Каскадные ливни в черенковском водном детекторе

• Автор: Хохлов, Семён Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 132 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Экспериментальный комплекс и серия измерений

1.1. Экспериментальный комплекс НЕВОД-ДЕКОР

1.1.1. Черенковский водный детектор НЕВОД

1.1.2. Система калибровочных телескопов

1.1.3. Координатно-трековый детектор ДЕКОР

1.2. Экспериментальная серия и типы выделяемых событий

1.2.1. Конфигурации установок и триггерной системы

1.2.2. Окологоризонтальные мюоны - события "ОпеТгаск”

1.2.3. Телескопные события, отбор для калибровки

1.2.4. События с большой засветкой
1.3. Калибровка ФЭУ ЧВД
1.3.1. Коэффициент относительной чувствительности
1.3.2. Коэффициент сшивки диапазонов 12-го и 9-го динодов ФЭУ
Глава 2. Каскадная кривая в черенковском водном детекторе
2.1. Математическая модель черенковского водного детектора НЕВОД..
2.1.1. Геометрия детектора и оптические свойства воды
2.1.2. Моделирование отклика детектора
2.1.3. Проверка математической модели
2.2. Восстановление параметров ливня
2.2.1. Метод восстановления каскадной кривой
2.2.2. Восстановление параметров ливней с фиксированными энергиями
2.2.3. Восстановление энергетического спектра каскадных ливней
Глава 3. Энергетический спектр каскадных ливней,
генерируемых в воде окологоризонтальными мюонами
3.1. Экспериментальные каскадные кривые в воде
3.2. Дифференциальный энергетический спектр каскадных ливней
3.3. Оценка параметров энергетических спектров атмосферных
пионов и мюонов
Заключение
Список литературы

.-'•'«И
Введение
Изучение энергетического спектра первичных космических лучей (ПКЛ) является одной из фундаментальных задач современной науки. Знание точного вида спектра позволит решить целый ряд космологических и ядерно-физических проблем. Однако из-за быстрого степенного спада спектра прямые измерения энергий частиц выше 1015 эВ на спутниках в околоземном пространстве или на баллонах в атмосфере становятся проблематичными. Поэтому исследование спектра космических лучей проводят по вторичным компонентам, рожденным при взаимодействии ПКЛ с атмосферой Земли. Мюонная компонента является одной из наиболее информативных, поскольку образуется в результате распадов заряженных к- и К-мезонов, количество и энергия которых сильно зависят от массового и энергетического составов ПКЛ. Измерение энергетического спектра мюонов является актуальной и научно значимой задачей, так как дает возможность изучать как характеристики потока ПКЛ, так и характеристики адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий ПКЛ с ядрами атомов атмосферы, особенно в области сверх-ускорительных энергий, где предсказывается появление новых частиц или состояний материи.
Свойства мюонов как частиц (отсутствие сильного взаимодействия, относительно большое время жизни, большая, по сравнению с электроном, масса) во многом определяют возможности различных методов их спектрометрии [1]. Так, в отличие от электронов или адронов, вследствие большой проникающей способности мюонов высоких энергий, практически нереально использовать для таких измерений спектрометры полного поглощения, толщина подобных установок должна составлять многие сотни метров стали. С другой стороны, большая величина пробега мюонов открывает дополнительные возможности применения методов, основанных на регистрации взаимодействий мюонов в толстых слоях вещества.
Весьма распространенным методом спектрометрии заряженных частиц является измерение их отклонения при движении в магнитном поле. Для измерения импульса высокоэнергичных мюонов обычно применяются спектрометры из намагниченной стали, что, во-первых, позволяет создать достаточно однородное и сильное (В ^ 1,5-2 Тл) поле в большом объеме,

и, во-вторых, идентифицировать мюоны, так как другие частицы (электроны и адроны) поглощаются в веществе магнита. Точность измерения импульса в таких спектрометрах ограничивается влиянием многократного рассеяния.
Измерения при помощи магнитных спектрометров позволили получить наиболее надежные данные по энергетическому спектру мюонов космических лучей в области 102 - 103 ГэВ. Однако измерение данным методом спектра мюонов в области более высоких энергий потребует многократного увеличения размеров, времени экспозиции, а вместе с тем и стоимости установок. В связи с этим прямое измерение энергий мюонов в ТэВ-ной области не представляется возможным.
Для спектрометрии мюонов сверхвысоких энергий используют косвенные методы. Вместо спектра мюонов можно измерять спектр энергий, переданных в результате взаимодействий мюонов (тормозное излучение, прямое рождение электрон-позитронных пар и неупругое ядерное рассеяние) в каскадные ливни.
Весьма целесообразным является использование для этих целей черенковских водных (ледных) детекторов (ЧВД), представляющих собой большие водные объемы (естественного или искусственного происхождения), в которых размещены оптические датчики в виде регулярной структуры, которая может быть как поверхностной, когда фотоприемники размещаются по внутренней поверхности просматриваемого объема (периферийная система), так и пространственной, когда датчики располагаются равномерно по детектирующему объему. В первом случае характерный размер детектора ограничен величиной длины ослабления света в воде. Во втором случае принципиального ограничения размеров детектора нет, однако длина поглощения света определяет шаг используемой пространственной решетки.
Черенковские водные детекторы IceCube [2], ANTARES [3] и БНТ-200+ [4] имеют объемные структуру. Черенковский водный детектор Super-KAMIOKANDE [5] является периферийным.
Детектор IceCube развернут во льдах Антарктиды в месте расположения географического Южного полюса Земли на глубине от 1450 до 2450 метров. Детектор состоит из 80 гирлянд, в состав которых входят

Ошибка определения направления по разнице высот в основном обусловлена регистрацией альбедных событий; доля регистрируемых детектором ДЕКОР альбедных мюонов под зенитными углами 0>91° (|бг| 2 500 мм) составляет (1.02 ± 0.03) *10'3 [23].
Таблица 1.4 Параметры метода определения направления пролета мюона по разнице высот сегментов трека.
|с1г|, мм Эффективность отбора,% Вероятность ошибки
>400 86.38 ±0.05 (14.1 ±0.5)-10'
> 500 82.21 ± 0.05 (8.61 ± 0.39)-10'
> 600 77.93 ± 0.06 (5.62 ± 0.32) -10'
> 800 68.74 ± 0.06 (2.33 ± 0.20)‘10‘
2 1000 58.95 ± 0.07 (0.91 ± 0.13)«10‘
2 1200 48.74 ± 0.07 (0.43 ± 0.09) -10'
Для оценки вероятности ошибки определения направления пролета мюона по относительной разнице амплитуд 6А необходимо одновременно проверять направление времяпролетным методом и по разнице высот сегментов трека. Для этого было использовано условие (|с!Т| £ 50 нс)&(|бг| > 1000 мм), эффективность отбора которого составляет 59.09 ± 0.07 %, а вероятность ошибки (1.02 ± 0.15)*10‘7. Результаты приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5 Параметры метода определения направления пролета мюона по относительной разнице амплитуд ФЭУ.
|с!А| Эффективность отбора, %0 Вероятность ошибки
> 0.1 999.86 ± 0.02 (32.0 + 7.5)*10'ь
2 0.2 999.72 ± 0.02 (14.2 ± 5.0)* 10 е
> 0.3 999.51 ± 0.03 (10.7 ± 4.4)*10'е
> 0.4 999.20 + 0.04 (7.1 ± 3.6) *10 “
2 0.5 998.59 ± 0.05 (3.6 ±2.5)>10'в
> 0.6 997.27 ± 0.07 (3.6 ± 2.5)* 10 е