RU2755578C1 - Ледяной детектор мюонов - Google Patents
Ледяной детектор мюонов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2755578C1 RU2755578C1 RU2020126365A RU2020126365A RU2755578C1 RU 2755578 C1 RU2755578 C1 RU 2755578C1 RU 2020126365 A RU2020126365 A RU 2020126365A RU 2020126365 A RU2020126365 A RU 2020126365A RU 2755578 C1 RU2755578 C1 RU 2755578C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ice
- muon
- detector
- detectors
- cosmic rays
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/16—Measuring radiation intensity
- G01T1/22—Measuring radiation intensity with Cerenkov detectors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики и может быть использовано для измерения мюонной компоненты широких атмосферных ливней (ШАЛ) космических лучей (КЛ), а также в других экспериментах, где измеряется поток мюонов в КЛ. Ледяной детектор мюонов регистрирует черенковское излучение от мюонов в объеме льда, при этом детектор использует лед со спектросмещающими добавками в качестве радиатора черенковского излучения. Технический результат – расширение области применения экспериментального оборудования с целью использования преимуществ холодного климата для решения задач фундаментальных исследований в области физики космических лучей высоких энергий. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, и может быть использовано для измерения мюонной компоненты широких атмосферных ливней (ШАЛ) космических лучей (КЛ), а также в других экспериментах, где измеряется поток мюонов в КЛ.
В настоящее время Якутская установка ШАЛ является ведущей в России и одной из крупнейших установок в мире для исследования космических лучей с энергией выше 1015 электрон-вольт (эВ). При этом только на Якутской установке ШАЛ реализовано одновременное измерение трех главных компонент ливня: потоков электронов, мюонов и черенковского излучения ШАЛ. Это позволяет получить наиболее надежные оценки массового состава космических лучей в широком диапазоне энергий.
Аналогичные зарубежные установки для изучения ШАЛ имеют ряд ограничений. Например, установки KASCADE-GRANDE (Германия, закрыта в 2009), Tibet (Китай) измеряют частицы с предельными энергиями до 1017 эВ. Обсерватория Pierre Auger - построена международной коллаборацией институтов из 17 стран в южном полушарии, в Аргентине, планировалось строительство второй части в северном полушарии, но остановлено на неопределенный срок. Южная установка состоит из 1600 детекторов заряженной компоненты (водные баки, обозреваемые фотоэлектронными умножителями), размещенных на площади 3000 кв. км с раздвижением 1.5 км между детекторами. Пространство над установкой просматривается 4 детекторами флуоресцентного свечения от ливня в атмосфере. Характеристики ШАЛ восстанавливаются по измерениям распределения заряженных частиц на поверхности земли и по измерениям продольного развития ливня в атмосфере (сайт установки https://www.auger.org).
Установка Telescope Array в штате Юта создана коллаборацией университетов из разных стран (сайт установки http://www.telescopearray.org). В эксперименте Telescope Array, также, как и в обсерватории Pierre Auger, используется «гибридный» метод измерения заряженной компоненты ливней и флуоресцентного свечения. Отличие в том, что наземные детекторы - сцинтилляторы площадью 3 кв. м, размещенные на площади 700 кв. км с раздвижением 1.2 км. На этих двух установках исследуются КЛ предельных энергий, выше 1017 эВ. Якутская установка ШАЛ имеет ограниченные возможности исследования КЛ с энергиями Е>1019 эВ по причине значительно меньшей площади (8 кв. км в настоящее время).
Строящаяся в настоящее время группой институтов из России, Германии и Румынии установка TAIGA в долине Тунка имеет меньшую площадь (Установка Тунка-133 с дополнительными 6 кластерами имеет эффективную площадь для 1017 эВ и выше около 3 кв. км), чем Якутская и измеряет черенковское излучение ШАЛ. В комбинации с детекторами гамма-излучения HiSCORE (планируемая площадь установки 100 кв. км) группа планирует искать гамма-источники в диапазоне энергий выше 10 ТэВ и источники космических лучей в области 1014<Е<1018 эВ.
Из всех упомянутых установок только Якутская позволяет охватить измерениями область энергий от 1015 до 1019 эВ с помощью одного прибора, единой методикой, в пределах которой происходит переход от галактической к внегалактической компоненте космических лучей. Поэтому экспериментальные результаты по энергетическому спектру и оценка массового состава, выполненные единой методикой во всем этом интервале энергий, и сопоставление данных эксперимента с теоретическими предсказаниями позволяют сделать обоснованное заключение об основных источниках галактических космических лучей, и в то же время, провести исследования в переходной области от галактической компоненты космических лучей к внегалактической. Необходимо также отметить, что установки в Якутске, обсерватория Pierre Auger и Telescope Array дополняют друг друга в исследовании направлений прихода космических лучей сверхвысоких энергий, поскольку области обзора небесной сферы у них разные.
Единственным способом изучения свойств космических лучей с энергией выше 1015 эВ является регистрация ШАЛ, порождаемых такими первичными частицами, различными способами. Наиболее проработанной и эффективной методикой регистрации ШАЛ является регистрация с помощью наземных установок. Преимущество наземных установок состоит в широком диапазоне регистрируемых энергий космических лучей, способности детектировать различные виды вторичных ливневых частиц (компоненты ливня), а также в их относительной дешевизне по сравнению с альтернативными методами (космические наблюдения). Однако для оптимальной работы требуется сочетание удаленности от населенных пунктов, производящих радио шумы, оптическую засветку и наличие большой свободной ровной площади. Это делает Антарктиду привлекательным с точки зрения вычленения тонких эффектов и редких явлений. Так, проекту ANITA удалось зафиксировать «восходящих события, напоминающих космические лучи» не укладывающиеся в стандартную модель.
Среди различных типов детекторов, формирующих наземные установки (твердых, жидких и газообразных), созданных для различных исследований, наиболее впечатляющими стали разработки водных детекторов: от первого детектора объемом несколько литров, в котором было обнаружено черенковское излучение, до Детектора IceCube объемом один кубический километр. Водяные черенковские детекторы широко применяются на упомянутых выше установках, в обсерватории Pierre Auger, HAWC, НЕВОД. Водяные черенковские детекторы дешевле конкурентов, но могут располагаться только в условиях постоянно положительных температур.
Образование черенковское света относительно эффективно в воде из-за высокого показателя преломления. Черенковский свет излучается в конус, который окружает направление движения заряженной частицы. Угол раскрытия конуса зависит от показателя преломления среды. Например, в воздухе, где показатель преломления равен nair=1.0003, угол раскрытия черенковского излучения составляет около 1°. В воде, где nwater=1,33, угол раскрытия черенковского излучения составляет 41°.
Поскольку черенковский конус в воде очень большой, почти каждая заряженная частица, попадающая в резервуар, легко наблюдается с помощью ФЭУ. Работа таких устройств в климате нашей страны требует теплого помещения, что сужает широту применения таких детекторов, а также лишает основного преимущества. Выходом из ситуации может быть использование льда в качестве черенковского радиатора, обозреваемого фотоэлектронным умножителем. Черенковское излучение в среде возникает при скорости частицы превышающей скорость света для этой среды, которая определяется показателем преломления, как говорилось выше.
Свойства льда и воды
Масса мюона в 206 раз больше массы е, поэтому энергия требуется 206 раз больше при одинаковом лоренц-факторе порога. Число фотонов N зависит только от длины пути и коэффициента преломления n:
Формула Франка-Тамма из обзора Петрухина:
Плотность льда 0.917 г/см3. Мюон 1 ГэВ проходит 1000/2.2=455 г/см2 вещества=455/0.917=500 см льда. Таким образом, лед сам по себе является естественым энергетическим порогом для электронов, кроме слоя грунта над детектором.
Нейтринная обсерватория IceCube расположена в Антарктиде, на Южном полюсе является наиболее близким аналогом изобретения. Ее детектор представляет собой массив примордиального льда - шестигранную призму высотой 1 км, объемом 1 км3, просматриваемую размещенными в пробуренных во льду скважинах фотодетекторами. Ее верхняя грань расположена на глубине 1450 м ниже уровня ледового щита Антарктиды. В массиве расположены фотодетекторы на основе ФЭУ. Они регистрируют фотоны, возникающие при взаимодействии частиц космического происхождения с веществом. Подобный выбор места и материала для создания детектора не случаен. В толще льда остаточный радиоактивный фон минимален, а сам материал прозрачен для оптического излучения.
Детектор предназначен для регистрации нейтрино и спроектирован таким образом, чтобы уровень шумов, в том числе обусловленных космическим излучением, был минимален. Тем не менее, полностью ликвидировать шумы невозможно. Высоко энергетичные мюоны из ливней, вызванных космическими лучами, проникают в ледовую толщу даже на такую глубину. Регистрация черенковского излучения позволяет определить и направление инициировавшей ливень космической частицы. Поэтому в эксперименте IceCube детектируются нейтрино, приходящие снизу, сквозь Землю, из северного полушария.
Распределение источников оказалось крайне неравномерным - анизотропным. Ранее факт подобной анизотропии был выявлен и в ходе исследования космических лучей в Северном полушарии, так что аномалия превращается в серьезную космическую проблему. В настоящее время предполагается, что источником высокоэнергетичных космических лучей являются далекие внегалактические источники - и в этом случае выявленная IceCube анизотропия отражает анизотропию космологических масштабов. Ситуация усугубляется выявленной ранее анизотропией реликтового микроволнового излучения - проблемой для текущей космологии.
Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения экспериментального оборудования с целью использования преимуществ холодного климата, для решения задач фундаментальных исследований в области физики космических лучей высоких энергий. Это достигается тем, что детекторы мюонов адаптированы для работы в условиях постоянно низких температур, в районах вечной мерзлоты, и объединены в сеть, конфигурацию которой можно произвольно варьировать.
Ледяной детектор мюонов, регистрирующий черенковское излучения от мюонов в объеме льда, отличающийся тем, что детектор использует лед со спектросмещающими добавками, в качестве радиатора черенковского излучения.
Например, в условиях Антарктиды сеть таких детекторов могла бы располагаться, например, на мобильных платформах сохраняя возможность менять конфигурацию (патент на изобретение №2676198 опубликован в 36 Б, 2018 году «Система регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней», заявка №2018106544/28(010074) дата подачи заявки 22.02.2018) с той разницей что вместо черенковского детектора космических лучей, применялся бы ледяной детектор мюонов, снижая конечную стоимость комплекса.
Однако у такого способа есть и свои недостатки: температура окружающей среды должна быть постоянно ниже нуля градусов по Цельсию, а также затруднен доступ и обслуживание электроники. Возможно, потребуется применить спектросмещающие добавки для увеличения светового потока [https://arxiv.org/abs/0807.2895v1]. Конечно, технология требует предварительных испытаний, желательно на территории нашей страны и желательно с подготовленной инфраструктурой. Таким условиям удовлетворяют вечномерзлые грунты приарктической и арктической зоны, делая комплексную установку ШАЛ в Якутске идеальным местом для отработки технологии с возможностью нормирования и калибровки на штатные детекторы.
На рисунке приведена температура вечномерзлых грунтов соответствующих широт, температура не подымается выше -4°С на глубине ниже 4 м [по данным измерения с. Чокурдах 1958].
Впервые в мире будет применена методика детектирования космических лучей с помощью ледяных детекторов мюонов объемом несколько кубических метров, закопанных на равную глубину (с одинаковой пороговой энергией мюонов) в вечную мерзлоту, с практически постоянной отрицательной температурой. Это позволит выбрать конфигурацию размещения большого числа детекторов КЛ в пределах установки ШАЛ, с относительно небольшими финансовыми затратами.
Особенно актуальны вечномерзлые детекторы для работы в отдаленных от населенных пунктов, уголках земли, таких как Арктика или Антарктика. Характерный для таких регионов низкий уровень светового и радио шумов увеличат полезное время наблюдений, достоверность данных. Увеличив расстояния между детекторами (общую эффективную площадь установки) мы увеличим статистику регистрируемых событий ШАЛ.
До внедрения в практику методика требует предварительных испытаний, желательно на территории нашей страны и желательно с подготовленной инфраструктурой. Таким условиям удовлетворяют вечномерзлые грунты приарктической и арктической зоны, делая Якутскую комплексную установку ШАЛ идеальным местом для тестирования технологии с возможностью нормирования и калибровки на штатные детекторы. Таким образом мы не только улучшаем потенциал уже имеющейся у нас комплексной установки ШАЛ, но и закладываем фундамент для будущей модернизации и возможно для нового типа установок, состоящих из вечномерзлых детекторов мюонов, которые могут быть применены в арктической и антарктической зонах.
Краткое описание чертежей
Кривые среднемесячных температур грунтов в поселке Чокурдах (1953 г.)
Эпюра среднемесячных температур грунта, как это видно из рисунка, имеет вид пучка кривых, сходящихся книзу, с характерным запаздыванием экстремальных температур с глубиной. Таким образом температура вечномерзлых грунтов соответствующих широт не подымается выше -4°С на глубине ниже 4 м
Claims (1)
- Ледяной детектор мюонов, регистрирующий черенковское излучение от мюонов в объеме льда, отличающийся тем, что детектор использует лед со спектросмещающими добавками в качестве радиатора черенковского излучения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020126365A RU2755578C1 (ru) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | Ледяной детектор мюонов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020126365A RU2755578C1 (ru) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | Ледяной детектор мюонов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2755578C1 true RU2755578C1 (ru) | 2021-09-17 |
Family
ID=77745868
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020126365A RU2755578C1 (ru) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | Ледяной детектор мюонов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2755578C1 (ru) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102981180A (zh) * | 2012-12-12 | 2013-03-20 | 中国科学院国家天文台 | 水切伦科夫光高能粒子探测器 |
RU2676198C1 (ru) * | 2018-02-22 | 2018-12-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера Сибирского отделения Российской академии наук | Система регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней |
-
2020
- 2020-08-04 RU RU2020126365A patent/RU2755578C1/ru active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102981180A (zh) * | 2012-12-12 | 2013-03-20 | 中国科学院国家天文台 | 水切伦科夫光高能粒子探测器 |
RU2676198C1 (ru) * | 2018-02-22 | 2018-12-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера Сибирского отделения Российской академии наук | Система регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
"Advances in Space Research". 2017. PII: S0273-1177 (17) 30375-7. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2017.05.030ViewerXP (p. 12 p. 3.1, p. 13 p. 3.3, p. 35, 36 p. 7). * |
"Advances in Space Research". 2017. PII: S0273-1177(17)30375-7. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2017.05.030 (стр. 12 п. 3.1, стр. 13 п. 3.3, стр. 35, 36 п. 7). Денисов С. П. Детекторы черенковского излучения. "Природа", N 7, 2004, стр. 22-30. * |
Denisov S.P. Cherenkov radiation detectors. "Nature", No. 7, 2004, pp. 22-30. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Lesparre et al. | Density muon radiography of La Soufrière of Guadeloupe volcano: comparison with geological, electrical resistivity and gravity data | |
Gupta et al. | GRAPES-3—A high-density air shower array for studies on the structure in the cosmic-ray energy spectrum near the knee | |
Wada et al. | Termination of electron acceleration in thundercloud by intracloud/intercloud discharge | |
Lyu et al. | Ground detection of terrestrial gamma ray flashes from distant radio signals | |
Tanaka et al. | Detecting a mass change inside a volcano by cosmic‐ray muon radiography (muography): First results from measurements at Asama volcano, Japan | |
Okubo et al. | Imaging the density profile of a volcano interior with cosmic-ray muon radiography combined with classical gravimetry | |
Chilingarian et al. | Atmospheric discharges and particle fluxes | |
Peña-Rodríguez et al. | Design and construction of MuTe: a hybrid muon telescope to study colombian volcanoes | |
Taori et al. | Measurements of equatorial plasma depletion velocity using 630 nm airglow imaging over a low‐latitude Indian station | |
Tanaka et al. | Radiographic imaging below a volcanic crater floor with cosmic-ray muons | |
Otte et al. | Trinity: an air-shower imaging instrument to detect ultrahigh energy neutrinos | |
Cai et al. | Search for gamma-ray bursts and gravitational wave electromagnetic counterparts with High Energy X-ray Telescope of Insight-HXMT | |
Briggs et al. | A terrestrial gamma‐ray flash from the 2022 Hunga Tonga–Hunga Ha'apai volcanic eruption | |
RU2755578C1 (ru) | Ледяной детектор мюонов | |
Hare et al. | Do cosmic ray air showers initiate lightning?: A statistical analysis of cosmic ray air showers and lightning mapping array data | |
Kuo et al. | Extraterrestrial neutrinos and Earth structure | |
Abeysekara et al. | VAMOS: A pathfinder for the HAWC gamma-ray observatory | |
Bonechi et al. | The MURAVES project and other parallel activities on muon absorption radiography | |
Tanaka et al. | Development of a portable assembly-type cosmic-ray muon module for measuring the density structure of a column of magma | |
Sanabria-Gómez et al. | Astroparticle projects at the eastern colombia region: facilities and instrumentation | |
Marshall et al. | Very low frequency sferic bursts, sprites, and their association with lightning activity | |
RU2635408C1 (ru) | Способ регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней | |
Budnev et al. | The Tunka detector complex: from cosmic-ray to gamma-ray astronomy | |
RU2676198C1 (ru) | Система регистрации черенковского излучения от широких атмосферных ливней | |
Wiencke et al. | The Pierre Auger Observatory and interdisciplinary science |