Физика / 9. астрофизика и космические лучи

Д.ф.-м.н. ¹⁾ Мукашев К.М. , д.ф.-м.н. ²⁾ Садыков Т.Х.

¹⁾ Национальный педагогический университет им. Абая, Казахстан

²⁾ Физико-технический институт, Казахстан

Исследования физики и астрофизики космических лучей сверхвысоких

энергий и процессов в атмосфере на высокогорной научной станции

Для развития метода исследования взаимодействия космических лучей (КЛ) с веществом принципиальное значение имело создание теории ядерно-электромагнитных каскадов (ЯЭК) в атмосфере и в плотных слоях вещества, которая позволило понять природу развития КЛ и интерпретировать данные наземных исследований. Инициатором этих работ был Скобельцин Д.В. [1]. Первые экспериментальные исследования КЛ были выполнены Зацепиным Г.Т. Результатом этих работ явился вывод о ядерной природе развития КЛ, что привело к пониманию природы КЛ и их образования [2]. В последующие годы экспериментальные исследования развивались в нескольких направлениях.

Изучение характеристик ядерных взаимодействий существенно затруднено многократными взаимодействиями первичных частиц в атмосфере. Отбор ливней, образующих гамма-адронные семейства частиц в рентгено-эмульсионной камере (РЭК) и ионизационном калориметре позволяет выбирать события, образованные в мишени. При этом регистрация стволов широких атмосферных ливней (ШАЛ) дает возможность изучать пространственные и энергетические характеристики наиболее энергичных частиц ливня непосредственно.

Увеличение информации об индивидуальном событии представляется наиболее перспективным направлением в экспериментальном плане. Неопределенность данных, получаемых в наземных опытах с космическими лучами, связана с наличием в первичном излучении широкого набора ядер от протонов до железа, отсутствием прямого измерения состава КЛ и спектров различных компонент, а также прямых данных о характеристиках ядерных взаимодействий. При таких условиях метод исследований предполагает формулировку и проверку различных гипотез.

В последнее время этот интерес в значительной степени возродился в связи с тем, что при энергиях (10¹⁵-10¹⁶) эВ, недоступных пока современным ускорителям, наблюдается целый ряд новых явлений, не получивших объяснения с точки зрения сушествующих теоретических моделей. Заметим, что строгого деления экспериментальных исследований на астрофизические и ядернофизические нет, так как для интерпретации взаимодействий необходимо знать астрофизические характеристики (массовый состав, энергию) потока первичных космических лучей (ПКЛ), а для астрофизических исследований необходимо знать характеристики взаимодействий в указанной области энергий. Для решения этих задач на высоте 1700 и 3340 м над уровнем моря созданы уникальные по своим функциональным возможностям следующие экспериментальные средства.

Система подземных нейтронных мониторов. С целью изучения проникающей компоненты космического излучения, следующей в направлении близком к вертикали, был смонтирован и введен в эксплуатацию нейтронный монитор. Подземный двухсекционный монитор расположен в туннеле Высокогорной научной станции космических лучей (Н=3340м) под слоем 20 м водного эквивалента. Внутреннее устройство подземного нейтронного монитора показано на рисунке 1. Монитор состоит из двух отдельных секций, каждая из которых содержит по 9 нейтронных счетчиков типа СНМ15 [1]. По своей конструкции обе секции сделаны максимально подобными схеме стандартного супермонитора НМ64, который расположен на поверхности ТШВНС, и данные которого используются для калибровки подземного монитора. Секции монитора располагаются на расстоянии порядка 1 м непосредственно друг над другом в вертикальной плоскости, а пространство между ними заполнено поглотителем из железа.

Рисунок .1.Устройство двухслойного нейтронного монитора в подземном помещении: 1-нейтронный счетчик СНМ15, 2-деревянный ящик (толщина стенки 2 см), 3- свинец, 4-резина 5- пластиковые сцинтилляторы, 6 -железный поглотитель 7 - скальный грунт (глубина 11 м). Размеры указаны в миллиметрах

Цель, которую преследует такое размещение детекторов - исследовать характеристики поглощения в плотном веществе и способность к инициированию ядерно-активных каскадов у той компоненты космических лучей, которая ответственна за генерацию нейтронных событий в подземном помещении в случае, если частицы этой компоненты движутся примерно в вертикальном направлении [2].

Внутри секции монитора регистрируемые его счетчиками нейтроны образуются при взаимодействии космического излучения с ядрами тяжелого свинцового поглотителя, который окружает нейтронные счетчики. Для замедления этих нейтронов до тепловых энергий служат слои легкого вещества: дерева, из которого сделаны ящики для размещения счетчиков и обогащенной водородом резины, образующей внешний слой, который полностью закрывает секцию монитора снаружи. Кроме замедления испарительных нейтронов от ядерных взаимодействий внутри монитора, внешний слой резины одновременно служит рефлектором, экранирующим внутреннее пространство монитора от фона медленных нейтронов из окружающей среды. В состав наполнения счетчиков введен обогащенный изотопом ¹⁰B газ BF₃. Замедленные нейтроны регистрируются газовыми пропорциональными счетчиками СНМ15 посредством ядерной реакции ¹⁰B(n,α)⁷Li. Длина счетчика составляет 2 м при диаметре 15 см.

В случае, если регистрируемые под землей нейтронные события генерируются частицами, движущимися под малым углом к горизонту, существующее расположение секций монитора окажется малоэффективным для исследования их поглощения. На этот случай в подземном помещении собрана другая установка - нейтронный калориметр, в котором последовательные ряды нейтронных счетчиков располагаются в горизонтальном направлении (рисунок 2).

Рисунок 2. Устройство нейтронного калори метра: 1-нейтронный счетчик Гелий-2. 2 –дерево. 3-свинец. 4-резина. Размеры указаны в миллиметрах.

Так же как и в нейтронном мониторе, для генерации нейтронов внутри калориметра используется свинцовый поглотитель, а в качестве замедлителя применены слои дерева и резины. Детекторами тепловых нейтронов служат наполненные газом He пропорциональные счетчики Гелий-2, имеющие размер 30x1000 мм. Регистрация тепловых нейтронов в таких счетчиках происходит благодаря ядерной реакции He (n,p)H. Малые геометрические размеры этих счетчиков позволяют в каждом событии с высоким разрешением регистрировать пространственное распределение нейтронов внутри калориметра, что дает возможность подробно исследовать развитие ядерно-активных каскадов [3]. Общее число счетчиков в калориметре равно 152, они сгруппированы в восемь последовательных рядов (четыре ряда по оси X и два ряда по оси Y, по 19 счетчиков в каждом ряду).

С помощью этих счетчиков был получен дифференциальный спектр кратности наблюдаемых в подземном мониторе нейтронных событий (Рисунок 3). Для сравнения на этом же рисунке приводятся спектры кратности, полученные на стандартных секциях A, B и C наземного супермонитора 18НМ64, а также в секции E, представляющей собою одну секцию подземного монитора, установленную на поверхности Тянь-Шаньской высокогорной станции (ТШВНС). При построении спектров для всех рассматриваемых установок данные отдельных секций обрабатывались независимо друг от друга, а спектры кратности, полученные для каждой секции по отдельности, усреднялись между собой. Суммарное живое время работы, в течение которого получены представленные на рисунке 3 данные, составляет 1140 часов для подземного монитора, 320 часов для секции E и свыше 5000 часов - для супермонитора 18НМ64. Как видно из рисунка 3, дифференциальный спектр кратности в подземном мониторе с достаточной степенью точности может быть представлен в виде простой степенной зависимости:

dN / dM = A· M ^-3,7, (1)

где А= 0,36 м^-2c^-1.

Эта функция представлена на рисунке 3 в виде сплошной прямой линии. В области M>3 степенная форма наблюдаемого на подземном мониторе спектра близка к форме спектра, который регистрируется в работающих на поверхности ТШВНС мониторах, отличие в показателях их наклона не превышает 0,3. И это несмотря на то, что природа частиц, ответственных за нейтронные события в этих установках, должна быть совершенно иной. Действительно, нейтронные события на поверхности Тянь-Шаньской станции генерируются адронами космических лучей, которые на своем пути к подземному помещению должны практически полностью поглощаться грунтом: пробег поглощения адронной компоненты составляет [4], и в этом случае слой грунта толщиной 2000 г/см² должен ослаблять поток адронов более чем в 10⁶ раз. В то же время, как это видно на рисунке 3, абсолютные интенсивности нейтронных событий, наблюдаемых на подземном мониторе и в однотипной с ним секции E, которая работает на поверхности станции, отличаются только в 600-800 раз. Такому соотношению интенсивностей соответствует величина пробега поглощения нейтронообразующей компоненты порядка 300-320 г/см², что в 2,5-3 раза превосходит указанное значение для адронной компоненты космических лучей [5].

Рисунок 3. Дифференциальные спектры кратности событий: 1 - подземный нейтронный монитор Тянь-Шаньской высокогорной станции; 2- супер монитор 18НМ64; 3- секция Е подземного монитора, работавшая на поверхности станции. Сплошная прямая линия соответствует аппроксимации (1). Пунктирными прямыми обозначено направление линий равной интенсивности событий.

Наблюдаемая интенсивность нейтронных событий в подземном мониторе означает, что эти события должны происходить от взаимодействия частиц, которые обладают проникающими свойствами мюонов. Этот вывод подтверждается ещё и тем обстоятельством, что в области малых значений кратности M5, где на спектрах супермонитора 18НМ64 и секции E начинают сказываться пороговые эффекты, связанные с поглощением адронов в атмосфере, спектр кратности в подземном помещении сохраняет свою степенную форму [6,7].

Комплексная установка «Адрон-44» [8-10]. Комплексная установка состояла из ионизационного калориметра, рентгеноэмульсионной камеры и сменяемой мишени (углерод, железо). Площадь установки составляла 44 м² (рисунок.4). Анализируя полученные данные на установке «Адрон-44» и результаты теоретических оценок можно констатировать :

· процесс образования струй (двухструйные события типа бинокуляр) с большими поперечными импульсами вносит заметный вклад в генерацию гамма-семейств при высоких энергиях;

· на комплексной установке зарегистрированы и исследованы события типа гало с большой концентрацией энергии (20 ТэВ/мм²) в ограниченной пространственной области (~1см²), тогда как для установок с рассредоточенными детекторами существует большая вероятность просчета таких событий;

Рисунок 4. Схема установки «Адрон-44»: а – РЭК, б – иониза-ционные камеры; в – Pb, толщиной 1,5 см; г – Pb толщиной 0,5 см; д – Fe, толщиной 24 см; е – слои Fe, толщиной по 32 см.

Рис. 2.7 - Схема установки «Адрон-44»

· показано, что эффект запаздывания адронов от переднего фронта ШАЛ на высоте 1700 метров над уровнем моря согласуется с результатами полученными на высоте 3340 метров над уровнем моря.

Проведенное исследование выполнено на комплексных установках, позволяющих получать наиболее полную и достоверную информацию о характеристиках элементарного акта при взаимодействии адронов космических лучей с энергией Е>10¹³ эВ c атомными ядрами вещества. На основе полученных результатов по изучению микроструктуры событий с гало разработаны рекомендации по определению энергии гало, а также показано, что для предотвращения случаев потери большой доли энергии ШАЛ необходимы установки со сплошной центральной частью.

Таким образом, продолжение научно-исследовательских работ на Тянь-Шаньской высокогорной станции и их развитие в рамках создаваемого Евразийского высокогорного научного центра космических лучей будет способствовать утверждению Республики Казахстан в статусе одной из ведущих стран мира в исследовании физики и астрофизики космических лучей.

Литература:

1. Жунусбеков М.К., Садыков Т.Х. Калибровка модели развития нейтронного каскада в объеме монитора НМ-06 с использованием экспериментальных данных // Труды XV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых Кемерово-Томск, 2009. С. 287-288.

2. Садыков Т.Х., Байгубеков А.С., Жунусбеков М.К., Застрожнова Н.Н. Сравнение некоторых характеристик атмосферных взаимодействий с образованием «гало» с модельными расчетами // 31-я ВККЛ, Москва, МГУ, 2010.

3. Байгубеков А.С., Жунусбеков М.К., Застрожнова Н.Н., Новолодская О.А., Садыков Т.Х. О вероятности повторных взаимодействий лидирующих частиц внутри ядра при энергии больше 10 ТэВ // 31-я ВККЛ, Москва, МГУ, 2010.

4 Жуков В.В., Мукашев К.М., Степанов А.В., Садыков Т.Х., Яковлев В.И. Исследование зенитного углового распределения ШАЛ // Вестник КазНПУ, серия физ.-мат.науки. 2009. №4 (31) С.132-135.

5. Садыков Т.Х., Застрожнова Н.Н., Жуков В.В., Чубенко А.П., Вильданова Л.И., Мукашев К.М., Оскомов В.В., Крякунова О.Н. Сотрудничество вузов и НИИ в рамках создаваемого Евразийского высокогорного научного центра космических лучей (результаты и перспективы) // Материалы международного научно-образовательного конгресса «Наука будущего», организуемого Евразийской ассоциацией университетов, МГУ им. М.В. Ломоносова, КазНУ им. аль-Фараби. - Алматы, 2010. С. 109-113.

6. Байгубеков А.С., Жунусбеков М.К., Застрожнова Н.Н., Новолодская О.А., Садыков Т.Х. О вероятности повторных взаимодействий лидирующих частиц внутри ядра при энергии больше 10 Тэв // Ядерная физика. 2011. Т.74, №12. С. 1-4.

7. Мукашев К.М., Садыков Т.Х. Физика, астрофизика космических лучей и аномальные эффекты в адронных взаимодействиях. Монография. - Алматы. 2011. 375 с.

8. Дробжев В.И., Крякунова О.Н., Садыков Т.Х., Мукашев К.М. и др. Казахстанская система мониторинга и прогноза космической погоды // Материалы Международной конференции «Космос на благо человечества – взгляд в будущее». Астана. 2011. С. 60-61.

9. Садыков Т.Х. Исследование аномальных событий в области взаимодействий частиц космического излучения // Материалы Международной конференции «Космос на благо человечества – взгляд в будущее». - Астана. 2011. С. 85-87.

10. Мукашев К.М., Садыков Т.Х. Развитие перспективных научных исследований на высокогорном научном комплексе «ATHLET» // Сборник статей 11-международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - Санкт-Петербург, 2011. C. 398-401.