Энергетические спектры протонов и ядер гелия в диапазоне энергий 1011-1013 эВ в околоземном космическом пространстве тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Карелин, Александр Владимирович

• Карелин, Александр Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Карелин, Александр Владимирович

1. Введение и постановка задачи.

1.1. Протоны и ядра гелия в космических лучах.

1.2 Общая характеристика диссертационной работы.

2. Исследование протонов и ядер гелия космических лучей в спутниковых и аэростатных экспериментах с помощью калориметров.

2.1. Измерение энергии адронов с помощью калориметров.

2.2. Эксперимент CREAM.

2.3. Эксперимент ATIC.

2.4. Эксперимент JACEE.

2.5. Эксперимент AMS.

2.6. Эксперимент FERMI.

2.7. Эксперименты М. Дж. Райана и Н. JI. Григорова.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Карелин, Александр Владимирович

7. Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы в рамках эксперимента

ПАМЕЛА были получены следующие результаты:

1. Разработана методика выделения протонной компоненты и ядер гелия в космических лучах с помощью калориметра и сцинтилляторов время-пролетной системы, входящих в состав спектрометра ПАМЕЛА. После применения методики количество имитаций в восстанавливаемом протонном спектре ядрами гелия составляет сотую долю процента, электронами порядка 1%. Число, имитаций протонами в восстанавливаемом спектре ядер гелия не более 4%. ' Разработанная методика является универсальной и, с незначительными изменениями в программном обеспечении, может быть применена в аналогичных экспериментах.

2. Разработана методика восстановления энергетических спектров протонов и ядер гелия с использованием электромагнитного калориметра спектрометра ПАМЕЛА. Для определения энергии- применяется параметр, учитывающий? пространственное распределение энерговыделения каскада в калориметре. Данный параметр позволил избавиться от «хвостов» в, распределениях, тем самым минимизируя эффект значительного статистического преобладания имитаций малыми энергиями более высоких при восстановлении спектра. Даже с учетом того, что доля детектируемой'калориметром ПАМЕЛА энергии протонов составляет не более 1,5% (это значение отличается на порядок, и является минимальным для калориметров, применявшихся в космофизических экспериментах для измерения энергии адронов), ширина распределений по параметру, использующемуся для определения энергии, не превышает 35%, что не хуже, например, значений для ширин распределений по полному энерговыделению в эксперименте АТ1С. Причем отклонение от линейности зависимости средних значений параметра от энергии около 15% в диапазоне 2-5 ТэВ и порядка 30% в диапазоне более 6 ТэВ, что не

104 оказывает значительного влияния на окончательный результат.

3. Методика отбора событий и восстановления энергетических спектров была всесторонне проверена с использованием расчётов Монте-Карло с различными кодами моделирования, полётных данных, данных тестового эксперимента в, пучках заряженных частиц на ускорителе, в результате чего была признана надёжной. Причем впервые в спутниковом эксперименте была осуществлена возможность использовать данные магнитного спектрометра для калибровки получаемых данных по калориметру. Результаты проведенных проверок подтвердили стабильность работы экспериментального оборудования и правильность моделирования его отклика к протонам и ядрам гелия.

4. С помощью разработанной методики по данным спектрометра ПАМЕЛА были получены энергетические спектры протонов и ядер гелия космических лучей в диапазоне энергий от 50 ГэВ до 15 ТэВ. Это является новым научным результатом, так как такие измерения одним прибором в данном диапазоне энергий на околоземной орбите до эксперимента ПАМЕЛА не проводились. Более того, данный энергетический диапазон является наименее исследованным и в аэростатных измерениях.

5. Заметных изменений в величинах спектральных индексов протонов и ядер гелия в диапазоне энергий до 15 ТэВ не обнаружено. Аппроксимация полученных в настоящей работе спектров в указанных диапазонах энергий, дала следующие результаты: Ш

-— = (662+ 7) X £,"2'7±0'05 (статист. + сист. погр.); аЕр

-— — (246 ± 1) X Е 2'47±0'07 (статист. + сист. погр.).

Полученные спектры протонов и ядер гелия космических лучей позволяют сделать утверждение, что существует различие в формах спектра.

Полученные результаты хорошо описываются в рамках трехкомпонентной модели Зацепина-Сокольской. Для данной модели с помощью аппроксимации полученных экспериментальных результатов были уточнены значения параметров для третьего класса источников — новых звезд.

Автор выражает благодарность научному руководителю С.А. Воронову, C.B. Борисову, М.Ф. Рунцо, а также коллаборации ПАМЕЛА.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Карелин, Александр Владимирович, 2011 год

1. A.M. Гальпер, Космические лучи, М: МИФИ, 2001.

2. P.L. Biermann, Space Science Reviews, 1995, v. 74, № 3-4, p. 385.

3. M. Amenomori et al., Science, 2006, v. 314, p. 439.

4. A.D. Erlykin, A.W. Wolfendale, Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, 1997, v. 23, p. 979.

5. P.L. Biermann, Т.К. Gaisser, T. Stanev, Phys. Rev. D, 1995, v. 57, № 7, p. 3450.

6. A.W. Strong, I.V. Moskalenko, ApJ, 1998, v. 509, p. 212.

7. J. Hörandel et al., Astroparticle Physics, 2007, v. 27 p. 119.

8. R.W. Ellsworth et al., Astr. And Sp. Science, 1977, v. 52, p. 415.

9. E.S. Seo, V.S. Ptuskin, ApJ, 1994, v. 431, p. 705.

10. Jörg R. Hörandel, Advances in Space Research, 2008, v. 41, p. 442.

11. V.l. Zatsepin et al., Proc. 23rd ICRC (Calgary), 1993, v. 2, p. 13.

12. M. Amenomori, Phys. Rev. D, 2000, v. 62, p. 112002-1.

13. H. Ultrich et al., Proc. 27th ICRC (Hamburg), 2001, v. 1, p. 97.

14. А.Д. Панов и др., Изв. РАН сер. физ., 2009, т.73, № 5, с. 602.

15. Н.Л. Григоров, Ю.И. Стожков, Е.Д. Толстая, Космические исследования, 2006, т. 44, № 1,с. 85.

16. N.L. Grigorov, E.D. Tolstaya, 28 ICRC (Tsukuba), 2003, v. 009225, p. 1.

17. Т.К. Circella et al., 1997, Proc. 25 ICRC (Durban), 1997, v. 7, p. 117.

18. H.-R Klockner, S. Rawlings, M. Jarvis, A. Taylor, Oxford, UK 2006.

19. T.Wulf, Phys. Z, 1910, v. 5, p. 152.

20. V. Hess, Phys. Z, 1912, v. 13 p. 1084.

21. D. W. Skobeltzin, Zeitschrift für Physik, 1927, v. 43, p. 354.

22. В.И. Векслер, УФН, 1962, т. 78, № 11, стр. 538.

23. W. Bothe, Zeitschrift für Physik, 1930, v. 59, № 1-2, p. 1.

24. Л.В. Мысовский, УФН, 1930, т. 9, № 5, стр. 574.

25. Н.Л. Григоров, В.С Мурзин, И.Д. Рапопорт, ЖЭТФ, 1958, т. 34, № 2, стр. 506.

26. P.S. Marrocchesi, H.S. Ahn, M.G. Bagliesi, Nucí. Instrum. Methods Phys. Res. A, 2004, v. 535, p. 143.

27. R. Bellotti, F. Cafagna, M. Castellano, Astroparticle Physics, 1997, v. 7, p. 219.

28. E.S. Seo, H.S. Ahn, J.J. Beatty, Advances in Space Research, 2004, v. 33, p. 1777.

29. M. Boezio et al., ApJ, 2000, v. 532, p. 653.

30. M. Aguilar Benitez et al., Proc. 29th ICRC (Pune), 2005, v. 3, p.349.

31. D. Bergstrom, et al., Proc. 26th ICRC (Salt Lake City), 1999, OG 4.1.21.

32. J. Olzem et al., Proc. 29th ICRC (Pune), 2005, v. 0, p.101.

33. S.P. Wakely et al., Proc. 28th ICRC (Tsukuba), 2003, p. 2233

34. P. Maestro et al., Proc. 30th ICRC (Mexico), 2007, v. 2 (OG part 1), p. 333.i

35. E. S. Seo, New Observations with CREAM. Proc. 29th ICRC (Pune) 2005, v. 10, p.185.

36. R.L. Golden et al., ApJ, 1996, v. 457, p. 103.

37. M. Hof et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, 2000, v. 454, p. 180.

38. T. Yoshida, Y. Yamamoto, J. Mitchell, Advances in Space Research, 2004, v. 33, p. 1755.

39. C. Leroy, P-G Rancoita, Rep. Prog. Phys, 2000, v. 63, p. 507.

40. R. Wigmans, Calorimetry: Energy Measurement in Particle Physics, Oxford University Press, 2000, v. 26.

41. T. Ferbel, World Scientific, 1991, p. 274.

42. E.S. Seo et al., Advances in Space Research, 2008, v. 42, p. 1656.

43. P.S. Marrocchesi et al., Advances in Space Research, 2008, v. 41 p. 2003.

44. E.S. Seo et al., Advances in Space Research, 2004, v. 33 p. 1779.

45. Y.S. Yoon et al., Proc. 30th ICRC (Mexico), 2007, OG.0778.

46. H.S. Ahn et al., Nuclear Physics B, 2006, v. 150, p. 273.

47. K.E. Batkov et al., Proc. 29th ICRC (Pune), 2005, v. 3, p.353.

48. H.S. Ahn et al., Advances in Space Research, 2006, v. 37, p. 1952.49