Исследование космических лучей на высотах гор В А

Исследование космических лучей на высотах гор В. А. Рябов Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН

Проект: «Высокогорные исследования космических лучей сверхвысоких и ультравысоких энергий» . Руководители проекта: В. П. Павлюченко В. С. Пучков

Тянь-Шанская высокогорная станция l l l ВЫСОТА НАД УРОВНЕМ МОРЯ – 3340 м. ГЛУБИНА АТМОСФЕРЫ – 690 г/см 2 РАСПОЛОЖЕНА В 43 км ОТ г. АЛМАТЫ

Установка Гроза l Грозовые облака проходят на высоте станции, так что детекторы измерительных установок оказываются непосредственно внутри грозового облака. l Пункты регистрации излучений размещены на различных высотах (в пределах 3, 4 – 4 км над уровнем моря). Это позволило получить профили распределения излучений внутри облаков не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскостях.

Что необходимо измерять в грозовой атмосфере? Быстрые электроны (E > 20 – 30 кэ. В) l Гамма- излучение l Радиоизлучение l Корреляции импульсов гамма и радиоизлучения с прохождением ШАЛ l Корреляции гамма и радиоизлучения с потоком космических лучей и грозовым электрическим полем l

ДЕТЕКТОРНЫЙ КОМПЛЕКС <<ГРОЗА>> l Радио- регистрирующий комплекс l Система сцинтилляционных детекторов гаммаизлучения l Многослойные спектрометры полного поглощения l Установка для регистрации широких атмосферных ливней

ДЕТЕКТОРНЫЙ КОМПЛЕКС <<ГРОЗА>>

Атмосферные разряды и всплески гамма-излучения Запись скачков электрического поля, соответствующих атмосферным разрядам (молниям)

Атмосферные разряды и всплески гамма-излучения Регистрация гамма-излучения сцинтилляционными детекторами

Атмосферные разряды и всплески гамма-излучения Зависимость длительности вспышки гамма-излучения от длительности атмосферного разряда

Вспышки быстрых электронов

Возрастание интенсивности тепловых нейтронов

Комплексное изучение грозового разряда l l Впервые вспышки гамма-излучения прямо отождествлены с атмосферными разрядами (молниями) Вспышки чрезвычайно интенсивны и сопровождают все стадии развития каждого атмосферного разряда В активный грозовой период наблюдается огромное количество электронов с энергиями вплоть до Мэ. В и выше В период активной фазы грозы было замечено значительное возрастание интенсивности сигналов от детекторов тепловых нейтронов

Установка «Горизонт» l Оптическая часть установки содержит два параболических зеркала. Каждое зеркало имеет диаметр 150 см и фокусное расстояние 639 мм. Зеркала регистрируют излучение Вавилова-Черенкова от ШАЛ, оси которых приходят под зенитными углами от 0º до 80º. l На расстоянии 20 м от оптической системы под углом 45 к вертикали расположены два сцинтилляционных детектора площадью 1 м 2 каждый.

Установка «Горизонт» l l l В декабре 2010 года установка проработала 43 часа. Было зарегистрировано 1191 событие. Средняя интенсивность составила 27. 7 событий в час. Среди зарегистрированных 1191 событий в 22 событиях одновременно зарегистрированы импульсы, как с зеркал, так и со сцинтилляционных детекторов. В этих событиях все импульсы, имели длительности около 30 нс. Среди зарегистрированных событий импульсы с двумя и тремя максимумами обнаружены не были.

Экспериментальный комплекс «АТЛЕТ» (модернизация) Увеличено число сцинтилляционных детекторов в ливневой части установки. Было создано 90 новых детекторов со сцинтиллятором толщиной 5 см и размером 0, 5 × 0, 5 м 2

Экспериментальный комплекс «АТЛЕТ» (модернизация) l l Смонтированы две системы регистрации для сцинтилляционной установки ШАЛ. Каждая система способна провести амплитудный анализ сигналов от 128 3 -х канальных сцинтилляционных детекторов.

Подземный экспериментальный комплекс

Эксперимент «OGAMA» (Objects in Galaxy from Anomalous MAtter) Цель – поиск холодной темной материи Вселенной, которая возможно существует в форме экзотических ядер (типа странглетов) с небольшим зарядом (~ 10), и аномально большой массой (~ 350). Используется комбинация детекторов различного типа, которая позволяет регистрировать аномально массивные ядра. В настоящее время анализируется статистика событий с целью выявления кандидатов на экзотические частицы темной материи.

Установка «Адрон-М» l Рентгеновская пленка проявлена, начата ее обработка. Основной интерес представляет поиск в рентгеноэмульсионных камерах высокоэнергичных (E>1016 э. В) событий с аномальным поглощением адронов в свинце и обнаружение гамма-семейств с выстроенностью наиболее энергичных частиц.

Установка на Памире l После годовой экспозиции снята, проэкспонированная рентгеноэмульсионная пленка из 2 -х ярусных рентгеноэмульсионных камер специальной конструкции площадью 36 м 2. Эта установка ориентирована на исследование сечения образования очарованных частиц в области энергий 50 – 1000 Тэ. В. l Результаты эксперимента позволят проверить гипотезу о быстром росте сечения образования очарованных частиц с энергией.

План работ на 2011 г. l l l Комплексное изучение грозового разряда; Расширение установки (увеличение чувствительной площади и уменьшение скважности между детекторами) АТЛЕТ и исследование на ней арактеристик ПКИ и свойств ШАЛ при энергиях 1012 -1018 э. В; Расширение макета установки ГОРИЗОНТ-Т: создание пункта с двумя зеркалами диаметром 1. 5 м для регистрации черенковского импульса ШАЛ и до 4 -х пунктов с детекторами заряженных частиц; Запуск в эксплуатацию двух сцинтилляционных ковров с увеличенным в 2010 г. числом детекторов. Получение данных о пространственных распределениях электронов в области стволов ШАЛ (на расстояниях менее 20 м от оси). Задача ставится специально для сцинтилляционных детекторов с динамическим диапазоном 106 ; Проявка и анализ проэкспонированных рентгеновских пленок; Финансирование проекта на 2011 г. 1 300 000 руб.

Проект: « Поиск и исследование локальных источников космического излучения сверхвысоких энергий » . Руководитель проекта: В. Г. Синицина

Эксперимент ШАЛОН в нейтринной астрофизике и Тэ. В-ной гаммаастрономии сверхвысоких энергий

Остаток сверхновой Тихо Браге а - интегральный спектр -квантов сверхвысоких энергий по данным телескопа ШАЛОН в сравнении с данными других экспериментов: Whipple, HEGRA IACT- system, HEGRA AIROBICC и теоретические расчёты [H. J. Völk, E. G. Berezhko, L T. Ksenofontov, A&A, v. 483№ 2, 2008, pp. 529 – 535] б - спектральное энергетическое распределение -излучения от Tycho’s SNR; в - изображение источника Тихо Браге при энергиях >0. 8 Тэ. В по данным телескопа ШАЛОН; г - На рисунке представлено изображение Tycho’s SNR, полученное рентгеновским телескопом Chandra.

Основной результат эксперимента ШАЛОН в 2010 г. n Впервые измерены характеристики исторического остатка сверхновой Тихо Браге при сверхвысоких энергиях γ-квантов, лежащих в диапазоне 0, 8 – 80 Тэ. В. При этом, полученные значения потока Тэ. В-ного γизлучения, и спектральное энергетическое распределение, подтвердили предсказания теории, что является экспериментальным подтверждением эффективного ускорения космических лучей в остатках сверхновых вплоть до ультравысоких энергии (~ 1015 э. В).

План работ на 2011 г. n n Экспериментальное исследование процессов и свойств галактических и метагалактических (с красным смещением z=0. 0179 до z=1. 375) источников космического излучения сверхвысоких энергий (1012 – 1014 э. В); Поиск локальных источников нейтрино с энергией 1013 – 1016 э. В по ШАЛ, генерируемым в горных хребтах. Анализ результатов наблюдений черенковского излучения ШАЛ при зенитных углах больше 72 о; Проведение работ по наблюдению и поиску новых источников гаммаквантов и нейтрино с энергией >1012 э. В; стабильная и непрерывная эксплуатация телескопов ШАЛОН-1 и ШАЛОН-2 и стереопары телескопов ШАЛОН-1 и ШАЛОН-2; продолжение создания третьего телескопа ШАЛОН-3 и светоприёмника телескопа; анализ и моделирование наблюдаемых процессов; обработка полученных экспериментальных данных и их публикация; Продолжение работ в рамках Комплексной долгосрочной программы научно-технического сотрудничества между Россией и Индией по синхронным наблюдениям локальных источников гамма-квантов сверхвысоких энергий в высокогорных обсерваториях ШАЛОН АЛАТОО (ФИАН, Россия) и TACTIC, MACE (BARC, Индия). Финансирование проекта на 2011 г. 850 000 руб

Отчет по теме «Пленочные астрофизические структуры» (проект «Парус» ) за 2010 г. В. А. Рябов Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН

Эксперимент ЛОРД (Лунный Орбитальный Радио. Детектор)

Основная научная задача o Регистрация космических лучей и нейтрино ультравысоких энергий Информация об этих частицах важна для решения фундаментальных проблем астрофизики и физики элементарных частиц, касающихся источников и механизмов ускорения космических лучей, природы темной материи, и возможно, нарушения основополагающих принципов теории относительности.

Эксперимент ЛОРД

Конструирование прибора ЛОРД o o Проделан значительный объем работ, связанных с теоретическими расчетами, математическим моделированием и конструированием регистрирующей аппаратуры. Разработана конструкторская документация на аппаратуру эксперимента ЛОРД, которая вписана в рамки космической платформы, проектируемой НПО им. Лавочкина.

КА Луна-Глоб

КА Луна-Глоб

Антенная система и блок электроники прибора ЛОРД

Антенная система ANTENNA SYSTEM: § Two antennas + LNA § Polarization - LP & RP § 200 MHz - 800 MHz § Length =1515 mm § Polarization - LP & RP 1515 mm § Gain ~ 7. 5 d. B Low Noise Amplifier § Diameter= 600 mm § LNA 40 d. B, NF=1. 1 d. B Ø 600 mm Low Noise Amplifier

Антенная система (200 -800 МГц, правая и левая поляризация, D=600 мм и Н=1514 мм "ОКР Луна-Глоб-ЛОРД"

"ОКР Луна-Глоб-НА-ФИАН" Структурная схема прибора ЛОРД

Блок электроники ЛОРД 80 mm 420 mm m 320 m L×W×H = 420 mm × 320 mm× 80 mm, Weight= 10÷ 12 kg, Power Supply = 27 V, 60 W

Моделирование и оптимизация прибора ЛОРД o o o Разработана математическая модель регистрации прямых и отраженных радиосигналов методом Монте - Карло с учетом полученного выражения поля излучения каскада и с учетом отражений от подложки реголита со случайно распределенной толщиной от 2 до 12 метров. Определены полные апертуры и число регистрируемых событий взаимодействия космических лучей и нейтрино ультравысоких энергий. Результаты моделирования позволили оптимизировать параметры детектирующей аппаратуры ЛОРД.

Моделирование регистрации прямых и отраженных сигналов реголит базальт

Пример одновременной регистрации прямого и отраженного сигналов

Количество зарегистрированных прямых и отраженных сигналов в эксперименте ЛОРД событий КЛУВЭ за один год. прямые отраженные

Сравнение апертур CR и NU для Луны и ледяных спутников Европы

Ограничения на потоки космических лучей и нейтрино в различных экспериментах

Статьи, опубликованные в 2010 г. n n n n Гусев Г. А. , Ломоносов Б. Н. , Рябов В. А. , Чечин В. А. // Ледяные спутники планет Солнечной системы и орбитальные радиодетекторы для регистрации частиц ультравысоких энергий // УФН, 2010, том 180, № 9, стр. 957 – 964; Гусев Г. А. , Ломоносов Б. Н. , Полухина Н. Г. , Рябов В. А. , Царев В. А, Чечин В. А. // Моделирование эксперимента по регистрации частиц ультравысоких энергий с учетом приповерхностного слоя лунного грунта // Журнал технической физики, 2010, том 80, вып. 1, стр. 98 – 102; Рябов В. А. , Гусев Г. А. , Ломоносов Б. Н. , Полухина Н. Г. , Чечин В. А. // Особенности регистрации частиц ультравысоких энергий в эксперименте ЛОРД (Лунный Орбитальный Радио. Детектор) // КСФ ФИАН, 2010, № 4, стр. 8 – 16; Гусев Г. А. // Возможное ослабление радиосигнала от каскада в твердой среде при энергиях выше 1020 э. В // КСФ ФИАН, 2010, № 12, стр. 15 -19; Гусев Г. А. // Об излучении Вавилова-Черенкова в волновой зоне Френеля для конечного трека заряда // КСФ ФИАН, 2010, в печати; Gusev G. A. , Chechin V. A. , Lomonosov B. N. , Polukhina N. G. , and Ryabov V. A. // Design of the LORD Experiment and Perspectives of Ultrahigh-Energy Particles Observation // NIM A, in press; Gusev G. A. , Chechin V. A. , Lomonosov B. N. , and Ryabov V. A. // Targets and radio detectors in far-space region for registration of ultra high-energy cosmic rays and neutrino // NIM A, in press.

План работ на 2011 г. o o o 1. Изготовление технологического макета антенной системы эксперимента ЛОРД. Разработка схемотехники и конструирование макета электронной аппаратуры прибора ЛОРД. 2. Разработка программного обеспечения и циклограмм для управления режимами работы прибора ЛОРД в составе комплекса научной аппаратуры, размещаемой на космической платформе «Луна-Глоб» . 3. Разработка алгоритмов и программ анализа данных, зарегистрированных аппаратурой ЛОРД и переданных на Землю. Финансирование проекта на 2011 г. 500 000 руб.