Новая установка для исследования космических лучей

Учёные Казахского национального университета имени аль-Фараби намерены разработать прототип детекторной установки для исследования космических лучей. Эксперименты в высокогорных условиях Тянь-Шаня направлены на изучение изменения энергетического спектра, известного как «колено». Новые измерения позволят сопоставить характеристики частиц, возникающих в атмосфере, и исследовать их связь с составом первичного космического излучения.

Когда высокоэнергетическая частица из космоса попадает в земную атмосферу, она взаимодействует с ядрами атомов воздуха. Возникают вторичные частицы, которые участвуют в дальнейших взаимодействиях. Образующийся каскад называют широким атмосферным ливнем. Наземные детекторы регистрируют этот поток и позволяют изучать его направление, пространственное распределение и состав. Наблюдение за вторичными частицами служит способом получить сведения о первичном космическом излучении.

Один из главных вопросов связан с энергетическим спектром. Он показывает, как меняется поток космических частиц с разной энергией. В области примерно трёх петаэлектронвольт наклон спектра изменяется. Этот изгиб физики называют «коленом». Для объяснения его природы важно установить состав космических лучей и выяснить, как он меняется с ростом энергии. Именно эта задача определяет основное направление исследования и выбор измеряемых характеристик.

В новых экспериментах особое внимание будет уделено центральной части ливня, расположенной вблизи его оси. Здесь предполагается измерять энергетические спектры адронов. Их энергия и особенности распределения помогают исследовать структуру ливня. Учёные намерены совместно рассматривать пространственные и временные характеристики частиц, сравнивая регистрацию одного события разными детекторами. Для этого необходима согласованная работа измерительных систем.

В предыдущих экспериментах на Тянь-Шане наблюдались медленное поглощение адронной компоненты и увеличение числа мюонов в отдельных ливнях. Для объяснения таких особенностей рассматриваются разные гипотезы. Одна из них связана с возможным присутствием в космических лучах компоненты с необычными свойствами. Новые измерения предназначены для сопоставления этих объяснений с экспериментальными данными и оценки того, насколько они соответствуют наблюдаемым явлениям.

Основная техническая задача — расширить прототип на ионизационных камерах с восьми до 24 каналов. Каждый канал участвует в регистрации сигнала, возникающего при прохождении частиц. Увеличение числа камер направлено на получение более подробных сведений о структуре центральной части ливня. Электронику установки предполагается совершенствовать на основе предыдущих разработок. Для проверки её работы данные прототипа будут обрабатываться и сравниваться с результатами компьютерного моделирования.

В системе регистрации детекторы соединяются высокочастотными кабелями с расположенными в центре аналогово-цифровыми преобразователями. Эти устройства превращают электрические сигналы в цифровые данные, доступные для компьютерной обработки. Общий запускающий импульс включает запись информации и её передачу компьютеру. Такая схема позволяет рассматривать сведения нескольких каналов в рамках одного события, а затем использовать их для определения характеристик потока частиц.

Важна и совместная работа с другими системами регистрации широких атмосферных ливней. Временные детекторы «ГОРИЗОНТ-Т» и мюонные детекторы позволят получить дополнительные сведения об одном ливне. Исследователи намерены определять направление его прихода, положение оси и общее число электронов. Сопоставление одного события в нескольких измерительных системах связывает разные наблюдаемые характеристики и помогает подробнее рассмотреть структуру ливня.

Подготовка эксперимента включает компьютерное моделирование. Программа CORSIKA предназначена для расчёта развития атмосферного ливня, начавшегося с высокоэнергетической частицы. С её помощью будет моделироваться распространение частиц до уровня наблюдения. Эти расчёты необходимы для изучения связи измеряемых характеристик со свойствами первичной частицы. Они также позволят сравнить результаты моделей взаимодействий, описывающих процессы при высоких и низких энергиях.

Для моделирования взаимодействия вторичных частиц с детекторами будет использоваться Geant4. Сначала предполагается создать модель восьмиканального прототипа, затем — секции на 24 канала. Расчёты помогут изучить геометрию установки и её отклик на частицы. Таким образом, развитие ливня в атмосфере будет связано с сигналом, который регистрирует детектор. Сравнение расчётов с реальными измерениями станет одним из основных способов оценки возможностей установки.

Для хранения и обработки измерительной информации намечено применение формата ROOT. Он позволит накапливать события, зарегистрированные многими каналами, и готовить их к последующему анализу. Вычислительные работы будут опираться на серверные ресурсы университета. Исследование объединяет сборку установки, развитие электроники, проведение измерений и обработку данных. Результаты каждого этапа необходимы для уточнения последующих расчётов и экспериментов.

Работа опирается на опыт комплексного изучения космических лучей на Тянь-Шане. Здесь рассматриваются электронно-фотонная, адронная и мюонная компоненты атмосферных ливней. Регистрация нейтронов и гамма-излучения также даёт дополнительные сведения об их свойствах. Сопоставление высокогорных измерений и результатов разных детекторов составляет экспериментальную основу исследования, позволяя рассматривать несколько проявлений одного физического события.

Прототип может стать основой для создания более крупной установки. Долгосрочная цель заключается в расширении экспериментальных возможностей исследования космических лучей в диапазоне 1–1000 петаэлектронвольт. На первом этапе основное внимание уделяется разработке 24-канальной системы, проверке её работы и сбору предварительных данных. Эти измерения помогут уточнить устройство будущего комплекса и методы исследования.

Результаты будут использоваться в дальнейших исследованиях физики космических лучей и для привлечения студентов к экспериментальной работе. Установка и система сбора данных дадут молодым специалистам возможность осваивать работу с детекторами, компьютерное моделирование и обработку измерений. Научные выводы предполагается публиковать в рецензируемых журналах и представлять на международных и отечественных конференциях.