ИЯИ РАН - Проект ПАМИР-XXI
Комплексное изучение космических лучей сверхвысоких энергий
в совместных российско-таджикских астрофизических исследованиях на Восточном Памире

Проект комплексного исследования первичных космических лучей (ПКЛ) и их взаимодействий на высотах гор (проект "Памир-XXI", Восточный Памир, 4260 м над уровнем моря) был запущен в рамках Международного научно-исследовательского центра "Памир-XXI", учрежденного Правительствами России и Таджикистана.

В ближайшие годы соответствующая активность участников проекта будет проводиться в соответствии с Планом практических действий ("Дорожная карта") проведения совместных российско-таджикских астрофизических исследований и развития высокогорных полигонов на Восточном Памире на 2019-2022 гг., разработанным Минобрнауки РФ во исполнение поручений 16-го заседания Межправительственной комиссии по экономическому сотрудничеству между Российской Федерацией и Республикой Таджикистан от 20.03.2019 г.

1. Введение

В середине 20-го века комплексные установки ШАЛ стали, по сути, основным инструментом для определения энергетического спектра ПКЛ, их массового состава и анизотропии в области энергий E0 ~1 ПэВ и выше. Такие ливневые установки включают в себя системы из пространственно разнесенных детекторов разных типов, используемых для исследования различных компонентов ШАЛ, а именно: наземных детекторов заряженных частиц (для изучения электронно-фотонной и мюонной компонент), подземных детекторов заряженных частиц (для мюонов высоких энергий), центральных калориметров (для адронов высокой энергии в составе стволов ШАЛ), оптических детекторов различных типов (для регистрации черенковского излучения, либо флуоресцентного света), радио-детекторов и пр.

Первоначально комплексные установки ШАЛ были нацелены как на изучение астрофизических аспектов ПКЛ и их характеристик, так и на исследования адронных взаимодействий высоких энергий. Однако какое-то время казалось, что появление ускорителей-коллайдеров очень высоких энергий (SPS, Tevatron, RHIC, LHC), приведут к прекращению исследований на установках ШАЛ по второму направлению, оставив за КЛ лишь первое из этих направлений. Именно поэтому большинство последних экспериментов ШАЛ планировалось, исходя из предположения о решенности второй задачи, которая стала рассматриваться как своеобразная прерогатива коллайдерных экспериментов. В результате, установки ШАЛ, введенные в эксплуатацию в последние десятилетия, строились лишь для изучения проблемы первичного спектра, состава и анизотропии ПКЛ, оставляя без внимания проблемы взаимодействия. Однако теперь понятно, что сама схема коллайдерных экспериментов и особенности их конструкции (например, достаточно большие поперечные размеры ускорительных трубок) не позволяют экспериментаторам изучать некоторые важные особенности взаимодействий адронов сверхвысоких энергий, связанные с рождением частиц в переднем конусе ('forward physics'), в частности, изучать характеристики вторичных частиц с большой быстротой. Таким образом, лидирующие частицы остаются вне доступной для наблюдений с помощью коллайдеров кинематической области фазового пространства, имеющей название области фрагментации налетающей частицы. В результате оказалось, что единственным, на сегодняшний день, способом изучения свойств самых энергичных вторичных частиц в ядерных взаимодействиях при сверхвысоких энергий является проведение экспериментов с космическими лучами на неподвижной, но не слишком толстой мишени воздушного слоя над установкой (например, эксперименты с РЭК или РЭК+ШАЛ на высотах гор) или на неподвижной толстой мишени центрального калориметра при относительно меньших энергиях. Оба эти метода, используемых в экспериментах с космическими лучами, позволяют изучать поведение вторичных адронов, рождающихся в переднем конусе.

В пользу необходимости подобного рода исследований говорит и ряд новых явлений (или необычного типа событий), которые наблюдались в экспериментах с рентгеноэмульсионными камерами (РЭК), экспонировавшимися в космических лучах на высотах гор и в стратосфере. В частности, в этих экспериментах наблюдалось неожиданное явление компланарного рождения самых энергичных частиц в составе стволов ШАЛ, не описываемое обычными моделями адронных взаимодействий. Впервые соответствующие события, характеризующиеся линейной выстроенностью частиц на мишенной диаграмме, были обнаружены на Памире еще в 80-е годы прошлого века.

В настоящее время в физике высоких энергий используется несколько достаточно сильно различающихся между собою феноменологических моделей адронных взаимодействий, каждая из которых претендует на адекватное описание адрон-ядерных взаимодействий при сверхвысоких энергиях. Их различие приводит к существенно разным выводам о природе изломов спектра и массовом составе ПКЛ (Рис. 1 и 2), которые получаются в результате решения обратной задачи (восстановление параметров спектра и состава ПКЛ по наблюдаемым характеристикам ШАЛ).


Рис. 1: Энергетический спектр ПКЛ в области энергий E0 ≈ 1015 эВ и выше.



Рис. 2: Мировые данные по энергетической зависимости среднего массового числа ПКЛ.

Поскольку проблема состава ПКЛ при сверхвысоких энергий далека от своего решения, исходный набор целей, стоявших перед комплексными установками ШАЛ, по-прежнему является актуальным. Однако теперь он может быть решен более эффективно, если опираться не только на более высокий современный уровень понимания проблемы, но и на прогресс последних десятилетий в области экспериментальных и компьютерных технологий, позволяющий применить новые методы обработки и анализа экспериментальных данных. Именно такой подход заложен в новый проект "Памир-XXI", который, как нам представляется, способен существенно продвинуть вперед решение классических задач (изучение параметров ПКЛ и построение модели взаимодействия), по-прежнему стоящих перед комплексными установками ШАЛ.

Еще одной целью новой установки является изучение диффузного гамма-излучения сверхвысокой энергии (Eγ>30 ТэВ) во всей доступной полусфере (Северном полушарии), а также поиск точечных γ-источников для их последующего более детального изучения с помощью стереоскопически систем АЧРТ (типа HESS, VERITAS, CTA, AGIS и пр.).

2. Состав и особенности новой комплексной установки ШАЛ

Предлагается создание в горах Восточного Памире на высоте 4260 м н.у.м. комплексной установки ШАЛ нового поколения площадью ~ 1 км2 ("Памир-XXI"), в основу проекта которой закладываются два оригинальных подхода:

новая технология регистрации черенковского света ШАЛ, использующая:
а) стереоскопическую систему из нескольких (оптимально, четырех) оптических растровых телескопов с площадью зеркала около 4 м2, углом обзора не менее 30° и размером пикселя ~ 0.8°, которые смогут различать ШАЛ, инициируемые разными (по массе) группами первичных ядер,
б) сеть из быстрых широкоугольных оптических детекторов (40 - 50°) с размером шага сетки 25 м, которые смогут определять направление прихода ШАЛ с высокой точностью (~ 0.1°), а также положение оси ШАЛ и энергию первичной частицы;

новый тип центрального гибридного калориметра в сочетании с ренгеноэмульсионной камерой (РЭК), позволяющей изучать характеристики отдельных высокоэнергичных адронов в составе столов ШАЛ, и толчковой установкой, представленной двумя слоями протяженных узких сцинтилляционных счетчиков, расположенных крест-накрест и обеспечивающих возможность эффективного сопоставления двух типов событий: событий ШАЛ, регистрируемых в режиме реального времени, и событий РЭК, непрерывно накаливаемых в пассивном режиме в ходе всего периода экспозиции РЭК; чувствительными элементами самого адронного калориметра станут несколько парных слоев таких же протяженных (4-метровых) пластиковых сцинтилляционных счетчиков с оптоволоконным съемом сигнала.

Наземная ливневая система заряженных частиц установки "Памир-XXI" будет иметь традиционную конструкцию, оптимизированную для наблюдения ШАЛ на высоте установки (606 г/см2). Поскольку данная высота приблизительно соответствует максимуму развития протонного ливня в атмосфере при энергии E0 ~ 1015 эВ, флуктуации, связанные с развитием ливня, минимальны, а значит, параметры ливня на этом высотном уровне максимально чувствительны к природе первичной частицы.

Общая схема расположения детекторов в составе установки "Памир-XXI" представлена на Рис. 3 и 4.




Рис. 3: Центральная часть новой комплексной установки ШАЛ.



Рис. 4: Периферическая часть комплексной установки "Памир-XXI".



Рис. 5: Конструкция центральной гибридной установки

В состав установки "Памир-XXI" входят:

размещенный в центре линевой установки глубокий (~ 3.5 λint) свинцово-углеродный калориметр общей площадью 192 м2 в сочетании с РЭК и толчковой установкой, выполненной в виде двух сплошных слоев крест-накрест лежащих пластических сцинтилляционных счетчиков с оптоволоконным съемом сигнала (Рис. 5);

две концентрических системы (матрицы) ливневых детекторов вокруг адронного гибридного калориметра: одна плотная (с шагом 5 м) площадью 80 x 80 м2 и с высоким порогом регистрации (центральная часть ливневой установки, Рис. 3), а другая более редкая (с шагом 85 м) площадью 1 × 1 км2 и с низким порогом регистрации (периферическая часть ливневой установки, Рис. 4), обеспечивающие возможность изучения ПКЛ в широком диапазоне первичных энергий E0 ≈ 3·1013 - 1018 эВ (Рис. 4);

быстрая система хронометража ("хронотрон"), состоящая из 8-ми сцинтилляционных пунктов и позволяющая определять углы прихода ШАЛ по задержке прибытия фронта ШАЛ в разные точки системы регистрации;

матрица из 157 быстрых широкоугольных (40-50°) черенковских детекторов (ЧД), расположенных по всей площади установки ~ 1 км2, для определения формы и амплитуды пространственного распределения dQ/dR ЧС ШАЛ, а также характеристик формы импульса ЧС ШАЛ, т.е., временного распределения dQ/dT и d2Q/dRdT; шаг в центральной части матрицы составляет 25 м (Рис. 3), в то время как на периферии - 85 м (Рис. 4); быстрые ЧД будут либо выполнены в виде широкоугольных фотоумножителей типа EMI 9350 с полусферическим фотокатодом диаметром 20 см, либо состоять из зеркал диаметром ~ 1,2 м с матрицами из 19-ти ФЭУ, помещенными в фокальной плоскости этих зеркал;

четыре широкоугольных атмосферных черенковских растровых телескопа с полем зрения не менее 30° и размером пикселя мозаики из ФЭУ 0.6 - 0.8° для определения пространственно- углового распределения d3Q/dRdθxy ЧС индивидуальных ШАЛ;

лидар для мониторинга качества ночной атмосферы.

Использование в одном эксперименте разных методов регистрации ШАЛ и широкий диапазон изучаемых первичных энергий, частично перекрывающий область "прямых измерений" на баллонах и спутниках, открывает возможность для проведения взаимной калибровки разных экспериментов, часто получающих существенно разные выводы о параметрах ПКЛ в интересуемой нас области первичных энергий.





Рис. 6: Вид на площадку нового экспериментального полигона на Памире.



Рис. 7: Первая инфрастуктура нового полигона.



Рис. 8: Возведенный на новом полигоне ангар для размещения гибридного адронного калориметра и пунктов сбора и первичной обработки данных эксперимента "Памир-XXI".

3. Начало реализации проекта

В 2012 - 13 гг. в рамках проекта "Памир-XXI" были проведены широкомасштабные работы, связанные с подготовкой к созданию новой комплексной установки:

на Восточном Памире на высоте 4260 м н.у.м. найдена ровная почти горизонтальная площадка (Рис. 6) для развертывания установки площадью ~ 1 км2 и обустройства на ней нового экспериментального полигона, природные условия которого (в первую очередь, астроклимат) идеально подходят для проведения черенковских наблюдений ШАЛ и круглогодичных работ;

к новому полигону проложена дорога, пригодная для завоза крупногабаритных грузов; на полигоне сооружены комфортабельные жилые помещения площадью ~ 140 м2, приспособленные для круглогодичного проживания в них персонала и специалистов (Рис. 6); возведен утепленный однопролетный цельнометаллический ангар площадью 60 × 20 м2 (Рис. 8), в котором будут размещены центральный калориметр, а также пункты сбора и первичной обработки данных эксперимента; подготовлены помещения и фундаменты под гибридную электростанцию и дизель-генератор суммарной мощностью 56 кВт (Рис. 7);

закуплена и доставлена на экспедиционную базу, расположенную в г.Ош, гибридная электростанция мощностью, состоящая из 6-ти ветрогенераторов (6 × 5 кВт) и 80 солнечных модулей (80 × 0.2 кВт), а также резервного дизель-генератора мощностью 10 кВт;

в рамках сотрудничества с ИФВЭ (г. Протвино) разработаны, изготовлены и протестированы на ТШВНС ФИАН первые 18 шт. протяженных пластиковых сцинтилляционных модулей размером 400 × 50 см2, состоящих из 4-х независимых сцинтилляционных счетчиков с оптоволоконным съемом сигнала, которые планируется использовать для создания гибридного адронного калориметра (Рис. 9);

модернизирован пакет программного обеспечения ECSim [1] для моделирования отклика многослойного гибридного детектора (РЭК, калориметр, система наземных детекторов заряженных частиц и пр.) путем включения в него модели адрон-ядерных взаимодействий FANSY 1.0 [2], описывающей данные рентгеноэмульсионных экспериментов;

проведены обширные расчеты по моделированию отклика центрального гибридного калориметра, которые позволили уточнить конструкцию калориметра с целью улучшения пространственного разрешения стволов ШАЛ и эффективности сопоставления стволов ШАЛ и событий РЭК; расчеты подтвердили требуемое разрешение толчковой установки, представленной парой крест-накрест лежащих сплошных слоев сцинтилляционных счетчиков, которое составляет несколько сантиметров (Рис. 10).




Рис. 9: Конструкция и внешний вид протяженных пластических сцинтилляционных счетчиков с оптоволоконным съемом сигнала.



Рис. 10: Результаты моделирования отклика гибридного калориметра.

В настоящее время проводятся интенсивные работы по моделированию отклика и выбору наиболее оптимальной конфигурации ливневой системы новой установки ШАЛ, состоящей из системы наземных детекторов заряженных частиц и системы оптических детекторов ЧС. Следующим этапом этих работ станет физическое проектирование данного типа детекторов.

4. Стратегия использования ливневого детектора ШАЛ

Для изучения энергетического спектра и массового состава ПКЛ требуется определить направление прихода, энергию и тип первичной частицы с помощью измерения различных характеристик ШАЛ. Для определения всех этих параметров первичной частицы могут использоваться лишь пространственные, угловые и временные распределения ЧС ШАЛ. Все эти характеристики несут информацию о развитии ливня, в том числе содержат данные о его основных продольных характеристиках, т.е. о его каскадной кривой.

Последние 30 лет решение проблемы массового состава ПКЛ неизменно связывалось с одновременной оценкой первичной энергии E0 и глубины максимума развития ливня Xmax, потому что, согласно поведению средней каскадной кривой, положение ее максимума при известном значении энергии E0 ,в основном, определяется массой первичной частицы.

Эта логика кажется вполне естественной, но, на самом деле, имеет серьезные недостатки:

1) каскадная кривая и, следовательно, положение ее максимума, как правило, не являются непосредственно наблюдаемыми величинами (за исключением каскадной кривой ШАЛ, сканируемой флуоресцентным методом, имеющим высокий порог энергии ~ 1017 эВ);

2) индивидуальные каскадные кривые ШАЛ с одинаковыми значениями первичных параметров могут очень сильно различаться из-за флуктуаций в развитии ливня; часто положение максимумов каскадов, инициированных первичными частицами с одной массой, близки к тем, что порождаются частицами с существенно иными значениями массы.

Первое обстоятельство означает, что Xmax играет роль промежуточной переменной для перехода к массе A0 первичной частицы, что неизбежно приводит к потере информации об A0, поскольку зависимость A0-Xmax не является жесткой. Второе обстоятельство указывает на недостаточную информативность Xmax и заставляет нас искать более информативные меры.

Современное состояние проблемы массового состава требует серьезного переосмысления их свойств, что можно сформулировать в следующем виде:

нужно собирать гораздо больше данных на каждое событие, чем это делается в настоящее время, т.е., ливневая установка ШАЛ должна быть более сложной, более специализированной, а также тщательно прокалиброванной;

должны измеряться параметры ШАЛ, наиболее чувствительные к A0;

при обработке данных наблюдения необходимо извлекать информацию о массе первичной частицы лишь с помощью прямых связей между наблюдаемыми величинами и A0 без использования промежуточных переменных (например, Xmax);

методические неопределенности должны быть тщательно пересмотрены и быть прозрачными для перекрестных проверок.

Двумя наиболее перспективными характеристиками ЧС ШАЛ с точки зрения массового состава ПКЛ являются пространственные распределения (ПР) и пространственно-угловые распределения (ПУР). Первое известно как мера продольного развития ШАЛ уже более 30 лет и в настоящее время используется в эксперименте СФЕРА-2 [3]. Возможности пространственно-углового распределения ЧС ШАЛ (ПУР) оказываются гораздо богаче. Под ПУР мы имеем в виду набор угловых черенковских растровых изображений ливня, получаемых с помощью нескольких телескопов, находящихся на разных расстояниях до оси ливня. ПУР более дифференциальная характеристика ЧС ШАЛ, нежели ПР, поэтому мы вправе ожидать, что она содержит более содержательную информацию о массе первичной частицы [4].

Поскольку рабочий цикл черенковских детекторов составляет лишь примерно 10% от полного времени наблюдения, должны быть найдены некоторые новые характеристики заряженных частиц, чувствительные к массовому составу ПКЛ. С этой целью следует использовать результаты детального моделирования всего эксперимента, в котором будут использоваться наряду с детекторами ЧС и ливневые системы наземных детекторов заряженных частиц. Моделирование одновременной работы двух типов детекторов поможет решению данной задачи.

5. Возможности новой комплексной установки.

Проведенные нами расчеты и полученные оценки позволяют заключить, что установка "Памир-XXI" будет обладать следующими характеристиками и возможностями:

диапазон изучаемых первичных энергий E0 ≈ 3·1013 - 1018 эВ;

неопределенность для первичной энергии δE0/E0≈ 15%;

точностью определения направления прихода частицы - не хуже 0.1°;

точностью определения положения оси ливня - не хуже 1 м;

погрешность в разделении первичных протонов/ядер азота составит 10% по итогам наблюдений, а при разделении первичных ядер азота/ядер железа погрешность также не превысит 10% в режиме обзора;

эффективность выделения легких ядер (протоны, протоны+ядра гелия, ...): при отборе не менее 30% легких ядер примесь других ядер будет составлять не более 1% от их общего числа (т.е. 99% более тяжелых ядер будет подавлено);

отбор гамма-квантов ультравысокой энергии позволит сохранить около 30% истинных гамма-квантов и подавить при этом не менее 99% первичных ядер, составляющих фон;

структура центрального гибридного калориметра позволит изучать область фрагментации адронов в адрон-ядерных взаимодействиях при энергиях E0>ПэВ (√s>2 ТэВ) и получать дополнительную информацию по отношению к данным экспериментов на LHC.

6. Заключение

Разработан проект "Памир-XXI" изучения ПКЛ в диапазоне энергий E0 = 30 ÷ 106 ТэВ, предусматривающий создание в горах Восточного Памира на высоте 4260 м н.у.м комплексной установки ШАЛ нового поколения с эффективной площадью ~ 1 км2.

На начальном этапе его реализации

создана необходимая инфраструктура нового высокогорного полигона для развертывания на нем будущей установки;

проводятся расчеты по детальному моделированию эксперимента и отклика отдельных детекторов, входящих в состав установки, с целью оптимизации параметров и конфигурации установки;

ведется разработка и отладка конструкции отдельных компонент (детекторов) установки. Реализация проекта "Памир-XXI" позволит создать уникальную и конкурентоспособную экспериментальную установку мирового уровня, которая вернет лидирующие позиции отечественной науки в области астрофизики частиц сверхвысоких энергий.

Литература

[1] M.G. Kogan, A.S. Borisov, V.I. Galkin et al., Proc. 31st ICRC, Lodz (2009) ICRC1213.

[2] R.A. Mukhamedshin, Eur.Phys.J. C 60 (2009) 345

[3] A.M. Anokhina, R.A. Antonov , E.A. Bonvech et al., Bull. Lebedev Phys. Inst. 36 (2009) 146.

[4] V.I. Galkin and T.A. Dzhatdoev. On the Sensitivity of the Spatial-Angular Distribution of the Cherenkov Light in Extensive Air Showers to the Mass Composition of Primary Cosmic Rays with Energies of 1015 - 1016 eV, Moscow University Physics Bulletin 65 (2010) No. 3, pp. 195-202

Контактная персона: Мухамедшин Рауф Адгамович, e-mail: rauf_m@mail.ru, тел. +7 903-212-34-88

 



WWW.INR.RU 2001© webmasters