит калориметр без
взаимодействия, и имеют с малое значение Qtot. Те же, что взаимодействуют внутри калориметра,
дают адронные ливни с малым значением F.
Для выделения позитронов на фоне протонов были использованы различия в
характеристиках адронных и электромагнитных ливней в калориметре, такие как начальная точка
развития, продольный и широтный профили ливня, максимальная энергия, выделившаяся в
стрипе, а также показания нейтронного детектора. Применение перечисленного набора критериев
приводит к надежному выделению позитронов первичных космических лучей на фоне протонов
вплоть до 100 ГэВ [1]. Позитронные критерии отбора позволяют также свести к нулю вклад
спилловера протонов в поток электронов вплоть до энергий ~300 ГэВ.
Эффективность отбора частиц была оценена при моделировании прохождения частиц через
прибор при помощи программы на основе пакета GEANT 3.
В данной работе для определения зарядового отношения в электрон-позитронных потоках в
космическом пространстве были обработаны экспериментальные данные, полученные с июля
2006 г. по декабрь 2008 г. Для анализа были отобраны события с жесткостью, превышающей
порог геомагнитного обрезания в 1,5 раза.
На рис. 1 показано полученное в эксперименте отношение потоков позитронов и суммы
электронов и позитронов зависимости от энергии Е. Для сравнения показаны ранее
опубликованные данные эксперимента за 2006–2007 гг. [1]. Дополнительный объем данных
позволил увеличить статистическую обеспеченность результатов и продлить измерения
отношения вплоть до 200 ГэВ. Как уже отмечалось, при больших энергиях (E > 7 ГэВ)
наблюдается значительный рост доли позитронов, который не может быть объяснен в рамках
стандартной диффузионной модели.
Спектры электронов галактических космических лучей...
Рис. 1. Наблюдаемое отношение плотностей позитронов и суммы электронов и позитронов
около Земли по данным эксперимента «ПАМЕЛА»
Спектр первичных суммарного потока электронов и позитронов I, умноженный на E3 ,
показан на рис. 2 в сравнении с данными других авторов [3, 4]. Раздельные спектры электронов и
позитронов приведены на рис. 3. Спектр электронов может быть фитирован степенной функцией с
показателем –3,25 в интервале энергий от 10 до 60 ГэВ. Спектральный индекс позитронов в этом
интервале ~ –2,8÷–2,9.
Рис. 2. Дифференциальный энергетический спектр электрон-позитронной компоненты космических лучей
в окрестности Земли по данным эксперимента «ПАМЕЛА» в сравнении с другими измерениями
Спектры электронов галактических космических лучей...
Рис. 3. Дифференциальный энергетический спектр электронной и позитронной компонент космических
лучей в окрестности Земли: 1 – позитроны, 2 – электроны, 3 – сумма частиц
Итак, использование набора прецизионных детекторов позволяет надежно выделять и
регистрировать электроны и позитроны вплоть до энергий ~100 ГэВ и выше. В данной работе
приведены предварительные результаты измерений дифференциальных энергетических спектров
электронов и позитронов первичных космических лучей в 2006–2008 гг. В настоящее время
эксперимент «ПАМЕЛА» продолжается и это позволяет надеяться на то, что позитронный и
электронный спектры будут измерены вплоть до энергий ~300 ГэВ.
Авторы благодарят РФФИ (грант 07-02-000922а), Роскосмос, НЦ ОМЗ, ГНПРКЦ «ЦСКБПрогресс» за поддержку и помощь в проведении эксперимента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A. et al. // Nature. 2009. V. 458. P. 607.
2. Березинский В.С., Буланов С.В., Гинзбург В.Л. и др. Астрофизика космических лучей. / Под ред.
В.Л. Гинзбурга. М.: Наука, 1990.
3. Abdo A.A., Ackermann M., Arimoto M. et al. // Phys. Rev. Lett. 2009. V.102. P. 181101.
4. Chang J., Adams J.H., Ahn H.S. et al. // Nature. 2008. V. 456. P. 362.
5. Picozza P., Galper A., Castellini G. et al. // Astropart. Phys. 2007. V. 27. P. 296.