CC BY
14
УДК 550.42
АНОМАЛИЯ ЗАРЯДОВОГО СПЕКТРА ЯДЕР ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ОЛИВИНАХ КАК СВИДЕТЕЛЬСТВО РАДИАЦИОННОЙ
ИСТОРИИ МЕТЕОРИТОВ
А. Б. Александров1-4, А. В. Багуля1, А. Е. Волков1'7, А. А. Гиппиус1,
Л. А. Гончарова1, С. А. Горбунов1, В.М. Грачёв5, Г. В. Калинина6, Н. С. Коновалова1, Н.М. Окатьева1, Т. А. Павлова6, Н. Г. Полухина1'5,
Н.И. Старков1, Тан Найнг Со1, М. М. Чернявский1, Т. В. Щедрина1
Представлен новый дополнительный аспект анализа данных эксперимента ОЛИМПИЯ по поиску ядер тяжелых компонент космических лучей в кристаллах оливина из железо-каменных метеоритов. Обнаружены две группы кристаллов с отличающимся зарядовым спектром зарегистрированных ядер. Обсуждаются возможные причины этого явления и его влияние на итоговый спектр.
Ключевые слова: галактические космические лучи, железо-каменные метеориты, спектры тяжёлых ядер.
Железо-каменные метеориты (палласиты) с 60-х гг. прошлого века используются как трековые детекторы природного происхождения [1]. Уникальность этих детекторов состоит в том, что из-за чрезвычайно длительного воздействия галактических космических лучей (ГКЛ) удаётся обнаружить следы остановки ядер самых тяжёлых и весьма редких компонент космического излучения, вплоть до зарядов Z > 100.
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: polukhinang@lebedev.ru.
2 Неапольская лаборатория Национального института ядерной физики Италии, Неаполь.
3 Неапольский Университет имени Федерико II, Италия, Неаполь.
4 НИТУ "МИСиС", 119049 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 4.
5 НИЯУ "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31.
6 ГЕОХИ РАН, 119991 Россия, Москва, ул. Косыгина, д. 19.
7 Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", 123182 Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1.
В России исследования палласитов для прямой регистрации следов тяжёлых ядер были начаты в 1970-х годах в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова (ОИЯИ) [2]. В ходе исследований сотрудниками лаборатории была разработана методика выявления следов ядер путём отжига и химического травления кристаллов оливина [3, 4].
В начале 2000-х годов два фрагмента палласитов Marjalahti и Eagle Station были переданы из ОИЯИ в ФИАН для проведения дальнейших исследований с использованием новых технических средств и методов регистрации. В результате начался эксперимент ОЛИМПИЯ (ОЛИвины из Метеоритов - Поиск тяжелых И сверхтяжелых Ядер) по поиску и идентификации тяжелых и сверхтяжелых ядер ГКЛ в кристаллах оливина из палласитов, представляющий собой совместный проект институтов Российской академии наук: ФИАН им. П. Н. Лебедева и ГЕОХИ им. В. И. Вернадского. Подробности эксперимента, методы обработки и анализа данных представлены в работах [5, 6].
Треки ядер тяжёлых компонент ГКЛ регистрируются в полупрозрачных кристаллах магний-железосиликатного оливина (Mg0.8Fe0.2)2SiO4, заключённых в железо-никелевой матрице палласита. В отличие от трековых детекторов других типов, эмульсионных или пластиковых, оливин не накапливает фоновые треки от ядер с Z < 24, что обусловлено высоким порогом удельных энергетических потерь заряженной частицы, необходимым для образования в оливине химически травимого трека (пороговое значение ионизационных потерь энергии для оливина составляет около 18 МэВ/(мг-см-2) [7]. Это фактически означает отсутствие фоновых событий в этих исследованиях.
Повреждённые из-за прохождения заряженной частицы области кристалла имеют более высокую химическую активность по сравнению с неповреждённым материалом, в результате чего возникает возможность визуализировать трек частицы в кристалле путем его травления в комплексном химическом растворе. Параметры протравленных треков ядер (травимая длина и скорость травления) зависят от ионизации, производимой быстрым тяжёлым ионом в веществе кристалла [8, 9].
Исследование кристаллов осуществляется оригинальным авторским методом поэтапной обработки, при котором после фиксации обнаруженных видимых участков треков и измерения их параметров часть кристалла толщиной 50-100 мкм (с точностью до нескольких мкм) удаляется, и процесс обработки поверхности и измерения треков повторяется. При обработке кристалла на каждой новой стадии осуществляется поиск как новых треков, так и продолжений участков, уже найденных на предыдущем этапе; в этом случае производится координатная "сшивка" трека. В результате восстанавли-
вается его полная длина до точки остановки в детекторе. Для установки на микроскоп кристаллы оливина, извлеченные из железо-никелевой матрицы, закрепляются в эпоксидных таблетках по ~15 штук.
За время эксперимента было обработано 890 кристаллов из метеоритов Marjalahti и Eagle Station, и определены параметры 28275 треков ядер с Z > 24, включая три трека с зарядом 119+1°. Разработанный с использованием калибровочных данных авторский метод определения заряда ядра, сформировавшего трек [10, 11], позволяет на основе проведённых измерений определять зарядовый спектр зарегистрированных ядер [5].
Поиск треков и их обработка ведётся непрерывно, начиная с 2005 года. Все получаемые результаты сравниваются с данными спутниковых экспериментов, проводивших измерения в той же области зарядов: HEAO-3 [12], ARIEL-6 [13] и UHCRE [14]. В 2019 году была начата новая серия измерений в оливинах из метеорита Marjalahti, которая привела к довольно неожиданным результатам. При обработке новой серии кристаллов (таблетки ML) после 24 часов травления были получены "необычные" зарядовые распределения, заметно отличающиеся от распределений (в дальнейшем условно называемых "обычными"), полученных ранее в таблетках ML (метеорит Marjalahti) и ES (метеорит Eagle Station), а также в спутниковых экспериментах. На рис. 1 представлено сравнение "обычных" (а) и "необычных" (б) зарядовых спектров эксперимента ОЛИМПИЯ.
Рис. 1: Сравнение количества ядер по результатам эксперимента ОЛИМПИЯ. (а) "обычный" спектр (21740 треков, по оси У - количество треков); (б) "необычный" спектр (6529 треков, по оси У - количество треков).
Сравнивая эти рисунки, можно увидеть качественное различие в форме распределений. "Обычное" распределение имеет резкий пик в области Z = 56, затем оно круто спадает, сменяясь на более пологую часть при Z > 70. В то же время "необычное" распределение имеет высокий и широкий пик в области 65 < Z < 75.
Предположение, почему могут отличаться спектры, полученные в разных группах кристаллов, основано на том, что эти кристаллы, по-видимому, находились на разной глубине от первоначальной поверхности образца, и степень их "загруженности" треками может быть связана, в том числе, с радиационной историей метеорита. Ранее нами были обнаружены кристаллы с высоким градиентом плотности треков [15], позволившие сделать предположения о доатмосферной истории метеорита Маца1аМ1.
Кристаллы оливина для таблеток МЬ были взяты из крупной ячейки размером ~5 мм, расположенной вблизи поверхности метеорита (см. рис. 2).
Рис. 2: Кристаллы для таблеток ИЬ были взяты из ячейки размером ~5 мм и других областей, расположенных близко к поверхности.
Более близкое расположение кристаллов к поверхности метеорита могло привести к отжигу треков за счёт нагревания метеорита при его прохождении через атмосферу во время падения на Землю. При отжиге треков происходит их укорачивание, причём в разной степени, в зависимости от заряда ядра [8, 9]. Этот эффект мог привести к искажениям при определении заряда частиц, и следовательно, к изменению полученного зарядового распределения.
Таким образом, использование оливинов в качестве детекторов тяжелых ядер имеет два аспекта. Первый (и, вообще говоря, основной) - получение данных о зарядовых спектрах ядер ГКЛ, позволяющих сделать определенные выводы о характере астрофизических ядерных процессов. Второй аспект, затронутый в данной работе, касается получения сведений об истории носителей оливинов - метеоритов, что представляет самостоятельный астрофизический интерес (на что мы указали ранее в нашей работе [15]).
ЛИТЕРАТУРА
[1] M. Maurette, P. Pellas, and R. M. Walker, Nature 204, 821 (1964). DOI: https://doi.org/10.1038/204821a0.
[2] G. N. Flerov and G. M. Ter-Akopian, Pure and Appl. Chem. 53(5), 909 (1981). DOI: http://dx.doi.org/10.1351/pac198153050909.
[3] O. Otgonsuren, V. P. Perelygin, S. G. Stetsenko, et al., Astrophys. J. 210, 258 (1976). DOI: 10.1086/154826.
[4] V. P. Perelygin, Yu. V. Bondar, R. Brandt, et al., Physics of Atomic Nuclei 66(8), 1569 (2003). DOI: 10.1134/1.1601767.
[5] V. Alexeev, A. Bagulya, M. Chernyavsky, et al., Astrophys. J. 829(2), 120 (2016). DOI: 10.3847/0004-637X/829/2/120.
[6] В. А. Алексеев, А. В. Багуля, А. Е. Волков и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 44(11), 41 (2017). DOI: 10.3103/S1068335617110069.
[7] P. Horn, M. Maurette, and W. Von Oertzen, Z. Naturforsch. A 22(11), 1793 (1967). DOI: 10.1515/zna-1967-1117.
[8] С. Дюрани, Р. Балл, Твердотельные ядерные детекторы (М., Энергоатомиздат, 1990).
[9] Р. Л. Флейшер, П. Б. Прайс, Р. М. Уокер, Треки заряженных частиц в твёрдых телах. Т. 1. Методы исследования треков (М., Энергоатомиздат, 1981).
[10] А. Б. Александров, А. В. Багуля, М. С. Владимиров и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 35(7), 19 (2008). DOI: 10.3103/S1068335608070038.
[11] А. Б. Александров, В. А. Алексеев, А. В. Багуля и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 46(12), 23 (2019). DOI: 10.3103/S1068335619120042.
[12] W. R. Binns, T. L. Garrard, P. S. Gibner, et al., Astrophys. J. 346, 997 (1989). DOI: 10.1086/168082.
[13] P. H. Fowler, R. N. F. Walker, M. R. W. Masheder, et al., Astrophys. J. 314, 739 (1987). DOI: 10.1086/165101.
[14] J. Donnelly, A. Thompson, D. O'Sullivan, et al., Astrophys. J. 747(1), 40 (2012). DOI: 10.1088/0004-637X/747/1/40.
[15] В. А. Алексеев, А. В. Багуля, А. Е. Волков и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 46(8), 15 (2019). DOI: 10.3103/S1068335619080037.
Поступила в редакцию 13 октября 2020 г.
После доработки 17 октября 2020 г. Принята к публикации 18 октября 2020 г.
