Возможности НЕВОДа оказались в фокусе внимания Симпозиума по космическим лучам и астрофизике ISCRA 2023

Недавно в НИЯУ МИФИ прошел симпозиум ISCRA 2023 (The International Symposium on Cosmic Rays and Astrophysics). Значительная часть докладов была посвящена исследованиям на уникальном экспериментальном комплексе НЕВОД. Сегодня мы рассказываем о некоторых из них. 

Симпозиум был организован НИЯУ МИФИ совместно с Консорциумом «Космические лучи и элементарные частицы» – под эгидой Научного совета Российской академии наук по комплексной проблеме «Космические лучи».

На ISCRA обсуждались два больших направления исследований: «Космические лучи сверхвысоких энергий (> 1 ПэВ)» и «Космо- и геофизические аспекты космических лучей на земном уровне».

В рамках второго направления прозвучал доклад «Влияние атмосферных фронтов на поток мюонов космических лучей» аспиранта НЕВОДа Станислава Тимакова (в соавторстве с руководителем НЕВОДа Анатолием Петрухиным). В нем был предложен новый подход к анализу потока мюонов при прохождении атмосферных фронтов.

Пример регистрации волны во время прохождения холодного фронта через Москву 02.01.2021 05:00 UTC в направлении ЮЗ-СВ, соответствующем направлению движения холодного фронта.

«Наш мюонный годоскоп УРАГАН (Установка для РАспознования Грозовых АНомалий) позволяет регистрировать мюоны с различных направлений, результаты регистрации записываются в матрицах зенитного и азимутального углов, – рассказал Станислав Тимаков. – Используя эти матрицы, с помощью метода, предложенного Анатолием Петрухиным и разработанного мной, можно искать гипотетические волны в атмосфере, если они имеют достаточную амплитуду и длину».

Предполагается, что в атмосфере Земли существуют волны, способные приподнять слой генерации мюонов – подобное явление происходит на высоте 15-20 км. Возможным источником таких волн может быть атмосферный фронт, во время движения которого массы воздуха с разными характеристиками взаимодействуют друг с другом. Волны в потоке мюонов были замечены и раньше, но с помощью нового метода можно определить их направление – около 60% атмосферных фронтов над Москвой, по данным исследования Тимакова, сопровождаются некой волной – таким образом, становится возможным предсказывать опасные метеорологические явления: волны в потоке мюонов могут идти перед явлением. Интересно, что от холодных атмосферных фронтов волны обнаруживались легче, чем от теплых.

Один из этапов работы по определению мюонных волн в атмосфере – это Вейвлет-анализ. «Он, в отличие от Фурье-анализа, обнаруживающего лишь частоту волн, позволяет находить и расположение волн на временном отрезке, – объясняет Станислав Тимаков. – Вообще, атмосферой с точки зрения мюонографии мало кто занимается. В 2010-х гг. у нас в МИФИ велись работы по поиску волн в грозах, но использовался другой метод – рассматривался весь поток мюонов, и обнаруживали волны во всем ряду. Я же отбираю мюоны в плоскостях, и если плоскость с мюонами идет вдоль гребня волны, то мы можем ее увидеть», – поясняет молодой ученый.

Разработка метода будет продолжена, к исследованию Станислав Тимаков планирует подключить мюонный годоскоп в Протвино – тогда можно будет увидеть волну, например, сначала на годоскопе там, а потом на УРАГАНе. Но установка в МИФИ удобнее, так как она состоит из нескольких супермодулей – сравнивая их показания, можно убирать случайные шумы, а также УРАГАН сразу создает нужные матрицы, тогда как для подобной работы в Протвино их придется еще делать.

Еще один из аспектов работы НЕВОДа был раскрыт в докладе «Исследование групп мюонов наклонных широких атмосферных ливней в эксперименте НЕВОД-ДЕКОР» – к.ф.-м.н., старшего научного сотрудника НОЦ НЕВОД Алексея Богданова.

Проверка различных гипотез о происхождении, ускорении и распространении первичных космических лучей (ПКЛ) в нашей Галактике и Вселенной тесно связана с изучением их энергетического спектра, массового состава и направлений прихода. При энергиях выше 10¹⁵ эВ для исследования свойств потока ПКЛ применяется метод регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ) на поверхности Земли. ШАЛ образуются в результате взаимодействия ПКЛ (обычно протонов и ядер) с ядрами атомов атмосферы. При этом генерируется множество вторичных частиц, которые в свою очередь могут взаимодействовать и распадаться, формируя ядерно-электромагнитный каскад. Для описания характеристик ШАЛ используются модели адронных взаимодействий, базирующиеся на ускорительных данных и некоторых теоретических предположениях.

Мюонная компонента ШАЛ образуется в основном при распаде p- и K-мезонов, а результаты ее измерения часто используются как для оценки массового состава ПКЛ, так и для проверки моделей адронных взаимодействий. Особый интерес представляют группы мюонов, вызванные одновременным прохождением через детектор проникающих частиц с практически параллельными треками. На установке НЕВОД-ДЕКОР как раз проводятся долговременные систематические исследования групп мюонов космических лучей в широком диапазоне зенитных углов. Ее уникальность обусловлена наличием координатно-трекового детектора ДЕКОР площадью 70 м², позволяющего измерять число и направление мюонов и черенковского водного калориметра НЕВОД объемом 2000 м³, способного измерять энерговыделения групп мюонов.

Экспериментальное подтверждение «Мюонной загадки» на зарубежных и отечественных экспериментах

С мая 2012 по декабрь 2022 года на установке НЕВОД-ДЕКОР зарегистрировано более 120 тысяч событий с числом мюонов ³ 5 и зенитными углами ³ 55°. Разработанный ранее сотрудниками ЭК НЕВОД метод спектров локальной плотности мюонов позволяет сравнивать экспериментальные данные с результатами моделирования.

«Получается, что наши данные по интенсивности групп мюонов согласуются с расчетами, только если предположить экстремально тяжелый (ядра железа) массовый состав первичных космических лучей при энергиях около 10¹⁸ эВ, причем это подтверждают данные еще нескольких экспериментов по изучению мюонной компоненты ШАЛ», – говорит Алексей Богданов. – Однако, результаты измерений глубины максимума развития электронно-фотонной компоненты ШАЛ флуоресцентным методом в других экспериментах, наоборот, свидетельствуют в пользу легкого массового состава (протоны, ядра гелия). Вполне вероятно, что такое противоречие потребует пересмотра существующих на сегодняшний день моделей адронных взаимодействий, которые не учитывают появление каких-то новых физических особенностей при сверхвысоких энергиях».

О «Текущем статусе детектора ТРЕК для исследования групп мюонов под большими зенитными углами» на ISCRA 2023 сделал доклад аспирант НЕВОДа Иван Трошин.

Он рассказал, что в прошлом году была полностью смонтирована одна из двух плоскостей ТРЕКа (внутренняя), сейчас заканчивается монтаж внешней – только что смонтировали завершающие 14 камер, скоро начнется подключение электрики.

Внешняя (слева) и внутренняя плоскости детектора ТРЕК

Детектор ТРЕК, ориентированный вертикально и имеющий эффективную площадь в 250 м², остается уникальным в своем роде и не имеет аналогов в мире. В сочетании с черенковским водным детектором, который позволяет оценивать энерговыделение мюонов, он предоставляет редкую возможность для разрешения «мюонной загадки», наблюдаемой в таких экспериментах, как НЕВОД-ДЕКОР, IceCube, Telescope Array и других крупных научных проектах.

Почему количество мюонов, возникающих в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей элементарных частиц, превышает все теоретические прогнозы – до сих пор непонятно: этот феномен и называют «мюонной загадкой». Несоответствие между наблюдаемым числом мюонов и предсказаниями моделей привлекает внимание ученых, поэтому планируется провести эксперимент по решению этой загадки на комплексе «НЕВОД – ДЕКОР – ТРЕК – запуск эксперимента намечен на 2024 год, сейчас комплекс модернизируется.

Совместное использование детекторов НЕВОД, ДЕКОР и ТРЕК позволит глубже исследовать природу мюонов космических лучей под большими зенитными углами. Можно ожидать, что этот эксперимент принесет новые данные и откроет возможность для более полного разъяснения физических механизмов, которые лежат в основе «мюонной загадки».

Схема расположения детекторов НЕВОД, ДЕКОР и ТРЕК

«Благодаря значительной площади детектора ТРЕК, составляющей 250 м², и его вертикальному расположению, мы способны эффективно регистрировать горизонтальный поток космических лучей. ТРЕК видит группы частиц, сколько их прошло, а НЕВОД – сколько энергии было в этих группах, – объясняет Иван Трошин. – Когда все будет смонтировано вместе, мы начнем накапливать информацию. Регистрация одного события ничего не дает, нужно собрать и проанализировать данные минимум за два года, а лучше за 5-10 лет, так как частиц с большой энергией прилетает не так много. Например, частица с энергией 10¹⁹ эВ прилетает на площадь 1 км² примерно раз в год. Интересующие нас события очень редки, поэтому исследование таких событий требует применения больших по площади детекторов и продолжительного периода наблюдений, чтобы получить значимые исследовательские результаты о свойствах и происхождении этих событий. 10¹⁹ эВ – это максимальный предел энергии, который мы можем получить на Земле за разумное время, чтобы, достичь такой же энергии на коллайдере, его нужно построить по орбите Меркурия вокруг Солнца. Вот почему важно набрать статистику, которая даст нам возможность строить уже новые предположения».

В своем докладе Иван Трошин рассказал о результатах, связанных со сборкой и запуском внутренней плоскости детектора ТРЕК, представил первые экспериментальные результаты ТРЕК, сравнения детекторов ТРЕК и ДЕКОР и оценку эффективности и точности восстановления треков.