CC BY
12
УДК 537.591.15
ОБРАБОТКА ПРОТОННЫХ СОБЫТИЙ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НОВОГО МЕТОДА ПОИСКА ПЕРВИЧНЫХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕНТГЕНОЭМУЛЬСИОННЫХ КАМЕРАХ (ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТА RUNJOB)
И. С. Заярная
В российско-я,понсколь баллонном эксперименте 11 UN JOB треки первичных однозарядных частиц обнаружены примерно в половине событий, отнесенных к, протонным,. При повторной обработке экспериментальных данных, полученных при экспонировании рентгеноэль-ул/ьсионных камер RUNJ0B-3B, 6А, 11 Л, 115, с использованием нового метода поиска первичны,х космических частиц, в группе событий, отнесенных к, протонным,, с энергией первичной частицы E0 > 20 ТэВ и зенитным углом tg 9 < 5 так же, как и ранее не обнаружено примерно 50% треков первичных однозарядных частиц. В работе представлен новый метод поиска, и просл,ежива,ния, частиц в РЖ; приведены характеристики обработанных событий (энергия, зенитный угол, глубина, проникновения, частиц в РЖ до взаимодействия).
Ключевые слова: космические лучи, рентгеноэмульсионные камеры, состав и спектр галактических космических частиц.
Введение. Российско-японский баллонный эксперимент RUXJOB проводился с 1995 года по 1999 год. Задача эксперимента состояла в определении состава и спектра космического излучения в области энергии 1012 — 1015 эВ с использованием рентге-ноэмульсионных камер (РЭК). экспонируемых в стратосфере в течение длительного времени. Нуклоны и ядра первичного космического излучения, попадая в рентгено-эмульсионную камеру (см. рис. 1). взаимодействовали с веществом камеры, образуя ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т., 53; e-mail: zayar@sci.lebedev.ru.
струю вторичных частиц, состоящую в основном из п0-мезонов. Нейтральные пионы давали начало электрон-фотонным каскадам (ЭФК), которые регистрировались в рентгеновских пленках калориметра в виде пятен почернения.
Используя различные критерии отбора событий (по зенитному углу, суммарной энергии, выделившейся в нейтральную компоненту, и т.д.). ядерно-электромагнитньте каскады прослеживались в ядерно-эмульсионньтх пленках снизу вверх до вершины взаимодействия частицы первичного космического излучения с веществом РЭК. При поиске первичных частиц в эксперименте КиХ.ТОВ считалось, что если в области предсказания местоположения первичной частицы не было частицы-кандидата с Z > 2, то в этой области должен быть протон (или вторичная однозарядная, или нейтральная частица. образованная в результате взаимодействия первичной в остаточной атмосфере). По данным обработки экспериментального материала [1] треки первичных однозарядных частиц были найдены примерно в половине событий. отнесенных к протонным. Для объяснения не обнаружения треков протонов в большом количестве событий в работе [2] исследовались методические (фон треков частиц, набираемых эмульсией при длительном экспонировании, случайная ошибка) и возможные физические причины (нейтральные частицы 5 образованные в результате взаимодействия первичных космических частиц в остаточной атмосфере). Установлено. что однозарядные вторичные частицы из нуклон-ядерньтх и ядро-ядерньтх взаимодействий, зарегистрированных в РЭК, с эффективностью близкой к 100% прослеживаются в нескольких эмульсионных пленках. Следовательно. не нахождение трека первичной однозарядной частицы в большом количестве событий (50%) нельзя объяснить фоновой загруженностью частицами, которая затрудняет поиск релятивистских однозарядных частиц. Случайная ошибка метода поиска первичных космических частиц, связанная с пропуском частицы при одноразовом просмотре области предсказания местоположения трека частицы, определялась сканированием данной области эмульсии разными экспериментаторами и составила ~12% , что не позволяет объяснить всего количества необнаруженных треков. В работе [3] проводились расчеты по моделям взаимодействия МСО и С^СБ.ТЕТ (СОИШКА, версия 5.2) для исследования вторичной компоненты первичных космических частиц на уровне экспонирования РЭК, где показано, что в атмосфере на глубине ~10 г/см2 вклад нейтронов в общий поток вторичных космических частиц с энергией > 20 ТэВ в интервале углов 0 - 70° составляет ~4%. Такое количество нейтронов не объясняет большого количества событий с отсутствующими треками однозарядных первичных частиц. Поскольку в эксперименте КиХ.ТОВ в результирующий спектр протонов [4] вотттли события (360 из
598 событий, зарегистрированных и отнесенных к протонным) с высоким энергетическим порогом отбора (Е0 > 10 ТэВ/нуклон), то с целью повторного поиска первичных частиц в протонных событиях с меньшей энергией предложен новый метод поиска и прослеживания частиц в РЭК.
Рис. 1: Схема РЭК ШЮОВ;97.
Новый метод поиска первичных частиц из взаимодействий, зарегистрированных в РЭК. Методика поиска и прослеживания треков первичных частиц, провзаимодейство-вавших в РЭК, ранее применявшаяся в эксперименте ШШЛОВ, включает в себя метод триангуляции [5]. Суть метода состоит в определении поправок на смещения и повороты ядерно-эмульсионных пленок, на расстояние между ними по расчетным траекториям фоновых многозарядных ядер, близко расположенных к вершине взаимодействия, используя измерения координат и углов треков этих фоновых ядер в нескольких(3-4) пленках, в системе координат, связанной с одним из углов ядерных пленок. По уточненной геометрии камеры рассчитывалась траектория первичной частицы, и определялось ее местоположение по зенитному и азимутальному углам оси струи вторичных частиц, генетически связанных с первичной частицей. Точность локализации первичной частицы данного метода составляет в среднем около 35 мкм [1]. При такой ошибке предсказания местоположения первичного трека однозначно идентифицируются ядра
с зарядом Z > 2. Для поиска первичных космических частиц в эксперименте RUNJOB использовался измерительный комплекс CALS, включающий в себя микроскоп с автоматически движущимся большим предметным столом [6].
В основе нового метода поиска и прослеживания первичной частицы лежат два предположения:
1. Траектории анализируемых в эксперименте нуклонов и ядер космического излучения в РЭК - прямые линии.
2. Толщина эмульсионного слоя, основы ядерной пленки и расстояние между эмульсионными пленками в пределах малой локальной области см2) принимаются постоянной.
Одна из осей координатной системы располагается вдоль проекции трека фонового ядра на плоскости эмульсии. На рис. 2 представлена примерная схема взаимного расположения треков частиц в плоскости ядерных пленок.
Рис. 2: Схема взаимного расположения фоновых ядер и первичной частицы в плоскости эмульсий. (Хрг,Ург) - координаты первичной частицы, (Хп,Уп), (Хь,УЬ) - координаты фоновых ядер.
Для определения координат и длин проекций трека первичной частицы в эмульсионном слое и основе ядерной эмульсионной пленки, расположенной выше вершины взаимодействия частицы с веществом РЭК, используются полученные в работе [7] сле-
Y Ж
Рис. 3: Распределение отклонений координат (|АХ\АУ|) найденных треков ядер космического излучения от предсказанных по новому методу.
дующие соотношения:
Х _ Х АХП * Рзе^ * ) Хрг,з+1 _ а^ + * 8[п(а3)
У _ У + Ауп * (рь,з - Р3в1,з * СО*(вз))
У рг, з + 1 У зеЬ, з +
ь
'рг,з + 1
(РЬ,3 - ри,з * СОЭ(аз)) Ьпз+1 * Ь]вгз
11 < Р ЬЛ3р-
р _ Рп,з+1 * Рзвг,з
РРг,3 + 1 _ р ,
Рп,з
где (Х^з; У^^), Ь^^ - координаты треков измеряемых частиц и длины их проекций в эмульсии и основе ядерных эмульсионных пленок соответственно; аз - азимутальный угол одного из фоновых ядер; вз ~ азимутальный угол струи вторичных частиц, индекс г указывает на тип частицы (первичная частица (рг) струя вторичных частиц (]еЬ\ фоновые ядра (Ь, и)); з - номер эмульсионной пленки; АХп, АУП - разница между измеренными значениями координат трека фонового ядра в эмульсионных пленках.
Т а б л и ц а 1
Характеристики повторно обработанных событий
№ события Первичная астица tg (в) ЕЕ7 Ь - длина пути до взаимодействия в РЭК в единицах среднего свободного пробега протона Ь - длина пути до взаимодействия в РЭК в каскадных единицах
ЗВ 025 р 0.64 15.97 0.044
ЗВ 082 р 3. 24 6.58 0.168
ЗВ 095 - 4.83 85.48 0.482 11.64
ЗВ 116 - 2.29 7.39 0.247 5.91
ЗВ 189 - 4.64 8.71 0.351 8.87
ЗВ 211 - 4.74 10.8 0.662 15.99
ЗВ 226 р 1.41 15.09 0.168
ЗВ 240 р 0.85 5.54 0.127
ЗВ 311 р 0.28 7.43 0.032
ЗВ 318 7 0.4 9.76 0.017
6А 046 - 2.66 7.88 0.43 9.9
6А 051 - 1.07 48.42 0.101 0.8
6А 150(Ъазе) Р 1.23 6.03 0.092
6А 204 Р 2.29 42.45 0.039
6А 267 - 3.36 63.56 0.241 6.48
6А 465 Р 3.98 15.46 0.056
6 А 519 7 4.78 9.22 0.135 3.6
НА 17 Р 1.94 5.83 0.069
НА 25 Р 1.14 14.44 0.035
11А 67 - 1.79 28.48 0.125 3.1
11А-91 Р 0.65 5.37 0.187
НА 299 - 1.11 6.63 0.33 1.9
НА 427 - 4.74 5.71 0.545 14.4
НА 525 Р 3.51 5.97 0.299
НА 593 Р 3.97 6.48 0.585
НА 619 - 2.14 10.48 0.449 7.5
Продолжение т а б л и ц ы 1
№ события Первичная аст и ц а tg (в) ЕЕ7 Ь - длина пути до взаимодействия в РЭК в единицах среднего свободного пробега протона Ь - длина пути до взаимодействия в РЭК в каскадных единицах
НА 1133 - 0.14 6.1 0.239 1.6
11В 090 р 1.24 27.05 0.128
11В 560 - 3.88 16.06 0.165 4.4
11В 596 - 4.54 18.84 0.509 13.9
11В 600 - 4.85 5.91 0.482 12.6
11В 614 р 2.99 5.26 0.494
11В 892 р 2.96 16.33 0.397
Новый метод был апробирован на ядро-ядерных взаимодействиях, зарегистрированных в РЭК 1ШШОВ-ЗВ,6А,11А,11В. Идентификация ядер с Z > 2 полностью совпала.
На рис. 3 показано распределение отклонений координат найденных треков ядер космического излучения от предсказанных. Точность предсказания (а) местоположения ядер (Z > 2) первичного космического излучения в ядерной эмульсии с использованием нового метода составляет ~22 мкм. Ошибка предсказания координат трека частицы зависит от угла падения частицы в РЭК. Для нуклон-ядерньтх взаимодействий в группах событий с tg (9) < 1 и tg (9) > 1.73 среднеквадратичная ошибка предсказания трека первичной частицы а ~ 21^ и а ~ 52^ соответственно.
Результаты повторного поиска первичных частиц в событиях, отнесенных к протонным. Повторный поиск первичных однозарядных частиц с применением нового метода проведен в событиях^ зарегистрированных в РЭК RUXJ0B-3B.6A.11A. 11В. с порогами отбора по энергии, выделившейся в гамма-кванты > 5 ТэВ, и по зенитному 9<5
взаимодействия) получено:
a) все первоначально найденные протоны в эксперименте КиХ.ТОВ также были обнаружены с использованием нового метода;
b) в каждой РЭК оказалось примерно 50% событий с отсутствием трека первичного протона;
c) струи вторичных частиц в двух взаимодействиях близко расположены к границам
эмульсионных пленок5 где наблюдается дисторсия эмульсии. Для этих событий уверенно можно сказать, что в слоях, где должна наблюдаться первичная частица, отсутствует трек частицы-кандидата с зарядом Z > 2.
Таким образом, результат отсутствия однозарядных первичных частиц примерно в 50% событий, отнесенных к протонным^ повторился.
В таблице 1 приведены характеристики повторно обработанных событий.
Во второй колонке таблицы 1 с первичной частицей знаком минус отмечены события с необнаруженным треком протона, а знаком вопроса события, находящиеся на краю эмульсионной пленки, где наблюдается дисторсия эмульсии.
При сравнении характеристик событий получено, что в среднем по всем РЭК средние значения энергии, выделившейся в нейтральную компоненту вторичных частиц (S E^0), и глубины проникновения частиц в РЭК до взаимодействия для событий с отсутствующим и найденным треком протона различаются примерно в 1.5 и 2 раза соответственно. Подавляющее число событий с необнаруженным первичным однозарядным треком имеют зенитный угол больше 60°, но и относительное число найденных треков протонов с углами больше 60° не мало и составляет половину от всех событий с наблюдаемым однозарядным треком.
Заключение. Двумя разными методами поиска первичных космических частиц во взаимодействиях, зарегистрированных в рентгеноэмульсионньтх камерах RUXJOB-ЗВ.6А.11 А.11В, экспонировавшихся в 1996, 1997, 1999 годах, с порогами отбора по энергии 'YhE1 > 5 ТэВ и зенитному углу tg 9 < 5 (примерно 1/4 общей статистики в эксперименте RUXJOB с д ан н ы м и порогами) получен одинаковый результат: примерно для половины событий, отнесенных к протонным, трек первичной однозарядной релятивистской частицы не обнаружен. Поскольку рассмотренные методические причины не объясняют такого большого количества ненайденных однозарядных первичных частиц^ то следовательно можно предположить, что в потоке космических частиц присутствует неизвестная компонента.
Кроме того имеются различия в характеристиках событий с наблюдаемым и отсутствующим первичным однозарядным треком. Однако, по мнению автора, статистика событий с данными порогами отбора в группах (в среднем по 8 частиц на одну рент-геноэмульсионную камеру) не позволяет сделать окончательный вывод о присутствии неизвестной компоненты. Поэтому требуется обработка дополнительных событий с целью получения статистически значимых данных.
ЛИТЕРАТУРА
[1] А. V. Apanasenko et al., Astroparticle Phys. 16. 13 (2001).
[2] И. С. Заярная, ЯФ 71(2), 1 (2008).
[3] В. А. Березовская и др., Препринт №97-43/494 (НИИЯФ МГУ, Москва, 1997).
[4] М. Hareyama et al., "Proton and, Helium spectra obtained by RUN JOB experiment", Proc. 29th ICRC,V3:()G1.1, p. 101 (2005).
[5] A. V. Apanasenko et al., Proc. 25th ICRC,V5:Ses.()G10-ll, p. 301 (1997).
[6] M. Ichimura et al., Xucl. Instr. Meth. A300, 374 (1991).
[7] И. С. Заярная, Препринт Л"2 1 (ФИАН, Москва, 2010).
Поступила в редакцию 29 мая 2012 г.
