CC BY
31
УДК 537.591
ПОДЗЕМНЫЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ИОНИЗАЦИОННО-НЕЙТРОННЫЙ КАЛОРИМЕТР - ПАРМЕТР
Е. Н. Гудкова1, Р. М. Мартиросов2, Л. Н. Павлюченко1,
В. П. Павлюченко1, А. П. Чубенко1, А. Л. Щепетов1
Описана необходимость, перспективность и возможность создания подземного многоцелевого прибора для, регистрации проникающих частиц (мюонов) высокой энергии. Использование свинца в качестве поглотителя, и пластиковых сцинтилляторов с гадолинием позволяют использовать прибор одновременно в качестве ионизационно-нейтронного калориметра, и парметра для, регистрации ядерных и электромагнитных каскадов от проникающих частиц и отделения, одних от других. Приведены результаты расчетов характеристик парметра, по программ,е GEANT, показывающие возможность оценивать энергию мюонов в пределах от 100 ГэВ до 200 ТэВ с точностью 40% для варианта со 150 слоям,и (по 2 см свинца + 1 см, пластика).
Ключевые слова: ионизирующее излучение, ядерные процессы, проникающее излучение. нейтроны, мюоны, регистрация частиц, методы регистрации частиц.
Исследование мюонов (и других частиц, проникающих на большие глубины) высокой и сверхвысокой энергии вплоть до сотен ТэВ имеет принципиальное значение для астрофизики, физики высоких энергий и космических лучей. Возможно, они играют роль в объяснении природы “колена” ПКИ при энергии 3 х 1015 эВ, унося заметную энергию ШАЛ. что приводит к изменению коэффициента пересчета от энергии ШАЛ к первичной энергии и появлению излома в спектре ШАЛ [1]. В экспериментах МГУ в 60-е годы был обнаружен избыток ионизационных толчков на глубине 40 м [2]. а в
1 ФИАН, 119991, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
2 Национальная лаборатория им. А.И. Алиханяна, Ереван.
последнее время на ТШВНС была обнаружена аномально высокая интенсивность нейтронных толчков в подземной лаборатории под слоем грунта толщиной 20 м водного эквивалента по сравнению с предполагаемой интенсивностью при их рождении от мюонов [3].
Для выяснения природы избыточной интенсивности ионизационных и нейтронных толчков, спектра мюонов в ШАЛ. оценки сечений фотоядерньтх процессов и других важных характеристик и предлагается использовать свинцовый многослойный ионизационно-нейтронный калориметр ИНКА, свойства которого позволяют использовать его в качестве парметра для измерения энергии мюонов вплоть до сотен ТэВ. идея которого была предложена в [4]. и в дальнейшем развита в работах [5, 6].
ИНКА-ПАРМЕТР позволяет измерять энергию мюонов и адронов в индивидуальных событиях, число генерированных нейтронов в них и. тем самым, проводить выделение частиц электромагнитной и адронной природы. Принципиально важным является совмещение в одном приборе ионизационного и нейтронного калориметров и парметра. Наиболее удобным, но не обязательным, местом расположения является высокогорная станция Арагац. имеющая подземное помещение большой площади, материалы, работающую установку для регистрации ШАЛ и развитую инфраструктуру.
Установка. ИНКА-ПАРМЕТР представляет собой блок из двухсантиметровых сборных свинцовых пластин, прослоенных пластическими сцинтилляторами толщиной по 1 см. Число слоев 150, размеры блока 3.5 х 3 х 4.5 м3.
На рис. 1 (слева) приведена схема расположения ИНКА-ПАРМЕТРА в подземном помещении установки ГАММА на глубине 11 м грунта на высокогорной станции Арагац. Установка располагается на железном ярме (10 х 7 м2) электромагнита, предназначавшегося ранее для комплекса АНИ. Справа приведена схема созданного по проекту АНИ ярма с незаполненными сейчас полостями [7].
Ионизационно-нейтронный калориметр ИНКА. Плоские слои свинца и сцинтилляторов располагаются вертикально, формируя горизонтальный многослойный ионизационно-нейтронный калориметр ИНКА. Поперечное сечение составляет около 10 м2, а общий вес ~360 т, из которых на свинец приходится 340 т, остальное - пластические сцинтилляторы и арматура. По горизонтали это 17 ядерньтх пробегов (535 радиационных единиц) со 150 точками регистрации. Но даже под углом 10° от вертикали траектория частицы захватит около 10 рядов с толщиной свинца ~300 см. Из-за почти кубической формы получен уникальный спектрометр полного поглощения для адронных и электромагнитных каскадов. Возможна с хорошей точностью проверка на-
15т
Рис. 1: Схема предлагаемого расположения ИНКА-ПАРМЕТРА (слева) на ярме электромагнита АНИ (ярмо изображено справа отдельно).
личия длиннопробежных частиц (Тянь-Шань [8], Памир [9]). Закладка в нижние пустые полости магнита (рис. 1 справа) детекторов создает дополнительные возможности для регистрации вертикальных событий. Информация со сцинтилляторов снимается с помощью оптических волокон (файберов) через ПИН-диоды с чувствительностью 20 релятивистских частиц в канале.
При развитии ядерного каскада в свинце в каждом ядерном взаимодействии рождаются испарительные нейтроны МэВных энергий, регистрация которых дает дополнительную независимую от ионизационных потерь информацию об энергии и природе первичной частицы [10, 11]. Таким образом, ИНКА оказывается более информативным и, следовательно, более универсальным измерительным прибором, чем обычный ионизационный калориметр. Нейтроны рождаются также и в фотоядерных реакциях, но там их множественность в десятки раз меньше [11].
Для повышения эффективности регистрации нейтронов производится их термали-зация с помощью водородосодержащего замедлителя, в нашем случае - полистирола пластических сцинтилляторов. Процесс термализации длится 10-20 мкс, поэтому нейтронный сигнал запаздывает по отношению к сигналу от каскада заряженных частиц, что позволяет измерять их раздельно одними и теми же детекторами.
Полистирол (СН2)п - углеводород с плотностью 1.032 г/см3 - эффективно замедляет нейтроны, поскольку содержит 14.3% водорода. Но прямая регистрация тепловых нейтронов этими же сцинтилляторами не оптимальна. Действительно, длина пробега
до взаимодействия в полистироле захватного (т.е. образованного при захвате теплового нейтрона) гамма-кванта с энергией 2.24 МэВ составляет 20 см. а время диффузии до захвата составляет около 100 мкс. Поэтому для эффективной регистрации нейтронов и максимального отсечения фоновых нейтронов в ИНКА необходимо, чтобы выполнялись условия минимизации времени и длины термализации и диффузии нейтрона. С этой целью в ИНКА предлагается использовать гадолиний, обладающий большим сечением захвата тепловых нейтронов (46.6 Килобарн). С точки зрения числа и суммарной энергии захватных гамма-квантов гадолиний также наиболее выгоден, в нем в среднем образуются 3 4 захватных гамма-кванта с суммарной энергией 8.5 МэВ [12].
Наиболее удобно применять в качестве поглотителя тепловых нейтронов окись га-
23
захвата тепловых нейтронов природным гадолинием достаточно нанести на пластину
23
твора в бесцветном лаке.
Парметр. В настоящем проекте в качестве парметра выступает ИНКА. Полученные характеристики анализируются на основе моделирования по программе СЕАХТ.
Для оценки вклада разных механизмов ионизационных потерь сначала проводился расчет для сплошного слоя свинца толщиной 3 м. Разыгрывалось по 1000 мюонов с энергиями Е^ от 1 до 10 ТэВ. Учитывались процессы рассеяния и ядерного взаимодействия с веществом детектора, а также эффекты образования пар. ионизационные и тормозные потери энергии.
На рис. 2 для иллюстрации показаны распределения по числу прямых пар от мюона при различных порогах передачи им энергии от 5 до 5000 МэВ для Е^ = 10 ТэВ, а на рис. 3 распределения для первичных мюонов с энергиями 1. 5, 10 ТэВ при пороговой энергии передачи 5 МэВ.
Из расчета, как и ожидалось, видна энергетическая зависимость числа образующихся пар от Е^ и Е^. Казалось бы, чем больше пар образуется при меньших порогах, тем лучите разделяются распределения, соответствующие различным энергиям мюона. Однако возникают проблемы пространственного разрешения отдельных пиков (каскадов) ОТ пар В ОДНОМ событии И выделения ИХ среди ПИКОВ ОТ прочих процессов. Кроме ТОГО; фиксированный аппаратный порог регистрации приводит к разному вкладу такого порога в события с разными энергиями Е
Моделирование реальной слоистой структуры показало, что при принятой конфигурации парметра для энергий Е^ вплоть до 200 ТэВ возможно уверенное разделение
О 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
п direct pairs п direct pairs
Рис. 2: Распределения по числу прямых е+е- пар, рожденных мюоном с энергией Eр = 10 ТэВ при различных порогах передачи мюоном энергии паре (Eth = 5 МэВ - 5000 МэВ).
Рис. 3: Распределения по числу прямых е+е- пар, рожденных мюонами с энергиями Ер = 1, 5,10 ТэВ при фиксированном пороге Eth = 5 МэВ.
не более 9-10 пиков во избежание наложений. Был разработан метод искусственного повышения Eth при обработке событий в парметре так, чтобы при любых энергиях число пиков оставалось одинаковым, тогда Eth одинаково искажает картину для разных Ep. Для уменьшения разброса в гистограмме полных ионизационных потерь в сцинтилляторе отбрасывался пик, соответствующий максимальному энерговыделению (в 30% случаев он оказывался соответствующим тормозному процессу), а затем вычислялось суммарное оставшееся энерговыделение DE. На рис. 4 приведены гистограммы, иллюстрирующие описанный алгоритм, а на рис. 5 - зависимость среднего энерговыделения DE от E/1.
Физические задачи и ожидаемая статистика. Основными задачами установки являются:
- исследование потоков одиночных проникающих частиц в глубине грунта под разными зенитными углами;
- исследование спектров проникающих частиц в составе ШАЛ для оценки уносимой ими энергии ШАЛ;
- определение природы проникающего излучения и его связь с аномалиями, обна-
Рис. 4: Моделирование энерговыделения БЕ в слоистой структуре ИНКА-ПАРМЕТР для мюона энергии 10 ТэВ: (а) только от прямых е+е- пар без учета их каскадного размножения, (б) все процессы, (в) энерговыделение только в слоях сцинтиллятора, (г) то же распределение (в), но обработанное путем искусственного повышения порога регистрации,позволяющего оставить только заданное (здесь 7) число пиков в событии.
руженными ранее в подземных экспериментах с использованием горизонтального мю-онного потока для калибровки;
- оценка сечения фотоядерных процессов в горизонтальных мюонных событиях;
- регистрация мюонов от нейтрино при использовании времяпролетной методики.
Светосила прибора составляет 100 м2 стер, что позволяет получить в течение года хорошо статистически обеспеченные результаты для мюонов с энергиями в десятки ТэВ. Предварительно оцениваемое число мюонов с Е^ > 1 ТэВ составляет около 200 в час, с энергиями > 10 ТэВ - 4500 в год, а выше 100 ТэВ - около 10 в год. Число радиационных толчков от мюонов в 350 тоннах свинца на заданной глубине составит около двух в час.
102
10
10-1
10-2
10
4 ■ L I
Ї t 1 І р I
І .1.
-2
10
-1
10
102 Е„, TeV
Рис. 5: Зависимость среднего энерговыделения БЕ в парметре от энергии мюона Е
Заключение. Предлагаемый проект ИНКА-ПАРМЕТР обладает большой светосилой и высокой информативностью по сравнению с вариантом раздельного использования ионизационного и нейтронного калориметров и парметра. Теория и практика применения калориметров и парметра хорошо известны и достаточно проработаны. Основной особенностью проекта является их совмещение в одном устройстве, большая толщина поглотителя и большое число регистрирующих слоев.
Подземное расположение предполагает использование ИНКА-ПАРМЕТРА, в основном, для исследования проникающего в глубину грунта излучения, его природы и характеристик. Но он может быть расположен и на поверхности. При этом все его возможности сохраняются, кроме исследования вертикального проникающего излучения, но появляется дополнительная возможность исследовать стволы ШАЛ с помощью спектрометра полного поглощения. Сочетание его с установкой ШАЛ позволяет привязывать события к первичной энергии ПКИ, что, несомненно, увеличивает информативность эксперимента.
ЛИТЕРАТУРА
A. A. Petrukhin, Cosmic ray spectrum above 1015 eV (a new approach). 29th International Cosmic Ray Conference, Pune, 2005 (Pune University, 2005), 3, 137.
[2] С. H Вернов, В. А Дмитриев, Г. Б. Христиансен и др., ЖЭТФ 44, 405 (1963).
[3] А. П. Чубенко, Ф. Л. ГЦепетов, Л. И. Вильданова и др.. Краткие сообщения по физике ФИАН 34(4), 21 (2007).
И. С. Алексеев, Г. Т. Зацепин, ^-Мезоны высокой энергии. Труды, международной конференции по космическим лучам,. Москва, 1960 (М., Наука, I960), 1, с. 326.
[5] Р. П. Кокоулин, А. А. Петрухин, ЭЧАЯ 21(3), 774 (1990).
[6] Р. П. Кокоулин, Автореферат диссертации доктора физ.-мат. наук (М., МИФИ, 2000).
[7] Т. Л. Асатиани, В. А. Иванов, Э. Ф. Мнацаканян, Вопросы атомной науки и техники. Л"2 2(8), 77 (1981).
[8] V. I. Yakovlev, Proc. of Int. Sem. on Cosmic Ray Cascades. Sofia. Oct. (BAH, София, 1980), p. 111.
[9] PAMIR Collaboration. Bull. Soc. Scien. Lett. Lodz. 13, 133 (1992).
[10] L. B. Bezrukov, V. I. Beresnev, G. T. Zatsepin, et al., Sov. J. Xucl. Phys. 17, 98 (1973).
[11] Iv. V. Alexandrov, M. Ambrosio, V. V. Ammosov, et al., Xucl. Instr. Meth. A 459, 135 (2001).
[12] Iv. В. Александров, Г. Т. Зацепин, Е. П. Кузнецов и др., ДАН 363(5), 610 (1998).
Поступила в редакцию 22 апреля 2011 г.
