Телеизмерения процесса прохождения атмосферы земли астрочастицами с энергиями выше 1015 эВ

УДК 539.073

ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ ПРОЦЕССА ПРОХОЖДЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ АСТРОЧАСТИЦАМИ С ЭНЕРГИЯМИ ВЫШЕ 1015 ЭВ

О. Д. Далькаров1, К. А. Котельников1, С. К. Котельников1, Т. Х. Садыков2, Ю.А. Трубкин1

Рассматривается возможность исследовать взаимодействия астрочастиц высоких энергий, используя методику волоконной оптики.

Ключевые слова: астрочастицы высоких энергий, волоконная оптика.

Исследовать при энергиях выше 1015 эВ астрочастицы (атомные ядра различных химических элементов) в ближайшие годы, по-видимому, возможно только изучая взаимодействия таких частиц с ядрами атомов атмосферы Земли. Однако, проходя атмосферу, астрочастицы как правило образуют в результате каскадных процессов широкие атмосферные ливни частиц космических лучей (ШАЛ). При высоких энергиях ШАЛ могут содержать миллионы заряженных частиц на уровне наблюдения, что очень сильно затрудняет проведение физических измерений [1]. Большое число частиц, большие флуктуации каскадных процессов в ШАЛ, очень низкая интенсивность астрочастиц при энергиях выше 1015 эВ - все эти факторы крайне усложняют проведение экспериментальных исследований в космических лучах и сопоставление данных о ШАЛ с результатами, полученными на LHC [2].

Избежать проблем, связанных с каскадными процессами в ШАЛ, можно при регистрации ядерных взаимодействий астрочастиц в стратосфере, используя автоматические высотные аэростаты [3]. Однако небольшие размеры стратосферных установок, короткие по времени полеты аэростатов не позволяют получать экспериментальный материал, достаточный для детального анализа взаимодействий астрочастиц высоких энергий.

В последние годы благодаря успехам в развитии техники волоконной оптики появилась возможность разработать "прорывную" технологию: на высокогорных установках регистрировать не все частицы ШАЛ, а частицы выше определенного энергетического

1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: kakotel@gmail.com.

2 Физико-технический институт, Алматы, Казахстан.

Краткие сообщения по физике ФИАН

номер 8, 2016 г.

порога. Например, выше порога, равного 1 ТэВ [3]. Такой метод позволит избавиться от большого фона каскадных частиц малых энергий, не исключая при этом возможность проводить анализ физики ядерных процессов [4, 5].

Рис. 1: На рисунке схематично показан модуль установки. Электрон (1) с энергией

ТэВ в свинцовой пластине толщиной 6 каскадных единиц (2) создает электронно-фотонную лавину с числом электронов ~ 105, которые в сцинтилляционных волокнах (3) образуют около 106 "захваченных" фотонов. Фотонный сигнал по волоконно-оптическим кабелям (4) поступает на ПЗС матрицы (5) и далее электрический сигнал - в компьютер (6).

На рис. 1 схематично показан модуль установки с волоконно-оптической методикой регистрации электронно-фотонных лавин, энергии которых выше 1 ТэВ. Сцинтилля-ционные волокна предполагается использовать фирмы Яатт-ОоЪат [6]. Волокна этой фирмы изготавливаются из прозрачной органики со сцинтилляционными добавками и шифтером. Волокна модуля в сечении прямоугольные (1 кв. мм) и уложены сплошным настилом в два слоя по оси X и по оси У. Протестировать модуль предполагается на пучках ускоренных электронов.

При волоконно-оптической методике регистрации взаимодействий астрочастиц с ядрами атомов атмосферы отпадает необходимость использовать рентгеновскую пленку. Вместе с тем появляется возможность, наряду с данными, получаемыми при помощи волоконной оптики, определять также энергию и направление прихода первичной аст-рочастицы по результатам измерений на соответствующей установке ШАЛ. Появляется также возможность применять компьютерную технику для отбора и записи только таких событий, в которых каскадные процессы не сильно затрудняют обработку и анализ экспериментального материала.

Как следует из проведенных оценок, на высокогорных установках с модулями, расположенными на площади 1000 кв. метров, с достаточно высокой эффективностью и с хорошей точностью могут детектироваться как одиночные каскады с энергиями выше 1 ТэВ, так и семейства таких каскадов. В частности, появится возможность из большого фона ШАЛ выделять для анализа только такие случаи, в которых астрочастица "проскочила" атмосферу и испытала только одно ядерное взаимодействие над установкой. Ожидаемая статистика событий: за год эксплуатации высокогорной установки площадью 1000 квадратных метров будет зарегистрировано несколько астрочастиц с энергиями выше 1016 эВ и сотни частиц с энергиями выше 1015 эВ.

Анализ экспериментального материала, получаемого на обсуждаемой установке, позволит понять перспективность и недостатки волоконной методики исследований аст-рочастиц. При положительных результатах анализа площади детекторов практически можно увеличить в несколько раз и увеличить тем самым статистику событий в диапазоне энергий 1015 — 1016 эВ.

ЛИТЕРАТУРА

[1] G. Matthiae, Auger Collaboration. Status and Results, 2008, arxiv:0802.2114.

[2] The Alice Collaboration, arXiv:1011.3914 v2[nucl-ex]15 Jun 2011.

[3] А. В. Апанасенко, Н. А. Добротин, Л. А. Гончарова и др., Стратосферное суперсемейство с Е Ey > 2  1015 eV, 1977, 15th ICRC, 7, 220-225.

[4] В. И. Оседло, А. К. Манагадзе, Т. М. Роганова и др., The Halo and High Energy Jet in Stratospheric STRANA Syperfamily wth Eo>1016 eV, 2007, 30 ICRC, 4, 663-666.

[5] О. D. Dalkarov, K. A. Kotelnikov, S. K. Kotelnikov, Changes in mechanism of nuclear interactions of high-energy cosmic rays, ICRC, 2013, 205; conference:C13-07-02, p0205 proccedings.

[6] www.detectors.saint-gobain.com

Поступила в редакцию 23 ноября 2015 г.