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).

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 (E_γ>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.

В состав установки "Памир-XXI" входят:

• размещенный в центре линевой установки глубокий (~ 3.5 λ_int) 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/dRdθ_xdθ_y 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.

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).

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 X_max, 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 X_max играет роль промежуточной переменной для перехода к массе A₀ первичной частицы, что неизбежно приводит к потере информации об A₀, поскольку зависимость A₀-X_max не является жесткой. Второе обстоятельство указывает на недостаточную информативность X_max 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, X_max);

• 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