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. Ледяной детектор мюонов регистрирует черенковское излучение от мюонов в объеме льда, при этом детектор использует лед со спектросмещающими добавками в качестве радиатора черенковского излучения. Технический результат – расширение области применения экспериментального оборудования с целью использования преимуществ холодного климата для решения задач фундаментальных исследований в области физики космических лучей высоких энергий. 1 ил.

 

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 nair=1.0003, угол раскрытия черенковского излучения составляет около 1°. В воде, где nwater=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

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



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники. Комплекс для измерения угловой зависимости отклика оптического модуля нейтринного черенковского водного телескопа содержит светоизолированную емкость с водой, в центре которой закреплен тестируемый оптический модуль, две параллельные XY-координатные плоскости, закрепленные в вертикальном положении на внешних противоположных сторонах емкости, блок сбора и обработки данных XY-координатных плоскостей, блок анализа разверток сигналов оптического модуля и электронную вычислительную машину.
Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для измерения параметров широкого атмосферного ливня от космических лучей сверхвысоких энергий. Система регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней состоит из детекторов черенковского излучения, беспилотных летательных аппаратов, при этом детекторы черенковского излучения устанавливаются на мобильные платформы, которые можно транспортировать, в том числе, и беспилотными летательными аппаратами.
Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для измерения параметров широкого атмосферного ливня от космических лучей сверхвысоких энергий. Предложен способ регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней, состоящий из системы детекторов черенковского излучения, при этом детекторы черенковского излучения устанавливаются на беспилотные летательные аппараты.

Изобретение относится к области протонной радиографии, в частности к способам регистрации оптических изображений, сформированных с помощью протонного излучения. Способ получения протонных изображений включает в себя этапы, на которых осуществляют пропуск протонного пучка через область исследования и его регистрацию до и после прохождения им области исследования путем направления пучка протонов в конвертер, преобразующий протонное излучение в фотоны, которые затем направляют на вход ПЗС-матрицы для получения цифровых изображений, с последующей их обработкой путем сведения к одному ракурсу и попиксельного деления изображения, полученного после прохождения пучком области исследования, на изображение, полученное до прохождения им области исследования, при этом в результате преобразования протонного излучения в фотоны формируют узконаправленный пучок фотонов путем направления пучка протонов в конвертер, преобразующий протонное излучение в излучение Вавилова-Черенкова, при этом газ, которым заполняют рабочий объем конвертера, выбирают из условия, чтобы его коэффициент преломления находился в диапазоне 1,0001-1,001, далее сформированный пучок фотонов фокусируют и направляют на вход ПЗС-матрицы.

Изобретение относится к области измерения радиоактивности и предназначено для регистрации высокоэнергетических бета-излучателей в водных потоках по черенковскому излучению. Изобретение включает измерительную емкость с размещенным внутри нее прозрачным сосудом, имеющую вход и выход для исследуемой жидкой среды; по крайней мере, четыре фотоэлектронных умножителя, соединенные с измерительной емкостью, каждый из которых помещен в светозащитный корпус; усилители импульсов, подключенные к фотоэлектронным умножителям; блок обработки информации, соединенный с усилителями импульсов, при этом фотоэлектронные умножители расположены в непосредственной близости к стенкам прозрачного сосуда и на равноудаленном расстоянии друг от друга.

Изобретение относится к области детектирования ионизирующих излучений с использованием полупроводниковых устройств и может быть использовано в научно-исследовательском оборудовании и средствах радиационной защиты. .

Изобретение относится к технике регистрации потока ионизирующего излучения однократного процесса нано- и субнаносекундной длительности и может быть использовано при регистрации гамма-квантов большой энергии при малой плотности потока. .

Изобретение относится к технике регистрации ионизирующих излучений, в частности к пороговым газовым черенковским детекторам. .

Изобретение относится к технической физики, а именно к устройствам для детектирования ионизирующих излучений, и предназначено для спектрометрии гамма-квантов и электронов высоких энергий. .
Наркология
Наверх