Способ регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для измерения параметров широкого атмосферного ливня от космических лучей сверхвысоких энергий. Предложен способ регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней, состоящий из системы детекторов черенковского излучения, при этом детекторы черенковского излучения устанавливаются на беспилотные летательные аппараты. Технический результат – повышение эффективности регистрации излучения.

 

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для измерения параметров широкого атмосферного ливня от космических лучей сверхвысоких энергий.

В настоящее время Якутская установка широких атмосферных ливней (ШАЛ) является ведущей в России и одной из крупнейших установок в мире для исследования космических лучей с энергией выше 10¹⁵ электрон-вольт (эВ). При этом только на Якутской установке ШАЛ реализовано одновременное измерение трех главных компонент ливня: потоков электронов, мюонов и черенковского излучения ШАЛ. Это позволяет получить наиболее надежные оценки массового состава космических лучей в широком диапазоне энергий. Аналогичные зарубежные установки для изучения ШАЛ имеют ряд ограничений. Например, установки KASCADE-GRANDE (Германия, закрыта в 2009), Tibet (Китай) измеряют частицы с предельными энергиями до 10¹⁷ эВ. Обсерватория Pierre Auger - построена международной коллаборацией институтов из 17 стран в южном полушарии, в Аргентине, планировалось строительство второй части в северном полушарии, но остановлено на неопределенный срок. Южная установка состоит из 1600 детекторов заряженной компоненты (водные баки, обозреваемые фотоэлектронными умножителями), размещенных на площади 3000 кв. км с раздвижением 1.5 км между детекторами. Пространство над установкой просматривается 4 детекторами флуоресцентного свечения от ливня в атмосфере. Характеристики ШАЛ восстанавливаются по измерениям распределения заряженных частиц на поверхности земли и по измерениям продольного развития ливня в атмосфере (сайт установки https://www.auger.org). Установка Telescope Array в штате Юта создана коллаборацией университетов из разных стран (сайт установки http://www.telescopearray.org). В эксперименте Telescope Array так же, как и в обсерватории Pierre Auger, используется «гибридный» метод измерения заряженной компоненты ливней и флуоресцентного свечения. Отличие в том, что наземные детекторы - сцинтилляторы площадью 3 кв. м, размещенные на площади 700 кв. км с раздвижением 1.2 км. На этих двух установках исследуются КЛ предельных энергий, выше 10¹⁷ эВ. Якутская установка ШАЛ имеет ограниченные возможности исследования КЛ с энергиями E>10¹⁹ эВ по причине значительно меньшей площади (8 кв. км в настоящее время). Строящаяся в настоящее время группой институтов из России, Германии и Румынии установка TAIGA в долине Тунка имеет меньшую площадь (Установка Тунка-133 с дополнительными 6 кластерами имеет эффективную площадь для 10¹⁷ эВ и выше около 3 кв. км), чем Якутская, и измеряет черенковское излучение ШАЛ. В комбинации с детекторами гамма-излучения HiSCORE (планируемая площадь установки 100 кв. км) группа планирует искать гамма-источники в диапазоне энергий выше 10 ТэВ и источники космических лучей в области 10¹⁴<E<10¹⁸ эВ. Из всех упомянутых установок только Якутская позволяет охватить измерениями область энергий от 10¹⁵ до 10¹⁹ эВ с помощью одного прибора, единой методикой, в пределах которой происходит переход от галактической к внегалактической компоненте космических лучей. Поэтому экспериментальные результаты по энергетическому спектру и оценка массового состава, выполненные единой методикой во всем этом интервале энергий, и сопоставление данных эксперимента с теоретическими предсказаниями позволяют сделать обоснованное заключение об основных источниках галактических космических лучей и в то же время провести исследования в переходной области от галактической компоненты космических лучей к внегалактической. Необходимо также отметить, что установки в Якутске, обсерватория Pierre Auger и Telescope Array дополняют друг друга в исследовании направлений прихода космических лучей сверхвысоких энергий, поскольку области обзора небесной сферы у них разные.

Единственным способом изучения свойств космических лучей с энергией выше 10¹⁵ эВ является регистрация ШАЛ, порождаемых такими первичными частицами, различными способами. Наиболее проработанной и эффективной методикой регистрации ШАЛ является регистрация с помощью наземных установок. Преимущество наземных установок состоит в широком диапазоне регистрируемых энергий космических лучей, способности детектировать различные виды вторичных ливневых частиц (компоненты ливня), а также в их относительной дешевизне по сравнению с альтернативными методами (космические наблюдения). Черенковское излучение ШАЛ является одним из основных источников информации о свойствах космических лучей сверхвысоких энергий. Наземные установки ШАЛ требуют наличия коммуникаций различного рода, а значит, подразумевают наличие населенного пункта. Одной из наиболее распространенных проблем во время регистрации оптическими методами является паразитная засветка фотоэлектронных умножителей, выступающих в качестве детекторов. Засветка уменьшает полезное время работы и апертуру детекторов или значительно повышает порог регистрации, затрудняет калибровку приборов, а значит - уменьшает статистику. Возможным выходом из ситуации может быть установка, полностью или частично состоящая из черенковских детекторов, установленных на беспилотных летательных аппаратах (например, на квадрокоптерах). В случае необходимости месторасположение таких установок может быть оперативно изменено без дополнительных финансовых затрат, что приведет к увеличению полезного времени регистрации. Кроме того, конфигурация таких установок может быть легко скорректирована в соответствии с поставленной научной задачей (например, изменение диапазона энергии регистрируемых космических лучей). Также нахождение в суровых полевых условиях сократится до необходимого минимума (до непосредственного времени наблюдения), что уменьшит износ и случайные инциденты.

Целью изобретения является повышения эффективности экспериментального оборудования, используемого в решении задач фундаментального исследования. Это достигается тем, что детекторы черенковского света устанавливаются на беспилотные летательные аппараты, которые позволят произвольно варьировать конфигурацию системы.

Впервые в мире будет применена методика детектирования черенковского света от широких атмосферных ливней с помощью черенковских детекторов, установленных на квадрокоптеры. Это позволит оперативно менять конфигурацию имеющейся установки ШАЛ, увеличить плотность детекторов или площадь установки в произвольной форме, обусловленной выполнением конкретной задачи. Особенно актуальны мобильные детекторы в условиях соседства с населенными пунктами, создающими паразитный световой фон и, как следствие, уменьшающими полезное время наблюдений, уменьшающими статистику. Увеличив расстоянием между детекторами и населенным пунктом, мы увеличим время наблюдений и соответственно статистику. Во время регистрации беспилотный летательный аппарат будет находиться на земле, чтобы уменьшить потребление батареи и создаваемые работой мотора помехи. Непосредственно перед началом наблюдения беспилотные летательные аппараты с установленными на них детекторами будут перемещаться и приземлятся для наблюдений на указанные геоточки, а после окончания наблюдения возвращаться в центральный пункт регистрации на подзарядку. Сведение времени нахождения в суровых полевых условиях до необходимого минимума значительно уменьшит износ приборов, а также защитит от случайных инцидентов (разлив реки, повреждения от транспортных средств). Передача данных осуществляется по стандартам WiMax и GSM для получения информации в реальном времени, кроме того, накопленную информацию можно будет извлечь и вручную во время дневной зарядки аккумуляторов. Прибор GPS также будет использован для временной синхронизации. Предполагается использовать пассивные источники питания, в условиях низких температур разумно будет использовать LiFePO₄ аккумуляторы, обладающие меньшей емкостью, но устойчивые к низким температурам. В качестве наблюдающей камеры впервые на Якутской установке ШАЛ будут опробованы кремниевые твердотельные фотоумножители (например, http://www.ait-instruments.com), обладающие небольшой массой и низким энергопотреблением (низким напряжением питания 12 B по сравнению с обычными фотоэлектронными умножителями 1-2 кВ), цена на которые пока высока, но постоянно снижается. Таким образом, мы не только улучшаем потенциал уже имеющейся у нас комплексной установки широких атмосферных ливней, но и закладываем фундамент для будущей модернизации и, возможно, для нового типа установок, состоящих из детекторов, установленных на беспилотные летательные аппараты, которые могут быть применены в любом месте.

Возможность двусторонней передачи данных на расстоянии позволяет наладить систему фильтрации событий, что позволит сэкономить место на носителях информации, разработать сеть черенковских детекторов на радиоуправляемых квадрокоптерах.

Одной из нерешенных проблем происхождения космических лучей сверхвысоких энергий является массовый состав ядер в потоке космических лучей. Имеются противоречивые сведения о средней массе ядер, полученные по измерениям глубины максимума ШАЛ и ее флуктуаций по данным обсерватории Pierre Auger, Telescope Array и Якутской установки ШАЛ (E. Barcikowski et al., Mass composition working group report. EPJ Web of Conferences 53, 2013, 01006). Измерения черенковского света детекторами на мобильной платформе будут проводиться впервые в мире. Экспериментальное исследование космических лучей таких энергий возможно лишь посредством регистрации ШАЛ - каскадов вторичных элементарных частиц, порождаемых частицами первичного космического излучения в результате сильных и электрослабых взаимодействий с ядрами атомов в атмосфере, так как интенсивность первичного космического излучения чрезвычайно низкая. Прежде всего, остаются неустановленными состав и источники космических лучей. Данные экспериментов HiRes (США) и Telescope Array указывают на протонный состав космических лучей с энергией выше 10¹⁹ эВ. Тогда как данные Якутской установки ШАЛ по доле мюонов и обсерватории Pierre Auger по глубине максимума указывают на увеличение доли тяжелых ядер с ростом энергии при этих энергиях. Несмотря на относительно небольшую статистику (несколько тысяч событий), это противоречие достаточно значимое.

Способ регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней, состоящий из системы детекторов черенковского излучения, отличающийся тем, что с целью увеличения эффективности работы детекторы черенковского излучения устанавливаются на беспилотные летательные аппараты.