Результаты измерения потока атмосферных мюонов в диапазоне зенитных углов 85◦-95◦

УДК 524.1

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКА АТМОСФЕРНЫХ МЮОНОВ В ДИАПАЗОНЕ ЗЕНИТНЫХ УГЛОВ 85°-95°

Е. И. Яковлева, В. А. Хомяков, С. С. Хохлов

Приведены результаты исследования окологоризонтального потока мюонов в диапазоне зенитных углов 85-95 градусов. В этом диапазоне, в частности, регистрируются так называемые альбедные мюоны (атмосферные мюоны, рассеянные в грунте обратно в верхнюю полусферу). Анализируются данные измерительных серий, проведенных на экспериментальном комплексе НЕВОД-ДЕКОР за 30 тысяч часов "живого" времени. Методом Монте-Карло по различным моделям проведено моделирование процессов многократного кулоновского рассеяния мюонов в грунте. Измеренная интенсивность потока мюонов сопоставлена с результатами моделирования.

Ключевые слова: альбедные мюоны, черенковский водный детектор, координатно-трековый детектор, окологоризонтальный поток мюонов.

Введение. Исследование окологоризонтального потока атмосферных мюонов представляет интерес как с точки зрения изучения космических лучей высоких энергий, так и для оценки фона в нейтринных экспериментах. Современные нейтринные обсерватории развертываются в озерах, морях и ледниках Антарктиды (БНТ-200+, ANTARES, IceCube) и достигают эффективного объема в 1 км3. Их работа основана на регистрации черенковского излучения, возникающего при прохождении релятивистских заряженных частиц через воду детектора. Проходя сквозь Землю, нейтрино в результате взаимодействия с ядрами мишени может образовать мюон или каскад, которые приходят из нижней полусферы и регистрируются детектирующими системами. Однако мюоны, идущие из верхней полусферы, могут претерпевать рассеяние в грунте или воде (льде) и имитировать мюоны, приходящие из нижней полусферы, - это так называемые альбедные мюоны. Такие мюоны являются основным источником неаппаратного фона

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское шоссе, 31; e-mail: EIYakovleva@mephi.ru.

в подземных нейтринных экспериментах. Теоретические оценки потока альбедных мю-онов зависят от используемых моделей, которые дают расходящиеся результаты; поэтому экспериментальные данные по атмосферным мюонам из нижней полусферы играют важную роль для физики нейтрино космических лучей.

Экспериментальные данные. Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР (НИ-ЯУ МИФИ, г. Москва) предназначен для регистрации всех компонент космических лучей на поверхности Земли, в том числе и альбедных мюонов. Основой комплекса является черенковский водный детектор (ЧВД) НЕВОД [1] объемом 2000 м3 с детектирующей системой в виде пространственной решетки из 91 квазисферического модуля (КСМ), каждый из которых состоит из 6 фотоумножителей с плоским фотокатодом, направленных по осям ортогональной системы координат. Такая конструкция позволяет восстанавливать направление прихода черенковского света с любого направления практически с равной эффективностью уже на уровне одного КСМ. Вокруг бассейна развернут координатно-трековый детектор ДЕКОР [2] площадью 70 м2, в состав которого входят восемь супермодулей (СМ), состоящих из 8 вертикально расположенных плоскостей газоразрядных трубок, работающих в режиме ограниченного стримера. Координатно-трековый детектор позволяет выделять треки заряженных частиц с высокой угловой (лучше 1°) и пространственной (около 1 см) точностью.

В работе анализировались данные измерительных серий, проведенных на экспериментальном комплексе в 2002-2004 годах (10548 часов "живого" времени), и серий, проведенных после модернизации регистрирующей и детектирующей систем ЧВД [3] в 2011-2015 годах (19843 часа "живого" времени).

Отбирались события, в которых сработало два супермодуля, расположенных вдоль противоположных коротких сторон бассейна (СМ00, СМ01 и СМ06, СМ07), причем восстановленные каждым супермодулем треки согласуются в пределах конуса с раствором 5° и предположительно являются треками одного мюона. Тогда в качестве трека мюона принимается "средний" трек, проходящий через центры треков в каждом СМ. Такие события регистрируются в интервале зенитных углов 85°-95°, пороговая энергия мюонов составляет примерно 7 ГэВ.

Поскольку поток мюонов из верхней полусферы на несколько порядков больше, чем поток мюонов, летящих в восходящем направлении (из-под горизонта), ключевым моментом в выделении альбедных мюонов является надежное определение направления движения частицы.

На экспериментальном комплексе одновременно реализованы два метода определения направления - с использованием направленности черенковского излучения и на основе времяпролетной методики.

Обычно при регистрации событий с окологоризонтальными мюонами большинство сработавших ФЭУ направлены в сторону прихода мюона, поэтому определить направление движения частицы можно по относительной разнице амплитуд сработавших ФЭУ, ориентированных в противоположные короткие стороны бассейна.

Триггерная система координатно-трекового детектора содержит информацию об относительных временах срабатывания супермодулей с дискретностью 25 нс. Время пролета мюона между СМ составляет около 90 нс, поэтому события могут быть разделены и времяпролетным методом.

Перекрестный анализ методов показал, что вероятность ошибки амплитудного метода составляет ~10-3 для измерительных серий 2002-2004 годов и ~10-5 для измерительных серий 2011-2015 годов. Вероятность ошибки времяпролетного метода для всех серий ~10-3. Совместное использование двух методов позволяет снизить вероятность ошибки определения направления движения мюона до ~10-6 и ~10-8 для серий 2002-2004 и 2011-2015 годов соответственно, при этом эффективность отбора событий составляет ~96% [4].

На рис. 1 представлен пример события с альбедным мюоном. Наклонные линии -это треки, восстановленные по данным каждого супермодуля, и реконструированный "средний" трек. Крестиками отмечены сработавшие КСМ, кружками - сработавшие ФЭУ. Сработал 41 фотоумножитель, направленный в сторону СМ06, и только 2 ФЭУ,

0а1е=13-02-15 13:36:51.056 Мгип=Ч15 НеуеШ=39357

Рис. 1: Пример события с альбедным мюоном (в = 94.1°).

направленных в из-под горизонта.

сторону СМ00, что указывает на то, что мюон пришел

Рис. 2: Распределение зарегистрированных мюонов по зенитному углу.

В течение эксперимента в диапазоне зенитных углов 85°-95° было зарегистрировано 5.46 млн мюонов. Распределение мюонов по зенитному углу приведено на рис. 2. При этом 5717 мюонов пришли в установку под зенитными углами более 91°, т.е. являются альбедными. Результаты измерений 2002-2004 и 2011-2015 годов хорошо согласуются между собой.

Интенсивность потока мюонов. На основе данных о светосиле детектора ДЕКОР распределение мюонов по зенитному углу было пересчитано в интенсивность потока мюонов, результаты представлены на рис. 3. Из-за особенностей рельефа поверхности в окрестности экспериментального комплекса, интенсивность посчитана отдельно для потока мюонов, прошедших через ЧВД от СМ 06, 07 к СМ 00, 01 (интервал азимутальных углов 75°-105°), и для мюонов, прошедших в обратном направлении (интервал азимутальных углов 255°-285°). Географически интервалу углов 255°-285°соответствует направление, на котором расположена возвышенность; интенсивность потока мюонов вблизи горизонта с этой стороны значительно ниже.

С помощью метода Монте-Карло было проведено моделирование прохождения мюонов в поверхностных слоях грунта. Расчеты проводились для моделей рассеяния мюонов в приближениях точечного ядра (теория Мольера [5, 6]) и ядра конечных размеров согласно [7]. Энергия мюонов моделировалась в зависимости от зенитного угла на основе дифференциального спектра мюонов, рассчитанного по формулам Л. В. Волковой

Рис. 3: Зависимость интенсивности потока мюонов от зенитного угла.

[8] в предположении степенного спектра первичных космических лучей с показателем интегрального спектра 7 = -1.7. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментальными данными на рис. 3. Из рисунка видно, что рассчитанное число альбедных мюонов при использовании модели точечного ядра значительно превышает экспериментальные результаты, а использование модели рассеяния на ядре конечных размеров неплохо согласуется с экспериментальным потоком со стороны относительно ровной поверхности грунта.

Заключение. В результате измерительных серий общей продолжительностью около 30 тысяч часов "живого" времени на экспериментальном комплексе НЕВОД-ДЕКОР измерена интенсивность потока атмосферных мюонов в диапазоне зенитных углов 85°-95°. Найдено, что применение модели рассеяния, разработанной в приближении точечного ядра (теория Мольера), приводит к сильному завышению расчетного потока альбедных мюонов по сравнению с экспериментом. Использование модели рассеяния на ядре конечных размеров неплохо согласуется с экспериментальным потоком, точность данной модели можно будет оценить после детального учета рельефа местности вблизи установки.

Работа выполнена в Научно-образовательном центре НЕВОД (НИЯУ МИФИ) при поддержке гранта Президента РФ МК-7145.2015.2 и Программы повышения конкурентоспособности НИЯУ МИФИ.

ЛИТЕРАТУРА

[1] V. M. Aynutdinov, V. V. Kindin, K. G. Kompaniets, et al., Astrophysics and Space

Science 258, 105 (1998).

[2] Н. С. Барбашина, А. А. Езубченко, Р. П. Кокоулин и др., ПТЭ, № 6, 20 (2000).

[3] V. V. Kindin, M. B. Amelchakov, N. S. Barbashina, et al., Physics Procedia 74, 435

(2015).

[4] В. С. Кругликова, Н. С. Барбашина, А. Г. Богданов и др., Изв. РАН. Сер. физ.

79(3), 408 (2015).

[5] V. G. Moliere and Z. Naturforschg 2a, 133 (1947).

[6] H. A. Bethe, Phys. Rev. 89, 1253 (1953).

[7] A. V. Butkevitch, R. P. Kokoulin, G. V. Matushko, and S. P. Mikheyev, NIM A 488, 282 (2002).

[8] Т. П. Аминева, В. А. Астафьев, А. Я. Варковицкая и др., Исследование мюонов высоких энергии. Метод рентгеноэмульсионных камер (М., Наука, 1975).

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

Поступила в редакцию 12 июля 2016 г.