«Предложения по российской орбитальной программе исследований космических лучей высоких и сверхвысоких энергий» НИИЯФ, ИЯИ РАН, ОИЯИ, ФИАН, МИФИ, ИФВЭ, - презентация

1 «Предложения по российской орбитальной программе исследований космических лучей высоких и сверхвысоких энергий» НИИЯФ, ИЯИ РАН, ОИЯИ, ФИАН, МИФИ, ИФВЭ, «КБ «Арсенал», НИИМВ, НПО «Автоматика», и др.

2 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ПЕРВИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С помощью различных методов к настоящему времени удалось измерить энергетический спектр частиц ПКИ в огромном диапазоне энергий (~10 порядков), но их зарядовый состав до ~100 ТэВ измерен лишь в последние годы в спутниковых и баллонных экспериментах.

3 Panasyuk

4 1) Спектры P & He АТИК Тянется ли этот пологий спектр гелия вплоть до колена? Тогда в колене должны преобладать ядра? Или на этом участке есть локальные изломы, как получено ATIC?

5 В результате экспериментов по исследованию зарядового состава получены следующие результаты и поставлены новые проблемы В области энергий E 0 от 200 МэВ до 300 ГэВ измерены спектры всех элементов, которые согласуются со стандартной моделью. При E 0 >300 ГэВ спектры различных элементов только в 1-м приближении описываются простой моделью с одним типом источников и одинаковыми наклонами. Обнаружено несколько нерегулярностей. Необходимо продвинуться на порядок по энергии и дойти до области колена! «Колено»

6 2) Изломы в спектрах ядер (CREAM)

7 Нужно сдвинуться на порядок по энергии и войти в область «колена»!

8 Электроны и позитроны – результат N 1 Наиболее интересные результаты в физике КЛ безусловно получены а) в спектре e + e - в области до 1 ТэВ в экспериментах АТИК-2, FERMI-LAT, HESS, PAMELA, б) обнаружен рост доли позитронов в области ГэВ (PAMELA) либо темная материя, либо излучение из магнитосфер пульсаров, излучающих разное количество e + e - Потоки, полученные FERMI-LAT и АТИК, заметно отличаются. Поэтому безусловно изучение потоков e + e - в высокоэнергичной части (~1 ТэВ и выше) чрезвычайно актуально как с точки зрения физики КЛ, так и с точки зрения поиска сигнала от частиц темной материи. АТИК Whats here? HESS FermiFermi

9 3) Отношение первичных ядер ко вторичным: требуется продлить диапазон на ~3 порядка и больше!!!!

10 Proton (4 satellites) – 60 Russia CRN (Space station) – 80, US Mubee (balloon) - 80 SINP/ Russia SOKOL ( 2 satellites) -80 Russia JACEE (balloons) - 90, US, Japan..... RUNJOB (balloons) , Russia, Japan AMS (Space Shuttle) Intern. Collaboration ATIC (balloon) , 2004, 2008 US, SINP/Russia,... TRACER (balloon) – 2003, 2006 US BESS (balloon) US, Germany, Japan,... CREAM (balloon) , 2008 US, Korea.... PAMELA (satelite) Italy, Russia,Sweden, Germany Fermi-LAT (satelite) US, Intern. Collaboration AMS (ISS ) Intern. Collaboration NUCLON (satelite) ? Russia CALET (ISS ) -2013? Intern. Japan, Intern. Collaboration

11 КЛ и гамма-эксперименты: геометрические факторы-экспозиция CREAM Moskalenko, 31 ВККЛ ОЛВЭ Колено ! ИНКА Нейтроний

12 ЭкспериментГ м 2 срt, Время экспозици и Гt м 2 ср годЭнерг. разреш, % ATIC0.25/0.15 ядра/протоны ~ года за все полеты ~0.006/ ~30 PAMELA > >40 CREAM1.3/0.46 ядра/протоны До 0.5 года0.65/ Fermi-LAT (GLAST) (Только протоны) ~0.55 лет~2.5~50 (?) AMS лет5Энергетический порог при ~10 13 эВ CALET~0.4/0.15 ядра/протоны 3 года~1.2/0.45~50 (?) НУКЛОН0.40/0.15 ядра/прот. KLEM 0.13/0.03 (IC) 5 лет2/ /0.15 ~70-80 ~40-50 Ядра ПКИ

13 Электроны ПКИ экспериментГ м 2 срt, Время экспозицииГt м 2 ср годЭнерг. разреш, % ATIC0.25~ года за все полеты ~0.006/ PAMELA > Fermi-LAT (GLAST)2.8-1 ( GeV) 5 лет14-512/33 AMS лет5~20 CALET~13 года3~3 НУКЛОН0.135 лет0.655

14 Интегральные спектры КЛ (м^2ср год) (>E) 10^14 10^15 10^

15 Проекты и цели: Ближайшая цель: запуск прибора Нуклон (в 2014г.?) (исследования КЛ при эВ) Фактор экспозиции 2/0.75 м^2ср (ядра ПКИ) 0.65 м^2ср (э/м ПКИ) Перспективная цель: проект ОЛВЭ = Обсерватория космических Лучей Высоких Энергий и (или!?) проект ИНКА = Ионизационный Нейтронный Калориметр (исследования КЛ при – эВ) Фактор экспозиции ~30 м^2ср (ядра ПКИ) (ОЛВЭ ) ~45 м^2ср (э/м ПКИ) (ИНКА) 4-5 раз выше Суперперспективная цель: проект Нейтроний (исследования ПКИ при – эВ с помощью аппаратуры размещенной на поверхности Луны) Фактор экспозиции >1000 м^2ср (ядра ПКИ)

16 Главные методики: Нуклон : прецизионное измерение заряда КЛ, измерение энергии каскадов от ПКИ методом KLEM (Kinematic Lightweight Energy Method), выделение э-м компоненты из состава ПКИ методом Image Calorimeter ОЛВЭ ( ИНКА) : прецизионное измерение заряда КЛ, измерение энергии каскадов от ПКИ: а) методом ионизационного калориметра, б) методом регистрации нейтронной компоненты рожденной в каскаде и замедленных в веществе калориметра в) метод KLEM выделение э-м компоненты из состава ПКИ методом Image Calorimeter + разницы в нейтронном выходе из каскада Нейтроний : прецизионное измерение заряда КЛ, измерение энергии каскадов от ПКИ а) Нейтроны альбедо из каскадов в лунном грунте б) Гамма-кванты альбедо из каскадов в лунном грунте в) Альбедо радиоизлучения каскадов из каскадов в лунном грунте д) методом KLEM (?) выделение э-м компоненты из состава ПКИ при помощи разницы в нейтронном альбедо и Альбедо радиоизлучения / Гамма-квантов

17 Основные характеристики: - Масса

18 Система измерения заряда - состоит из 4 слоев падовых (размер пада ~2.5 см2) кремниевых детекторов; - Кремниевые детекторы размещены на платах (ледерах) по 8 шт. в каждом слое; - в состав каждого ледера входит по 8 детекторов. Прецизионное измерение заряда КЛ

19 - ледеры по 8 шт. размешаются на платах

20 Зарядовое разрешение прибора, при использовании 4 плоскостей падовых кремниевых детекторов, полученное на пучке ионов с энергией 152 ГэВ/нук.

21 Kinematic Lightweight Energy Method (KLEM) Charge measuring system основан на измерениях поперечной плотности вторичных частиц на нескольких этапах развития ЯЭК сочетание методов кинематики и ультра-тонкого калориметра ~E Существенное уменьшение массы инструмента достигается применением нового подхода ( KLEM ) к измерениям энергии –модифицированных кинематических методов. В противоположность обычно применяемым тонким калориметрам этот метод не требует большого количества поглотителя и требует только тонкую мишень ~30 г/см 2.

22 Система измерения энергии KLEM - состоит из 6 слоев стриповых (шаг стрипа ~456 мкм) кремниевых детекторов; - кремниевые детекторы размещены на ледерах по 9 шт. в каждом слое; - ледеры каждого слоя располагаются на двух уровнях с целью перекрыть активной частью КД телесного угла установки в состав каждого ледера входит по 8 детекторов; В состав системы также входит углеродная мишень глубиной ~20 гр/см2 и вольфрамовый конвертор общей глубиной ~3λ

23

24

25 Выделение э-м компоненты из состава ПКИ методом Image Calorimeter Микроионизационный калориметр габариты 240х240 мм^2 Глубина ~20 к.е. Энергетическая точность ~7% Уровень режекции р/е ~10^4-10^5

26 О Л В ЭО Л В Э

27 Современная экспериментальная техника требует высочайшей точности для изучения взаимодействий частиц высокой энергии Использование ускорительных технологий в космических экспериментах с КЛ при –10 16 эВ ограничивается, в первую очередь, жесткими ограничениями на мощность источников энергии. Даже используя новейшую микроэлектронику, очень трудно добиться потребления энергии меньше, чем 5–10 мВт. Для создания орбитального комплекса, включающего несколько сотен тысяч каналов необходимо ~15 кВт

28 Основные идеи Основные идеи 4p геометрия (независимость от направления прихода частицы)4p геометрия (независимость от направления прихода частицы) Переменная (легкое в-во + тяжелое в-во + …) структура для обеспечения а) нейтронной генерации, б) э.м. & ядерного каскадного развитияПеременная (легкое в-во + тяжелое в-во + …) структура для обеспечения а) нейтронной генерации, б) э.м. & ядерного каскадного развития Выделения первичных э.м частиц (e + e - g) из фона, создаваемого протонами, используя счет нейтроновВыделения первичных э.м частиц (e + e - g) из фона, создаваемого протонами, используя счет нейтронов

29 Измерение энергии с помощью нейтронного сигнала Измерение энергии с помощью нейтронного сигнала При развитии каскада во взаимодействиях а) адронов и б) -квантов с (тяжёлыми) ядрами рождаются испарительные нейтроны, которые а) термализуются ( therm ), б) диффундируют ( diff )При развитии каскада во взаимодействиях а) адронов и б) -квантов с (тяжёлыми) ядрами рождаются испарительные нейтроны, которые а) термализуются ( therm ), б) диффундируют ( diff ) Выход испарительных нейтронов в ЯЭК n neut ~ E 0 0.8Выход испарительных нейтронов в ЯЭК n neut ~ E Выход нейтронов в начале области «колена» n neut (10 15 эВ) ~10 6Выход нейтронов в начале области «колена» n neut (10 15 эВ) ~10 6 Нейтронный сигнал измеряется в счетном режиме и растянут во времениНейтронный сигнал измеряется в счетном режиме и растянут во времени Время термализации испарительных нейтронов therm ~100 sВремя термализации испарительных нейтронов therm ~100 s Время счета тепловых нейтронов t meas ~200 – 300 sВремя счета тепловых нейтронов t meas ~200 – 300 s

30 Флуктуации выхода нейтронов Флуктуации выхода нейтронов Стандартное отклонение на эффективной глубине ~250 г/см 2 :Стандартное отклонение на эффективной глубине ~250 г/см 2 : ~ 0,30 в протон-инициированных каскадах~ 0,30 в протон-инициированных каскадах < 0,25 в ядро-инициированных каскадах< 0,25 в ядро-инициированных каскадах Стандартное отклонение потока заряженных частиц - того же порядкаСтандартное отклонение потока заряженных частиц - того же порядка Счет нейтронов позволяет измерять энергию ЯЭК с точностью ионизационной техникиСчет нейтронов позволяет измерять энергию ЯЭК с точностью ионизационной техники

31 Выделение электронов по нейтронному сигналу Энергетические зависимости выхода нейтронов в электрон- и протон- инициированных каскадах подобныЭнергетические зависимости выхода нейтронов в электрон- и протон- инициированных каскадах подобны выход нейтронов в электрон-инициированных каскадах на порядок меньшевыход нейтронов в электрон-инициированных каскадах на порядок меньше

32 На больших глубинах узкое распределение для электрон- инициированных каскадов практически не перекрывается с широким распределением для протон-инициированных ЯЭК.На больших глубинах узкое распределение для электрон- инициированных каскадов практически не перекрывается с широким распределением для протон-инициированных ЯЭК. Это свойство используется для режекции фона от протоновЭто свойство используется для режекции фона от протонов Подавление фона от протонов до ~1000 разПодавление фона от протонов до ~1000 раз

33

34 Fibers Одновременная регистрация: сигнала от ионизационных потерь ~1 мкс Нейтронный мониторинг после прохождения каскада ~300 мкс ~11 cm 2 scintillator cube Tungsten walls ~1 к.е

35

36

37 3D calorimeter Equipment Mass, kg Channel number Power consumption, W Scintillation calorimeter / optic fibers Spectrometer KLEM Charge measuring system System electronic Mechanical construction100- Reserve100 Total up to

38

39

40 ХарактеристикаЗначение Рабочая орбита: средняя высота наклонение 500 км 51,6 град. Точность поддержания орбиты по высоте±5 км Масса КА * кг Масса НА11050 кг Энергопотребление максимальное при работе НАдо 2600 Вт Номинальное энергопотребление НА500 Вт Установленная мощность СБ в начале САС3600 Вт САС на рабочей орбитедо 5 лет Средство выведения на рабочую орбиту РН «Протон-М», «Ангара-5» с РБ Бриз-М ИНКА

41 1 - lead 2 - polyethylene 3 - scintillators 4 - Helium-2 neutron counters 5 - SNM-17 neutron counters 6 - electronics boards 7 – photo- detectors 8 - charge detectors ( cm 2 sections) A, B – external sections sections – total size L tot = 2.2 m – total size – – calorimeter L cal = 2.0 m – – calorimeter size size A B L cal. L tot.

42 Проект «Нейтроний »

43 Современное развитие ракетно-космической отрасли, в том числе, в России, позволяет полагать, что у исследователей космического пространства, в обозримом будущем, может появиться возможность перенести эксперименты по исследованию космического излучения высоких энергий из околоземного пространства в межпланетное. Причем, возможно, будет доступно использование поверхности близ расположенных планет, и первую очередь, поверхности спутника Земли Луны. При подготовке предложений по использованию лунной поверхности необходимо отметить уникальные, в сравнении с земными условиями, возможности Луны для исследования состава космического излучения. Отсутствие атмосферы, в которой частицы космических лучей взаимодействуют, позволяет осуществить прямую регистрацию частиц, с помощью аппаратуры размещенной непосредственно на поверхности Луны. Исходя из существующих ограничений на массу НА в космических экспериментах, предлагается использовать регистрацию обратного потока частиц из каскада рожденного в толще реголита. Такой подход позволяет размещение непосредственно на поверхности Луны научной аппаратуры относительно небольшой массы и создание установок с недостижимо высоким для ИСЗ геометрическим фактором.

44 Нейтроны альбедо из каскадов в лунном грунте Гамма-кванты альбедо из каскадов в лунном грунте Альбедо радиоизлучения каскадов из каскадов в лунном грунте Проведенное предварительное моделирование и анализ его результатов показали принципиальную возможность определения энергии частиц космического излучения по обратному току от каскадов, инициированных частицей в реголите, по нескольким компонентам: нейтронам, гамма- излучению, радиоизлучению.

45 Выход нейтронов альбедо Средние кривые потоков нейтронов на разных уровнях развития каскадов от протонов с энергией 2 ТэВ и 100 ТэВ в реголите для вертикального падения (линии) и под углом 60 о (квадратики).

46 Среднее пространственное распределение нейтронов на поверхности детектора для протона с энергией 500 ТэВ для среднего угла падения частиц 50 o Плотность нейтронов на 1 м^2

47 Энергетическая зависимость потока нейтронов альбедо от каскада в реголите Восстановление энергии первичной частицы по нейтронам альбедо Спектры нейтронов на поверхности Луны от первичного протона, ядра гелия, кремния и железа с энергией 15 ГэВ/нуклон

48 Выводы по нейтронам Число нейтронов, пересекающих детекторы, установленные на поверхности Луны, при прохождении первичного ядра через реголит, растет с ростом энергии как En 0.7, и пропорционально массе первичного ядра. Флуктуации выхода нейтронов зависят от массы ядра. RMS составляет 20% для ядер железа, 50 % для ядер гелия и 70% для протонов при энергиях > 10^14 эВ. Средний размер пятна, на котором регистрируется 95% нейтронов – составляет около 30 м 2, а 70% энергии – около 8 м 2. Время сбора сигнала – около 300 мкс. Общий фон на поверхности позволит детектировать частицы с энергией не менее 300 ТэВ. Наличие водородосодержащих пород в месте размещения аппаратуры улучшает замедление нейтронов и упрощает регистрацию каскада.

49 Свойства гамма-альбедо Учет асимметрии пространственного распределения гамма-альбедо (k=(σ(X l )/σ(X t )) 2, X l – расстояние от трека частицы до малой оси области рассеяния, X t - расстояние от трека частицы до большой оси области рассеяния) позволяет ввести поправку на угол наклона трека и перейти к приведенной множественности n v.

50 Пространственное распределение гамма-альбедо Более узкое, по сравнению с нейтронами, пространственное распределение гамма-альбедо позволяет локализовать ось каскада.

51 Спектр гамма-альбедо

52 Восстановление энергии первичной частицы по гамма-квантам альбедо Распределение по восстановленной энергии (по гамма-альбедо)

53 Выводы по гамма-албедо Основная часть фотонов альбедо сосредоточена вблизи трека (в радиусе ~2 м). Это позволяет локализовать трек с точностью ~ м. Угловую зависимость выхода квантов удается учесть с помощью анализа асимметрии пространственного распределения. Погрешность в определении энергии в области энергий ~ 10^14 эВ составляет ~100%, в области энергий ~ 10^15 эВ составляет ~70%.

54 Использование радиоизлучения от каскадов в реголите Возможна регистрация первичных космических лучей по когерентному (на частотах ниже ~ 10 ГГц) радиоизлучению от ливней в приповерхностном слое реголита. Математическое моделирование позволило получить частотные спектры при разных энергиях и углах наблюдения радиоизлучения.

55 Угловое распределение напряженности радиоизлучения (полное поле) на расстоянии 50 км от места развития ливня с энергией Е 0 = эВ. Сравниваются результаты микроскопического (точки) и макроскопического (кривые) расчетов радиоизлучения на частотах 200 МГц и 2 ГГц.

56 Выводы по радиоизлучению Наиболее рациональным является размещение приемных устройств на поверхности Луны непосредственно над «ионизационно-нейтронным калориметром». Это обеспечивает сравнительно низкий порог регистрации (10 15 эВ). Оптимальный (с учетом поглощения реголитом) частотный диапазон для регистрации когерентного радиоизлучения от «лунных» ливней 2–10 ГГц Погрешность в измерениях энергии первичной частицы составляет ~40-100% в зависимости от условий регистрации радиосигнала

57 Схема эксперимента Вторичные γ- кванты Вторичные нейтроны Приемные антенны вторичного радиоизлучения Реголит Детектор заряда Детектор вторичных нейтронов и γ- квантов Свинец/Вольфрам 1 ÷2 λ Сцинтиллятор Общая глубина регистрирующей аппаратуры гр/см^2, т.е. ~ кг/м ^2 Возможно поэтапное развитие установки. При общей массе установки ~10 тонн достижимо значение геометрического фактора м ^2 ср

58 Общие выводы Математическое моделирование позволило оценить возможности восстановления энергии по трем компонентам альбедо. Точность определения энергии по каждой компоненте альбедо составляет %. Проведен анализ корреляций между измерениями независимых компонент. Из предварительных результатов следует возможность значительного уменьшения ошибки в энергетических измерениях при одновременной регистрации трех компонент до ~50%.