Методика идентификации антипротонов низких энергий при помощи электромагнитного позиционно- чувствительного калориметра спектрометра Памела

УДК 524.1

МЕТОДИКА ИДЕНТИФИКАЦИИ АНТИПРОТОНОВ НИЗКИХ ЭНЕРГИЙ ПРИ ПОМОЩИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО КАЛОРИМЕТРА СПЕКТРОМЕТРА

ПАМЕЛА

С. А. Роденко, А. Г. Майоров

С июня 2006 г. по февраль 2016 г. на борту космического аппарата Ресурс-ДК1 проводился научный эксперимент ПАМЕЛА по изучению космических лучей в широком диапазоне энергий. Важную роль для этой области физики представляют данные о потоках антипротонов в околоземном космическом пространстве. Их регистрация спектрометром ПАМЕЛА возможна при помощи двух независимых детекторов: трековой системы в магнитном поле и позиционно-чувствительного калориметра (в области низких энергий, < 1 ГэВ). Представленная методика идентификации антипротонов основана на анализе треков антипротона и вторичных заряженных мезонов, возникающих в процессе его аннигиляции в калориметре. Используя методику, можно идентифицировать антипротоны с энергиями 200-800 МэВ, независимо подтвердив данные магнитного анализа и увеличив статистику за счет большего геометрического фактора калориметра в сравнении с трековой системой.

Ключевые слова: антипротон, аннигиляция, электромагнитный калориметр.

Антипротоны - частицы антиматерии, присутствие которых в галактических космических лучах сегодня достоверно подтверждено. Считается, что основным механизмом их генерации в Галактике являются взаимодействия высокоэнергичных космических

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31; e-mail: fenkor@yandex.ru.

лучей с межзвездным веществом, т.н. механизм вторичного рождения [1, 2]. Однако существующие экспериментальные данные в диапазоне энергий от нескольких ГэВ и до 100 ГэВ недостаточно хорошо описываются в рамках данной концепции [3-5]. Это происходит из-за недостатка знаний о механизмах генерации и распространения космических лучей в Галактике и гелиосфере.

Магнитный спектрометр ПАМЕЛА [6] состоит из набора детекторных систем, позволяющих определить скорость, импульс, заряд, энергию, направление прилета и тип зарегистрированной частицы. Идентификация антипротонов в эксперименте ПАМЕЛА возможна двумя независимыми способами: 1) используя отклонение в магнитной трековой системе и время пролета через прибор; 2) анализируя топологию аннигиляции в стриповом позиционно-чувствительном калориметре. В работе рассматривается способ под номером 2.

Электромагнитный калориметр состоит из 44 односторонних кремниевых позиционно-чувствительных плоскостей, чередующихся с 22 пластинами вольфрамового поглотителя. Каждая плоскость содержит 96 стрипов, причем стрипы в соседних плоскостях расположены ортогонально. Это обеспечивает получение двумерной пространственной информации о взаимодействии частиц в калориметре. Подробнее о калориметре спектрометра ПАМЕЛА можно прочитать в работе [6]. Такое устройство позволяет идентифицировать остановившиеся антипротоны, которые аннигилируют в веществе калориметра с образованием вторичных частиц (п-мезонов). Треки разлетающихся частиц имеют характерную форму "звезда" (рис. 1), а также меньшее энерговыделение, чем трек влетевшего антипротона.

у

П I1*

II

, 1 1

1

Рис. 1: Аннигиляция антипротона в калориметре.

Разработан следующий поэтапный алгоритм идентификации антипротонов:

I. Поиск точки влета частицы в калориметр и определение энерговыделения в этой точке.

II. Поиск точки аннигиляции и определение энерговыделения в этой точке.

III. Анализ распределения событий по величине полного энерговыделения в калориметре.

IV. Анализ топологии аннигиляции (анализ треков вторичных частиц).

Метод не лишен недостатков, главным из которых является появление "ложных" событий (фона), вызванных случайно похожими на "звезду" взаимодействиями других частиц в калориметре. Основным фоном являются протоны (доминирующая компонента космических лучей), которые, взаимодействуя в калориметре, могут рождать вторичные частицы и ядра отдачи, образуя топологии, похожие на аннигиляцию антипротонов. Также фоном являются п-мезоны - нестабильные частицы, которые рождаются при взаимодействии первичных протонов с крышкой контейнера или спутником и попадают в апертуру прибора.

Для создания методики идентификации промоделированы антипротоны с жесткостью 0.75 ГВ, моноэнергетические протоны в диапазоне жесткостей 0.75-15 ГВ, моноэнергетические п-мезоны в диапазоне жесткостей 0.75-15 ГВ. Последовательно применим каждый шаг алгоритма к указанным выше частицам.

I. Поиск точки влета частицы в калориметр. Для простоты будем считать, что сигнал в первой плоскости присутствует всегда. Ищутся сработавшие стрипы, выбираются те события, где сработало не более 2-х стрипов или 2-х групп из двух соседних сработавших стрипов. Из двух сработавших стрипов (групп стрипов) выбирается стрип с максимальным энерговыделением - этот стрип и является координатой точки влета.

Построены распределения событий по величине энерговыделения в точке влета для антипротонов с жесткостью 0.75 ГВ и протонов с жесткостью 1 и 2.5 ГВ (рис. 2).

Далее отбираются события с энерговыделением больше 1.5 mip1. Этот критерий эффективно отбрасывает протоны высокой энергии, которые, в отличие от низкоэнергичных антипротонов, имеют малые ионизационные потери в первой плоскости калориметра.

II. Поиск точки аннигиляции. В плоскостях с 5 по 17, что соответствует середине калориметра, выбираются первые несколько точек с максимальным энерговыделением.

xmip - minimum ionizing particle (одиночная релятивистская частица). Энерговыделение для одиночной релятивистской частицы принято за единицу измерения энерговыделения.

Рис. 2: Распределения событий по энерговыделению в точке влета.

Рис. 3: Поиск точки аннигиляции (1 - точка влета, 2 и 3 - точки с максимальным энерговыделением, 3 - точка аннигиляции).

Каждая из них соединяется с точкой влета прямой и вычисляется энерговыделение в цилиндре вокруг этой прямой ±1 стрип. Цилиндру с максимальным энерговыделением будет принадлежать точка аннигиляции (рис. 3).

Построены распределения по величине энерговыделения в точке аннигиляции для антипротонов с жесткостью 0.75 ГВ и протонов с жесткостью 1 и 2.5 ГВ (рис. 4).

Рис. 4: Распределения событий по энерговыделению в "точке аннигиляции"

Для дальнейшего анализа отбираются события с энерговыделением больше 5 mip. Критерий оказывается эффективным и хорошо исключает из анализа протоны любых энергий, в том числе с жесткостью ниже 1 ГВ. Это объясняется тем, что протоны не дают дополнительного энерговыделения, связанного с аннигиляцией в точке остановки.

III. Анализ распределения событий по величине полного энерговыделения в калориметре. Вторичные частицы, образующиеся в результате аннигиляции антипротона, также дают энерговыделение в калориметре. Это обстоятельство тоже учтено в алгоритме.

На рис. 5 показано распределение событий по величине суммарного энерговыделения в калориметре для антипротонов с жесткостью 0.75 ГВ и протонов с жесткостью 2.5 ГВ. Хвост протонного распределения в области высоких энерговыделений не велик и обусловлен ядерными взаимодействиями. Пик (суммарных) потерь энергии в калориметре для антипротонов находится в диапазоне 200-600 mip, а для протонов - ниже 200 mip. Для анализа отбираются события с суммарным энерговыделением в калориметре больше 200 mip. Отметим, что с ростом энергии протонов ядерные взаимодействия становятся более интенсивными и протоны лучше имитируют антипротоны. Однако протоны высоких энергий исключаются из анализа предыдущими критериями.

Энерговыделение, пир Энерговыделение, пир

Рис. 5: Распределение событий по величине полного энерговыделения в калориметре.

IV. Анализ топологии аннигиляции (анализ треков вторичных частиц). При аннигиляции антипротона в веществе калориметра образуются п-мезоны, разлетающиеся под определенными углами согласно закону сохранения импульса. Для того чтобы идентифицировать антипротоны, ищутся выделенные направления п-мезонов.

Для антипротонов 0.75 ГВ и для протонов с различной жесткостью проанализирована зависимость числа вторичных частиц от их средних углов разлета из точки аннигиляции. Наибольшее количество антипротонов приходится на область, в которой средний угол разлета вторичных частиц меньше 40 градусов, а число пиков от 4 до 8, тогда как протоны сосредоточены в области, где средний угол разлета вторичных частиц больше 50 градусов, а число пиков меньше четырех.

В результате применения разработанного алгоритма к данным моделирования были получены величины эффективности отбора2 антипротонов и режекции3 протонов и п-мезонов (табл. 1). Анализ проводился только с использованием калориметра.

Ожидаемое соотношение потоков протонов и антипротонов в космических лучах при энергиях ^100 МэВ 1 : 10-5 [6], поэтому, для надежного исключения протонов из анализа, уровень их режекции должен быть < 10-5.

2Эффективность отбора равна количеству отобранных событий, деленному на количество промоделированных событий.

3Режекция равна количеству отобранных событий, деленному на количество промоделированных событий.

Таблица 1

Эффективность отбора и фон

Частица Жесткость, Эффективность Частица Жесткость, Эффективность

ГВ /режекция ГВ /режекция

Антипротон 0.75 0.1 (-25 см2- ср) 2.5 1.5  10-4

0.75 < 6.5  10-5 3 5.6  10-4

1 < 6.4  10-5 Протон 4 9.7  10-4

Протон 1.25 < 6.5  10-5 5 1.3  10-3

1.75 < 1.1  10-4 п-мезон 1 < 4.1  10-4

2 2.0  10-4 1.25 1.5  10-4

Фактор режекции с ростом энергии уменьшается, а имитация антипротонов протонами и п-мезонами растет; примесь фона в антипротонах растет с ростом энергии. Был построен график зависимости режекции протонов от жесткости (серые точки на рис. 6). На графике черной пунктирной линией построен спектр галактических космических лучей в безразмерных единицах (площадь под графиком равна 1). Белыми точками показана "режекция" протонов, полученная умножением отнормированного спектра ГКЛ на значения режекции протонов для определенной жесткости.

0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5

Жесткость, ГВ

Рис. 6: Зависимость режекции протонов от жесткости.

Полученная режекция в области энергий свыше нескольких ГэВ недостаточна и выходит за пределы требуемого значения, поэтому предложенный метод пока нельзя применять к экспериментальным данным. Однако отметим, что п-мезоны и протоны с низкими энергиями уже сейчас хорошо исключаются из анализа.

Планируется усовершенствовать метод для лучшего исключения протонов высоких энергий. Если не получится этого сделать при помощи только калориметра, то в анализ будет включена время-пролетная система, измеряющая скорости частиц. Это приведет к уменьшению светосилы отбора, но повышению достоверности результатов.

Работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 14—12— 00373) и при поддержке гранта Президента РФ (грант MK-6271.2015.2).

ЛИТЕРАТУРА

[1] I. V. Moskalenko and A. W. Strong, Astrophys. Journ. 493, 694 (1998).

[2] S. A. Stephens, Astrophys. and Space Sci. 76(1), 87 (1981).

[3] M. Boezio, V. Bonvicini, P. Schiavon, et al., Astrophys. Journ. 561, 787 (2001).

[4] Y. Asaoka, Y. Shikaze, K. Abe, et al., Phys. Rev. Lett. 88(5), 051101(1-4) (2002).

[5] K. Abe, H. Fuke, S. Haino, et al., Measurement of cosmic-ray low-energy antiproton spectrum with the first Bess-Polar Antarctic flight. // arXiv:nucl-ex/0805.1754v2.21 Sep 2008.

[6] P. Picozza, A. M. Galper, G. Castellini, et al., Astroparticle Physics, 27, 296 (2007).

По материалам V Международной молодежной научной школы-конференции "Современные проблемы физики и технологий".

Поступила в редакцию 12 июля 2016 г.