Энергетические спектры ядер первичных космических лучей от протонов до железа по результатам эксперимента ATIC-2

• Автор: Панов, Александр Дмитриевич
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 312 с. : 73 ил.

Оглавление
Введение

1 Ядерная компонента первичных космических лучей в прямых измерениях (обзор)

1.1 Диффузионная модель распространения ГКЛ

1.2 Представление о «стандартной модели» происхождения космических лучей

1.3 Прямые методы исследования космических лучей и методы ШАЛ

1.4 Спектры протонов и ядер гелия в прямых измерениях первичных космических лучей

1.4.1 Магнитные спектрометры

1.4.2 Калориметры

1.4.3 Эмульсионные эксперименты

1.4.4 Резюме

1.5 Спектры ядер (Z > 3) в прямых измерениях первичных космических лучей
1.5.1 Эксперименты до НЕАО
1.5.2 Космическая обсерватория НЕАО
1.5.3 Спектрометры CRN, Сокол, RICH
1.5.4 Тяжелые ядра в экспериментах с эмульсионными камерами
1.5.5 Резюме
1.6 Спектр всех частиц
1.6.1 Спектр всех частиц в прямых измерениях и в измерениях ШАЛ
1.6.2 Эксперимент ТИК
1.6.3 Резюме
1.7 Выводы по обзору литературы
2 Эксперимент ATIC
2.1 Эволюция концепции спектрометра на ранних стадиях проекта (1994-1999 гг.)

2.2 Конструкция спектрометра
2.2.1 Кремниевая матрица
2.2.2 BGO калориметр
2.2.3 Сцинтилляционные годоскоиы и графитовая мишень
2.2.4 Электроника и система сбора данных
2.3 Испытание спектрометра на пучке в CERN
2.4 Научные события и реконструкция траектории первичной частицы
2.5 Полеты спектрометра ATIC
3 Измерение зарядов первичных частиц с помощью кремниевой матрицы121
3.1 Гелиевая калибровка кремниевой матрицы
3.2 Временная стабильность счетного тракта кремниевой матрицы
3.3 Коррекция нелинейности счетного тракта для больших зарядов
3.4 Зарядовое разрешение: результаты
3.5 Проблема альбедо в измерении заряда первичной частицы
3.5.1 Альбедо: эксперимент
3.5.2 Альбедо: симуляция
3.5.3 Влияние обратных токов на измерение заряда первичной частицы
3.6 Выводы
4 Измерение энерговыделения сцинтилляционным BGO-калориметром в эксперименте ATIC
4.1 Амплитудная калибровка BGO калориметра
4.2 Коррекция температурной чувствительности BGO калориметра
4.2.1 Определение термочувствительности калориметра по сдвигу мюон-
ных пиков в предполетный период
4.2.2 Определение термочувствительности по различию положений предполетного мюонного пика и полетного протонного пика для событий
без ядерного взаимодействия
4.2.3 Определение термочувствительности калориметра по суточным колебаниям положений протонного и гелиевого пиков для событий без ядерного взаимодействия
4.2.4 Определение термочувствительности калориметра по корреляции скорости счета и температуры
4.2.5 Время термической релаксации калориметра и эффективная температура калориметра
4.3 Обсуждение результатов
5 Калибровка системы сцинтилляционных годоскопов и ее использование
в качестве дополнительного детектора заряда
5.1 Калибровка длины затухания света в стрипах
5.2 Мюонная калибровка годоскопов
5.3 Междиапазонная калибровка ФЭУ
5.4 Коррекция нелинейности отклика сцинтилляторов
5.5 Коррекция координатно-зависимой нелинейности
5.6 Алгоритм реконструкции заряда ядер с использованием одновременно кремниевой матрицы и верхнего слоя сцинтилляторов
5.7 Результаты
6 Восстановление спектра энергий частиц по спектру энерговыделеиий в калориметре (деконволюция)
6.1 Деконволюция как некорректно поставленная задача и ее решение методом
тихоновской регуляризации
6.2 Минимизация функционала S(N
6.3 Проблема вычисления ошибок и выбор параметра регуляризации т
6.4 Вычисление матрицы отклика (аппаратной функции) калориметра, искусственный порог калориметра
6.5 Проверка метода и результаты
6.6 Реконструкция первичного спектра методом дифференциальных сдвигов
7 Спектры протонов и ядер гелия
7.1 Реконструкция спектров энерговыделеиий Ed
7.2 Реконструкция абсолютных потоков ядер и учет остаточной атмосферы
7.3 Результаты и обсуждение
8 Спектры ядер тяжелее гелия, спектр всех частиц и энергетическая зависимость среднего логарифма атомного веса
8.1 Методика определения спектров ядер 4 < Z <
8.1.1 Генерация зарядовых диапазонов, зависящих от Ej
8.1.2 Вычитание фона, производимого протонами и гелием

отметить очень хорошее согласие экспериментов BESS (все полеты) и AMS01 по спектрам протонов. Эксперименты CAPRICE дают несколько более низкий абсолютный поток, поэтому о полной ясности в области энергий в несколько сот ГэВ говорить пока рано даже для спектра протонов. Для спектра гелия эксперименты BESS и AMS01 согласуются немного хуже, чем для протонов, и CAPRICE снова дает заметно более низкий поток, чем упомянутые два эксперимента. То есть полной ясности новые эксперименты не принесли также по спектру гелия.
В таблице табл. 1.4.1 приведена сводка данных по спектральным индексам протонов и гелия, полученным в низкоэнергетических прямых экспериментах (магнитных, RICH), Каждый отдельно взятый эксперимент не обнаруживает различия наклонов спектров протонов и гелия с достаточно высокой статистической значимостью (более трех стандартных отклонений). Однако во всей совокупности экспериментов прослеживается довольно ясная тенденция приводить к более пологому спектру для ядер гелия по сравнению со спектром протонов, хотя разница наклонов и невелика. Эта тенденция особенно отчетливо видна в данных наиболее современных экспериментов. Этот результат очень важен, так как, в соответствие с формулой (1.6) он может указывать на различие спектра протонов и гелия в источниках, однако считать эту тенденцию доказанной на основе этих данных невозможно. Есть указание на существование различия в наклонах спектров протонв и гелия, но требуются дополнительные исследования.
1.4.2 Калориметры
С использованием магнитных спектрометров в прямых измерениях космических лучей пока не удается достичь энергий выше нескольких сотен ГэВ7. Одним из путей решения проблемы является использование калориметрических методик8. Ионизационный калориметр как прибор для измерения энергии отдельных частиц был изобретен Н.Л. Григоровым в 1955 г. [139]9. Первое использование калориметра относилось к физике космических лучей в экспериментах на Памире [139], в связи с чем, собственно, он и был предложен Григоровым, но позже этот прибор стал широко использоваться во многих областях физики высоких энергий. Общие принципы построения и использования
7Кро.че новейшего эксперимента AMS-02, см. гл. 10.
8Надо отметить, что первые прямые измерения спектров космических лучей с использованием калориметра на спутниках серии Протон вплоть до энергий несколько десятков ТэВ (подробно рассматривается ниже) были проведены раньше, чем первые прямые измерения с магнитным спектрометром [111, 112] в
районе энергий сотни ГэВ.
9В статье [139], принятой к печати в 1957 г., сообщается, что он был изобретен два года назад.