CC BY
42
УДК 537.591
ЗАПАЗДЫВАЮЩИЕ ПРОНИКАЮЩИЕ ЧАСТИЦЫ
В ШАЛ
Р. У. Бейсембаев, Ю. Н. Вавилов, Н. Г. Вильданов, А. В. Круглое, А. В. Степанов, Ж. С. Такибаев1
Приводятся результаты длительной эксплуатации подземной сцинтилляционной установки МЮОН-Т на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции в период 1995-2006 гг. В 2000 году установка была дополнена хронотроном. С большой статистической достоверностью получено временное распределение запаздывающих проникающих частиц на глубине 20 м.в.э. относительно фронта ШАЛ. Подтверждается эффект влияния геомагнитного поля на запаздывание проникающих частиц ШАЛ, приводящий к ассиметрии их регистрации относительно направления Север-Юг.
Исследование частиц, запаздывающих относительно ливневого фронта, было осуществлено в большом числе работ [1 - 7].
Присутствие запаздывающих частиц в ШАЛ указывает на наличие запаздывающего ливневого диска и может быть ассоциировано с долгоживущими адронами [1, 2].
Цикл исследований запаздывающих частиц был выполнен японскими физиками на нескольких сцинтилляционных установках, работавших в составе эксперимента "АКЕНО", что позволило получить важную информацию о свойствах запаздывающих частиц [2, 3].
Авторы работ [2, 3] полагали, что регистрируемые ими частицы, запаздывающие на время больше 20 нс вплоть до « 100 не, являются тяжелыми адронами нового типа, пока не обнаруженными на ускорителях.
1 Казахский Национальный университет им. аль-Фараби, Алматы, Республика Казахстан.
Интересным результатом работы [3] является факт сильного возрастания числа запаздывающих частиц с ростом первичной энергии ШАЛ в интервале 10и> — 101' эВ.
В ранее проведенной нашей работе на установке МЮОН-Т [8] было обнаружено при сутствие в ШАЛ с энергией > 1015 эВ проникающих частиц, запаздывающих на время > 60 н с. Однако недостаточная статистика не позволила получить временное распределение запаздывающих проникающих частиц.
Экспериментальная установка. На первом, предварительном этапе работы, уста новка состояла из 12-ти пластических сцинтилляторов, расположенных в виде однослойного "ковра" в подземной лаборатории Тянь-Шаньской высокогорной научной станции ФИАН (ТШВНС) на глубине 20 м.в.э. (метров водного эквивалента).
В качестве сцинтилляторов применялись сцинтилляционные пластины ЭПС-4 размером 300 х 20 х 1 см3. Пластины ЭПС-4 были изготовлены в ИФВЭ (г. Протвино). Они имеют высокую прозрачность. Пробег для экспоненциального ослабления собственного излучения не менее 2 м [9].
В качестве фотоумножителей использовались временные ФЭУ: ФЭУ-65 с диаметром фотокатода 15 см. ФЭУ просматривали объем сцинтилляционных пластин с их торцов.
Площадь торцов сцинтилляторов составляла 20 сж2, а часть площадей фотокатодов, перекрывающих торцы сцинтилляторов, составляла 15 см2. Таким образом 75% света сцинтилляционной вспышки, дошедшего до торцов сцинтилляционных пластин, попадала на фотокатоды ФЭУ. Сцинтилляционные пластины были обернуты в белую бумагу и помещались вместе с фотоумножителями в светонепроницаемых металлических коробках. Коробки располагались вплотную друг к другу, образуя "ковер" чувствительной площадью 7.2 м2.
Сцинтилляционая пластина
Рис. 1. Способ светосбора в сцинтилляционных счетчиках установки МЮОН-Т. А произвольная точка на траектории ионизирующей частицы.
Определим время максимального запаздывания импульсов ФЭУ, вызванного длительностью распространения света в сцинтилляторе. Максимальное время запаздывания будет, если регистрируемая частица проходит через сцинтиллятор на расстоянии 3 ж от фотокатода ФЭУ. В этом случае свет будет попадать на фотокатод за счет полного внутреннего отражения света на границе поверхность сцинтилляционных пластин - воздух. Роль света, попадающего на фотокатод непосредственно, минуя отражения, будет мала из-за малости телесного угла, в пределах которого свет может попадать на фотокатод с расстояния 3 м. Искомое запаздывание г будет: т = — ■ п, где D - путь света сцинциляционной вспышки, возникшей на расстоянии 3 м от фотокатода ФЭУ. Очевидно, что D — , m ■ dQ — 3 м (см. рис. 1), здесь m - число полных внутренних
Sin С771 '
отражений; 9т - угол полного внутреннего отражения. sin#m = ^ = па = 1 - показатель преломления воздуха; пс - показатель преломления сцинтиллятора; пс = 1.6, D = Зм ■ 1.6, г = ^ • 1.6 = Юкс • 1.62 = 10 • 2.56 = 25.6 нс.
? с
Для измерений времени прихода мюонов ШАЛ (или других проникающих частиц) относительно момента появления мюона, пришедшего первым, применялась кольцевая временная система, позволяющая измерять задержки в интервале 0 - 640 не.
КАМАК
Рис. 2. Блок-схема установки "Мюон-Т". Аналоговые сигналы с ФЭУ-65, находящихся в подземном помещении (1-12), поступают на входы двенадцати усилителей-формирователей (УФ). УФ преобразуют аналоговые сигналы в цифровые стандарта NIM. С выходов УФ сигналы поступают одновременно в блок формирования сигнала "мастер" (БФМ) и 16-каналъный временной блок (ВБ). Также сигналы с ФЭУ-65 от четырех наземных пунктов "Хронотрона" (13-16) поступают в ВБ через формирователи со следящим порогом (ФСП). По заданному числу совпадений БФМ вырабатывает сигнал "мастер" для запуска анализа данных в ВБ. Управление временным блоком и запись информации осуществляется персональным компьютером (ПК) через шину КАМАК.
Блок-схема регистрации данных (рис. 2) содержит 16 идентичных каналов регистрации2, состоящих из усилителей-формирователей, преобразователей время-код (ПВК) и их памяти. В основе схемы ПВК лежит блок быстрой памяти с организацией 64x16 (64 последовательно заполняемые ячейки памяти в каждом из 16 каналов). Задержки мюона, проходящего через один сцинтиллятор в интервале от 1 до 10 не, вызывают заполнение одной ячейки памяти. Задержки мюона в этом же сцинтилляторе на время от 10 до 20 не вызывают заполнение последующей ячейки в этом же канале и т.д. Таким образом, электронная погрешность измерения запаздывания времени прихода мюона была 10 и с.
Анализ ячеек памяти ПВК осуществлялся при наличии импульса "мастер", который формируется при условии срабатывания т или более сцинтилляционных счетчиков (заданной кратности совпадений) за время 80 не. Минимальное число срабатываний т задавалось заранее и было равно 6. Цифровая информация о содержании ячеек памяти ПВК с помощью крейта КАМАК регистрируется и обрабатывается на персональном компьютере, который позволяет видеть на дисплее картину распределения времени прихода каждого мюона в отдельном ШАЛ, что позволяло контролировать работу установки.
Перед запуском установки МЮОН-Т в постоянную эксплуатацию в каждом из каналов с помощью амплитудного анализатора регистрировались амплитудные спектры фотоумножителей, что позволило выставить пороги на усилителях-формирователях в начале области амплитуд одиночных мюонов для отсечения шумовых импульсов (точка А на рис. 3).
На рис. 4 показано распределение запаздываний относительно момента появления мюона, пришедшего на установку первым, в каждом зарегистрированном ливне для числа сработавших сцинтилляторов т > 6. Это распределение связано как с запаздыванием мюонов относительно мюона, пришедшего на установку первым, так и со временем светосбора в сцинтилляторе.
Как нами было показано [8], для надежного исключения ложных срабатываний ФЭУ необходимо использовать два ряда ("ковра") сцинтилляционных счетчиков, расположенных друг над другом.
Для надежной регистрации запаздывающих частиц была изменена геометрия установки. Двенадцать пластических сцинтилляторов длиной 300 см и шириной 20 см рас-
2Первоначально использовалось 12 каналов, затем 16 (см. выше).
О 3 6 9 12 15 18 21 Номер канала амплитудного анализатора
\У(0 0.6
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
±
Л.
_1_
10 30 50 1, пэ
Рис. 3. Амплитудный спектр одиночных мюонов и шумовых импульсов ФЭУ для одного из каналов установки.
Рис. 4. Распределение запаздываний, меньших 50 не.
полагались в двух слоях друг над другом так, что образовался двухрядный "ковер" чувствительной площади 3.6 м2. Расстояние между слоями 20 см. На рис. 5 показана конфигурация размещения сцинтилляционных детекторов.
Мюоны при прохождении через установку вызовут срабатывание двух сопряженных детекторов, расположенных друг над другом или в непосредственном соседстве. На рис. 5 внизу показаны все возможные сопряженные пары. Их число равно 16. Детекторы, образующие сопряженные пары, соединены между собой линиями.
Обозначим: а - число сопряженных пар, Ь - число не сопряженных пар. При равномерном распределении фона по всем каналам, коэффициент пересчета от фона в несопряженных парах к фону в сопряженных парах будет д = а/Ь.
Если за время работы установки сработало сопряженных пар, то в это число входят события, вызванные как прохождением частиц ,/Ут, так и фоном ложных импульсов, вызванных спонтанными послеимпульсами ФЭУ. Число сработавших несопряженных пар детекторов ^ вызвано фоном, так как геометрия установки не позволя-
----ч { 1 > ----ч / 3 \ £.... 5....1 2....8...Х У----Ч ( 10 \ ¿Ï2\
V \ Ч ____ \ V \ 1 \ /
✓----ч ( 2 \ Х----^ч ¿..АЛ ✓----ч /..АЛ ✓----Ч /' 7 \ ✓----Ч L.9..A ---^ч ( 11 >
Ч +............» \ %—' +............с \ ____ \ ч ч
1 3 5 8 10 12
6 rh rh rh m m rS
2 4 24646767979 11 9 11
Рис. 5. a) Размещение сцинтилляционных счетчиков в двух рядах. Пунктиром показано положение сцинтилляторов и фотокатодов ФЭУ; б) Сопряженные пары детекторов.
ет мюону пройти через несопряженную пару детекторов. Так как а — 16, b = 20, то g = 16/20 = 0.8.
Фон в сопряженных детекторах будет gNb-
Полное число срабатываний сопряженных сцинтилляционных детекторов Nt
Nt = Nm+ gNb,
где Nm - число событий, связанных с прохождением через установку мюонов
Nm = Nt-gNb.
Время прихода частиц t отсчитывается с момента регистрации сигнала мюона, прошедшего первым через установку. Этот момент времени принимается за момент прохождения через установку переднего фронта ШАЛ. Мюон, пройдя через пару сопряженных детекторов, вызовет два импульса, и если первый импульс будет зарегистрирован в момент времени t, то второй придет не позже времени t + t'. Величина t' определяется бином системы регистрации 10 не.
Результат, полученный на установке МЮОН-Т с временным разрешением 10 не. За время работы установки 4487 часов было зарегистрировано 48464 события прохождения через установку трех и более мюонов ШАЛ: плотность потока мюонов
N
5-Ю14 5-Ю15 5-Ю16 Ер, еУ
2000
1000
л_I_I_I_I_I_I ~~~-1
5 10 15 20 25 30 35 Л, ш
2-Ю5
2-106
2-107
Рис. 6. а) Распределение расстояний Я. между осями ШАЛ и установкой МЮОН-Т; б) Распределение регистрируемых установкой ШАЛ по Ne и первичной энергии Е0.
> 1частиц/м2 (требование для запуска системы регистрации установки
Проведенные методом Монте-Карло расчеты с учетом полученных ранее на ТШВНС данных о спектре ШАЛ по полному числу электронов (А^,), пространственному распределению мюонов и зависимости числа мюонов с энергией > ЪГэВ от [10, 11] показали, что при указанном условии отбора ШАЛ регистрируются ливни, оси которых проходят от установки на расстоянии не более и 40 л«, а среднее число электронов в ШАЛ АГе « 2 • 106, что соответствует первичной энергии ШАЛ ~ 5 ■ 1015 эВ (рис. ба и 66.)
Был произведен отбор событий прохождения через установку мюонов (срабатывания сопряженных пар детекторов) со следующими временными критериями: события должны содержать пары детекторов, срабатывающих с запаздыванием относительно основного фронта на время > 70 м с, а импульсы сцинтилляторов пары должны быть удаленными друг от друга на время не более 20 к с, что соответствует временным характеристикам установки. Таких событий (А^) в диапазоне времен запаздывания 70 - > 130 оказалось 82 при Агь = 23, что соответствует статистической обеспеченности (5.6а) наличия в ШАЛ частиц, запаздывающих на время > 45 м с, учитывая возможность запаздываний в самом сцинтилляторе (максимальное время светосбора и 25 мс).
Недостаток числа зарегистрированных событий при запаздываниях > 70 м с не позволил получить временные распределения запаздывающих событий.
Запаздывающие проникающие частицы в ШАЛ и геомагнитное поле. Для выяснения возможного влияния геомагнитного поля на регистрацию запаздывающих частиц
МЮОН-Т).
Рис. 7. Расположение сцинтилляционных счетчиков хронотрона. ФСП - формирователи следящего порога. СРВ - система регистрации времени прихода сигналов.
в 2000 году установка МЮОН-Т была дополнена хронотроном для определения направлений прихода ШАЛ.
Хронотронная установка состоит из четырех пунктов, показанных на рис. 7.
В каждом из четырех пунктов находились четыре пластических сцинтиллятора размером 0.5 х 0.5 х 0.05 ж3, помещенные в светосборники, ранее использовавшиеся в работах на ТШВНС. Один фотоумножитель ФЭУ-65 просматривал площадь сцинтиллято-ров в 1 м2, составленную из четырех указанных сцинтилляторов. В процессе измерений общая площадь сцинтилляционных счетчиков в каждом из четырех пунктов была увеличена до 2 м2. Для регистрации сигналов хронотрона были задействованы 4 ранее не использованные канала временной системы из 16-ти . Относительные запаздывания импульсов сцинтилляционных счетчиков хронотрона в двух взаимно-перпендикулярных направлениях позволяли определить направление оси ШАЛ в пространстве (зенитный и азимутальный углы). В связи с тем, что сигналы фотоумножителей хронотрона поступали на временной блок с задержкой на высокочастотных кабелях 820 не, для возможности одновременной регистрации запаздываний мюонов на подземных сцинтилляционных счетчиках и времен появления импульсов хронотрона шаг (бин) регистрации времени на 64-х ячейках памяти системы регистрации времени (СРВ) был увеличен с 10 до 20 не. Полный диапазон СРВ стал 64 х 20 = 1280 не. Разрешение 20 не позволяет
определить направление оси ШАЛ с погрешностью « 10° для зенитных и азимутальных углов.
Установка МЮОН-Т, дополненная хронотроном, эксплуатировалась в период 2000-2006 гг. в течение 17347 часов. За это время было наблюдено 139 событий с запаздывающими относительно фронта ШАЛ частицами на время в интервале 60 - > 140 не. Для этих 139 событий имелись показания хронотрона.
Как было отмечено выше, данное время запаздываний включает в себя время све-тосбора в сцинтилляционных детекторах установки МЮОН-Т. Так как максимальное время светосбора составляет « 25.6 не (см. выше), то истинный временной интервал запаздываний составит «30 — 110 не.
Оказалось, что из 139 запаздывающих событий, сопровождающихся показаниями хронотрона, 94 события шли с северного направления и 45 - с южного. Таким образом наблюдается эффект асимметрии регистрации запаздывающих проникающих частиц относительно направлений Север-Юг; преимущественная регистрация запаздывающих частиц с направления на Север. Статистическая достоверность эффекта составляет (94 — 45)/\/139 = 4.15сг.
частицами (а) и без них (б).
На рис. 8 показано распределение по зенитным и азимутальным углам для событий с запаздывающими частицами (а) и без них (б). Эффект асимметрии регистрации запаздывающих частиц был обнаружен нами ранее, менее статистически обеспеченный (3.7<т). К сожалению, в публикации [12] была допущена ошибка: избыток числа запаздывающих частиц был отнесен к Югу, а не к Северу.
\
Географическая
параллель
Т
4
2
3
7
6
5
Ш(1)
80 120 160 не
Рис. 9. Расположение вектора геомагнитного поля Земли в Алма-Ате. Н - горизонтальная составляющая геомагнитного поля.
Рис. 10. Зависимость числа запаздывающих частиц от времени запаздывания.
Направление вектора напряженности магнитного поля в Алма-Ате показано на рис. 9.
Как видно (рис. 8 и 9) запаздывающие проникающие частицы приходят преимущественно с тех направлений, где сила Лоренца действует сильнее.
Временное распределение запаздывающих проникающих частиц. Экспериментальные данные о временном распределении проникающих частиц, полученные за период 2001-2005 годов на установке МЮОН-Т (10043 часов работы установки, 223014 зарегистрированных ливней) и статистическая достоверность эффекта представлены в табл. 1.
На рис. 10 показана зависимость числа запаздывающих событий от времени. Эта зависимость может быть представленной экспоненциальным законом Ат ~ где
¿о = 30 мс.
Таблица 1
Интервал запаздываний
бОмс < £ < 100нс 100нс < г < 140мс 140нс <1 < 180нс
N 1050 361 108
и 553 156 53
497 205 55
Статистическая достоверность 12.4сг 9 а 4.3сг
Nt - полное число запаздывающих случаев, включая фоновые; Nь - число фоновых случаев; Nm - количество запаздывающих случаев с учетом фона (ТУ, — Nь). Значения Nt и Nb получены описанным выше методом (с учетом временного разрешения 20 не), учитывающим послеимпульсы фотоумножителей.
Средняя вероятность регистрации запаздывающих проникающих частиц составляет
3- ю-3.
В работе [7] было показано, что регистрируемые нами запаздывающие проникающие частицы (возможно мюоны) могли возникать из-за распада тяжелых долгоживу-щих частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Предполагалось, что массивные частицы создаются в первом взаимодействии первичного протона или ядра с энергией > 1015 эВ с ядрами атомов воздуха.
Недавно расчеты запаздываний мюонов в ШАЛ, инициированных первичными протонами и ядрами железа с энергией 1015 — 1016 зВ, были произведены в работе [13]. Вычисления базировались на обычных предположениях о генерации мюонов: распад пионов и каонов.
Расчеты [13] показали, что отклонение мюонов в геомагнитном поле не может привести к большим запаздываниям мюонов, наблюдаемых на подземной установке ТШВНС. Рассчитанные в работе [13] запаздывания мюонов с пороговой энергией 5 ГэВ не превышали 10 наносекунд.
В настоящее время также трудно объяснить асимметрию Север-Юг в регистрации запаздывающих частиц.
Заключение.
1. На подземной установке ТШВНС (МЮОН-Т) зарегистрированы с высокой статистической достоверностью запаздывающие относительно фронта ШАЛ проникающие частицы в интервале запаздываний (60 — 180) не. Истинный диапазон запаздываний с
учетом максимального времени распространения света в протяженных сцинтилляторах (25.6 не) будет « (30 - 150) не.
2. Вычисления, базирующиеся на современных моделях ядерных каскадов в атмосфере, не позволяют объяснить экспериментальные данные в предположении, что зарегистрированные частицы являются мюонами обычного происхождения.
3. На установке МЮОН-Т, дополненной хронотроном, был обнаружен эффект асимметрии регистрации запаздывающих проникающих частиц относительно направлений Север-Юг.
Представляется целесообразным произвести расчеты для анализа возможности объяснения природы запаздывающих проникающих частиц ролью нейтронов, идущих в составе ШАЛ в воздухе, а также нейтронов, рождающихся в ядерно-электромагнитных каскадах, инициированных адронами ШАЛ, в грунте и нейтронов, образованных в фотоядерных взаимодействиях мюонов ШАЛ в грунте (предположение О.Г. Ряжской).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Ton war S. С., Shreekantan В. V. J. Phys. А., 4, 486 (1971).
[2] S a k и у а m а Н. et al. Nuovo Chimento, C6, 371 (1983).
[3] S а к u у a m a H. et al. 20-th ICRC, Moscow, 9, 181 (1987).
[4] Inoe N. et al. J. Phys. G, 11, 657 (1989).
[5] А т p а ш к e в и ч В. Б. и др. Известия РАН (Серия физич.), 58, 98 (1994).
[6] В е i s е m b а е v R. U., Vavilov Yu. N., et al. 24-th ICRC, Roma, 1, 454 (1995).
[7] В e i s e m b a e v R. U., V a v i 1 о v Yu. N., et al. 29-th ICRC, Pune, 9, 247 (2005).
[8] Б e й с e м б a e в P. У. и др. Известия РАН (Серия физич.), 61, 540 (1997).
[9] А л и м о в а Т. В. и др. Препринт N 86-35 ИФВЭ (Институт физики высоких энергий, Моск. обл., Протвино, 1986).
[10] С т а м е н о в И. Н. и др. Труды ФИАН, 109, 132 (1979). [И] Kirov J. N. et al. Proc. 17-th ICRC, Paris, 2, 109 (1981).
[12] Б e й с e м б a e в P. У. и др. Известия РАН (Серия физич.), 69, 382 (2005).
[13] Вавилов Ю. Н., Деденко Л. Г. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 4, 25 (2006).
Поступила в редакцию 3 ноября 2006 г.
