Энергетические спектры высокоэнергичных электронов и позитронов вторичного происхождения в околоземном космическом пространстве тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Гришанцева, Любовь Александровна

• Гришанцева, Любовь Александровна
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гришанцева, Любовь Александровна

Введение. Общая характеристика диссертационной работы.

1. Актуальность темы.

2. Цель работы.

3. Научная новизна.

4. Результаты, выносимые на защиту.

5. Практическая ценность работы.

6. Апробация работы.

Глава 1. Обзор экспериментальных и теоретических исследований потоков электронов и позитронов в околоземном космическом пространстве.

1.1 Результаты экспериментальных измерений потоков высокоэнергичных электронов и позитронов в околоземном космическом пространстве.

1.2 Механизмы генерации потоков электронов и позитронов под радиационным поясом Земли.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергетические спектры высокоэнергичных электронов и позитронов вторичного происхождения в околоземном космическом пространстве»

В последнее время увеличилось число запускаемых искусственных спутников Земли, предназначенных как для выполнения научных, так и прикладных задач. В каждом случае, независимо от выполняемой задачи, для разработки режимов работы аппаратуры необходимо знать радиационную обстановку в околоземном космическом пространстве, т.е. потоки заряженных частиц различных энергий в зависимости от широты, долготы и высоты, в том числе потоки электронов и позитронов.

В настоящее время существуют несколько моделей генерации вторичных электронов и позитронов в околоземном космическом пространстве. В основе этих моделей лежит один и тот же механизм, основанный на взаимодействии первичных космических лучей с ядрами атомов остаточной атмосферы Земли. В результате рождаются пионы, которые через цепочку процессов распада тг^ц/^е* и л;0—»2у образуют электроны и позитроны высоких энергий. Полученные таким образом вторичные частицы могут быть захвачены геомагнитным полем [1].

Экспериментальные работы, выполненные на космических аппаратах, подтвердили и уточнили основные выводы работы [1] для потоков частиц под радиационным поясом. Анализ результатов, выполненный в работах [2, 3, 5 и ссылки в них], показал, что ядерные взаимодействия первичных космических лучей с остаточной атмосферой являются главным источником электронов и позитронов высоких энергий под радиационным поясом. Было обнаружено более чем двукратное преобладание позитронов над электронами (е+/е" в пределах 1-4), а также изменение отношения е+/е" для разных областей околоземного пространства [2, 3, 4 и ссылки в них]. Данный эффект оказалось возможно объяснить дополнительным учетом изменения энергетического спектра первичных космических лучей (эффект геомагнитного обрезания космических лучей), а также дрейфовыми эффектами в геомагнитном поле для электронов и позитронов, образующихся в атмосфере Земли и выходящих в космическое пространство.

Несмотря на сделанные уточнения, наблюдаются расхождения потоков частиц под радиационным поясом Земли, предсказываемых современными моделями генерации вторичных электронов и позитронов, с экспериментальными данными [5]. К тому же статистика, накопленная в экспериментах к настоящему времени, не позволяет провести детальный анализ пространственных характеристик дифференциальных потоков высокоэнергичных электронов и позитронов. В связи с этим, настоящая диссертационная работа, посвященная изучению потоков высокоэнергичных электронов и позитронов в околоземном космическом пространстве, является актуальной благодаря хорошей статистической точности и широкому диапазону энергий экспериментальных данных.

2. Цель работы

• Разработка математической модели спектрометра «АРИНА», определение характеристик спектрометров «АРИНА» и «ПАМЕЛА» при помощи моделирования.

• Исследование потоков высокоэнергичных электронов и позитронов вторичного происхождения в околоземном космическом пространстве в период с июля 2006 по декабрь 2008 года.

3. Научная новизна

• Впервые на одном ИСЗ получены экспериментальные данные по суммарному потоку электронов и позитронов в диапазоне энергий 3 МэВ — 10 ГэВ.

• Впервые получены экспериментальные данные по потокам вторичных позитронов с энергиями до 10 ГэВ.

• Впервые получены детальные пространственные зависимости потоков электронов и позитронов вторичного происхождения в околоземном космическом пространстве.

• Проведен анализ соответствия различных моделей генерации вторичных электронов и позитронов в околоземном космическом пространстве экспериментальным данным, полученным в экспериментах АРИНА и ПАМЕЛА

4. Результаты, выносимые на защиту

• Первое измерение суммарного потока электронов и позитронов в диапазоне энергий 3 МэВ - 10 ГэВ.

• Первое измерение потоков вторичных позитронов с энергиями до 10 ГэВ.

• Детальные широтные зависимости потоков электронов и позитронов вторичного происхождения в околоземном космическом пространстве.

5. Практическая ценность работы

Полученные в экспериментах АРИНА и ПАМЕЛА результаты благодаря хорошей статистической точности могут быть использованы для уточнения модели генерации электронов и позитронов с энергиями от несколько МэВ до 10 ГэВ в околоземном космическом пространстве.

6. Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на:

1. Симпозиуме, посвященном современным научным исследованиям НАТО (NATO Advanced Research Workshop), г. Родос, Греция, 2003.

2. Российской конференции по космическим лучам, Санкт Петербург, 2008.

3. Европейском симпозиуме по космическим лучам (ECRS), г. Кошице, Словакия, 2008.

4. 31-ой международной конференции по космическим лучам (31st ICRC), г. Лодзь, Польша, 2009.

5. Научной сессии МИФИ, Москва, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 и 2009 г.г.

По материалам диссертации опубликовано 24 печатные научные работы (в том числе 8 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК).

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Гришанцева, Любовь Александровна

Заключение

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель спектрометра АРИНА с учетом элементов конструкции. Проведен расчет физических характеристик спектрометра с учетом реальных эффективностей детекторов. Показано, что спектрометр имеет относительное энергетическое разрешение порядка 10%, а максимальная светосила — 6.5±0.5 см2ср при энергиях от 7 до 17 МэВ, что позволяет проводить исследование дифференциальных энергетических спектров электронов.

2. Разработана методика идентификации электронов и позитронов с энергиями от 80 МэВ до нескольких десятков ГэВ по данным спектрометра ПАМЕЛА. Определены физические характеристики прибора с использованием экспериментальных данных и результатов расчетов методом Монте-Карло. Исследована зависимость эффективности регистрации от энергии частиц и времени работы прибора. Максимальная светосила спектрометра примерно равна 12.0±0.5 см ср при энергиях от 600 МэВ до нескольких ГэВ. Показано, что протонный и пионный вклад в потоки электронов и позитронов зависит от области околоземного пространства (то есть от потока протонов космических лучей) и составляет не более 1% при использовании предложенных критериев отбора

3. На основании обработки и анализа экспериментальных данных спектрометров АРИНА и ПАМЕЛА получены следующие результаты:

3.1. Построено отношение потоков вторичных позитронов к электронам под радиационным поясом Земли для энергий от 80 МэВ до 10 ГэВ. Показано, что максимальное значение, равное 5 достигается при энергиях 300-800 МэВ. Также показано уменьшение величины отношения потоков позитронов к электронам с ростом широты наблюдения;

3.2. Получены раздельные спектры вторичных электронов и позитронов в экваториальной области под радиационным поясом Земли при энергиях от 100 МэВ до 10 ГэВ. Также получен суммарный спектр позитронов и электронов в диапазоне энергий от 3 МэВ до 10 ГэВ.

3.3. Исследованы зависимости потоков позитронов и электронов от энергии частицы (в диапазоне 80 МэВ — 10 ГэВ) и широты места наблюдения (от 0 до 55). Показано, что спектры частиц с ростом широты становятся более мягкими.

3.4. Проведено сравнение результатов эксперимента ПАМЕЛА с моделями Михайлова и Дерома генерации потоков вторичных электронов и позитронов в околоземном космическом пространстве. Показано наличие расхождения экспериментальных данных и потоков, предсказанных данными моделями. Таким образом, экспериментальные результаты, полученные в эксперименте ПАМЕЛА, могут быть использованы для уточнения моделей генерации.

В заключении считаю своим долгом выразить искреннюю признательность заслуженному деятелю науки Российской федерации проф., д.ф.-м.н. А. М. Гальперу за руководство и помощь в работе, сотрудникам Института Космофизики БИЯУ МИФИ д.ф.-м.н. С.А. Воронову, к.ф.-м.н. С.В. Колдашову, к.ф.-м.н. В.В. Михайлову за помощь, постоянное внимание и интерес к работе.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гришанцева, Любовь Александровна, 2010 год

1. Григоров Н.Л., Электроны высокой энергии в окрестностях Земли. — М. Наука, 1985: Сер. Физ., 1982, т. 46, стр. 1675.

2. S.A. Voronov, A.M. Galper, S.V. Koldashov et al. // Space Researches, vol. 33, Nr. 5, p. 567, 1991.

3. Воронов C.A., Колдашов C.B., Михайлов B.B., Спектры электронов и позитронов альбедо с энергией более 20 МэВ Космические исследования, т. 33, №. 3, стр. 329, 1995.

4. Воронов С.А., Гальпер A.M., Колдашов С.В, Масленников JI.B., Михайлов В.В., Попов А.В., «Пространственные распределения электронов и позитронов высоких энергий под радиационным поясом Земли», Космические исследования, стр. 140, 1992.

5. Е. Fiandrini, G. Esposito, В. Bertucci, et al. // JGR, vol. 107, Nr. A6, p. 1067, 2002.

6. Басилова P.H., Гусев A.A., Пугачева Г.И. и др., Высокоэнергичные электроны во внутреннем радиационном поясе Земли, Геомагнетизм и аэрономия, 1982, т. 22, 4, стр. 671.

7. Григоров H.JL, Журавлев Д.А., Кондратьева М.А. и др., Космические исследования, 1963 г., т. 1, стр. 436.

8. Григоров H.JL, Клинцов Б.С., Нестеров В.Е. и др, Известия АН СССР: серия физическая, 1966 г., т. 30, стр. 1775.

9. Григоров H.JT. Воропаев С.И., Калинкин Л.Ф. и др., Тезисы доклада на всесоюзной конференции по космическим лучам, Новосибирск, 1967 г.

10. Ю.Рубцов В.И. Труды ФИАН-М.: Наука, 1976, т.88, стр. 8011 .Курносова Л.В., Труды ФИАН М.: Наука, 1976, т.88, стр. 143

11. Курносова Л.В., Матачун А.В., Разоренов Л.А., Фрадкин М.И., Труды ФИАН-М.: Наука, 1980, т. 122, стр. 59

12. Басилова Р.Н., Григоров Н.Л., Калинкин Л.Ф. и др., Известия АН СССР, сер. физическая, 1973 г., т. 37, с. 1297.

13. М.Басилова Р.Н., Григоров Н.Л., Калинкин Л.Ф. и др., Космические исследования, 1977 г., т. 15, с.579.

14. Yu. Е. Efimov, A.A. Gusev, К. Kudela, L. Just, G.I. Pugacheva. Spatial distribution of albedo particles on altitudes ~500 km. Czech. J. Phys. B, vol. 35, p. 1371, 1985

15. Воронов C.A., Гальпер A.M., Кирилов-Угрюмов В.Г., Колдашов C.B., Попов A.B., Зарядовый состав потока высокоэнергичных электронов и позитронов радиационного пояса Земли. Письма в ЖЭТФ, 986, т. 43, стр. 240.17.Гальпер A.M. Изв. АН СССР

16. Гальпер A.M., Грачев В.М., Дмитренко В.В. и др., Исследования потоков электронов и гамма-квантов в ближайшем космическом пространстве, Изв. АН СССР, сер. физ., т. 45, стр. 887.

17. Гальпер A.M., Грачев В.М., Дмитренко В.В. и др., Исследования потоков высокоэнергичных электронов на спутнике Интеркосмос-Болгария-13 00, Космические исследования, 1983, т. 21.5, стр. 707.

18. Воронов С.А., Колдашов С.В., Михайлов В.В., спектры электронов и позитронов альбедо с энергией более 20 МэВ, Космические исследования, 1995, т. 33, №3, стр. 329.

19. Mikhailov V.V., Low energy electron and positron spectra in the earth orbit measured by MARIA-2 instrument. International Journal of modern physics A, March 2002, p. 107

20. Б.А. Тверской, Основы теоретической космофизики, Москва:-Едиториал УРСС, 2004

21. Alcaraz, J., et al. (2000), Leptons in near Earth orbit, Physics Letters B, 484, 10.

22. G.M. Viertel, M. Capell, Nucl. Instr. Meth. A 4191998.295.

23. AMS Collaboration, J. Alcaraz et al., Phys. Lett. В 4611999.387.

24. Fiandrini, E., G. Esposito, B. Bertucci, B. Alpat, R. Battiston, W. J. Burger, G. Lamanna, and P. Zuccon (2002), Leptons with E>200 MeV trapped in the Earth's radiation belt, JGR, 107 (A6), 1067.

25. Григоров Н.Л. О возможности существования радиационного пояса Земли из электронов с энергиями 100 МэВ и выше. Доклады АН СССР, т. 234, стр. 810, 1977

26. Гусев А.А., Пугачева Г.И., Формирование потоков электронов альбедо в геомагнитном поле, Геомагнетизм и аэрономия, 1982, т. 22, №6, стр. 912.

27. Гусев А.А., Никольский С.И., Пугачева Г.И., Синицина В.Г., Электроны высоких энергий на высотах 200-500 км, Изв. АН СССР, сер. физ. 1984, т. 48, № II, стр. 2185.

28. Гусев А.А., Ефимов Ю.Е., Кудела К. И др. Пространственные растпередения альбедных частиц на высотах 500 км, Геомагнетизм и аэрономия, 1985, т. 25, № 4, стр. 536.

29. Июдин А.Ф., Кириллов-Угрюмов В.Г., Котов Ю.Д., Шуршаков В.А., Состав релятивистской электронно-позитронной компоненты радиационного пояса Земли, Геомагнетизм и аэрономия, 1988, т. 28, №1, стр. 129.

30. Комаров В.Б. «Альбедное атмосферное гамма-излучение с энергией больше 30 МэВ», Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. по специальности 01.04.16, МИФИ, 1987

31. Derome, L., М. Buenerd, and Y. Liu (2001), Secondary electrons and positrons in near Earth orbit, Physics Letters B, 515, 1.

32. Koldashov, S. V., V. V. Mikhailov, and S. A. Voronov (1995), Electron and positron albedo spectra with energy more than 10 MeV, ICRC 24th, Rome, 4, p. 993.

33. P. Zuccon, B. Bertucci, B. Alpat et al. Atmospheric production of energetic protons, electrons and positrons observed in near Earth orbit, Astroparticle physics, vol.20, p.221, 2003

34. Lipari, P. (2002), The fluxes of sub-cutoff particles, detected by AMS, cosmic ray albedo and atmospheric neutrinos, Astroparticle Physics, 16, 295.

35. Plyaskin, V. (2008), Mapping Earths radiation belts using data from STS91 mission of AMS, Astroparticle Physics, 30, 18.

36. Gusev A.A., Jayanthi U.B., Pugacheva G.I., Schuch N, trapped positron flux formation in the innermost magnetosphere of the Earth, Earth Planet Space, vol. 54, p. 707, 2002

37. А.В.Бакалдин, А.Г.Батищев, С.А.Воронов, А.М.Гальпер, Л.А.Гришанцева, С.В.Колдашов, П.Ю.Наумов, В.Ю.Чесноков,

38. B.А.Шилов, Экспериментальная аппаратура для регистрации всплесков высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве, Известия Академии наук. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, Том 69, номер 6, 2005, стр. 918; РККЛ2006

39. А.Г. Батищев, С.А. Воронов, A.M. Гальпер, Л.А. Гришанцева,

40. C.В. Колдашов, П.Ю. Наумов, В.Ю. Чесноков, В.А. Шилов, Вопросы планирования и управления в эксперименте «АРИНА» на ИСЗ «Ресурс-ДК1» / А.Г. Батищев и др. // Научная сессия МИФИ 2003 г, Сборник научных трудов. Т. 7. — С. 37.

41. А.В. Бакалдин, . JI.А. Гришанцева, . Эксперимент «АРИНА» по регистрации космических предвестников землетрясений на борту ИСЗ «Ресурс-ДК1» №1 / А.В. Бакалдин и др. // Научная сессия МИФИ 2006 г., Сборник научных трудов. Т. 7. - С. 61.

42. А.Г. Батищев, Л.А. Гришанцева, С.В. Колдашов, П.Ю. Наумов,

43. B.Ю. Чесноков, Интерфейсы взаимодействия систем бортового спектрометра заряженных частиц с системами космических аппаратов / А.Г. Батищев и др. // Научная сессия МИФИ 2004 г., Сборник научных трудов. — Т. 7. — С. 79.

44. А.В. Бакалдин, А.Г. Батищев, А.Н. Гирин, Л.А. Гришанцева,

45. C.В. Колдашов, П.Ю. Наумов, Режимы работы аппаратуры и условия накопления информации в эксперименте «АРИНА» на борту «Ресурс-ДК1» / А.В. Бакалдин и др. // Научная сессия МИФИ 2004 г., Сборник научных трудов. — Т. 7. — С. 77.

46. Л.А. Гришанцева, С.В. Колдашов, В.В. Михайлов, Методика восстановления энергетических спектров в эксперименте «АРИНА» / Л.А. Гришанцева, С.В. Колдашов, В.В. Михайлов // Научная сессия МИФИ 2005 г., Сборник научных трудов. Т. 7. - С. 74.

47. Р. Picozza, A.M. Galper et al. // Astroparticle Physics, vol. 27, p. 296, 2007.

48. G. Osteria et al., Nucl. Instr. and Meth. A 535, 152 (2004)

49. Adriani, et al. (2003). Nucl. Instr. and Meth A(511): 72

50. M. Boezio et al., Nucl. Instr. and Meth. A 487, 407 (2002)

51. J. Lund, A study of the PAMELA anticoincidence system, Licentiat thesis, Kungl Tekniska HAogskolan, Stockholm, 2002

52. S. Orsi et al., 35th COSPAR ScientTc Assembly, Paris (2004), to be published in Adv. Sp. Res.

53. B.C. Мурзин, Физика космических лучей, Издательство Московского университета, 1970

54. Adriani, О.,., Grishantseva L., et al. (2009), An anomalous positron abundance in cosmic rays with energies 1.5-100 GeV, Nature, 458, 607.

55. Adriani, O.,., Grishantseva L., et al. (2009), New Measurement of the Antiproton-to-Proton Flux Ratio up to 100 GeV in the Cosmic RadiationPhys. Rev. Lett. 102, 051101 (2009)63 .www.celestrack.com

56. И.Л. Кантор, A.C. Солодовников, «Гиперкомплексные числа», M.: Наука, 1973.65.«Explanatory supplement to the astronomical almanac» edited by P. Kenneth Seidelmann, US Naval Observatory, Washington, 2000 г

57. McIlvain, С. E. (1961), Coordinates for mapping the distribution of magnetically trapped particles, JGR, 66 (11), 3681.67.http://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/models/geomagnetic/igrf

58. X. Редерер, Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем, Москва:-Мир, 1971.

59. Адриани, ., Л.А. Гришанцева, и др., Потоки вторичных электронов и позитронов в околоземном космическом пространстве по данным спектрометров АРИНА и ПАМЕЛА, Изв. РАН Серия физическая, 2009, том 73, № 3, стр. 382-384

60. Адриани, ., Л.А. Гришанцева, и др., Позитроны и электроны в первичных космических лучах по данным эксперимента ПАМЕЛА, Изв. РАН Серия физическая, 2009, том 73, № 5, стр. 606-608

61. Adriani, О.,., Grishantseva L., et al., Measurements of quasi-trapped electron and positron fluxes with PAMELA, Journal of Geophysical Research, 114, A12218, doi: 10.1029/2009JA014660

62. A.M. Гальпер, . Л.А. Гришанцева Аномальный эффект эксперимента «ПАМЕЛА» — важный шаг к пониманию природы темной материи / A.M. Гальпер и др. // Научная сессия МИФИ 2009, Сборник научных трудов. Т. 1. - С. 94. - ISBN 978-5-7262-1179-4

63. В.В. Михайлов, . Л.А. Гришанцева . Измерения потоков протонов и ядер гелия первичных космических лучей от 100 МэВ до 100 ГэВ в эксперименте ПАМЕЛА / В.В. Михайлов и др. // Научная сессия

64. МИФИ 2009, Сборник научных трудов. ТА. - С. 61. - ISBN 978-57262-1179-4

65. JI.A. Гришанцева . Высокоэнергичные электроны и позитроны в околоземном космическом пространстве / JI.A. Гришанцева и др. // Научная сессия МИФИ 2009, Сборник научных трудов. — Т.4. — С. 65. ISBN 978-5-7262-1179-4

66. С.В. Борисов, . Л.А. Гришанцева, . Методика измерения электрон-позитронного спектра с использованием калориметра спектрометра ПАМЕЛА / С.В. Борисов и др. // Научная сессия МИФИ 2009, Сборник научных трудов. Т.4. - С. 69. - ISBN 978-5-7262-1179-4