Гамма-астрономия сверхвысоких энергий: Российско-Германская обсерватория Tunka- HiSCORE Л.А.Кузьмичев (НИИЯФ МГУ)

Широкоугольная (~1 стер) гамма-обсерватория Тунка-HiSCORE c энергетическим порогом 20 – 50 ТэВ. План доклада 1. Гамма-астрономия высоких энергий: результаты и новые проекты. 2.Коллаборация Тунка-HiSCORE. 3. Основные направления исследований. 4. Методика регистрации и реконструкции событий. 5. Конструкция установки. - Оптическая станция. -Система сбора. -Узкоугольный черенковский детектор. -Мюонный детектор. 6. Этапы развертывания и оценка стоимости

Гамма-астрономия высоких энергий 132 ТэВных источника 1873 ГэВных источника

Поиск ПэВатронов

Проекты (высокие энергии) Международные: 1.CTA ( ) - ~150 млн. евро 2. HAWC (2014) - ~30 млн. долларов 3. LHAASO ( ) ~150 млн. долларов Российские: 1.Тунка- HiSCORE 2.Гамма-телескоп на пике Терскол (Петков) 3. (А.М.Быков и др.)

Проект F.Aharonian, A.Konopelko, H.Volk. arXiv: astro-ph/ Черенковский детектор с порогом 5 ГэВ на высоте 5 км Стереоскопический IACT 5 ГэВ – 1 фотон/m 2 для изображения нужно 50 ф.э. – диаметр зеркала 20 м.

Коллаборация Германия Россия Гамбургский университет (Гамбург) МГУ НИИЯФ( Москва (D.Horns, M.Tluczykont et al.) НИИПФ ИГУ (Иркутск) ДЭЗИ-Цойтен (Цойтен) ИЯИ РАН (Москва) (C.Spiering, R.Wischenewski et al.) ИЗМИРАН (Троицк) + Мюнхен ОИЯИ НИИЯФ (Дубна +Тюбинген НИЯУ МИФИ (Москва)

S.F.Beregnev, S.N.Epimakhov, N.N. Kalmykov, N.I.Karpov, E.E. Korosteleva, V.A. Kozhin, L.A. Kuzmichev, M.I. Panasyuk, E.G.Popova, V.V. Prosin, A.A. Silaev, A.A. Silaev(ju), A.V. Skurikhin, L.G. Sveshnikova, I.V. Yashin. Skobeltsyn Institute of Nucl. Phys. of Moscow State University, Moscow, Russia; N.M. Budnev, O.A. Chvalaev, O.A. Gress, A.V. Dyachok, E.N. Konstantinov, A.V. Korobchebko, R.R. Mirgazov, L.V. Pankov, A.L. Pahorukov, Yu.A. Semeney, A.V. Zagorodnikov. Institute of Applied Phys. of Irkutsk State University, Irkutsk, Russia; L.B. Bezrukov, B.K. Lubsandorzhiev, B.A., N.B. Lubsandorzhiev, R.I. Rubsov, Shaibonov(ju) et al. Institute for Nucl. Res. of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; V.S. Ptuskin, V.N. Zirakоshvili IZMIRAN, Troitsk, Moscow, Russia; L.G. Tkachev et al. (JINR, Dunana) A.G. Bogdanov, R.P. Kokoulin, S.Y. Matveev, A.A. Petrukhin, I.V. Yashin et al. MEPHI Участники из России

Расстояние между детекторами 150 м Обсерватория Тунка-HiSCORE

Поиск локальных галактических источников гамма-квантов с энергией выше ТэВ (поиск ПэВатронов). Исследование потоков гамма-излучения от известных источников в области энергии выше 20 – 30 ТэВ. Поиск диффузного излучения от Галактического диска. Исследование энергетического спектра и массового состава космических лучей в энергетическом диапазоне 5 · – эВ на недостижимом ранее уровне статистической обеспеченности. Исследование высокоэнергичной части спектра от наиболее ярких блазаров (поглощения гамма-квантов на межгалактическом фоне, поиск аксион-фотонных переходов) Поиск диффузного излучения и излучения от локальных источников в диапазоне энергий – эВ (поиск проявлений нарушений Лоренц-инвариантновсти) Главные направления исследований

Основные задачи

Name R lon lat Ra del Tnabl (N>20 TeV) 12 Cygnus Ver 100 h 1000 соб. 13 DR HB DA CTB Boomerang cob 18 Cassiope соб CTB CTA Ver 4% Tycho Ver соб. 24 R C HB HB S Crab Ver 100 h 5000 соб. 30 IC Mil Источники, которые мы можем видеть. Красный цвет – есть ТэВ-ное излучение; синий цвет – ожидаемое время наблюдения и число событий > 20 ТэВ для Hiscore

Поток вторичных фотонов в одной из моделей с нарушением Лоренц-инвариантности

50 events or 5 RMS km 2, 4 pmt per station km 2, 16 pmt per statition 3= 2 plus m 2 muon detectors km km 2

Методика регистрации и реконструкции событий

Пути понижения порога 1.Использование конусных светосборников - S ФЭУ в 4 раз 2. Аналоговое суммирование сигналов в одной станции S в n раз 3. Уменьшение T до 5-10 нс 4. Увеличение чувствительности ФЭУ к ультрафиолетовому свету - покрытие шифтерами - в раза. E th ~ ( S det. T wind. η) -1/2

Эффективность регистрации гамма-квантов ( 3-х станций) Θ =0 градΘ = 25 град

Режекция фона от протонов 1.Угловое разрешение до 0.1 град 2.Глубина максимума и число сработавших детекторов

Угловое разрешение Джиттер в 1 нс – 0.1 град ( база в 150 м) для плоского фронта Фронт – конусный – угол раствора 179 град – без определения оси ливня точность около 1 град. E = 25 TeV

Конструкция установки

Конуса и ФЭУ

А: Зависимость коэффициента отражения для материала конусов от длины волны Б: Зависимость эффективной площади от зенитного угла для различных значений коэффициента отражения. Alanod-4300

Фотоумножитель 1.R5912 (Hamamatsu) KB (Electron Tube) 6 динодов Диноды из CuBe Цена 1300 евро, 1000 ФЭУ в год В настоящее время обсуждается также возможность производства фотоумножителя с полусферическим фотокатодом большой площади на предприятии МЭЛЗ-ФЭУ в Москве.

Оптическая станция

Система сбора стации DRS-4 - DRS ( Domino Ring Sampler) 4 – это 9-входовой оцифровщик формы сигнала с шагом до 0.2 нс в 1024 точках Стоимость – 80 евро.

Узкоугольный черенковкий детектор Зеркало, площадь 2 м 2 Один ФЭУ (20 см диаметра) или 4 с меньшим диаметром Угол обзора ±5-7 градусов Ожидаемая стоимость: ~ 0.5 млн. руб за станцию (зеркало + механика слежения)

Мюонный детектор Для режекции адронного фона в 10 раз площадь мюонного детектора должна быть примерно 1% от полной площади установки. От протона с энергией 30 ТэВ будет зарегистрировано 4-6 мюонов Для подавления электронов и гамма-квантов надо заглубить детектор на глубину см Площадь одного детектора 10 м 2

Два базовых модуля (слой координатной плоскости) перед тестированием на супермодуле МГ УРАГАН (справа)

Этапы развертывания Существующее финансирование: 1.Совместный грант общества Гельмгольца и РФФИ ( 3-х годичный) ~10 млн руб. 2. Грант РФФИ ОФИ-м Ближайшее, возможное 1.Запрос в BMBF ( октябрь 2012) – около 1 млн евро 2. Заявка в Мин.Науки – 3 млн.руб 3. Заявка на грант- офи-м – весна Возможная поддержка со стороны МГУ 5.Поддержка со стороны ИГУ – 20 млн. руб.за 3 года ( часть уйдет на содержание полигона и развитие инфрастуутуры) 6. Поддержка работ в Дубне со стороны ДЭЗИ По-видимому этого достаточно для создания первой очереди установки и проведения R&D

S=1.5 km 2, 60 станций, шаг 150 м, 240 ФЭУ (150 есть), 30 млн. руб годы S = 10 km 2, 225 станций, шаг 200 м, 1000 ФЭУ, 150 млн. руб. S = 100 km 2, 2000 станций, Шаг 200 м, по 1 ФЭУ в станции 450 млн.руб (11 млн. евро) S = 1.5 km 2, 60 станций по 16 ФЭУ, 1000 ФЭУ или (и) система зеркал ( 20 ) с площадью 2 м 2. Стоимость 80 – 120 млн. руб. Первые 5 станций осенью 2012 года м 2 сцинтилляционных детекторов (1% от полной площади) – 2-5 мюонов от 25 ТэВ протонов Стоимость млн. руб. Понижение порогаУвеличение площади Выбор места развертывания

Спасибо за внимание

1.Введение: Цель и основные задачи 2. Современное состояние исследований в области гамма-астрономии высоких энергии 3 Потенциальные ТэВ-ные источники в северном полушарии. 3 Исследование галактических космических лучей 4. ОбсерваторияTunka-HiSCORE и физика частиц 5. Главные направления исследований и ожидаемые результаты 6. Методика регистрации широких атмосферных ливней по черенковскому излучению на примере установки Тунка Обсерватория Tunka-HiSCORE 7.1 Оптическая станция 7.2 Фотоумножитель 7.3 Система сбора данных и синхронизации 7.4.Узкоугольные черенковские детекторы 7.5 Сцинтилляционные детекторы заряженных частиц 7.6 Результаты моделирования: оценка чувствительности, области наблюдения… 8. Этапы развертывания обсерватории

Спектр от Тихо Браге