Измерения потоков протонов и ядер гелия первичных

Измерения потоков протонов и ядер гелия первичных космических лучей…
В.В. МИХАЙЛОВ1, С.В. БОРИСОВ1, С.А. ВОРОНОВ1, A.M. ГАЛЬПЕР1, Л.А. ГРИШАНЦЕВА1,
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
Московский инженерно-физический институт (государственный университет),
2
Физический институт академии наук им. П.Н. Лебедева, Москва
3
INFN, Structure of Naples and Physics Department of University of Naples, 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. А.Ф. 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, Florence, Italy
11
Physics Department of Siegen University, Siegen, Germany
12
INFN, Laboratori Nazionali di Frascati, Frascati, Italy
ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКОВ ПРОТОНОВ И ЯДЕР ГЕЛИЯ ПЕРВИЧНЫХ
КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ОТ 100 МЭВ ДО 100 ГЭВ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА
Эксперимент ПАМЕЛА проводится для изучения потоков космических лучей в широком энергетическом диапазоне
(протоны 0,08~700 ГэВ, электроны 0,05–400 ГэВ). Основная задача эксперимента состоит в поиске антивещества в первичных космических лучах – антипротонов, позитронов. Прибор установлен на спутнике «Ресурс-ДК1», запущенном 15
июня 2006 г. на эллиптическую орбиту 350–600 км с наклонением 70,4. Прибор состоит из кремниевого стрипового
спектрометра на основе постоянного магнита (0.4 Тл), время пролетной системы на основе сцинтилляционных детекторов, вольфрам-кремниевого калориметра, антисовпадательной системы, ливневого сцинтилляционного счетчика и
нейтронного детектора. В данной работе приводятся результаты измерений спектров протонов и ядер гелия первичных
космических лучей в диапазоне 0,1–100 ГэВ/нуклон. При низких энергиях поток протонов зависит от солнечной активности и изучение спектров дает возможность для изучения параметров солнечной модуляции в 2006–2008 гг.
Эксперимент ПАМЕЛА проводится на борту спутника «Ресурс-ДК1», запуск которого состоялся 15 июня 2006 г. Спутник был выведен на эллиптическую орбиту с высотой от 350 до 600 км,
наклонением 70,4. С 11 июля 2006 по настоящее время проводятся непрерывные измерения потоков частиц космических лучей. Основной задачей эксперимента является изучение потоков античастиц (антипротонов и позитронов) в космических лучах в широком состав прибора, позволяют с
высокой точностью проводить измерение энергии протонов и ядер гелия. В данной работе приводятся данные по энергетическим спектрам протонов и ядер гелия в первичных космических лучах,
полученные при измерениях в 2006–2007 гг.
Прибор ПАМЕЛА состоит из магнитного спектрометра на основе постоянного магнита ~ 0,4 Т,
окруженного антисовпадательными детекторами, позиционно-чувствительного калориметра, времяпролетной системы на основе сцинтилляционных счетчиков С1-С3, нижнего сцинтилляционного счетчика С4 и нейтронного детектора [1].
Спектрометр предназначен для определения знака заряда частиц и измерения их жесткости по
отклонению в магнитном поле. Он имеет шесть стриповых кремниевых плоскостей толщиной 300
мкм и площадью 13,116,1 см 2. Каждая плоскость состоит их двух слоев со взаимно перпендикулярными стрипами. Точность измерения координаты трека составляет ~ 3 мкм, что соответствует
максимальной детектируемой жесткости около 1 ТВ. Кроме того, в каждом слое спектрометра
проводится измерение ионизационных потерь частиц, что позволяет определить величину заряда
релятивистских вплоть до Z = 6.
Позиционно-чувствительный калориметр служит для разделения адронных и лептонных ливней и состоит из 22 перемежающихся слоев стриповых кремниевых детекторов и вольфрамовых
поглотителей. Толщина каждого слоя поглотителя 0,26 см, что соответствует 0.74 Хо (радиационной длины).
Измерения потоков протонов и ядер гелия первичных космических лучей…
dE/dx, отн.ед.
Времяпролетная система (ВПС) обладает разрешением 250–300 пс и дает возможность отделить низкоэнергичные протоны от позитронов вплоть до 1 ГэВ по скорости, а также позволяет
определить заряд частиц по ионизационным потерям в сцинтилляционных счетчиках.
Информация с детекторов считывается, обрабатывается бортовым процессором и записывается
в память объемом 2 ГБ для передачи на Землю. Ежедневно прибором регистрируется около 2–3
миллионов событий общим объемом около 20 ГБ.
Геометрический фактор прибора составляет 21,6 см2  ср, вес 470 кг, энергопотребление 355 Вт.
Подробное описание эксперимента, характеристик прибора и условий на орбите приведены в
работе [1].
Для анализа спектров протонов и ядер гелия были взяты события, имеющие одиночный трек в
магнитном спектрометре и ВПС, с временем пролета, соответствующим движению сверху вниз, и
энерговыделением в детекторах спектрометра и ВПС, соответствующему заряду Z = + 1 для протонов или Z = + 2 для ядер Не. Знак заряда частиц определялся по отклонению в магнитном поле.
d
e+
Не
е
р
Жесткость, ГВ
Рис. 1. Зависимость энерговыделения в детекторах спектрометра в относительных единицах от жесткости
частиц в ГВ для однотрековых событий. На рисунке видны области, соответствующие позитронам, протонам, дейтронам, Не. Линиями выделена область, использованная для построения спектров. Данные за январь
2007 г.
Для выделения протонов и ядер Не были использованы данные по среднему энерговыделению
в шести плоскостях спектрометра (рис. 1). При жесткостях менее 1 ГВ дополнительно использовался отбор по времени пролета частиц через прибор для удаления незначительного числа позитронов космических лучей и пионов, родившихся при взаимодействиях в самом приборе. Доля
позитронов, дейтонов и вторичных частиц не превышает 1 % от общего числа зарегистрированных
протонов.
Эффективность отбора протонов и ядер Не была оценена при моделировании прохождения частиц через прибор при помощи программы на основе пакета GEANT 3. В диапазоне энергий от 1
до 100 ГэВ эффективность практически постоянна и составляет 96 %. При низких энергиях
E < 0,5 ГэВ из-за дополнительного отбора по времени пролета она незначительно уменьшается.
При энергиях более 100 ГэВ также наблюдается небольшое снижение эффективности отбора из-за
увеличения числа частиц, дающих при взаимодействии в приборе события более чем с одним треком. При Е ~ 500 ГэВ она составляет ~ 92 %. В настоящее время оценки эффективности и светосилы прибора проведены с точностью около 10 %.
Для определения спектров протонов и ядер гелия первичных космических лучей для каждого
зарегистрированного события были найдены геомагнитные координаты, определена пороговая
жесткость геомагнитного обрезания R0 в месте регистрации. Для вычисления потоков первичных
Измерения потоков протонов и ядер гелия первичных космических лучей…
космических лучей были обработаны данные за период с июля 2006 г. по апрель 2007 г., полученные в полярных областях R0 < 1 ГВ.
Поток, (м2ссрМэВ)-1
й
р
Не
Энергия, ГэВ/нуклон
Рис. 2. Предварительные результаты измерения дифференциальных энергетических спектров протонов и
ядер гелия в полярной области R0 < 1 ГВ. Данные усреднены за период с 08.2006 до 04.2007 (исключая декабрь 2006 г.). На рисунке приведены только статистические ошибки
На рис. 2 показаны дифференциальные энергетические спектры протонов и ядер гелия, усредненные за 6 месяцев наблюдения с 08.2006 г. до 04.2007 г. Декабрь 2006 г. исключен из анализа
из-за регистрации частиц во время солнечных протонных событий, которые наблюдались в первой
половине месяца. При энергии выше 20 ГэВ спектры могут быть апроксимированы степенной
функцией с показателем 2,755 ± 0,005 для протонов и 2,72 ± 0,01 для ядер гелия (приведены только статистические ошибки).
Запуск спутника пришелся на конец 23 солнечного цикла, отличающегося своей необычно долгой продолжительностью. В период 2006–2008 гг. в эксперименте наблюдалось возрастание потока низкоэнергетичных галактических протонов (Е < 1 ГэВ), связанное с уменьшением солнечной
активности. По форме спектра при Е < 10 ГэВ может быть оценен параметр солнечной модуляции.
Аналитическое выражение, связывающее измеренный поток и поток на границе гелиосферы, дается следующей однопараметрической формулой [2]:
J ( Et , r )  J ( Et  Ф(t ), r  ) 
Et 2  M 2
,
( Et  Ф(t )) 2  M 2
где Et – полная энергия частицы, M – масса частицы, J (Et, r) – измеряемый поток космических лучей, J (Et + Ф, r → ∞) – межзвездный поток космических лучей, Ф = eZ  φ, φ – потенциал модуляции. Фитирование спектров протонов, построенных для каждого месяца наблюдений, дает значения потенциала, приведенные на рис. 3.
,ГэВ
Измерения потоков протонов и ядер гелия первичных космических лучей…
Дата измерения
Рис. 3. Изменение потенциала солнечной модуляции с июля 2006 г. по март 2008 г.
по данным эксперимента ПАМЕЛА
С июля 2006 г. по март 2008 г. этот параметр уменьшился с ~ 0,65 ГэВ до ~ 0,51 ГэВ, что свидетельствует об уменьшении солнечной активности в этот период.
Заключение
Использование набора прецизионных детекторов позволяет надежно выделять и регистрировать протоны и ядра Не от ~ 80 МэВ/нуклон до ~ 100 ГэВ/нуклон и выше. Накопленный к настоящему времени объем данных обеспечивает беспрецедентную статистическую точность измерений.
В данной работе приведены предварительные результаты измерений дифференциальных энергетических спектров протонов и ядер Не первичных космических лучей в 2006–2008 гг. Эксперимент ПАМЕЛА в настоящее время продолжается.
Авторы благодарят РФФИ (грант 07-02-000922а), Роскосмос, НЦОМЗ, ЦСКБ «Прогресс» за
поддержку и помощь в проведении эксперимента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. P. Picozza, A. Galper, G. Castellini et al. // Astroparticle Physics. 2007. V. 27. P. 296.
2. L. Gleeson , W. Axford // ApJ. 1968. V. 154. P. 1011.