научная статья по теме ВЫДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ПО ФОРМЕ КАСКАДА В ИОНИЗАЦИОННОМ КАЛОРИМЕТРЕ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ НУКЛОН Физика

Текст научной статьи на тему «ВЫДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ПО ФОРМЕ КАСКАДА В ИОНИЗАЦИОННОМ КАЛОРИМЕТРЕ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ НУКЛОН»

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2014, том 77, № 5, с. 621-628

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ВЫДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ПО ФОРМЕ КАСКАДА В ИОНИЗАЦИОННОМ КАЛОРИМЕТРЕ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ НУКЛОН

© 2014 г. О. А. Васильев1^ Д. Е. Карманов1^ И. М. Ковалев1^ И. А. Кудряшов1), А. А. Лобанов1^ Д. М. Подорожный1^ Л. Г. Ткачев2), А. В. Ткаченко2), А. Н. Турундаевский1)*, В. Н. Шигаев2)

Поступила в редакцию 20.06.2013 г.; после доработки 30.09.2013 г.

Описывается ионизационный калориметр, введенный в состав научной аппаратуры НУКЛОН. На основе данных моделирования обсуждается возможность его использования для изучения спектра электромагнитной заряженной компоненты космических лучей в области энергий 100—2000 ГэВ.

Изучение электронной и гамма-компонент космических лучей (КЛ) позволяет решить важные проблемы астрофизики. Проведение такого эксперимента требует разработки надежного метода для разделения электромагнитной и протонной компонент.

В работе [1] описана процедура отбора электромагнитной компоненты в эксперименте ATIC. Задача оказалась достаточно сложной, несмотря на наличие BGO-калориметра полного поглощения. Для разделения компонент в ATIC используются два параметра: доля энерговыделения в максимуме и ширина каскада, что обеспечивает ограничение протонной примеси в спектре протонов на уровне ^5% в области ТэВ [2].

Другой калориметрический эксперимент, направленный на изучение электронной компоненты, — Fermi-LAT [3]. Здесь используется многопараметрический анализ формы каскадов в виде "дерева решений". При этом протонная примесь к потоку электронов составляет ^20% в области 200-1000 ГэВ [3].

В эксперименте PAMELA помимо мелкосекци-онированного калориметра используется магнитный спектрометр, позволяющий разделять частицы по знаку заряда. Поэтому примесь протонов к электронам пренебрежимо мала [4].

!)НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова,

2)Объединенный институт ядерных исследований, Дубна,

Магнитный спектрометр используется и в эксперименте AMS02 наряду с ионизационным калориметром и времяпролетной системой. Но основную роль в разделении лептонов и адронов играет детектор переходного излучения, подавляющий вероятность ошибки до пренебрежимо низкого уровня [5].

Сравнение различных установок показывает, что применение магнитных спектрометров и детекторов переходного излучения существенно улучшает подавление адронного фона, однако ограничивает геометрический фактор аппаратуры. При этом калориметрические установки с разделением компонент по форме каскада вполне позволяют решать поставленные научные задачи, несмотря на существующие проблемы.

В сравнительно тонкой установке НУКЛОН разделение компонент связано с еще большими трудностями.

Поток электронов существенно (на 2—3 порядка) меньше потока протонов. Отчасти ситуацию упрощает то обстоятельство, что в эксперименте НУКЛОН ионизационным калориметром измеряется не полная энергия первичного протона, а фактически энергия гамма-квантов, рожденных в первом неупругом взаимодействии. При этом большая часть энергии первичного электрона выделяется внутри установки. Поэтому электрон может имитироваться протоном с энергией выше в ^5 раз (1/К7), если измеряемая энергия электромагнитной компоненты каскада, инициированного протоном, принимается за общую энергию электромагнитного каскада от электрона. Но и при этом отношение дифференциальных потоков электронов с энергией 200 ГэВ и протонов с энергией 1000 ГэВ

Рис. 1. Схема аппаратуры НУКЛОН: а — общая компоновка (1 — система измерения заряда, 2 — графитовая мишень, 3 — системы КЬБМ и триггера, 4 — микрокалориметр); б — устройство микрокалориметра (слои раздвинуты).

составляет ^0.3 с учетом разной вероятности регистрации (протон может пройти мишень без неупругого взаимодействия).

Имитация электрона протоном возможна, если форма каскада от первого неупругого адронного взаимодействия близка к форме электромагнитного каскада. Для этого требуется передача значительной доли энергии первичной частицы малому числу высокоэнергичных гамма-квантов, при малом числе вторичных заряженных частиц. Математическое моделирование и анализ его результатов позволяют количественно оценить вероятность такой имитации и возможное искажение регистрируемых спектров электронов.

В настоящее время ведется подготовка космического эксперимента НУКЛОН [6—14]. Научную аппаратуру предполагается разместить в качестве

дополнительной полезной нагрузки на серийном КА Ресурс-П № 2. Жесткие ограничения по массе и энергопотреблению не позволили применить для измерения энергии КЛ полномасштабный ионизационный калориметр. При разработке экспериментальной аппаратуры была предложена уникальная методика КББМ [6, 7], позволяющая обеспечивать высокий геометрический фактор при малой массе детектора. В ходе адаптации научной аппаратуры к спутнику были выделены дополнительные ресурсы: ^70 кг по массе и 20 Вт по энергопотреблению. Эти ресурсы были направлены на создание ионизационного микрокалориметра (МИК), предназначенного для полетной калибровки спектрометра КЬБМ при строгом сохранении геометрического фактора. Созданный микрокалориметр имеет мелкое секционирование и, кроме основной задачи, способен выделять по форме каскада электромагнитную компоненту КЛ на фоне большого числа адронных событий. На рис. 1 показана общая компоновка аппаратуры НУКЛОН (рис. 1а) и устройство микрокалориметра (рис. 1б). В состав установки НУКЛОН входит система измерения заряда (четыре слоя падовых кремниевых детекторов), система измерения энергии КББМ (включает графитовую мишень и набор кремниевых микростри-повых детекторов, разделенных тонкими вольфрамовыми пластинами), триггерная система из трех модулей, а также микрокалориметр. Микрокалориметр включает шесть слоев вольфрама и шесть слоев кремниевых микростриповых детекторов.

Микрокалориметр регистрирует каскад вторичных частиц после основной системы измерения энергии. Функционально МИК измеряет ионизацию от частиц каскада и служит для выделения и измерения энергии электромагнитной компоненты (электронов, позитронов, гамма-квантов) в общем составе космического излучения. Также МИК позволяет провести дополнительные измерения энергии протон-ядерной компоненты КЛ и выполнить калибровки системы КББМ.

МИК состоит из шести плоскостей по четыре ледера. Один ледер содержит четыре кремниевых микростриповых детектора со 128 стрипами толщиной 300 мкм, шириной 1 мм и длиной 25 см. Каждая плоскость включает вольфрамовый поглотитель и четыре ледера после него. Стрипы в соседних плоскостях ориентированы перпендикулярно друг к другу. Суммарно в МИК информация считывается с 1536 каналов.

Каждая плоскость содержит пластину вольфрамового поглотителя толщиной 7.5 мм и плотностью 17.3 г/см3. Таким образом, один слой содержит 1.92 радиационных длин (Х0). Дополнительный слой поглотителя толщиной 3.5 мм, помещенный

позади МИК для улучшения рассеяния электронов в обратном направлении в условиях развитого каскада, увеличивает полную толщину МИК до 12.4Х0. Вместе с системой измерения энергии и мишенью толщина ионизационного калориметра НУКЛОН составляет 15.3Х0.

МОНТЕ-КАРЛО-МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА НУКЛОН

Для выработки алгоритма режекции примеси первичных протонов было проведено математическое моделирование аппаратуры НУКЛОН [6] с дополнительным микрокалориметром. С помощью программного пакета GEANT 3.21 [15] разыгрывалось прохождение в апертуре прибора электронов с энергиями 200—2000 ГэВ и протонов с энергиями 1000-10 000 ГэВ.

Распознавание компонент КЛ осуществляется без принципиальной доработки конструкции, только за счет штатных детекторов. В верхней части НУКЛОНа (система KLEM) это микростриповые детекторы с шириной стрипа ^0.5 мм, в микрокалориметре — тоже микростриповые детекторы, но с шириной стрипа мм. С указанным пространственным разрешением для каждого события можно получить продольное и поперечное распределение ионизации в каскаде. Требуется описать каскад на основе измерений конечным, достаточно малым, числом параметров, различных для каскадов разных типов. Исходные предпосылки для выбора набора параметров опираются на различие свойств адронного и электромагнитного каскадов.

В адронном каскаде в первом взаимодействии рождается, как правило, несколько гамма-квантов с разными энергиями и углами вылета. Поэтому поперечное сечение адронного каскада пространственно шире электромагнитного. Продольное развитие каскадов разных типов также различается. В случае адронного каскада максимум заметно шире из-за суперпозиции отдельных ливней, создаваемых разными гамма-квантами из первого взаимодействия и взаимодействий вторичных адро-нов. Кроме того, заметно различаются начальные участки каскадов. Электромагнитный каскад начинается в первых же слоях вольфрама, ионизация на начальном этапе нарастает экспоненциально. Первичный протон может проскочить мишень и первые слои вольфрама без взаимодействия. В этом случае наблюдается только ионизация от однозарядной частицы. При большой глубине первого неупругого взаимодействия каскад не успеет развиться до максимума, и наибольшее энерговыделение будет в последнем слое детекторов. Если же первое неупругое взаимодействие произошло в мишени, то помимо электронов и позитронов в каскаде есть определенное количество заряженных

адронов. Поэтому форма начальной части каскада отличается от экспоненциальной.

Все перечисленные соображения позволяют определить список параметров каскада:

1) г — номер слоя детекторов микрокалориметра с максимальным энерговыделением;

отношение энерговыделения в

слое г к общему энерговыделению в микрокалориметре;

3) Т = 1п к Ек) — натуральный логарифм полного энерговыделения в микрокалориметре для отделения низкоэнергичных событий и проскочивших протонов;

4) Тс = — отношение максимального сигнала в стрипе к сумме сигналов в слое г;

5) т — число осевых стрипов слоя г, в которых выделяется половина ионизации слоя;

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Пoхожие научные работы по теме «Физика»

БУЛАТОВ В. Л., ВЛАСОВ А. В., ГОРБУНОВ Н. В., ГРЕБЕНЮК В. М., КАРМАНОВ Д. Е., ПАХОМОВ А. Ю., ПОДОРОЖНЫЙ Д. М., ПОЛКОВ Д. А., ТАРАБРИН С. П., ТКАЧЕВ Л. Г., ТКАЧЕНКО А. В., ТУРУНДАЕВСКИЙ А. Н., ФИЛИППОВ С. Б. — 2010 г.

БАРАНОВА Н. В., БУЛАТОВ В. Л., ВЛАСОВ А. В., ВОРОНИН А. Г., ГОЛУБКОВ С. А., ГРЕБЕНЮК В. М., ЕГОРОВ Н. Н., КАРМАНОВ Д. Е., КОРОЛЕВ М. Г., КОРОТКОВА Н. А., КРУМШТЕЙН З. В., ЛЯННОЙ Е. Г., МЕРКИН М. М., ПАВЛОВ А. Ю., ПАХОМОВ А. Ю., ПОДОРОЖНЫЙ Д. М., РОМАНОВ А. В., САДОВСКИЙ А. Б., СВЕШНИКОВА Л. Г., ТКАЧЕВ Л. Г., ТКАЧЕНКО А. В., ТУРУНДАЕВСКИЙ А. Н. — 2007 г.

АТКИН Э.В., ВОРОНИН А.Г., КЛЮЕВ А.Д., КУДРЯШОВ И.А., ПОДОРОЖНЫЙ Д.М., СИЛАЕВ А.С., ФЕДЕНКО А.Ю., ШУМИХИН В.В. — 2011 г.

ВОРОНИН А. Г., ГРЕБЕНЮК В. М., КАРМАНОВ Д. Е., КОРОТКОВА Н. А., КРУМШТЕЙН З. В., МЕРКИН М. М., ПАХОМОВ А. Ю., ПОДОРОЖНЫЙ Д. М., САДОВСКИЙ А. Б., СВЕШНИКОВА Л. Г., ТКАЧЕВ Л. Г., ТУРУНДАЕВСКИЙ А. Н. — 2007 г.