Методика - NUCLEON

Перейти к контенту

Главное меню:

Эксперимент НУКЛОН
Методика

Методы, используемые в эксперименте НУКЛОН

     Для измерения энергии космических лучей в энергетическом диапазоне 1012-1015 эВ в эксперименте НУКЛОН одновременно применяются две методики: широко известная методика ионизационного калориметра и вновь разработанная методика KLEM (Kinematic Lightweight Energy Meter).
 

1. Методика KLEM и ее реализация

     Для изучения космических лучей в энергетическом диапазоне 1012-1015 эВ разработана новая методика определения энергии частиц  первичного космического излучения, основанная на измерении пространственной  плотности потока вторичных частиц, рожденных в первом акте неупругого ядерного взаимодействия в мишени установки и прошедших слой тонкого конвертора. В конверторе происходит размножение электромагнитной компоненты ( g - квантов от распада нейтральных пионов). Метод возник в результате обобщения известного метода Кастаньоли (измерение угловых характеристик треков вторичных частиц, рожденных в первом акте неупругого ядерного взаимодействия в мишени). Предлагаемый метод позволяет создавать  научную аппаратуру  относительно малого веса с  большой  светосилой, его впервые предполагается использовать в спутниковом эксперименте НУКЛОН. С целью проверки новой методики, проведено ее тестирование на пучках заряженных частиц SPS ускорителя в ЦЕРН. Результаты теста подтвердили возможность энергетических измерений по предложенной методике, что позволяет сделать вывод о возможности проведения орбитального эксперимента с предложенной аппаратурой и решения поставленных научных задач.
 

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДИКИ KLEM

     С целью продвижения прямых исследований космических лучей в область высоких энергий был предложен новый подход для энергетических измерений – методика KLEM (Kinematic Lightweight Energy Meter) [1, 2]. Центральным моментом является измерение энергии первичной частицы из углового распределения потока вторичных частиц, рожденных в тонкой мишени в первом акте неупругого взаимодействия и размноженных в вольфрамовом конверторе. Методика дает возможность создания научной аппаратуры относительно небольшого веса при значительной величине светосилы и проведения «прямых» исследований КЛ высоких энергий в область 1014 – 1015 эВ. На основе методики KLEM был предложен проект космического эксперимента НУКЛОН. Данный проект нацелен на изучение КЛ в области перед «коленом» в энергетическом диапазоне 1012 – 1015 эВ. Из этого диапазона наиболее интересна область 1013 – 1015 эВ, где имеющиеся данные носят противоречивый характер и не имеют достаточной статистической обеспеченности. Проект получил поддержку Российской академии наук и включен в Федеральную космическую программу России.


1.2. МЕТОДИКА KLEM И ЦЕЛИ УСКОРИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.

    Предложенный метод определения энергии частиц космического излучения по сути является комбинацией, включающей как измерение кинематических характеристик – чувствительных к лоренц-фактору первичной частицы, так и тонкой толчковой установки, измеряющей энергию, выделенную в электронно-фотонную компоненту. Обычная кинематическая методика основана на регистрации углов разлета вторичных частиц, рожденных в акте неупругого взаимодействия частицы с ядром атома мишени. При этом лоренц-фактор налетающей частицы g=E/m (величина, непосредственно связанная с энергией E и массой частицы m) определяется, если измерить углы вылета всех вторичных частиц qi и найти среднюю величину логарифма тангенса этих углов  ln(E/m) ~ <-ln tg q>.  Из формулы видно, что чем больше энергия частицы, тем меньше средний угол вылета вторичных частиц, а, значит, каскад становится “уже”. В случае методики KLEM треки отдельных частиц в изучаемом событии не выделяются, а строится пространственное распределение плотности вторичных частиц, измеренное с помощью микростриповых детекторов, которые имеют пространственное разрешение 100-500 мкм. Детекторы расположены на некотором расстоянии H от мишени, в которой находится вершина первичного взаимодействия (см.рис.1). Пространственное распределение характеризуется параметром S(Е)=Σln2tgqi/2 , который чувствителен как к углам вылета частиц, так и к их множественности. Параметр S можно для реального эксперимента выразить как S=Σln2(2H/Xi)Ni, где Xi – расстояние стрипа до оси ливня, Ni – суммарная ионизация, пропорциональная количеству однозарядных частиц, попавших в стрип.


Рис.1. 1. Схема методики KLEM
 
На рис.1.2 качественно показаны энергетические зависимости распределений по псевдобыстротам (фактически, по углам) и вклад конвертера.


Рис.1.2.

     Практическая возможность использования предлагаемой методики была оценена проведенным широкомасштабным моделированием [1] с помощью комплекса программ GEANT 3.21 [3] с дополнительно подключенным генератором ядерных взаимодействий QGSJET [4], позволяющим описывать адрон-ядерные и ядро-ядерные взаимодействия высоких энергий. Были исследованы различные формы спектрометра, работающего по методике KLEM в широком диапазоне энергий. Моделирование показало, что методика KLEM дает степенную энергетическую зависимость параметра S~Eb в широком диапазоне 1011-1016 эВ для всех типов ядер (Z=1-30), показатели степенной зависимости составляют β=0.74-0.82. Погрешность определения энергии Е при измерении индивидуальной энергии частицы достаточно велика σ(Е)~0.7¸0.9.  Однако, как было показано в [1], при измерении убывающего степенного спектра КЛ (F(E)~E-2.7) она оказывается значительно меньше ~50 % и в результате этот метод применим для измерения степенного спектра частиц в требуемом интервале энергий.
    Такой метод  дает возможность  создания  регистрирующей  аппаратуры  относительно небольшого веса при значительной величине ее светосилы, открывающий перспективу создания орбитального спектрометра с  длительным временем экспозиции  и проведения исследований КЛ в широком диапазоне энергий единой методикой.  Кроме того, для решения физической задачи необходимо измерить заряд и угол прилета частицы, т.е. проследить ее траекторию в камере. При этом надо отличить полезное событие от частицы с интересующей нас пороговой энергией 1 ТэВ, от  низкоэнергичных и внеапертурных фоновых событий.  Все это требует тщательного тестирования в ускорительных экспериментах на выведенных пучках, которые проводились на адронных и ядерных пучках SPS ускорителя в ЦЕРН. Первая проверка метода была проведена в 2002 году на выведенном пучке пионов и показала принципиальную возможность осуществления подобного эксперимента [2]. 
    По рассчитанной калибровочной зависимости  каждой частице были приписаны восстановленные энергии  как Erec=aS1/β         и построены распределения по lg(Erec/E).  Распределения по восстановленной энергии для первичного пиона с энергией 350 ГэВ приведены на рис.3. Измеренная данной методикой средняя измеренная энергия оказалась <Erec>=334 ГэВ,  среднеквадратичное отклонение s=0.79,  а в случае моделирования  <Erec>=350 ГэВ, s=0.78. Форма распределения очень чувствительна к виду калибровочной зависимости, и его совпадение с модельным свидетельствует о правильности метода не только в точке 350 ГэВ, но и при других энергиях.
    Тестирование метода определения энергии частиц по методу KLEM на ускорительных пучках известной энергии подтвердило  как правильность выбранного алгоритма определения энергии, так и правильность работы аппаратуры прототипа прибора.  Имеющиеся результаты позволяют сделать вывод о возможности проведения орбитального эксперимента с предложенной аппаратурой и решения поставленных научных задач.


Рис.1.3.
    Распределения по восстановленной энергии. Первичная частица – пион, 350 ГэВ. Сплошная линия – эксперимент (<Erec>=334 ГэВ, s=0.79), пунктир – моделирование (<Erec>=350 ГэВ, s=0.78).


2. Ионизационный микрокалориметр

 2.1. ЦЕЛИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИКРОКАЛОРИМЕТРА

     Методика ионизационного калориметра наиболее универсальна и позволяет измерять энергию и электромагнитной, и адронной компонент. Длительный опыт применения данной методики позволяет использовать ее для полетной калибровки вновь предложенной методики KLEM. Секционирование калориметра дает возможность разделять по пространственному распределению ионизации адронные и электромагнитные каскады, что необходимо для исследования электронной компоненты КЛ.
 
2.2. КАЛИБРОВКА МИКРОКАЛОРИМЕТРА

Энерговыделение в калориметре определяется с помощью восстановления каскадных кривых. Поправочные коэффициенты определяются с помощью математического моделирования. Проводилось тестирование установки на электронных пучках с различными энергиями. Калибровочные кривые показаны на рис.2.1.



Рис.2.1. Калибровочные кривые для микрокалориметра
 
     Чтобы учесть вынос части энергии из установки применялись два подхода. В первом случае использовалась аппроксимация каскадной кривой, во втором – полное энерговыделение умножалось на постоянный поправочный коэффициент. На рис.2.2 показаны распределения по восстановленной энергии для электронов (истинные энергии 100, 150, 200 ГэВ) в сравнении с результатами моделирования (пунктир).



Рис.2.2. Распределения по восстановленной энергии 
(жирная – эксперимент, пунктир – моделирование, тонкая сплошная – гауссовская аппроксимация).

     Для электромагнитных событий разрешение лучше 10% и составляет 7.5%, 9.3%, 6.2% для трех использованных в эксперименте энергий пучков (моделирование дает 4.5%, 4.0%, 3.7% соответственно). Траектории частиц реконструируются по данным микростриповых детекторов калориметра и СИЭ, а также сцинтилляторов триггерной системы. Угловое распределение, восстановленное для пионных пучков с энергией 300 ГэВ, приведено на рис.2.3. Угловая точность составляет ~0.9°.



Рис.2.3. Угловое распределение для пионных пучков
 
     Помимо энергетических измерений калориметр планируется использовать для разделения электромагнитной и адронной компонент. Форма каскадной кривой зависит от природы первичной частицы. Тестирование на ускорителе подтвердило правильность исходных предположений.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Короткова Н.А., Подорожный Д.М., Постников Е.Б. и др. // ЯФ. 2002. Т.65. №5. С.884
2. Башинджагян Г.Л., Воронин А.Г., Голубков С.А. и др. // ПТЭ. 2005. Т.48. №1. С.46
3.GEANT User's Guide. CERN DD/EE/83/1 (Geneva), 1983.
4. Калмыков Н.Н., Остапченко С.С.,  Препринт № 98-36/537,  НИИЯФ МГУ (Москва, 1998).
5. Kalmykov N.N., Ostapchenko S.S., Pavlov A.I. //Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.). 1997. V.52B. P.17.
 
Назад к содержимому | Назад к главному меню