Результат интеллектуальной деятельности: Ледяной детектор мюонов

Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, и может быть использовано для измерения мюонной компоненты широких атмосферных ливней (ШАЛ) космических лучей (КЛ), а также в других экспериментах, где измеряется поток мюонов в КЛ.

В настоящее время Якутская установка ШАЛ является ведущей в России и одной из крупнейших установок в мире для исследования космических лучей с энергией выше 10¹⁵ электрон-вольт (эВ). При этом только на Якутской установке ШАЛ реализовано одновременное измерение трех главных компонент ливня: потоков электронов, мюонов и черенковского излучения ШАЛ. Это позволяет получить наиболее надежные оценки массового состава космических лучей в широком диапазоне энергий.

Аналогичные зарубежные установки для изучения ШАЛ имеют ряд ограничений. Например, установки KASCADE-GRANDE (Германия, закрыта в 2009), Tibet (Китай) измеряют частицы с предельными энергиями до 10¹⁷ эВ. Обсерватория Pierre Auger - построена международной коллаборацией институтов из 17 стран в южном полушарии, в Аргентине, планировалось строительство второй части в северном полушарии, но остановлено на неопределенный срок. Южная установка состоит из 1600 детекторов заряженной компоненты (водные баки, обозреваемые фотоэлектронными умножителями), размещенных на площади 3000 кв. км с раздвижением 1.5 км между детекторами. Пространство над установкой просматривается 4 детекторами флуоресцентного свечения от ливня в атмосфере. Характеристики ШАЛ восстанавливаются по измерениям распределения заряженных частиц на поверхности земли и по измерениям продольного развития ливня в атмосфере (сайт установки https://www.auger.org).

Установка Telescope Array в штате Юта создана коллаборацией университетов из разных стран (сайт установки http://www.telescopearray.org). В эксперименте Telescope Array, также, как и в обсерватории Pierre Auger, используется «гибридный» метод измерения заряженной компоненты ливней и флуоресцентного свечения. Отличие в том, что наземные детекторы - сцинтилляторы площадью 3 кв. м, размещенные на площади 700 кв. км с раздвижением 1.2 км. На этих двух установках исследуются КЛ предельных энергий, выше 10¹⁷ эВ. Якутская установка ШАЛ имеет ограниченные возможности исследования КЛ с энергиями Е>10¹⁹ эВ по причине значительно меньшей площади (8 кв. км в настоящее время).

Строящаяся в настоящее время группой институтов из России, Германии и Румынии установка TAIGA в долине Тунка имеет меньшую площадь (Установка Тунка-133 с дополнительными 6 кластерами имеет эффективную площадь для 10¹⁷ эВ и выше около 3 кв. км), чем Якутская и измеряет черенковское излучение ШАЛ. В комбинации с детекторами гамма-излучения HiSCORE (планируемая площадь установки 100 кв. км) группа планирует искать гамма-источники в диапазоне энергий выше 10 ТэВ и источники космических лучей в области 10¹⁴<Е<10¹⁸ эВ.

Из всех упомянутых установок только Якутская позволяет охватить измерениями область энергий от 10¹⁵ до 10¹⁹ эВ с помощью одного прибора, единой методикой, в пределах которой происходит переход от галактической к внегалактической компоненте космических лучей. Поэтому экспериментальные результаты по энергетическому спектру и оценка массового состава, выполненные единой методикой во всем этом интервале энергий, и сопоставление данных эксперимента с теоретическими предсказаниями позволяют сделать обоснованное заключение об основных источниках галактических космических лучей, и в то же время, провести исследования в переходной области от галактической компоненты космических лучей к внегалактической. Необходимо также отметить, что установки в Якутске, обсерватория Pierre Auger и Telescope Array дополняют друг друга в исследовании направлений прихода космических лучей сверхвысоких энергий, поскольку области обзора небесной сферы у них разные.

Единственным способом изучения свойств космических лучей с энергией выше 10¹⁵ эВ является регистрация ШАЛ, порождаемых такими первичными частицами, различными способами. Наиболее проработанной и эффективной методикой регистрации ШАЛ является регистрация с помощью наземных установок. Преимущество наземных установок состоит в широком диапазоне регистрируемых энергий космических лучей, способности детектировать различные виды вторичных ливневых частиц (компоненты ливня), а также в их относительной дешевизне по сравнению с альтернативными методами (космические наблюдения). Однако для оптимальной работы требуется сочетание удаленности от населенных пунктов, производящих радио шумы, оптическую засветку и наличие большой свободной ровной площади. Это делает Антарктиду привлекательным с точки зрения вычленения тонких эффектов и редких явлений. Так, проекту ANITA удалось зафиксировать «восходящих события, напоминающих космические лучи» не укладывающиеся в стандартную модель.

Среди различных типов детекторов, формирующих наземные установки (твердых, жидких и газообразных), созданных для различных исследований, наиболее впечатляющими стали разработки водных детекторов: от первого детектора объемом несколько литров, в котором было обнаружено черенковское излучение, до Детектора IceCube объемом один кубический километр. Водяные черенковские детекторы широко применяются на упомянутых выше установках, в обсерватории Pierre Auger, HAWC, НЕВОД. Водяные черенковские детекторы дешевле конкурентов, но могут располагаться только в условиях постоянно положительных температур.

Образование черенковское света относительно эффективно в воде из-за высокого показателя преломления. Черенковский свет излучается в конус, который окружает направление движения заряженной частицы. Угол раскрытия конуса зависит от показателя преломления среды. Например, в воздухе, где показатель преломления равен n_air=1.0003, угол раскрытия черенковского излучения составляет около 1°. В воде, где n_water=1,33, угол раскрытия черенковского излучения составляет 41°.

Поскольку черенковский конус в воде очень большой, почти каждая заряженная частица, попадающая в резервуар, легко наблюдается с помощью ФЭУ. Работа таких устройств в климате нашей страны требует теплого помещения, что сужает широту применения таких детекторов, а также лишает основного преимущества. Выходом из ситуации может быть использование льда в качестве черенковского радиатора, обозреваемого фотоэлектронным умножителем. Черенковское излучение в среде возникает при скорости частицы превышающей скорость света для этой среды, которая определяется показателем преломления, как говорилось выше.

Свойства льда и воды

Порог излучения черенковского излучения в среде β>1/n, определяется лоренц-фактором частицы

Масса мюона в 206 раз больше массы е, поэтому энергия требуется 206 раз больше при одинаковом лоренц-факторе порога. Число фотонов N зависит только от длины пути и коэффициента преломления n:

Формула Франка-Тамма из обзора Петрухина:

Плотность льда 0.917 г/см³. Мюон 1 ГэВ проходит 1000/2.2=455 г/см² вещества=455/0.917=500 см льда. Таким образом, лед сам по себе является естественым энергетическим порогом для электронов, кроме слоя грунта над детектором.

Нейтринная обсерватория IceCube расположена в Антарктиде, на Южном полюсе является наиболее близким аналогом изобретения. Ее детектор представляет собой массив примордиального льда - шестигранную призму высотой 1 км, объемом 1 км3, просматриваемую размещенными в пробуренных во льду скважинах фотодетекторами. Ее верхняя грань расположена на глубине 1450 м ниже уровня ледового щита Антарктиды. В массиве расположены фотодетекторы на основе ФЭУ. Они регистрируют фотоны, возникающие при взаимодействии частиц космического происхождения с веществом. Подобный выбор места и материала для создания детектора не случаен. В толще льда остаточный радиоактивный фон минимален, а сам материал прозрачен для оптического излучения.

Детектор предназначен для регистрации нейтрино и спроектирован таким образом, чтобы уровень шумов, в том числе обусловленных космическим излучением, был минимален. Тем не менее, полностью ликвидировать шумы невозможно. Высоко энергетичные мюоны из ливней, вызванных космическими лучами, проникают в ледовую толщу даже на такую глубину. Регистрация черенковского излучения позволяет определить и направление инициировавшей ливень космической частицы. Поэтому в эксперименте IceCube детектируются нейтрино, приходящие снизу, сквозь Землю, из северного полушария.

Распределение источников оказалось крайне неравномерным - анизотропным. Ранее факт подобной анизотропии был выявлен и в ходе исследования космических лучей в Северном полушарии, так что аномалия превращается в серьезную космическую проблему. В настоящее время предполагается, что источником высокоэнергетичных космических лучей являются далекие внегалактические источники - и в этом случае выявленная IceCube анизотропия отражает анизотропию космологических масштабов. Ситуация усугубляется выявленной ранее анизотропией реликтового микроволнового излучения - проблемой для текущей космологии.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения экспериментального оборудования с целью использования преимуществ холодного климата, для решения задач фундаментальных исследований в области физики космических лучей высоких энергий. Это достигается тем, что детекторы мюонов адаптированы для работы в условиях постоянно низких температур, в районах вечной мерзлоты, и объединены в сеть, конфигурацию которой можно произвольно варьировать.

Ледяной детектор мюонов, регистрирующий черенковское излучения от мюонов в объеме льда, отличающийся тем, что детектор использует лед со спектросмещающими добавками, в качестве радиатора черенковского излучения.

Например, в условиях Антарктиды сеть таких детекторов могла бы располагаться, например, на мобильных платформах сохраняя возможность менять конфигурацию (патент на изобретение №2676198 опубликован в 36 Б, 2018 году «Система регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней», заявка №2018106544/28(010074) дата подачи заявки 22.02.2018) с той разницей что вместо черенковского детектора космических лучей, применялся бы ледяной детектор мюонов, снижая конечную стоимость комплекса.

Однако у такого способа есть и свои недостатки: температура окружающей среды должна быть постоянно ниже нуля градусов по Цельсию, а также затруднен доступ и обслуживание электроники. Возможно, потребуется применить спектросмещающие добавки для увеличения светового потока [https://arxiv.org/abs/0807.2895v1]. Конечно, технология требует предварительных испытаний, желательно на территории нашей страны и желательно с подготовленной инфраструктурой. Таким условиям удовлетворяют вечномерзлые грунты приарктической и арктической зоны, делая комплексную установку ШАЛ в Якутске идеальным местом для отработки технологии с возможностью нормирования и калибровки на штатные детекторы.

На рисунке приведена температура вечномерзлых грунтов соответствующих широт, температура не подымается выше -4°С на глубине ниже 4 м [по данным измерения с. Чокурдах 1958].

Впервые в мире будет применена методика детектирования космических лучей с помощью ледяных детекторов мюонов объемом несколько кубических метров, закопанных на равную глубину (с одинаковой пороговой энергией мюонов) в вечную мерзлоту, с практически постоянной отрицательной температурой. Это позволит выбрать конфигурацию размещения большого числа детекторов КЛ в пределах установки ШАЛ, с относительно небольшими финансовыми затратами.

Особенно актуальны вечномерзлые детекторы для работы в отдаленных от населенных пунктов, уголках земли, таких как Арктика или Антарктика. Характерный для таких регионов низкий уровень светового и радио шумов увеличат полезное время наблюдений, достоверность данных. Увеличив расстояния между детекторами (общую эффективную площадь установки) мы увеличим статистику регистрируемых событий ШАЛ.

До внедрения в практику методика требует предварительных испытаний, желательно на территории нашей страны и желательно с подготовленной инфраструктурой. Таким условиям удовлетворяют вечномерзлые грунты приарктической и арктической зоны, делая Якутскую комплексную установку ШАЛ идеальным местом для тестирования технологии с возможностью нормирования и калибровки на штатные детекторы. Таким образом мы не только улучшаем потенциал уже имеющейся у нас комплексной установки ШАЛ, но и закладываем фундамент для будущей модернизации и возможно для нового типа установок, состоящих из вечномерзлых детекторов мюонов, которые могут быть применены в арктической и антарктической зонах.

Краткое описание чертежей

Кривые среднемесячных температур грунтов в поселке Чокурдах (1953 г.)

Эпюра среднемесячных температур грунта, как это видно из рисунка, имеет вид пучка кривых, сходящихся книзу, с характерным запаздыванием экстремальных температур с глубиной. Таким образом температура вечномерзлых грунтов соответствующих широт не подымается выше -4°С на глубине ниже 4 м