Шал и множественность на нейтронных мониторах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.591.5 524.1-352

ШАЛ И МНОЖЕСТВЕННОСТЬ НА НЕЙТРОННЫХ МОНИТОРАХ

Ю.В. Балабин, Э.В. Вашенюк, Б.Б. Гвоздевский

Полярный геофизический институт КНЦ РАН

Аннотация

На Баксанской нейтринной обсерватории выполнено сопряжение двух детекторов космического излучения: установки ШАЛ "Ковер" и нейтронного монитора (НМ). Благодаря гибкости новой быстродействующей системы сбора мастер-импульс, поступающий от "Ковра" и сигнализирующий о приходе ШАЛ, привязан к данными НМ с точностью до 1 мкс. В результате обработки данных за более чем 220 дней найдено, что время действия ШАЛ на НМ составляет 1 мс. Распределение временных интервалов между импульсами в первую миллисекунду после ШАЛ существенно отличается от среднего для НМ, показывая наличие двух процессов с характерными временами 45 и 230 мкс.

Ключевые слова:

нейтронный монитор, космические лучи, широкие атмосферные ливни, множественность, адроны, распределение интервалов.

Введение

На Баксанской нейтринной обсерватории, находящейся на Северном Кавказе на высоте 1700 м. осуществлено сопряжение двух детекторов космического излучения: установки ШАЛ "Ковер" и нейтронного монитора (НМ). Благодаря гибкости новой быстродействующей системы сбора удалось привязать мастер-импульс, поступающий от "Ковра" и сигнализирующий о приходе ШАЛ, с данными НМ с точностью до 1 мкс. Отметим, что "Ковер" чувствителен к электронно-фотонной компоненте ШАЛ, тогда как НМ регистрирует адроны (протоны, нейтроны, пионы) с энергиями больше 50 МэВ. Расстояние между "Ковром" и НМ составляет порядка 15 м, и приборы располагаются в одном здании. Подобное объединение с высокой точность двух приборов позволяет исследовать адронную компоненту ШАЛ, к которой чувствителен НМ с точность, ранее недостижимой.

Регистрация событий ШАЛ в НМ

НМ на ст. Баксан состоит из 6 счетчиков (каналов). В системе регистрации создан дополнительный 7 канал, в который поступают импульсы от установки ШАЛ "Ковер". Эти импульсы формируются в момент падения на "Ковер" ШАЛ с пороговой энергией первичной частицы больше 1012 эВ (Ые = 105-107) и "вливаются" в общий поток, система фиксирует их наряду с импульсами настоящего НМ. Таким образом, появилась возможность исследовать поток адронов в ШАЛе, которые регистрируются НМ. Средний темп счета по седьмому каналу БЕ^ = 70-90 имп/мин. При последующей обработке можно не только выделить сами эти импульсы ШАЛ, но и изучить распределение импульсов НМ, следующих или непосредственно после ШАЛ, или спустя некоторое время. Подробнее о системе сбора рассказывается в [1, 2].

Алгоритм обработки данных следующий. По обнаружении импульса ШАЛ открывается временное "окно" длительностью Т^ Подсчитываются импульсы НМ и интервалы между ними, попавшие в это "окно". Затем пропускается время ТР, после чего снова открывается "окно" длительностью ^ для контрольного сбора. Из предварительной обработки данных (порядка 30-40 дней) найдено, что возможное влияние ШАЛ на НМ оканчивается на протяжении 1 мс. Исходя из этого, принято ^ = 1 мс, ТР = 25 мс.

Первая и самая важная обработка данных - построение распределения временных интервалов между импульсами (ВИМИ). ВИМИ - это подсчет количества раз, когда интервал между импульсами был равен t мкс. Вид ВИМИ несет немало информации о природе процессов, происходящих в НМ [3]. На рис. 1а показан результат обработки данных. Использован весь массив - 224 дня за 2009 г. Выбор значения Тр определялся тем, чтобы НМ был свободен от нейтронов предыдущего ШАЛ. Увеличение же ^ более 1000 мкс совершенно ничего не дает: распределение ВИМИ ШАЛ и контрольное сливаются. Это хорошо видно уже на рис. 1а. Уточним, что представленное ВИМИ нормировано на 100 дней.

Хотя средний интервал между импульсами ШАЛ около 1 сек, и вероятность появления двух импульсов ШАЛ на интервале 27 мс невелика, при обработке отбирались только те случаи, когда интервал между импульсами ШАЛ был больше, чем (ТР + 2-Т^), чтобы полностью исключить возможность попадания в контрольное "окно" импульсов от нового ШАЛ. Также выполнялся контроль подлинности импульсов ШАЛ, поступивших на НМ. Импульсы от установки ШАЛ имеют длительность 50 мкс, система регистрации НМ фиксирует начало и конец каждого импульса. При обработке данных проверяется, имеется ли по каналу 7 в наличии задний фронт импульса через 50 мкс. Если временной интервал от переднего до заднего фронта другой величины, импульс засчитывается как помеха. Созданная схема контроля импульсов ШАЛ весьма эффективна.

Рис. 1. а) - распределение ВИМИ во временном "окне" Тм; сразу после ШАЛ (черная линия), в контрольном "окне" (голубая) и их разность (зеленая); б) - пример аппроксимации ВИМИ для контрольного "окна" (голубая линия) суммой двух экспонент (красная пунктирная линия). Сами экспоненциальные функции отмечены цифрами 1 и 2. Черная линия - повторено ВИМИ для ШАЛ

Из рисунка видно, что количество коротких интервалов (до 200-300 мкс) между импульсами сразу после появления ШАЛ (далее для краткости будем называть это "при ШАЛ") в несколько раз превосходит их количество к контрольном "окне". Однако, уже к значению t ~1000 мкс количество их сравнивается. Таким образом, выбранное время паузы ТР = 25 мс после ШАЛ для контрольного сбора удовлетворяет условию, чтобы адроны от ШАЛ полностью поглотились и рассеялись. Сложим все импульсы НМ, зарегистрированные "при ШАЛ" и в контрольном "окне": = 3.2 106, Ыс = 1.5 106,

а разность их ДЫ = 1.7 106, а в сутки это составит Ап = 1.7 104. Можно уверенно принять, что эти импульсы образованы именно адронами ШАЛ. Следовательно, первый результат: время действия ШАЛ на НМ составляет около 1000 мкс. Это значение расходится с тем, что определено в [4, 5]. Причина в том, что там речь идет о другом энергетическом диапазоне. НМ регистрирует адроны с

энергиями не менее 50 МэВ, а в указанных и других работах исследуются тепловые нейтроны ШАЛ.

Нет причин сомневаться, что как фоновый поток космических лучей (КЛ), так и появление событий ШАЛ происходят случайно и подчиняются закону Пуассона

(Ы • ^к Рк(*) = Нт^ехр(-К0 • 0

к! (1)

где рк(;) - вероятность появления к импульсов (частиц) за время ^ Ы0 - средняя интенсивность потока в единицу времени. Тогда распределение ВИМИ будет экспоненциальным [6]:

п(;) = п0 • ехр(-1;/г) (2)

где п(;) - число интервалов длительностью ^ т - характеристическое время, т = 1/Ы0; п0 - множитель, определяемый длиной интервала, в течение которого происходит сбор ВИМИ.

Распределения Пуассона имеет следующее свойство [6]: сумма двух пуассоновских процессов со средней интенсивностью N1 и N2 соответственно будет пуассоновским распределение с интенсивностью N = N1 + N2. Следовательно, распределение ВИМИ п(;) для суммы двух процессов будет иметь вид (2) с т = 1/^, а никак не вид суммы двух экспонент с Т1 = 1/Ш и т2 = 1/№. Однако, если два пуассоновских процесса не равноправны по условиям (либо процессы N1 и N2 "включаются" попеременно, либо их вероятности вклада в суммарный поток различны [6]), в распределении как раз будут наблюдаться собственные экспоненциальные зависимости п!(;) и п2(;),

соответствующие исходным процессам N1 и N2. Это очень важное свойство распределения Пуассона. Поскольку на рис. 1а ВИМИ показано в полулогарифмическом масштабе, экспоненциальная зависимость отображается в виде линии. Как видим, реальные ВИМИ отклоняются от линейной зависимости. Нелинейная в выбранном масштабе форма ВИМИ указывает, что исследуемый процесс является сложной суммой пуассоновских процессов; и при выполнении аппроксимации решение это касается всех представленных ВИМИ в этой работе.

Сравнение величин Ап и FEAS показывает, что далеко не на каждый ШАЛ отзывается НМ. Прямой подсчет доли эффективных ШАЛ (которые сопровождались хотя бы одним импульсов в НМ) к их общему числу дает величину ~0.08. Объясняется это тем, что "Ковер" регистрирует электроннофотонную компоненту ШАЛ, а НМ чувствителен только к адронной его части, размеры которой значительно меньше [7]. Расстояние от центра "Ковра" до НМ составляет ~20 м, поэтому не всякий зарегистрированный ШАЛ накрывает своим ядром сразу два прибора. Не следует упускать из виду и невысокую эффективность регистрации адронов НМ: она составляет ~0.3 [8].

Исходя из того факта, что потоки КЛ и ШАЛ в нашем случае независимы, а вероятность их регистрации на НМ различна, можно принять, что имеем сложную сумму пуассоновских процессов. Контрольное распределение ВИМИ построено только на фоновом потоке КЛ, тогда как ВИМИ "при ШАЛ" есть сумма потоков КЛ и собственно ШАЛ (ведь на время действия ШАЛ фоновый поток КЛ не прекращается). Тогда можно записать:

ОД = GEAS (1) + 0с (1) (3)

где 0(1) - функция, описывающая ВИМИ, построенное "при ШАЛ", 0ЕА!з(1) - функция для ВИМИ собственно от ШАЛ, 0С(1) - контрольное ВИМИ. Видим, что ВИМИ, построенное "при ШАЛ" составляется из суммы двух функций, описывающих чисто ШАЛ и контрольное ВИМИ. Из (3) можно получить распределение 0ЕАз(1) как разность между 0(1) и 0С(1).

На рис. 1б показан пример аппроксимации контрольного ВИМИ суммой двух экспонент (пунктирная кривая). Сами экспоненциальные функции, входящие в сумму, приведены пунктирными линиями и отмечены цифрами 1 и 2. Экспонента 2 имеет очень большое значение т, близкое к такому значению среднего фонового потока, а для экспоненты 1 т = 120 мкс, что весьма близко к величине времени жизни "мгновенных" нейтронов в НМ. Подробнее об этом рассказано в [1-3]. Совпадение слагаемых аппроксимирующей функции контрольного "окна" с прежними результатами служит дополнительным подтверждением корректности этих результатов.

На рис. 1а приводится эта разность между 0(1) и 0С(1), а ее аппроксимация суммой двух экспонент - на рис. 2а. Наблюдается существенное отклонение зависимости от линейной формы, что однозначно указывает на сложную сумму пуассоновских процессов, участвующих в процессе, обусловленном собственно ШАЛ.

°ЕА8 (1) = А ■ еХР(- 1/Т3 ) + В ■ еХР(- 1/Т4 ) (4)

Численные значения характеристических времен т3 = 45 и т4 = 230 мкс. При этом величина т3 близка к временным интервалам в событиях множественности М > 12 [3]. Поскольку в данной работе производился отбор не событий фиксированной множественности М, а любых событий на интервале 1000 мкс после ШАЛ, в ВИМИ внесли вклад различные М. Отметим, что величина т4 малоинформативна: во-первых, она по сути является временем релаксации НМ на воздействие ШАЛ, во-вторых, ее значение по порядку величины равно Т„ (времени сбора импульсов). В этом случае длительность "окна" будет оказывать заметные искажения на процессы измерения с характеристическими временами не намного меньшими ее самой. А вот т3 имеет столь малую величину, что влияние Т„ на нее мало. Также т3 несет информацию о самом ШАЛ: о его плотности и времени действия.

События множественности на НМ и ШАЛ

В работе [3] подробно исследуются события множественности на НМ. Здесь рассматриваются только множественности, связанные с ШАЛ. Напомним, событие множественности М - это регистрация М нейтронов, за короткое время появившихся в НМ. Задан следующий алгоритм поиска и отбора множественности:

1) перед событием множественности должен быть интервал времени длительностью не менее Траи, в течение которого нет импульсов НМ;

2) интервалы между следующими друг за другом импульсами НМ не должны превышать величину Т0. Общая длительность пачки импульсов зависит от номера множественности;

3) непременно во время события М должен быть зарегистрирован импульс от ШАЛ.

^ мкс Множественность, номер

Рис. 2. а) - результат аппроксимации по (4) разности распределений ”при ШАЛ” и контрольного ВИМИ. Черная линия - разность G(t) и GC(t), синяя - аппроксимирующая функция в виде суммы двух экспонент, красная и лиловая линии - слагаемые суммы. Число импульсов дано среднее за 100 дней. б) - зависимость характеристических времен т от номера множественности; красным цветом показаны значения т, найденные в работе [3], синим - с условием присутствия импульса ШАЛ

В работе [3] используются те же самые критерии отбора событий М, что 1) и 2), а условие 3) -введено только здесь. В [3] найдены оптимальные значения величин для поиска событий множественности: Т0 = 500 и Траи = 5000 мкс. Такие же значения использованы в этой работе. В процессе обработки данных [3] были построены ВИМИ для событий фиксированной множественности М до значений М = 30. Вид этих "частных" ВИМИ подобен приведенному на рис. 2а; аппроксимация их достигается также суммой двух экспонент. При этом существенное значение имеет первое слагаемое с коротким характеристическим временем т, характеризующим плотность и энергию адронов, падающих на НМ. Полезно сравнить (рис. 2б) зависимость т от М, найденную в [3] (назовем ее "общей"), с аналогичной для множественностей, отбираемых по условиям 1)-3). Как видим, значения т "общей" (красная линия) и только "при ШАЛ", (синяя линия) на рис. 2б имеют близкие значения при М > 10. При этом величина т "при ШАЛ" изменяется мало на всем диапазоне М = 5-30 и не превосходит 40 мкс. Вид зависимости "общей" т объясняется в [3]: малые кратности (М <10) образуются от локальных атмосферных ливней (размер их ~1 м) с малым числом частиц высоких энергий. Попадание таких частиц в НМ разрознено и довольно редко; такая частица, попав в НМ, производит вторичные нейтроны в свинце, которым для замедления необходимо дополнительное время. Множественности М > 10 происходят от интенсивных и обширных локальных ливней (размер 3-5 м и более), накрывающих весь НМ.

В [3] удалось разделить составляющие сумму экспоненты. Было найдено, что в событиях М >10 на начальной фазе (ВИМИ по первым (М - 7) импульсам) присутствует только одна экспоненциальная зависимость с малым характеристическим временем т = 40-25 мкс, тогда как ВИМИ по последним 7 импульсам дает экспоненту с т > 230 мкс. Пример такого разделения показан на рис. 3. На всем массиве событий множественности М = 20 построены три вида ВИМИ: толь ко первым 10 интервалам, только по 7 последним и по всем интервалам. На примере событий М = 20 показано временное разделение компонентов, составляющих эти события. Распределение импульсов с коротким временем т1 существует на "основной" части события [3], распределение с большим т2 существует на "релаксационной" части. Поскольку релаксация НМ после воздействия локального ливня малоинформативна [3], характеристикой событий является малое т1. На рис. 2б приведены значения как раз малого характеристического времени для М = 5-30. Сравнение зависимостей на рис. 2б показывает, что множественности М > 10 происходят от локальных адронных атмосферных ливней, подобных адронной компоненте ШАЛ по плотности и энергетическому составу.

В [3] был получен спектр множественностей. В этой работе подсчитано количество событий множественностей "при ШАЛ" и взято отношение их числа к общему количеству событий для каждого М. Результат показан на рис. 4.

Рис. 3. ВИМИ, построенное по событиям М = 20. а) - ВИМИ по первым 10 интервалам; б) - ВИМИ по последним 7 интервалам; в) - ВИМИ по всем интервалам. Синим цветом показана

аппроксимирующая функция: для а) и б) это простые экспоненты, для в) - их сумма

Множественность, М

Рис. 4. Отношение числа событий множественности М "при ШАЛ" к общему их количеству

Обращает внимание, что при М > 15 это отношение линейно растет и быстро подходит к 1, в то время как при М < 10 доля событий М "при ШАЛ” ничтожно мала от общего числа таких событий. Из рис. 4 следует, что практически все события М > 25 происходят "при ШАЛ", а события М < 15 в основном происходят без ШАЛ. В то же время, как показано в [3], события М > 7 образуются от локальных атмосферных ливней, и их действие на НМ характеризуется распределением импульсов с т ~ 25-40 мкс (см. рис. 2б). В итоге можно утверждать следующее, объединив результаты [3] и настоящей работы: события М < 7 производятся локальными ливнями в свинце (вывод получен в [3]), события М = 10-20 образуются от локальных атмосферных ливней, а события с М > 25 создаются ШАЛ (вывод на основе этой работы). А из сравнения рис. 2б и рис. 4 следует вывод, что, хотя доля множественностей М = 10-20, сопровождающихся ШАЛ, мала, однако, все эти события (с ШАЛ и без него) имеют одно малое характеристическое время.

Заключение

Проведено исследование распределения импульсов НМ, появляющихся непосредственно после мастер-импульса ШАЛ. Выполнено сравнение аналогичного распределения для контрольных интервалов вдали от ШАЛ. Обнаружено, что адронная компонента ШАЛ оказывает воздействие на стандартный НМ в течение не более 1 мс после прихода. Построение распределения временных интервалов между импульсами (в пределах 1 мс после ШАЛ) показало наличие последовательностей

импульсов НМ, образованных высокоэнергичными адронами, появляющимися в НМ во время ШАЛ. Эта популяция частиц имеет среднее время жизни внутри НМ 45 мкс.

Обнаружено, что доля событий множественности М > 25, сопровождающихся ШАЛ, от общего числа таких событий приближается к 1, тогда как такая же доля для М < 15 ничтожно мала.

Выполнено сравнение характеристик событий множественности на НМ, отобранных по условию "непосредственно после ШАЛ", и общего массива множественностей М. Найдено, что временные характеристики распределения импульсов в событиях М > 10 для обоих случаев совпадают. Это указывает на то, что события с М > 10 образуются от локальных адронных ливней с характеристиками, близкими к тем, что имеются в адронной компоненте ШАЛ.

Авторы благодарят РФФИ 09-02-00076-а и Программу Президиума РАН № 8 «Физика нейтрино и нейтринная астрофизика» за оказанную поддержку.

ЛИТЕРАТУРА

1. Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б., Джаппуев Д.Д., Куджаев А.У., Михайлова О.И. Регистрация кратных нейтронов на разных широтах и атмосферных уровнях // 30-я Всероссийская конференция по космическим лучам, С.-Петербург, 2-7 июля 2008 г. Тезисы докл. С. 160. 2. Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б., Вашенюк Э.В., Щур Л.И. Динамика релятивистских СКЛ и регистрация множественных нейтронов в событии 13.12.2006 г. // Изв. рАн. Сер. физ. 2009. Т. 73, С. 321-323. 3. Балабин Ю.В., Вашенюк Э.В., Джаппуев Д.Д., Гвоздевский Б.Б., Маурчев Е.А., Куджаев А.У., Михайлова О.И. Исследование локальных атмосферных ливней на нейтронных мониторах // 31-я Всероссийская конференция по космическим лучам, Москва, 3-9 июля 2010 г. 4. Чубенко А.П., Щепетов А.Л., Антонова В.П., Крюков С.В. Регистрация тепловых нейтронов, сопровождающих прохождение широких атмосферных ливней // 30-я Всероссийская конференция по космическим лучам, С.-Петербург, 2-7 июля 2008 г. 5. Стенькин Ю.В., Волченко В.И., Джаппуев Д.Д., Куджаев А.У., Михайлова О.И. Нейтроны в ШАЛ // 29-я Всероссийская конференция по космическим лучам. Москва, 2006 г. 6. Гольданский В.И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. М.: Физмат, 1959. 411 с. 7. Хаякава С. Физика космических лучей. Ч. I. М.: Мир, 1973. 703 с. 8. Дорман Л.И. Экспериментальные и теоретические основы астрофизики космических лучей. М. Наука, 1975. 462 с.

Сведения об авторах

Балабин Юрий Васильевич - к.ф.-м.н., научный сотрудник, e-mail: balabin@pgia.ru Вашенюк Эдуард Владимирович - д.ф.-м.н., зав. сектором, e-mail: vashenyuk@pgia.ru Гвоздевский Борис Борисович - к.ф.-м.н., научный сотрудник, e-mail: gvozdevsky@pgia.ru