Черенковское излучение высокоэнергичных каскадных ливней, рожденных мюонами космических лучей в воде тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат наук Хомяков, Василий Александрович

• Хомяков, Василий Александрович
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Хомяков, Василий Александрович

Оглавление

Введение

Глава 1. Эксперимент

1.1. Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР

1.1.1. Черенковский водный детектор НЕВОД

1.1.2. Система калибровочных телескопов

1.1.3. Координатно-трековый детектор ДЕКОР

1.2. Данные измерительной серии

1.2.1. Триггерные сигналы и конфигурация установок

1.2.2. События с окологоризонтальными мюонами («ОпеТгаск»)

1.2.3. События с большим энерговыделением (триггер «>60с»)

Глава 2. Характеристики ЧВД НЕВОД

2.1. Сферичность отклика детектирующего модуля

2.1.1 Принципы построения квазисферических модулей

2.1.2 Исследование сферичности отклика КСМ

2.2. Отклик ЧВД НЕВОД на одиночную заряженную частицу

2.2.1 Влияние отражения света в ЧВД

2.2.2 Влияние затенения в детектирующей решетке

Глава 3. Пространственное распределение черенковского излучения каскадных ливней в воде

3.1. Выборка событий с каскадными ливнями

3.2. Измерение пространственного распределения света от ливней в воде

3.3. Исключение фактора радиального ослабления света

3.4. Модели рассеяния ливневых частиц

3.5. Расчет распределения света от каскада на основе моделей

3.6. Сравнение экспериментального распределения света от каскада с модельными расчетами

Глава 4. Методы отбора ливней и восстановления их параметров

4.1. Метод восстановления параметров ливней с неизвестной осью

4.1.1 Оценка параметров ливня

4.1.2 Целевая функция и алгоритм итерационного поиска

4.2. Критерии отбора ливней в событиях с большим энерговыделением

Глава 5. Энергетический спектр каскадных ливней, генерируемых мюонами в воде

5.1. Апробация алгоритма восстановления параметров ливней

5.1.1 Восстановление параметров моделированных ливней

5.1.2 Восстановление параметров ливней из обучающей выборки

5.2. Отбор ливней в событиях «>60с» и восстановление их параметров

5.3. Энергетический спектр ливней. Сравнение с расчетами

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Черенковское излучение высокоэнергичных каскадных ливней, рожденных мюонами космических лучей в воде»

Введение

Исследование мюонов сверхвысоких энергий (выше сотен ГэВ) - одна из важнейших экспериментальных задач, решение которой может дать ответ о характеристиках потока внеатмосферных нейтрино, предсказываемых новых частицах или состояниях материи. Для таких исследований в спектрометрии мюонов высоких энергий используется множество методов [1], которые можно разделить на прямые и косвенные.

Часть методов прямого измерения для рассматриваемой задачи не применима, поскольку они не позволяют измерять энергии мюонов выше 100 ГэВ (времяпролетная методика, а также методы, основанные на изменении угла испускания черенковских фотонов, релятивистском росте ионизации, многократном кулоновском рассеянии). Увеличить этот предел позволяют методы измерения отклонения частиц в магнитном поле, а также регистрации рентгеновского переходного излучения. Так, эксперименты на магнитных спектрометрах MUTRON [2] и DEIS [3] дали надежные измерения спектра мюонов космических лучей в диапазоне энергий до нескольких ТэВ. Однако уже при единицах ТэВ для таких установок магнитное отклонение сравнивается с погрешностью его измерения (предел «максимального измеримого импульса»). Измерения Лоренц-фактора частицы на основе регистрации переходного излучения также имеют ограничение на уровне около 1 ТэВ.

Расширить энергетический диапазон измерений позволяют косвенные методы. Например, измерение интенсивности потока мюонов на различных глубинах позволяет продвинуться до 50-70 ТэВ (данный предел связан с тем, что с некоторой глубины начинает превалировать поток мюонов, рожденных при взаимодействии нейтрино в веществе). К косвенным методам также относятся измерения параметров каскадных ливней [4], рождаемых мюонами в веществе. Наибольшее применение получила регистрация ливней, рожденных в результате тормозного излучения мюонов. Так, детектор со свинцовыми пластинами, построенный в МГУ, позволил измерить характеристики мюонов космических лучей в области энергий от 2 до 30 ТэВ [5]. Большие перспективы имеет метод парметра, позволяющий измерять энергию мюонов в индивидуальных событиях [6]. Методы, связанные с регистрацией каскадов от мюонов, имеют свои сложности, но важным является принципиальное отсутствие для них верхнего ограничения по измеряемой энергии. Хотя в детекторах для данных методов могут использоваться

разные рабочие вещества (свинец, железо и пр.), для крупномасштабных установок практически безальтернативным веществом является вода. Черенковские водные детекторы (ЧВД) получают всё более широкое применение.

Для оценки энергетических характеристик мюонов и нейтрино по генерируемым ими в ЧВД каскадам используются методы отбора ливней и восстановления их параметров, основанные на различных моделях развития электромагнитных каскадов и распространения света от них. В качестве таких моделей могут использоваться результаты аналитических решений каскадных уравнений в различных приближениях [4, 7]. Могут применяться результаты моделирования лавинных процессов в программном пакете GEANT [8, 9]. Так, например, при работе с ливнями, регистрируемыми установкой IceCube, в качестве зависимости для углового распределения ливневых частиц используется аппроксимация результатов, полученных К. Вибушем в пакете GEANT 3 [10].

При этом актуальной проблемой остается экспериментальное исследование распределения черенковского света от каскадных ливней в воде. Ее решение позволит усовершенствовать подходы к выделению каскадов и восстановлению их параметров, а также проверить используемые модели развития высокоэнергичных ливней. На сегодняшний день данная проблема экспериментально практически не изучена.

В действующих больших черенковских установках, таких как ANTARES [11], IceCube [12], Байкал (НТ200/НТ200+) [13], расстояния между измерительными оптическими модулями кратно превышают продольные размеры регистрируемых ливней. Поэтому ливни, как правило, рассматриваются в точечном приближении, что негативно сказывается на точности восстановления их характеристик.

о

Например, на крупнейшем в наши дни (объем 1 км3) нейтринном телескопе IceCube расстояние между соседними гирляндами составляет 125 м (кроме центральной части DeepCore из шести дополнительных гирлянд), расстояние между модулями в гирлянде - 17 м. При этом длина ливня с энергией 10-100 ТэВ во льду составляет 9-11 метров (если брать в качестве длины удвоенное расстояние от точки рождения до максимума ливня, если же иметь в виду область наибольшей светимости, то она примерно втрое короче). В итоге ошибка восстановления энергии электромагнитных каскадов составляет около 30% для ливней энергии 100 ГэВ и снижается до примерно 10% с увеличением энергии до 100 ТэВ; при дальнейшем росте энергии качество реконструкции ухудшается [14]. Угловая точность восстановления оси ливня в IceCube составляет 10-15° градусов. Помимо

разреженности детектирующей решетки, в значительной мере это связано с интенсивным рассеянием света в антарктическом льду. Сделанные оценки [15]

о

показали, что в сопоставимых по масштабу с IceCube установках KM3NeT (Km3 Neutrino Telescope) [16] и Baikal-GVD (Baikal Gigaton Volume Detector) [17], планируемых к развертыванию в Средиземном море и на озере Байкал, точность восстановления ориентации оси ливня от нейтрино всех трех типов составит 1°- 3°, поскольку длина рассеяния в средиземноморской и байкальской воде, составляющая 30-60 м, выше длины рассеяния в антарктическом льду более чем на порядок. Однако, даже принимая такой оптимистический прогноз, следует отметить, что на гигантских ЧВД с разреженной детектирующей решеткой (в Baikal-GVD расстояние между соседними гирляндами составит 60 м, между модулями в гирлянде - 15 м, в KM3NeT - 90-120 м и 36 м соответственно) получить детализированную пространственную картину ливня в черенковском свете с шагом, сравнимым с размерами ливня, практически невозможно.

Экспериментальный комплекс НЕВОД с черенковским водным детектором

о

сравнительно небольшого объема (2000 м3) [18] - уникальная установка, способная решить данную задачу. Проведенная в 2008-2010 гг. модернизация черенковского детектора [19], в результате которой были значительно улучшены его измерительные свойства, позволяет использовать его и как годоскоп (например, для определения направления движения частиц), и как калориметр (при энергетических измерениях). В итоге, благодаря плотной решетке оптических модулей и их измерительным характеристикам, черенковский водный калориметр (ЧВК) НЕВОД позволяет не только измерять полную каскадную кривую рожденных в детекторе ливней, но и исследовать световое поле от высокоэнергичных каскадных ливней с детализацией до полуметра. А это, в свою очередь, позволяет проверить существующие модели развития каскадов, усовершенствовать методы работы с каскадными ливнями, рожденными мюонами в ЧВК НЕВОД и в других черенковских установках.

Цель работы:

Измерить пространственное распределение черенковского излучения высокоэнергичных каскадных ливней в воде и разработать на его основе методы выделения каскадных ливней высоких энергий, рожденных мюонами в водном детекторе, и восстановления их параметров.

Научная новизна:

• Впервые экспериментально получено пространственное распределение черенковского излучения от каскадных ливней с энергиями 100 - 500 ГэВ в воде.

• Предложен и реализован новый метод восстановления параметров ливней, основанный на зависимости интенсивности черенковского излучения от глубины развития ливня на разных расстояниях от его оси.

• С использованием нового метода восстановления параметров ливней впервые измерен энергетический спектр каскадов, рожденных мюонами в воде, в широком диапазоне энергий 0.1 - 20 ТэВ.

Практическая значимость:

Полученные экспериментальные данные по пространственному распределению черенковского света от высокоэнергичных каскадных ливней в воде (с восстановленной энергией более 100 ГэВ) позволили проверить модели рассеяния каскадных частиц, применяемые в крупномасштабных черенковских установках для моделирования и обработки экспериментальных событий.

Разработанные методы восстановления параметров ливней позволили повысить на два порядка статистику по сравнению с использовавшимся ранее отбором по данным координатного детектора и продвинуться на порядок в область более высоких энергий, а также существенно расширить диапазоны зенитных и азимутальных углов исследуемых на ЧВД НЕВОД каскадных ливней.

Разработанные методы исследования высокоэнергичных каскадов в ЧВД могут быть применены на других черенковских установках, а также могут быть взяты за основу для совершенствования методик работы с каскадными ливнями в крупномасштабных установках.

Личный вклад автора:

Автор принимал участие в поддержке работы установки при проведении длительных экспериментальных серий, в работах по настройке параметров триггерной системы экспериментального комплекса. Автором непосредственно проведены обработка и анализ экспериментальных данных по оценке сферичности отклика измерительных модулей ЧВД, измерению пространственного распределения черенковского света от каскадных ливней в воде, измерению энергетического спектра ливней; представлены доклады на конференциях различных уровней и подготовлены статьи по результатам исследований.

Автор защищает:

1. Методические результаты:

• метод измерения сферичности отклика оптических модулей ЧВК НЕВОД по событиям с одиночными мюонами;

• метод измерения пространственного распределения черенковского излучения высокоэнергичных каскадных ливней в воде;

• метод проверки моделей углового распределения ливневых частиц;

• критерии отбора высокоэнергичных каскадных ливней среди событий с большим энерговыделением в решетке ЧВК;

• метод восстановления параметров высокоэнергичных каскадов на основе откликов измерительных модулей ЧВК.

2. Физические результаты:

• свойства сферичности отклика квазисферического модуля;

• отклик ЧВК на одиночный мюон;

• пространственное распределение черенковского излучения от высокоэнергичных каскадных ливней;

• результаты отбора и восстановления характеристик ливней, рожденных мюонами в воде;

• дифференциальный энергетический спектр каскадных ливней в интервале зенитных углов более 55° в диапазоне энергий 0.1 - 20 ТэВ.

Апробация работы и публикации:

Результаты работы были доложены на российских и международных

конференциях: Научных сессиях НИЯУ МИФИ (2014, 2015), Международных

сессиях-конференциях Секции ядерной физики ОФН РАН (2014, 2016), Восьмых и

8

Девятых Черенковских чтениях (2015, 2016), Всероссийских конференциях по космическим лучам (ВККЛ 2014, 2016), Международной конференции по физике частиц и астрофизике (ICPPA 2015). Основные результаты опубликованы в пяти статьях в научных журналах, входящих в перечни ВАК (перечень от 23.11.2016), Web of Science и/или Scopus.

Статьи:

1. V. A. Khomyakov, A. G. Bogdanov, V. V. Kindin, R. P. Kokoulin, A. A. Petrukhin, S. S. Khokhlov, V. V. Shutenko, and I. I. Yashin. Reconstructing the parameters of high-energy cascade showers generated by muons in water // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2015. V. 79. No. 3. P. 371-373 (ВАК, Scopus)

2. V. A. Khomyakov, A. G. Bogdanov, V. V. Kindin, R. P. Kokoulin, A. A. Petrukhin, S. S. Khokhlov, V. V. Shutenko, and I. I. Yashin. Restoration of parameters of high-energy cascades in Cherenkov water calorimeter with a dense array of quasispherical modules // Physics of Atomic Nuclei. 2015. V. 78, No. 13, P. 15111516 (ВАК, WoS, Scopus)

3. V. A. Khomyakov, V. V. Kindin, V. D. Burtsev, R. P. Kokoulin, K. G. Kompaniets, V. V. Ovchinnikov, S. S. Khokhlov, A. A. Petrukhin, V. V. Shutenko, I. I. Yashin, E. A. Zadeba. Study of characteristics of the quasi-spherical measurement modules of the Cherenkov water calorimeter NEVOD // Physics Procedia. 2015. V. 74, P. 442-448 (WoS, Scopus)

4. V. A. Khomyakov, A. G. Bogdanov, V. V. Kindin, R. P. Kokoulin, A. A. Petrukhin, S. S. Khokhlov, V. V. Shutenko, I. I. Yashin. Spatial distribution of Cherenkov light from cascade showers in water // Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 675. 032036 (WoS, Scopus)

5. R. P. Kokoulin, M. B. Amelchakov, N. S. Barbashina, A. G. Bogdanov, V. D. Burtsev, D. V. Chernov, L. I. Dushkin, D. M. Gromushkin, N. N. Kamlev, S. S. Khokhlov, V. A. Khomyakov, V. V. Kindin, K. G. Kompaniets, E. A. Kovylyaeva, V. S. Kruglikova, G. Mannocchi, V. V. Ovchinnikov, A. A. Petrukhin, O. Saavedra, I. A. Shulzhenko, V. V. Shutenko, G. Trinchero, I. I. Yashin, E. A. Zadeba. Cascade showers initiated by muons in the Cherenkov water detector NEVOD // Proceedings of Science. PoS(ICRC2015)360 (Scopus).

Структура диссертации:

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации: 117 страниц, 71 рисунок, 5 таблиц, 56 наименований источников литературы.

В первой главе описана экспериментальная установка, на которой проводились измерения, ее основные параметры и настройки, а также типы событий, использовавшиеся для обработки.

Во второй главе приведены результаты исследования характеристик ЧВД (сферичность квазисферического модуля, отклик детектора на одиночную заряженную частицу), имеющих принципиальное значение для достижения поставленной цели работы.

В третьей главе описан метод и результаты измерения пространственного распределения черенковского излучения от электромагнитных каскадных ливней в воде. Также приведены результаты сравнения полученных экспериментальных данных с двумя моделями, описывающими среднее угловое распределение лавинных частиц.

В четвертой главе описан подход к отбору ливней среди рожденных в воде мюонами событий с большим энерговыделением и метод восстановления их характеристик по отклику черенковского детектора НЕВОД.

В пятой главе приведены результаты апробации предложенных методов на моделированных и экспериментальных данных и измерения дифференциального энергетического спектра ливней с энергиями в диапазоне от 100 ГэВ до 20 ТэВ.

В заключении перечислены основные результаты работы.

Глава 1. Эксперимент

В данной главе представлен краткий обзор установок экспериментального комплекса НЕВОД, на котором проводились измерения. Приводятся сведения о конфигурации и настройках параметров триггерной системы в измерительной серии, данные которой обрабатывались. Дается описание основных типов событий, на основе которых изучались характеристики каскадных ливней.

1.1. Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР

Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР, расположенный в НИЯУ МИФИ в специально построенном и оборудованном для него здании, создавался с целью регистрации основных компонент космических лучей на поверхности Земли. Схема размещения основных установок комплекса приведена на рисунке 1.1. Показана также выбранная система координат.

В состав экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР входят следующие основные установки: черенковский водный детектор (ЧВД) НЕВОД [ 20], система калибровочных телескопов (СКТ) [21], координатно-трековый детектор ДЕКОР [ 22].

Рисунок 1.1 Установки экспериментального комплекса НЕВОД -ДЕКОР

1.1.1. Черенковский водный детектор НЕВОД

Черенковский водный детектор НЕВОД - многофункциональная

о о

экспериментальная установка объемом 2000 м3 (размер бассейна - 9 х 9 х 26 м3).

Для регистрации космических лучей с любого направления установка имеет детектирующую систему в виде плотной решетки измерительных модулей. Она представляет собой решетку из 64 модулей (4х4х4 модуля) с шагом 2.5 м вдоль детектора, 2 м по ширине и 2 м по глубине, в которую вложена решетка из 27 модулей (3х3х3 модуля, с теми же шагами между модулями) со смещением на полшага по всем направлениям (центры решеток совпадают). На рисунке 1.2 представлен снимок, сделанный в воде бассейна ЧВД, на котором видны КСМ и счетчики нижней плоскости СКТ.

Рисунок 1.2 Решетка измерительных модулей черенковского водного детектора НЕВОД и нижняя плоскость системы калибровочных телескопов

Таким образом, в текущей конфигурации ЧВД имеет всего 91 квазисферический модуль (КСМ) [20]. Модули сгруппированы в 9 гирлянд по 3 КСМ (3 плоскости по 3 гирлянды) и 16 гирлянд по 4 КСМ (4 плоскости по 4 гирлянды).

Квазисферический модуль содержит шесть ФЭУ-200 с плоским фотокатодом диаметром 15 см, ориентированных вдоль осей ортогональной системы координат (ориентация осей координат показана на рисунке 1.1).

Внутри водонепроницаемого дюралюминиевого корпуса размещена электроника КСМ и ФЭУ, защищенные от давления иллюминаторами из оргстекла (оптический контакт между стеклом иллюминатора и фотокатодом обеспечивается глицерином либо силиконом).

Схема регистрирующей системы (РС) ЧВД НЕВОД приведена на рисунке 1.3.

Регистрирующая система имеет многоуровневую архитектуру сбора и обработки сигналов [23, 24]. Модули одной гирлянды образуют кластер. РС включает внутримодульную электронику, блоки электроники кластеров и триггерную систему.

Внутримодульная электроника (ВЭ) обеспечивает регистрацию фотоумножителями черенковского излучения и периодический мониторинг спектрометрических трактов. Каждый ФЭУ в модуле снабжен платой ПХ-514П, обеспечивающей питание ФЭУ и снятие сигналов с 9-го и 12-го динодов для дальнейшей обработки амплитудно-цифровым преобразователем (АЦП). ВЭ также включает в себя узел питания ПНН -382 и шестиканальный контроллер светодиодной подсветки [25].

Благодаря двухдинодному съему сигналов с ФЭУ обеспечивается большой динамический диапазон регистрируемых сигналов: от одного до 105

о

фотоэлектронов. Снятие сигнала с 12 динода дает диапазон 1^103 фотоэлектронов, с 9-го - 102-105 фотоэлектронов. Пересечение указанных диапазонов позволяет производить сшивку сигналов, поступающих с 9-го и 12-го динодов.

Питание плат внутримодульной электроники и ФЭУ обеспечивается узлом питания ПНН-382П, преобразующим напряжение +12 В в +2000 В и ± 12 В.

Система мониторинга построена на базе шестиканального контроллера LS6CH. Контроллер управляет работой шести драйверов светоизлучающих диодов (СИД) с длиной волны 470 нм. Драйвер обеспечивает засветку фотокатода одного ФЭУ вспышками СИД (FWHM ~ 7 нс).

Мониторинг регистрирующей системы осуществляется после каждых 20 минут экспозиции. При этом набираются амплитудные спектры сигналов ФЭУ при засветке светодиодами. Для каждого ФЭУ оцениваются коэффициенты преобразования спектрометрических трактов 9-го и 12-го динодов, определяется их отношение, стабильность, измеряются шумы и пьедесталы.

Сигналы от каждого КСМ передаются в блок электроники кластера (БЭК). Каждый блок электроники кластера объединяет 3 или 4 КСМ, составляющих одну гирлянду, и располагается в герметичном корпусе под крышкой бассейна над водой. БЭК служит для обработки аналоговых сигналов с КСМ, осуществления мониторинга каналов и обмена данными с системами верхнего уровня. Основные компоненты БЭК: модули амплитудного анализа МАА -01П (4 штуки), процессорная

плата WAFER-C400E2VN-RS, модуль сопряжения с датчиком температуры, блок питания.

Модуль амплитудного анализа служит для оцифровки на 12 -разрядных АЦП аналоговых сигналов, приходящих с шести ФЭУ каждого КСМ, для программного управления порогом (может быть установлен в пределах от 0 до 6.375 ф.э. с шагом 0.025 ф.э.) и обмена данными с процессорной платой БЭК.

Платы МАА работают в двух основных режимах: режиме мониторинга и режиме экспозиции. Режим мониторинга служит для проверки работоспособности измерительных каналов, а режим экспозиции служит для регистрации событий.

При экспозиционном режиме в случае превышения сигналом с 12-го динода ФЭУ порогового значения (в дальнейшем это именуется срабатыванием ФЭУ) вырабатывается логический сигнал, по которому осуществляется оцифровка сигналов с ФЭУ. На время оцифровки система остается нечувствительной к новым сигналам с ФЭУ. По тому же сигналу через программно задаваемое время 7Ь начинается ожидание сигнала «Хранение» (ворота ожидания - 250 нс). При получении сигнала «Хранение» в течение указанного интервала данные считываются с АЦП и передаются в центральную ЭВМ.

МАА осуществляет также измерение шумов ФЭУ и выработку триггерных сигналов трех типов для каждого КСМ:

• «а» (от англ. any) вырабатывается в случае срабатывания любого из шести ФЭУ КСМ;

• «b» (от англ. bottom) вырабатывается в случае срабатывания «смотрящего» вниз ФЭУ;

• «с» (от англ. coincidence) вырабатывается в случае срабатывания хотя бы двух непротивоположно «смотрящих» ФЭУ в пределах временного интервала в 150 нс.

Далее указанные триггерные сигналы БЭК передает во внешнюю триггерную систему через блоки приемников.

Процессорная плата WAFER-C400E2VN-RS, соединенная с четырьмя платами МАА, считывает данные с модулей амплитудного анализа и передает их по Ethernet на центральную ЭВМ, а также осуществляет контроль режимов измерения.

Триггерная система (ТС) ЧВД НЕВОД представлена на рисунке 1.4. Триггерная система сформирована на базе четырех программируемых блоков VME CAEN V1495. Три их них («А», «В» и «С») осуществляют прием и обработку приходящих с

БЭК триггерных сигналов «а», «Ь» и «о> соответственно. Четвертый блок обрабатывает сигналы, поступающие от системы калибровочных телескопов.

| | КСМ

Блок «А» Блок «В» Блок «С» Блок для

СКТ

Триггер

Триггер

Триггер

Рисунок 1.4 Схема триггерной системы ЧВД НЕВОД

В каждом из блоков ведется подсчет поступающих на него сигналов в пределах заданных временных ворот. При превышении количеством сигналов установленных пороговых значений вырабатывается сигнал «Триггер».

На основе мажоритарной схемы совпадений триггерная система обеспечивает выработку в блоке «С» (этот блок является главным, собирающим сигналы «Триггер» с остальных блоков) общесистемного сигнала «Хранение», ведет подсчет живого времени установки, сохраняет топологию сработавших КСМ и детекторов СКТ, проводит мониторинг темпа счета триггерных сигналов. При получении сигнала «Хранение» модули АЦП всех БЭК проводят полную оцифровку уже полученных сигналов и передают оцифрованные данные на центральную ЭВМ.

а

1.1.2. Система калибровочных телескопов

В течение длительных экспериментальных серий требуется калибровка спектрометрических трактов ЧВД. С этой целью была создана система калибровочных телескопов (СКТ) [ 26].

Система включает 80 сцинтилляционных детекторов, 40 из которых расположены на крышке бассейна (верхняя плоскость) и 40 - на дне (нижняя плоскость). Схема расположения детекторов СКТ относительно детектирующей решетки ЧВД НЕВОД представлена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 Схема расположения детекторов системы калибровочных

телескопов (вид сверху) Сигналы от детекторов каждой плоскости идут в блоки электроники плоскостей

(БЭП). БЭП осуществляет оцифровку сигналов, выработку триггерных сигналов

первого уровня и обмен данными с внешней системой сбора и обработки данных.

Любая пара, состоящая из верхнего и нижнего детекторов, образует мюонный

телескоп, позволяющий выделять треки мюонов с зенитными углами в диапазоне

0^45°. Вертикальные телескопы позволяют выделять треки мюонов с точностью 2°

и пороговой энергией 2 ГэВ [27, 28]. Черенковским светом от выделяемых

вертикальных мюонов калибруются верхние и боковые ФЭУ модулей,

расположенных в четырех соседних с телескопом гирляндах. Наклонные

телескопы дают дополнительные возможности калибровки, расширяя диапазон

расстояний от трека частицы до ФЭУ. Поскольку телескопные события имеют

отношение только к частицам из верхней полусферы, нижние ФЭУ квазисферических модулей с помощью СКТ калиброваться не могут. Для этой задачи используются события с окологоризонтальными мюонами, выделяемыми с помощью детектора ДЕКОР (подробнее см. раздел 1.2.2).

1.1.3. Координатно-трековый детектор ДЕКОР

Координатно-трековый детектор ДЕКОР [ 22] является первой в мире крупной установкой, созданной специально для регистрации на поверхности Земли космических лучей, приходящих под большими зенитными углами.

Детектор составляют восемь супермодулей (СМ), расположенных вертикально в галереях вдоль трех стенок бассейна ЧВД НЕВОД, как показано на рисунке 1.1.

о

Общая площадь всех СМ составляет около 70 м2 (32768 каналов регистрации). Супермодуль ДЕКОР, внешний вид которого показан на рисунке 1.6, состоит из

^ О

восьми плоскостей с эффективными размерами 3.1*2.7 м2, расположенных параллельно друг другу с интервалом в 6 см.

Рисунок 1.6 Супермодуль ДЕКОР в галерее (слева) и строение супермодуля

(справа)

Вертикальная плоскость состоит из 16 камер, каждая из которых представляет собой пенал из ПВХ с 16-ю газоразрядными трубками с внутренним сечением 9*9

мм2 длинои 3.5 м. Через камеры постоянно пропускается смесь газов: аргона и углекислого газа с добавкоИ паров н-пентана.

К плоскости крепятся пластиковые пластины с металлическими полосками (стрипами), с которых снимаются наведенные стримерами сигналы: слоИ стрипов вдоль камер дает вертикальную координату прохождения заряженноИ частицы, слоИ поперек камер дает горизонтальную координату. Точность определения координат для одноИ плоскости - около 1 см. Для супермодуля в целом пространственная точность не хуже 1 см, угловая - около 0.7° [22].

Сигналы со стрипов поступают на платы считывания STOS М4200. Каждая плата считывает сигналы с 32 стрипов. Таким образом, на плоскость приходится 16 плат: по 8 на каждую из координат. Сигналы с плат считывания идут на перифериИные станции (рисунок 1.7), находящиеся около супермодулеИ. Для приема данных с плат STOS М4200 и формирования триггерных сигналов первого уровня используются специализированные многофункциональные контроллеры [29], дающие возможность использовать в качестве перифериИных станциИ персональные компьютеры.

ДЕКОР обладает многоуровневоИ системоИ триггирования, что позволяет регистрировать разные типы событиИ: как многочастичные, так и с одиночными мюонами [30].

Триггер на уровне супермодуля вырабатывается при попадании сигналов по меньшей мере двух из четырех четных плоскостей СМ и по меньшей мере двух нечетных плоскостей в ворота в 300 нс.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хомяков, Василий Александрович, 2016 год

Список литературы

1. Р.П. Кокоулин. Спектрометрия мюонов высоких энергий // Труды 10-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики. 2010. Т. 2. С. 249-257.

2. S. Matsuno, F. Kajino, Y. Kawashima, T. Kitamura, K. Mitsui, Y. Muraki, Y. Ohashi, A. Okada, T. Suda, Y. Minorikawa, K. Kobayakawa, Y. Kamiya, I. Nakamura, T. Takahashi. Cosmic-ray spectrum up to 20 TeV at 89° zenith angle // Phys. Rev. D. 1984. V. 29. P. 1-23.

3. O.C. Allkofer, G. Bella, W.D. Dau, H. Jokish, G. Klemke, Y. Oren and R. Uhr. Cosmic ray muon spectra at sea-level up to 10 TeV // Nucl. Phys. B. 1985. V. 259. P. 1-18.

4. С.З. Беленький. Лавинные процессы в космических лучах. М. - Л. ОГИЗ Ростехиздат. 1948.

5. Г.Т. Зацепин, М.А. Иванова, И.П. Иваненко, Н.П. Ильина, Л.А. Кузьмичев, К.В. Мандрицкая, Э.А. Осипова, И.В. Ракобольская, В.С. Хлытчиева. Характеристики вертикального потока мюонов космических лучей // Изв. АН СССР, Сер. Физ. 1991. Т. 55. С. 740-743.

6. Р.П. Кокоулин, А.А. Петрухин. Парметр - новый тип мюонного спектрометра // ЭЧАЯ. 1990. Т. 21. В. 3. С. 774-811.

7. И.П. Иваненко. Электромагнитные каскадные процессы. Издательство Московского университета. 1972.

8. C.H. Wiebusch. The detection of faint light in deep underwater neutrino telescopes // Ph.D. Thesis, Physikalische Institute RWTH, Aachen. 1995. P. 84-85.

9. L. Rädel, C. Wiebusch, Calculation of the Cherenkov light yield from low energetic secondary particles accompanying high-energy muons in ice and water with GEANT-4 simulations // Astropart.Phys. 2012. V. 38. P. 53-67.

10. M.G. Aartsen, R. Abbasi, Y. Abdou et al. Measurement of South Pole ice transparency with the IceCube LED calibration system // Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A. 2013. V. 711. P. 73-89.

11. M. Ageron, J.A. Aguilar, I. Al Samarai et al. ANTARES: the first undersea neutrino telescope // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research A. 2011. V. 656, P. 1138.

12. IceCube South Pole Neutrino Observatory, http://icecube.wisc.edu/

13. Домогацкий Г.В. Байкальский нейтринный эксперимент // Успехи физических наук. 2011. Т. 181, С. 984-989.

14. M.G. Aartsen, R. Abbasi, M. Ackermann et al. Energy reconstruction methods in the IceCube neutrino telescope // JINST. 2014. V. 9. P03009.

15. Ж.-А.М. Джилкибаев, Г.В. Домогацкий, О.В. Суворова. Черенковские детекторы в нейтринной астрофизике высоких энергий. Успехи физических наук. 2015. Т. 185. № 5. С. 531-539.

16. KM3NeT Technical design report for a deep-sea research infrastructure in the Mediterranean sea incorporating a very large volume neutrino telescope. 2010. https://www.km3net.org/

17. Коллаб. «Байкал». НТ1000. Научно-технический проект глубоководного нейтринного телескопа кубокилометрового масштаба на оз. Байкал. М.: ИЯИ РАН. 2010. http://baikalweb.jinr.ru/

18. V.M. Aynutdinov, V.V. Kindin, K G. Kompaniets, A.A. Petrukhin, P.V. Tkachenko, V.V. Shutenko and I.I. Yashin. Neutrino water detector on the Earth's surface (NEVOD) // Astrophysics and Space Science. 1997. V. 258. No. 1-2. P. 105-116.

19. В.В. Киндин. Черенковский водный калориметр на базе квазисферических модулей // Кандидатская диссертация. М. 2015.

20. В.М. Айнутдинов, М.Б. Амельчаков, Н.С. Барбашина, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, А.А. Петрухин, Д.А. Роом, В.В. Шутенко, Э.Е. Янсон, И.И. Яшин. НЕВОД - многоцелевой нейтринный детектор на поверхности Земли // Инженерная физика. 2000. № 4. C. 71-80.

21. И.А. Шульженко. Новая система калибровки ЧВД НЕВОД // Труды 10-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики. 2010. Т. 2. C. 249-257.

22. Н.С. Барбашина, А.А. Езубченко, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компаниец, А.А. Коновалов, А.А. Петрухин, Д.В. Чернов, В.В. Шутенко, Э.Е. Янсон. Координатный детектор для исследования горизонтального потока космических лучей. Приборы и техника эксперимента. 2000. № 6. С. 20-24.

23. В.В. Киндин, В.Г. Гулый, К.Г. Компаниец, М.А. Королев, О.В. Красько, А.А. Петрухин, С.С. Хохлов, В.В. Шутенко, И.И. Яшин. Новая регистрирующая система черенковского водного детектора НЕВОД // Научная сессия МИФИ -2009. М.: МИФИ. 2009. Т. 4. С. 97-100.

24. С.С. Хохлов, И.А. Воробьев, В.Г. Гулый, И.С. Карцев, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, М.А. Королев, А.А. Петрухин, В.В. Шутенко, И.И. Яшин. Новая регистрирующая система черенковского водного детектора НЕВОД // Краткие сообщения по физике. 2010. № 4, C. 49-51.

25. В.В. Ашихмин. Исследование характеристик квазисферического измерительного модуля черенковского водного детектора НЕВОД // Труды 10-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики. 2010. Т. 2. C. 237-244.

26. С.С. Хохлов, М.Б. Амельчаков, В.В. Ашихмин, И.А. Воробьев, Е.А. Задеба, В.В. Киндин, К.Г. Компаниец, А.А. Петрухин, М.С. Соколов, И.А. Шульженко, В.В. Шутенко, И.И. Яшин. Мюонная калибровка черенковского водного детектора НЕВОД // Известия РАН. Серия физическая. 2011. Т. 75. № 3. C. 460462.

27. С.С. Хохлов, М.Б. Амельчаков, В.В. Ашихмин, Н.С. Барбашина, А.Г. Богданов, И.А. Воробьев, Д.М. Громушкин, В.Г. Гулый, А.Н. Дмитриева, Е.А. Задеба, И.С. Карцев, В.В. Киндин, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компаниец, М.А. Королев, Дж. Маннокки, С.Ю. Матвеев, А.А. Петрухин, О. Сааведра, Д.А. Тимашков, Дж. Тринкеро, Д.В. Чернов, И.А. Шульженко, В.В. Шутенко, Е.И. Яковлева, И.И. Яшин. Современный статус черенковского водного детектора НЕВОД // Труды III Черенковских чтений: Новые методы в экспериментальной ядерной физике и физике частиц. 2010. С. 30-39.

28. И.А. Шульженко, М.Б. Амельчаков, В.В. Киндин, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компаниец, А.А. Петрухин, С.С. Хохлов, В.В. Шутенко, И.И. Яшин. Ливневая установка на базе сцинтилляционных калибровочных телескопов экспериментального комплекса НЕВОД-ДЕКОР // Сборник трудов V Всероссийской молодежной конференции «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики». ФИАН. 2011. C. 101.

29. K.O. Yurin, K.G. Kompaniets, V.V. Shutenko, I.I. Yashin. New data acquisition and triggering systems for the DECOR coordinate detector // Physics Procedia. 2015. V. 74. P. 465-469.

30. К.Г. Компаниец. Триггерная система координатного детектора ДЕКОР // Сб. научн. трудов 2-й Всероссийской конференции «ФЭЧАЯ». 2001. C. 58-59.

31. Д.М. Громушкин. Установка для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ // Кандидатская диссертация. М. 2014.

32. E.A. Kovylyaeva, S.S. Khokhlov, V.A. Khomyakov, R.P. Kokoulin, A.A. Petrukhin, V.V. Shutenko, I.I. Yashin. Reconstruction of single muon tracks in Cherenkov water detector NEVOD // J. Phys.: Conf. Ser. 2013. V. 409. 012132.

33. K.A. Olive et al. Particle Data Group. Chin. Phys. C, 38, 090001 (2014) and 2015 update.

34. S.S. Khokhlov, D.V. Chernov, A.N. Dmitrieva, V.A. Khomyakov, V.V. Kindin, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, V.S. Kruglikova, V.V. Shutenko, I.I. Yashin. Investigation of the flux of albedo muons with NEVOD-DECOR experimental complex // Proceedings of Science. PoS(ICRC2015)391.

35. В.С. Кругликова, Н.С. Барбашина, А.Г. Богданов, В.В. Киндин, Е.А. Ковыляева, Р.П. Кокоулин, К.Г. Компаниец, А.А. Петрухин, С.С. Хохлов, Д.В. Чернов, В.В. Шутенко, Е.И. Яковлева, И.И. Яшин. Исследование потока альбедных мюонов на экспериментальном комплексе НЕВОД-ДЕКОР // Известия РАН. Серия физическая. 2015. Т. 79. № 3. C. 408-410.

36. O. Saavedra, M.B. Amelchakov, N.S. Barbashina, A.G. Bogdanov, D.V. Chernov, A. Chiavassa, L.I. Dushkin, S.S. Khokhlov, V.A. Khomyakov, V.V. Kindin, R.P. Kokoulin, K.G. Kompaniets, G. Mannocchi, S.Yu. Matveev, A.A. Petrukhin, V.V. Shestakov, I.A. Shulzhenko, V.V. Shutenko, G. Trinchero, I.I. Yashin, and E.A. Zadeba. NEVOD-DECOR experiment: results and future // J. Phys.: Conf. Ser. 2013. V. 409. 012009.

37. Б. Росси, К. Грейзен. Взаимодействие космических лучей с веществом // М.: ИЛ. 1948.

38. V.V. Borog, S.B. Gavshin, A.A. Petrukhin et al. 16th ICRC, Kyoto. 1979. V. 10. P. 380-384.

39. А.В. Абин, В.М. Айнутдинов, В.Г. Алалыкин, С.Б. Гавшин, И.А. Данильченко, И.В. Пенин, А.А. Петрухин, Г.А. Потапов, В.В. Шутенко, И.И. Яшин. Квазисферический черенковский детектор заряженных частиц в воде. Препринт 069-86. М.: МИФИ. 1986.

40. S.S. Khokhlov, M.B. Amelchakov, V.V. Ashikhmin, I.A. Vorobiev, V.G. Gulyi, E.A. Zadeba, I S. Kartsev, V.V. Kindin, K.G. Kompaniets, M.A. Korolev, A.A. Petrukhin, I.A. Shulzhenko, V.V. Shutenko, I.I. Yashin. New measuring system of multipurpose Cherenkov water detector NEVOD // Astrophysics and Space Sciences Transactions. 2011. V. 7. P.271-273.

41. http://pdg.lbl.gov/AtomicNuclearProperties

42. Э.В. Бугаев, Ю.Д. Котов, И.Л. Розенталь. Космические мюоны и нейтрино. М.: Атомиздат. 1970.

43. С.С. Хохлов. Каскадные ливни в черенковском водном детекторе // Кандидатская диссертация. М. 2013.

44. С.С. Хохлов, Н.С.Барбашина, А.Г.Богданов, А.Н.Дмитриева, Л.И.Душкин, Е.А.Задеба, В.В.Киндин, Е.А. Ковыляева, Р.П.Кокоулин, К.Г.Компаниец,

В.В.Овчинников, А.А.Петрухин, В.А.Хомяков, Д.В.Чернов, В.В.Шутенко, И.И.Яшин. Энергетический спектр каскадных ливней, генерируемых в воде окологоризонтальными мюонами. Известия РАН. Серия физическая. 2013. Т. 77. № 5. С. 707-709.

45. В.М. Айнутдинов, В.Г. Алалыкин, И.А. Данильченко, Способ измерения коэффициента усиления динодной системы фотоэлектронных умножителей. Препринт № 082-88. М.: МИФИ. 1988.

46. С. Хаякава. Физика космических лучей. Часть 1. М.: Мир. 1973.

47. V. A. Khomyakov, V. V. Kindin, V. D. Burtsev, R. P. Kokoulin, K. G. Kompaniets, V. V. Ovchinnikov, S. S. Khokhlov, A. A. Petrukhin, V. V. Shutenko, I. I. Yashin, E. A. Zadeba. Study of characteristics of the quasi-spherical measurement modules of the Cherenkov water calorimeter NEVOD // Physics Procedia. 2015. V. 74, P. 442-448.

48. V.A. Khomyakov, A.G. Bogdanov, V.V. Kindin, R.P. Kokoulin, A.A. Petrukhin, S.S. Khokhlov, V.V. Shutenko, I.I. Yashin. Spatial distribution of Cherenkov light from cascade showers in water // Journal of Physics: Conference Series. 2016. V. 675. 032036.

49. A.A. Belayev, I.P. Ivanenko, V.V. Makarov. Cherenkov radiation of electron-photon showers developing in water // Proc. 1978 DUMAND Summer Workshop. 1978. V. 1. P. 337-348.

50. V.A. Khomyakov, A.G. Bogdanov, V.V. Kindin, R.P. Kokoulin, A.A. Petrukhin, S.S. Khokhlov, V.V. Shutenko, I.I. Yashin. Reconstructing the parameters of high-energy cascade showers generated by muons in water // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2015. V. 79. No. 3. P. 371-373.

51. V. A. Khomyakov, A. G. Bogdanov, V. V. Kindin, R. P. Kokoulin, A. A. Petrukhin, S. S. Khokhlov, V. V. Shutenko, and I. I. Yashin. Restoration of parameters of high-energy cascades in Cherenkov water calorimeter with a dense array of quasispherical modules // Physics of Atomic Nuclei. 2015. V. 78, No. 13, P. 15111516

52. R.P. Kokoulin, M.B. Amelchakov, N.S. Barbashina, A.G. Bogdanov, V.D. Burtsev, D.V. Chernov, L.I. Dushkin, D.M. Gromushkin, N.N. Kamlev, S.S. Khokhlov, V.A. Khomyakov, V.V. Kindin, K.G. Kompaniets, E.A. Kovylyaeva, V.S. Kruglikova, G. Mannocchi, V.V. Ovchinnikov, A.A. Petrukhin, O. Saavedra, I.A. Shulzhenko, V.V. Shutenko, G. Trinchero, I.I. Yashin, E.A. Zadeba. Cascade showers initiated by

muons in the Cherenkov water detector NEVOD // Proceedings of Science. PoS(ICRC2015)360.

53. Л.В. Волкова. Расчет потоков и угловых распределений атмосферных мюонов высокой энергии на уровне моря. Препринт № 72. М.: ФИАН СССР. 1969.

54. Т.П. Аминева, В.А. Астафьев, А.Я. Варковицкая, Л.В. Волкова и др. Исследование мюонов высоких энергий. Метод рентгеноэмульсионных камер. М.: Наука. 1975.

55. A.G. Bogdanov, H. Burkhardt, V.N. Ivanchenko, S R. Kelner, R.P. Kokoulin, M. Maire, A.M. Rybin, and L. Urban. Geant4 simulation of production and interaction of muons // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2006. V. 53. No. 2. P. 513-519.

56. Д. Худсон. Статистика для физиков. М.: Мир. 1970.