Энергетические спектры средних и тяжёлых ядер по данным стратосферного полёта спектрометра ATIC тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Батьков, Константин Евгеньевич

• Батьков, Константин Евгеньевич
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Батьков, Константин Евгеньевич

Введение

1 Обзор существующих экспериментов

1.1 Калориметрическая методика.

1.1.1 Эксперименты на спутниках "Протон".

1.1.2 Эксперимент "Сокол"

1.1.3 Эксперимент TIC.

1.2 Рентгеноэмульсионные камеры.

1.2.1 Эксперимент MUBEE.

1.2.2 Эксперимент JACEE.

1.2.3 Эксперимент RUNJOB.

1.3 Черенковские счётчики.

1.3.1 Эксперимент НЕАО-3-С2.

1.4 Рентгеновское переходное излучение.

1.4.1 Эксперимент CRN.

1.4.2 Эксперимент TRACER.

2 Описание эксперимента ATIC

2.1 BGO калориметр.

2.2 Графитовая мишень. 2.3 Сцинтилляционные годоскопы.

2.4 Кремниевая матрица.

2.5 Калибровка детекторов прибора.

2.5.1 Калибровка кристаллов ЕЮС) калориметра.

2.5.2 Калибровка годоскопических сцинтилляторов

2.5.3 Калибровка детекторов кремниевой матрицы.

2.6 Экспозиции в стратосфере.

2.7 Результаты.

2.7.1 Зарядовые спектры.

2.7.2 Спектры энерговыделений.

3 Переход к первичным спектрам

3.1 Построение матрицы отклика.

3.1.1 Моделирование.

3.2 Восстановление энергетических спектров.

3.2.1 Метод сдвига.

3.2.2 Методы решения обратной задачи.

3.2.3 Сравнение методов.

4 Энергетические спектры средних и тяжёлых ядер

4.1 Абсолютные нормировки

4.1.1 Геометрический фактор.

4.1.2 Время экспозиции.

4.1.3 Эффективность алгоритма реконструкции событий

4.1.4 Поправка на отбор событий в данную зарядовую группуЮЗ

4.1.5 Вычисление интенсивностей на границе атмосферы

4.2 Энергетические спектры.

4.2.1 Сравнение с литературными данными.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергетические спектры средних и тяжёлых ядер по данным стратосферного полёта спектрометра ATIC»

Актуальность работы

Исследование космических лучей высокой энергии позволяет решить ряд фундаментальных задач, связанных с процессами, происходящими в источниках частиц космических лучей, а также со структурой магнитных полей в Галактике. В частности, необходимо знать энергетические спектры различных элементов первичных космических лучей с хорошей статистической точностью и методической надёжностью.

Однако, в результате многочисленных экспериментов, выполненных в области энергий больше 100 ГэВ, были получены противоречивые данные по спектральным индексам основных элементов космических лучей, по которым нельзя составить согласованной картины процессов, происходящих в источниках космических лучей и при их распространении к Земле. В связи с этим появилась потребность в детекторах нового поколения, одним из которых является спектрометр ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter), разработанный и построенный коллаборацией из нескольких научных групп США с участием НИИЯФ МГУ.

Аппаратура прибора содержит две новые технологии: полностью активный висмуто-германиевый калориметр (для измерения энергии каскада) и высокосегментированную матрицу кремниевых детекторов (для определения заряда первичной частицы).

Использование новых приборов позволяет выполнять измерения в широком диапазоне энергий и зарядов с помощью одного инструмента. В рамках этого эксперимента предполагается решить следующие задачи:

1. Измерить элементные спектры ядер ПКЛ от протонов до железа в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ.

2. Определить, отличаются ли спектры протонов от спектров гелия и остальных ядер.

3. Определить, имеет ли спектр протонов особенность в области энергий > 1ТэВ.

4. Точно измерить отношение потоков Н/Не как функцию энергии.

5. Определить, различаются ли между собой наклоны спектров тяжёлых ядер.

Настоящая работа является составной частью проекта ATIC. Цель работы

Целью данной работы является определение энергетических спектров средних и тяжёлых ядер первичных космических лучей в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ с использованием полученных в эксперименте ATIC спектров энерговыделений. Для решения этой задачи необходимо:

1. Выполнить моделирование отклика спектрометра ATIC на прохождение в апертуре прибора различных ядер первичных космических лучей (С, О, Ne, Mg, Si и Fe).

2. Решить задачу восстановления энергетических спектров первичных космических лучей по измеренным спектрам энерговыделений в калориметре с использованием аппаратных функций, полученных в результате моделирования отклика прибора методом Монте Карло. Проблема относится к классу обратных некорректно поставленных задач.

3. Исследовать стабильность решения обратной задачи путём сравнения различных методов восстановления энергетических спектров.

4. Исследовать возможность описания полученных результатов в рамках существующих моделей спектров космических лучей в источниках и моделей зависимости времени жизни космических лучей в Галактике от магнитной жёсткости частиц первичных космических лучей.

Научная новизна и практическая ценность работы

1. Научная значимость работы состоит в расширении области детальных экспериментальных данных для энергетических спектров ядер тяжелее лития от ЗбГэВ на нуклон (измеренной в эксперименте НЕАО-3-С2) до 1 ТэВ на нуклон.

2. Практическая значимость работы состоит в том, что результаты моделирования функций отклика прибора, фрагментации потока первичных космических лучей в остаточной атмосфере, а также разработанные автором методы решения обратной задачи могут быть использованы для дальнейших исследований участниками коллабо-рации АТ1С.

3. Новые результаты по спектрам средних и тяжёлых ядер, а также другие имеющиеся данные могут стать базой для создания новых, более реалистических, моделей образования галактических спектров.

Личный вклад автора

1. Создана математическая модель спектрометра ATIC и разработан комплекс программ на основе пакета FLUKA, позволяющий моделировать процессы, сопровождающие прохождение ядер через спектрометр ATIC.

2. С использованием созданной математической модели вычислены матрицы отклика спектрометра ATIC на прохождение средних (С, О) и тяжёлых (Ne, Mg, Si, Fe) ядер первичных космических лучей в апертуре прибора. Моделирование производилось на 50 современных процессорах в течение 15 месяцев. Для расчётов использовались технологии распределённых (GRID) и параллельных (MPI) вычислений.

3. Разработан комплекс программ для решения задачи восстановления энергетических спектров из спектров энерговыделений с использованием метода сдвига и метода последовательных приближений.

4. С использованием пакета FLUKA решена задача о фрагментации потока первичных космических лучей в остаточной атмосфере. На основе полученных вероятностей фрагментации вычислены коэффициенты, позволяющие определить абсолютные потоки ядер на границе атмосферы.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Математическая компьютерная модель спектрометра ATIC, созданная на базе программной системы FLUKA, и методы расчёта отклика спектрометра на частицы первичных космических лучей.

2. Результаты моделирования отклика спектрометра ATIC на средние и тяжёлые ядра (С, О, Ne, Mg, Si и Fe).

3. Решение обратной задачи по восстановлению энергетических спектров средних и тяжёлых ядер из измеренных в эксперименте ATIC спектров энерговыделений.

4. Решение задачи о фрагментации потока космических лучей в остаточной атмосфере.

5. Энергетические спектры средних и тяжёлых ядер в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ, восстановленные из спектров энерговыделений, полученных в стратосферном полёте спектрометра ATIC.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИЯФ МГУ, на Ломоносовских чтениях в 2002, 2003 и 2004 г.г., а также на следующих конференциях:

1. 29th International Cosmic Ray Conference (Пуне, Индия, 2005);

2. 28-я Всероссийская конференция по космическим лучам (Москва, Россия, 2004);

3. 35th COS PAR Scientific Assembly (Париж, Франция, 2003);

4. 28th International Cosmic Ray Conference (Цукуба, Япония, 2003);

5. 18-й Европейский симпозиум по космическим лучам (Москва, Россия, 2002).

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Батьков, Константин Евгеньевич

Заключение

1. На основе программного пакета FLUKA разработан программный комплекс для расчёта функций отклика спектрометра ATIC на падающие в апертуру прибора первичные ядра.

2. С хорошей статистикой произведено моделирование матриц отклика спектрометра ATIC на средние и тяжёлые ядра (С, О, Ne, Mg, Si и Fe). Для моделирования были использованы самые передовые на сегодняшний день технологии распределённых (GRID) и параллельных (кластеры MPI) вычислений.

3. Исследованы разные методы восстановления энергетических спектров из измеренных спектров энерговыделений для ядер С, О, Ne, Mg, Si и Fe.

4. Решена задача о фрагментации потока космических лучей в остаточной атмосфере.

5. Построены энергетические спектры средних (С, О) и тяжёлых (Ne, Mg, Si, Fe) ядер в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ и выполнен анализ полученных результатов.

Благодарности

Я выражаю искреннюю благодарность моему научному руководителю Виктору Ивановичу Зацепину, а также Наталье Владимировне Сокольской и Александру Дмитриевичу Панову за постоянное внимание, ценные советы и полезные замечания при написании этой работы.

Отдельное спасибо моим родителям и тебе, Женя, за огромную поддержку и заботу, просто за то, что вы есть.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Батьков, Константин Евгеньевич, 2006 год

1. В. И. Зацепин, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. JL Башинджагян, К. Е. Бать-ков и другие. Зарядовое разрешение в эксперименте АТИК. Известия РАН: серия физическая 66(11), 1631-1633 (2002).

2. АТИК. Труды четвёртой баксанской молодёж7юй школы экспериментальной и теоретической физики. Под редакцией А. А. Петрухина и М. X. Хоконова, 1-4 (КБГУ, Нальчик, 2003).

3. В. И. Зацепин, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. JI. Башинджагян, К. Е. Бать-ков и другие. Энергетические спектры и зарядовый состав галактических космических лучей, измеренные в эксперименте АТИК-2. Известия РАН. Серия Физическая. 68(11), 1593-1595 (2004).

4. H. В. Сокольская, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. JI. Башинджагян, К. Е. Батьков и другие. Альбедо в эксперименте АТИК: результаты измерений и моделирования. Ядерная физика 68(7), 1225-1232 (2005).

5. Panov, A. D., Adams, J. Н., Ahn, Н. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E., et al. The energy spectra of heavy nuclei measured by the ATIC experiment. Advances in Space Research (2005). doi:10.1016/j.asr.2005.07.040.

6. Guzik, T. G., Ahn, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Chang, J., et al. The ATIC Long Duration Balloon Project. Advances in Space Research 33, 1763-1770 (2004). doi:10.1016/j.asr.2003.05.018.

7. Ahn, H. S., Adams, J. H., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E., et al. ATIC Experiment: Flight Data Processing. In Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference, volume 4, 2109-2112 (Universal Academy Press, Tsukuba, Japan, 2003).

8. Н. JI. Григоров, В. Е. Нестеров, И. Д. Рапопорт и др. Изучение энергетического спектра первичных космических лучей высокой и сверхвысокой энергий на космических станциях "Протон". Ядерная физика 11(5), 1058-1069 (1970).

9. В. В. Акимов, Н. JI. Григоров, Н. А. Мамонтова и др. О нерегулярности в спектре первичных космических лучей в области энергий 1012 эВ. Известия АН СССР, серия физическая 35, 2439-2442 (1971).

10. Н. JI. Григоров, В. Е. Нестеров, В. JI. Пряхин и др. Энергетический спектр а-частиц первичных космических лучей в области высоких энергий по данным измерений на ИСЗ "Протон". Известия АН СССР, серия физическая 35, 2443-2445 (1971).

11. N. L. Grigorov, V. Е. Nesterov et al. Study of energy spectra of primary Cosmic Rays at very high energies on the "Proton" series of satellites. Space Research 12, 1617 (1972).

12. Григоров, H. JI. Изучение космических лучей высокой и сверхвысокой энергии на ИСЗ. Ядерная физика 51(1), 157 (1990).

13. Vernov, S. N., Kumpan, I. P., et al. Device for investigation of high energy primary cosmic rays. In Proceedings of the 17th International Cosmic Ray Conference, volume 8, 49 (Paris, Prance, 1981).

14. Fasso, A., Ferrari, A., Ranft, J., and Sala, P. FLUKA: present status and future developments. In Proc. IV Int. Conf. on Calorimetry in High Energy Physics, Menzione, A. and Scribano, A., editors, 493-502 (World Scientific, La Biodola (Italy), 1993).

15. В. И. Зацепин, Т. В. Лазарева, Г. П. Сажина, Н. В. Сокольская. Энергетические спектры и состав космических лучей в области энергий выше 10 ТэВ на частицу. Ядерная физика 57(4), 684-689 (1994).

16. Burnett, Т. Н., Dake, S., Fuki, М., Gregory, J., et al. JACEE emulsion chambers for studying the energy spectra of high-energy cosmic ray protons and helium. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 251, 583-595 (1986).

17. K. Asakimori, Т. H. Burnettd, M. L. Cherryb et al. Energy spectra and elemental composition of nuclei above 100 TeV from a series of the JACEE Balloon Flight, astro-ph/9509091 (1991).

18. Asakimori, K., Burnettd, Т. H., Cherryb, M. L., et al. Cosmic Ray Proton and Helium spectra — results from the JACEE experiment. The Astrophysical Journal 502, 278A (1998).

19. Takahashi, Y. Elemental abundance of high energy cosmic rays. Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 60B, 83-92 (1998).

20. Asakimori, K., Burnett, T. H., Cherry, M. L., Christl, M. J., Wefel, J. P., et al. Tickling the Knee with JACEE. In Proceedings of the 23rd International Cosmic Ray Conference, volume 4, 708-711 (The University of Calgary, Calgary, Canada, 1993).

21. Asakimori, K. et al. Energy spectra and composition of cosmic rays above 1 TeV per nucleon. In Proceedings of the 22nd International Cosmic Ray Conference, volume 2, 57 (Dublin, Ireland, 1991).

22. Biermann, P. L. Cosmic rays: origin and acceleration. What we can learn from radioastronomy. In Proceedings of the 23rd International Cosmic Ray Conference, 45-83 (World Scientific, Calgary, Alberta, Canada, 1993).

23. Engelmann, J. J., Ferrando, P., Soutoul, A., Goret, P., et al. Charge composition and energy spectra of cosmic-ray nuclei for elements from Be to Ni. Results from HEAO-3-C2. Astron. Astrophys 1(233), 96-111 (1990).

24. Gaisser, T. K. Cosmic rays and particle physics. Cambridge University Press, Cambridge, (1990).

25. Müller, D., Grunsfeld, J., L'Heureux, J., et al. The composition of the arriving cosmic flux at TeV energies and beyond. In Proceedings of the 22nd International Cosmic Ray Conference, volume 2, 25-28 (Universal Academy Press, Adelaide, 1990).

26. Swordy, S. P., L'Heureux, J., Müller, D., and Meyer, P. Measurements of x-ray transition radiation from plastic fibers. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research 193, 591-596 (1982).

27. Müller, D., Swordy, S. P., Meyer, P., L'Heureux, Jacques, and Grunsfeld, J. M. Energy spectra and composition of primary cosmic rays. The Astrophysical Journal 374, 356-365, June (1991).

28. Müller, D., Ave, M., Boyle, P., Gahbauer, F., Hoppner, C., Horandel, J., and Ichimura, M. Measurements with tracer: Discussion of results and future prospects. In Proceedings of the 29th International Cosmic Ray Conference (Pune, India, 2005).

29. Wang, J. Z., Seo, E. S., Adams, J. H., et al. Cosmic-ray shower simulation and reconstruction for the ATIC experiment. In 25th International Cosmic Ray Conference (Durban, South Africa, 1995).

30. Seo, E. S., Adams, J. H., Bashindzhagyan, G. L., et al. Advanced Thin Ionization Calorimeter (ATIC) balloon experiment: expected performance. In SPIE (Colorado, USA, 1996).

31. Adams, J. J., Ampe, J., Bashindzhagyan, G., et al. The CR-1 chip: custom VLSI circuitry for cosmic rays. In Proceedings of the 26th International Cosmic Ray Conference, volume 5, 67-71 (Salt Lake City, USA, 1999).

32. Савин, А. А. Адрно-электорнная сепарация с помощью кремниевых1.детекторов в калориметре установки ЦОИС. Диссертация, МГУ имени М. В. Ломоносова, Москва, (1993).

33. Дж. Адаме, Г.Л. Башинджагян, В.И. Зацепин, М.М. Меркин, М.И. Па-насюк, Г.А. Самсонов, Н.В. Сокольская и Л.А. Хейн. Матрица кремниевых детекторов как детектор заряда в эксперименте АТИК. Приборы и техника эксперимента 4(4), 38-44 (2001).

34. Бабенко, В. В. Измерение характеристик и моделирование зарядового разрешения элементов кремниевой матрицы для эксперимента ATIC. Дипломная работа, МГУ имени М. В. Ломоносова, (1999).

35. Худсон, Д. Статистика для физиков. Мир, Москва, (1970).

36. А.Н. Тихонов, В. А. Методы решения некорректных задач. Наука, Москва, (1979).

37. Ranft, J. The physics models of FLUKA: status and recent developments. In Computing in High Energy and Nuclear Physics 2003 Conference (CHEP2003), volume C0303241 (eCONF, La Jolla, California, USA, 2003). arXiv:hep-ph/0306267.

38. Empl, A., Fass6, A., Ferrari, A., Ranft, J., and Sala, P. R. Progress and applications of FLUKA. In electronic proceedings of 12th RPSD Topical Meeting (American Nuclear Society, Santa Fe, New Mexico, USA, 2002). ISBN 8-89448-667-5.

39. Ferrari, A., Sala, P. R., Fassb, A., and Ranft, J. FLUKA user manual INFN, CERN, (2005). http://www.fluka.org.

40. Беклемишев, Д. В. Дополнительные главы линейной алгебры. Наука, Москва, (1983).

41. М. П. Лапчик, М. И. Рагулина, Е. К. Хеннер. Численные методы. Академия, Москва, (2004).

42. Batkov, К. Е., Panov, A. D., et al. Deconvolution of energy spectra in the ATIC experiment. In Proceedings of the 29th International Cosmic Ray Conference (Pune, India, 2005).

43. Батьков, К. Моделирование энергетического отклика спектрометра АТИК. Дипломная работа, МГУ имени М. В. Ломоносова, (2002).

44. Мурзин, В. С. Физика космических лучей. Издательство Московского Университета, Москва, (1970).

45. Wefel, J. P., Adams, J. H., Ahn, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. E., et al. Energy spectra of H and He from the ATIC-2 experiment.

46. Proceedings of the 29th International Cosmic Ray Conference (Pune, India, 2005).

47. В. А. Березовская, В. И. Галкин, Р. А. Мухамедшин, И. В. Ракоболь-ская, Т. М. Роганова, JI. Г. Свешникова, И. В. Яшин. Моделирование энергетических спектров различных первичных ядер в атмосфере на глубине Юг/см2. Препринт НИИЯФ МГУ-97-43/494 (1997).

48. Ю.А. Глаголев. Справочник по физическим параметрам атмосферы. Гидрометеорологическое издательство, Ленинград, (1970). Под редакцией д.т.н. А.А. Кмито.

49. Osborn, J. L. and Ptuskin, V. S. Cosmic-ray reacceleration in the interstellar medium. Sov. Astron. Lett. 14(2), 132-134 (1988).

50. Swordy, S. P. Expectations for cosmic ray composition changes in the region 1014 to 1016 eV. In Proceedings of the 24th International Cosmic Ray Conference, volume 2, 697-700 (INFN, Roma, Italy, 1995).

51. В. Л. Гинзбург, С. И. Сыроватский. Происхождение космических лучей. Издательство Академии наук СССР, Москва, (1963).

52. Boezio, М., Carlson, P., Franeke, Т., Weber, N., et al. The cosmic ray antiproton flux between 0.62 GeV and 3.19 GeV measured near solar minimum activity. The Astrophysical Journal 487, 415-423, January (1997).