2 Исследование анизотропии и вариаций космических лучей

2 Исследование анизотропии и вариаций космических лучей 1011 – 1020 эВ
2.1 Исследований вариаций космических лучей во время гроз
На установке «Ковёр» Баксанской Нейтринной обсерватории экспериментально
изучаются вариации разных компонент космических лучей во время гроз и их корреляции с
величиной
приземного
электрического
поля
атмосферы
и
накоплен
большой
экспериментальный материал. За отчётный период достигнут большой прогресс в
интерпретации этих данных. Ранее было показано, что как мягкая компонента (электроны,
позитроны и гамма-кванты) так и жесткая (мюоны) в среднем обнаруживают как линейный,
так и квадратичный эффект а зависимости интенсивности от поля, причем линейные
коэффициенты для обеих компонент отрицательны, а квадратичные имеют разные знаки
(положительный для мягкой компоненты и отрицательный для жесткой). Кроме этих
средних
зависимостей
в
эксперименте
наблюдались
яркие
события
возмущений
интенсивности (возрастания для мягкой компоненты и понижения для жесткой), не
коррелирующие с приземным полем. Теоретический анализ экспериментальных данных
позволил построить для возрастаний мягкой компоненты модель генерации элементарных
частиц
грозовыми
облаками,
в
которой
ускорение
сильным
полем
частиц
с
противоположными зарядами (электронов и позитронов) в сильно рассеивающей среде
приводит к появлению положительной обратной связи и экспоненциальному росту
интенсивности в ограниченном объёме.
Новыми результатами являются следующие.
1. В результате анализа эволюции стандартного спектра убегающих электронов в
отчётный период получены высоты генерации гамма-квантов в экспериментально
зарегистрированных событиях. Показано, что в большом проценте случаев высоты эти лежат
высоко в стратосфере.
2. В то же время, на основании теоретически рассчитанных коэффициентов регрессии
мюонов с полем и сравнения с экспериментальными данными получена связь амплитуды
вариации интенсивности мюонов с разностью потенциалов между уровнем их генерации и
уровнем наблюдения. Показано, что с большой вероятностью в промежутке между
ионосферой и верхом грозового облака возникает поле, превышающее критическое для
генерации убегающих электронов. Это привело к новому взгляду на события подобные
приведённому на Рис. 1, в которых значительные вариации наблюдаются одновременно в
мягкой компоненте космических лучей и в интенсивности мюонов.
27
Рисунок 1 - Грозовое событие 18.07.2008. Интервал усреднения 30 с. Сверху вниз
показаны: 1) напряженность приземного электрического поля, 2) вариации интенсивности
мягкой компоненты космических лучей в интервале 10-30 МэВ, 3) вариации интенсивности
мюонов с порогом по энергии 100 МэВ, 4) вариации интенсивности мягкой компоненты
космических лучей с энергией более 30 МэВ.
Нижний график на Рис. 1 приведен как свидетельство того, что весь эффект
возрастания мягкой компоненты сосредоточен при энергиях ниже 30 МэВ.
3. Результаты, сформулированные в пп. 1 и 2 позволили выдвинуть гипотезу о
существовании процесса медленного разряда на убегающих электронах с вершины грозового
облака на ионосферу, который приводит к наблюдаемым эффектам одновременно в потоке
гамма-квантов и мюонов. Подтверждением этой гипотезы является наличие магнитных
пульсаций совпадающих по времени с указанными событиями.
Геомагнитные пульсации, подобные показанным на Рис. 2 возникают из-за мощных
токов вследствие большой ионизации убегающими электронами в описанном процессе над
28
областью грозы. Т.к. геомагнитные пульсации не наблюдаются в z-компоненте поля, это
свидетельствует об их генерации вертикальными токами, что также подтверждает
изложенный сценарий событий.
Рисунок 2 - То же событие, что и на Рис. 1. Дополнительно показаны вариации
электрического тока дождя и h–компоненты геомагнитного поля. Последние измерены
глубоко под землей на расстоянии 4 км от установки регистрирующей космические лучи.
29
2.2 Исследование суточной волны электрического поля «хорошей погоды»
Как известно, над плоской поверхностью суши или океана электрическое поле в отсутствие
облачности (т.н. поле «хорошей погоды») в течение суток имеет временной ход именуемый
унитарной вариацией и независимо от долготы наблюдения максимум поля приходится
примерно на 19 часов по гринвичскому времени. Первые же измерения поля «хорошей
погоды» в узком горном ущелье, где расположена Баксанская нейтринная обсерватория,
показали, что суточная волна резко отлична от унитарной вариации.
Рисунок 3 - Приземное электростатическое поле 7 сентября 2007 г. Время местное.
Усреднение 20 с.
Рисунок 4 - Приземное электростатическое поле 23 сентября 2007 г. День «хорошей
погоды». Усреднение 20 с.
30
Рисунок 5 - Приземное электростатическое поле 1 октября 2007 г.
Рисунок 6 - Приземное электрическое поле 12 октября 2007 г.
В отчётный период были проанализированы данные измерений за более чем
месячный период, с начала сентября по середину октября 2007 г. Показано, что в дни
"хорошей погоды" аномальная форма суточной волны стабильна, но амплитуда поля
обратной полярности постепенно уменьшается (см. Рис. 3-6). Другими словами, имеет место
ярко выраженная сезонная вариация суточной волны. Поскольку исследован осенний период
(с начала сентября по середину октября), указанное выше изменение амплитуды естественно
связать с изменением температуры, скорость которого наибольшая в этот период года. Это
хорошо согласуется с выводом, сделанным ранее на основе положения максимума обратного
поля, т.к. максимум этот совпадает (15 часов местного времени) с временем максимального
прогрева почвы в течение суток.
31
2.3 Тепловые нейтроны в широких атмосферных ливнях и окружающей среде
Предложенный ранее новый метод исследования ШАЛ и фоновых потоков тепловых
нейтронов получил дальнейшее развитие.
В 2012 г. проводился набор и обработка экспериментальных данных, полученных с
помощью разработанных в лаборатории нейтронных детекторов (эн-детекторов) по теме
«Тепловые нейтроны в широких атмосферных ливнях и окружающей среде» на
вариационных установках: «Нейтрон» в МИФИ, в Обнинске (Геофизическая служба РАН), в
НИИЯФ МГУ, в БНО и в Лаборатории Гран Сассо (Италия), как на земной поверхности, так
и под землей а также на прототипе ProtoPRISMA - установки нового типа для изучения ШАЛ
(проект PRISMA).
По вариационной программе были получены следующие новые данные:
- О потоках тепловых нейтронов во время Форбуш-понижений интенсивности
космических лучей, путем измерений с помощью глобальной сети эн-детекторов, как над
земной поверхностью, так и под ней. Показано хорошее согласие с данными нейтронных
мониторов и продемонстрирована принципиальная возможность использования эндетекторов под различными поглотителями для спектрометрии корональных выбросов
частиц в солнечных вспышках.
- По измерению нейтронных потоков во время гроз с целью проверки сообщений о
возможной генерации нейтронов молниями. Был получен отрицательный результат: ни в
одной из гроз в Москве за 2011-2012 гг. не было зафиксировано превышения потока
тепловых нейтронов над фоновым потоком. Более того, во время самой мощной грозы
20.07.2012, когда молния попала в здание, где проводятся измерения, было зафиксировано
понижение потока тепловых нейтронов на несколько часов, связанное, как мы полагаем, с
большим количеством выпавших осадков. При этом понижение на 6% наблюдалось только в
одном (D2) из 4 детекторов установки «Нейтрон», имеющим минимальное количество
поглотителя (расположен в стеклянной галерее). В 3-х остальных детекторах никакого
изменения потока нейтронов не наблюдалось. Этот результат приведен на рис. 1. Следует
отметить, что только в нашем эксперименте проводится оцифровка импульсов с детекторов и
отбор
нейтронных событий по форме импульса, что позволяет нам быть абсолютно
уверенными в отсутствии ложных срабатываний, связанных электромагнитными наводками,
производимых молниевыми разрядами.
32
1.2
1.1
D4
1.0
0.9
0.8
1.2
1.1
D3
1.0
0.9
0.8
1.1
гроза
1.0
D2
0.9
0.8
1.2
1.1
D1
1.0
0.9
0.8
0.7
20 Jul
21 Jul
22 Jul
Дата
Рисунок 7 - Гроза 20.07.2012. Показания 1,2,3,4 детекторов установки «Нейтрон»,
поправленные на давление.
- Было получено, что в вариациях нейтронных потоков присутствуют периоды
(вероятность случайной реализации < 10-3) в диапазоне десятков минут, характерные для
33
собственных колебаний Земли (12, 15, 35, 43, 54 мин.). В настоящее время идет набор
статистики и поиск корреляций амплитуды этих колебаний с мощными землетрясениями.
По программе изучения ШАЛ методом регистрации генерируемых в них нейтронов в
2012 г. совместно со студентами и сотрудниками МИФИ была проведена большая работа по
физическому запуску установки ProtoPRISMA на базе эксперимента НЕВОД в МИФИ. В
начале 2012 года был начат непрерывный набор научной информации на 2-х кластерах
установки (32 эн-детектора). К настоящему времени получены предварительные данные по
временному распределению регистрируемых нейтронов ШАЛ и по их пространственному
распределению.
В
Рисунок 8 - Временное распределение регистрируемых нейтронов
качестве иллюстрации на рис. 8 показано временное распределение
зарегистрированных нейтронов в ШАЛ. Как и в наших прежних измерениях, временные
распределения хорошо описываются двойными экспоненциальными функциями.
На рис. 9 представлено пространственное распределение тепловых
нейтронов в
ШАЛ относительно оси ливня. Это распределение хорошо описывается экспоненциальной
функцией с параметром ~7 м, как и следует ожидать из экспоненциального распределения по
поперечному импульсу родительских адронов.
34
Neutron lateral distribution
-R/6.7m
100
n(R), m
-2
e
10
0
10
20
R, m
Рисунок 9 - Пространственное распределение регистрируемых нейтронов.
R – расстояние до оси ШАЛ.
В ноябре 2012 г. в рамках научного сотрудничества ИЯИ РАН с Институтом физики
высоких энергий Китайской академии наук создан прототип установки PRISMA из 4-х эндетекторов в Пекине. В дальнейшем предполагается его перемещение и дальнейшая
эксплуатация в Тибете на высоте 4300 м над уровнем моря для проведения исследований и
калибровки с использованием показаний действующей там же установки ARGO-YBJ.
За 2012 г. было опубликовано (принято в печать): 4 статьи в журналах, 1 в
электронном издании и сделано 6 докладов на различных конференциях.
35