1 Освобождение от температурного эффекта данных мюонных детекторов ретроспективно и в режиме реального времени М.Беркова, В.Янке Детали: - презентация

1 1 Освобождение от температурного эффекта данных мюонных детекторов ретроспективно и в режиме реального времени М.Беркова, В.Янке Детали:

2 2 Atmospheric Muons

3 Temperature effect Температурный эффект мюонной компоненты обусловлен конкуренцией распада и взаимодействия с ядрами воздуха пионов/каонов и мюонов вследствие изменения геометрических размеров и плотности атмосферы отрицательный температурный эффект положительный температурный эффект При энергиях, характерных для наземных детекторов, доминирует отрицательный температурный эффект, а при энергиях, характерных для подземных детекторов, доминирует уже положительный температурный эффект, поскольку вероятность распада мюонов столь больших энергий очень мала.

4 Уже в первой половине ХХ века многочисленные эксперименты по измерениям интенсивности космических лучей, свидетельствовали о наличии сезонных вариаций. Объяснение наблюдаемым сезонным вариациям космического излучения впервые дал Блэккэт в 1938 году. Блэккет обратил внимание на то, что мезоны (в предположении, что они нестабильны) должны образовываться в верхних слоях атмосферы, по прохождении первичной компонентой определённой массы воздуха. Поэтому при нагревании и соответственном расширении атмосферы (например, от зимы к лету) высота уровня генерации мезонов должна расти, их путь до Земли и вероятность распада увеличиваться, а интенсивность падать. Положительный температурный эффект космических лучей, измеряемых подземными детекторами, впервые наблюдал M. Forro. Его работа была опубликована в 1947 г. в Physical Review. В публикации M. Forro сообщил о сильной положительной корреляции между температурой воздуха на уровне моря и интенсивностью «наиболее проникающей компоненты космических лучей» (понятия «мюон» тогда ещё не существовало). После открытия π-мезонов (1947) Miyazima предположил, что положительный температурный эффект возникает вследствие конкуренции между распадом новых частиц и их поглощением при ядерных взаимодействиях. А т.к. вероятность распада π-мезона больше вероятности его захвата (что в свою очередь зависит от плотности окружающей среды), то и возникает положительная корреляция между температурой и интенсивностью космической радиации под землей. Позднее о температурном эффекте в своей статье написали Paul H. Barrett et al. в 1952 году. В этой работе авторы применили такое понятие, как эффективная температура. Используя эффективную температуру также был подсчитан температурный эффект, который был определён как «относительное изменение интенсивности при изменении температуры на один градус» В 1956 г. В УФН выходит статья Е.Л.Фейнберг и Л.И.Дормана «Вариации космических лучей», в которой авторы вводят функцию W(h), имеющей значение «плотности температурного коэффициента». Функцию W(h) состоит из двух слагаемых, одно из которых отражает влияние распада мюонов (отрицательный вклад), а второе отражает влияние распада пионов (положительный вклад). Temperature effect in retrospective 1.P.M.S.Blackett. On the Instability of the Barytron and the Temperature Effect of Cosmic Rays. Phys. Rev. Vol. 54, 973– 974 (1938) 2.M. Forro. Temperature Effect of Cosmic Radiation at 1000-M Water Equivalent Depth. Phys. Rev. 72, 868 (1947) 3.Miyazima T., On the Temperature Effect of Underground Cosmic Radiation. Prog. Theor. Phys., Vol. 3, No. 1, pp (1948) 4.P. H. Barrett, L. M. Bollinger, G. Cocconi, Y. Eisenberg, and K. Greisen. Interpretation of Cosmic-Ray Measurements Far Underground. Rev. Mod. Phys. 24, 133 (1952) 5.Л.И. Дорман, Е.Л. Фейнберг.. Вариации космических лучей. УФН, 59 (6) (1956)

5 Temperature effect in retrospective …what we know with certainty is only the existence of a rather close negative correlation between temperature near the ground and ray intensity. It may be hoped that such studies will eventually reveal the true nature of the temperature effect of cosmic radiation, which is mainly governed by the mass distribution in the column of air above the point of observation. V.F.Hess. On the Seasonal and the Atmospheric Temperature Effect in Cosmic Radiation, Phys. Rev. 57, 781–785 (1940) …what we know with certainty is only the existence of a rather close negative correlation between temperature near the ground and ray intensity.

6 Методы исключения температурного эффекта мюонной компоненты КЛ интегральный метод метод эффективного уровня генерации метод среднемассовой температуры метод эффективной температуры

7 Интегральный метод где Дорман Л.И., Фейнберг Е.Л. Вариации космических лучей. УФН, Т. LIX, Вып. 2, 1956 г. Maeda K. and M. Wada. Atmospheric temperature effect upon the cosmic ray intensity at sea level. // J. Sci. Res. Inst., Tokyo P ; K. Maeda: Journal Atm. Ter. Phys P. 184 Dorman L.I. and Yanke V.G., "To the theory of cosmic ray meteorological effects, I". Izvestia Academy of Sciences USSR, Series Phys., Vol. 35, No. 12, pp , 1971 Дорман Л.И., Метеорологические эффекты космических лучей. М., Наука, c. 211, 1972 Плотности температурных коэффициентов для различных детекторов

8 K.Maeda. Directional dependence of atmospheric temperature effects on cosmic-ray muons at sea-level. J.Atm.Terr.Phys., 1960, Vol.19, pp Плотности температурных коэффициентов Дорман Л.И., Фейнберг Е.Л. Вариации космических лучей. УФН, Т. LIX, Вып. 2, 1956 г.

9 Расчёты, проведённые по методике Дормана Расчёты, проведённые по уточнённой методике с учётом распада каонов Плотности температурных коэффициентов Л.В.Волкова Температурные коэффициенты и механизм генерации мюонов и нейтрино в атмосфере. 28-я ВККЛ. А.Н.Дмитриева, Р.П.Кокоулин, А.А.Петрухин, Д.А.Тимашков. Температурные коэффициенты для мюонов под различными зенитными углами. // Известия РАН. Серия физическая, 2009, т.73, 3, с

10 Метод эффективного уровня генерации где Метод базируется на предположении, что мюоны генерируются в основном на определенном изобарическом уровне (обычно принимаемом за 100 mb), высота H которого изменяется с изменением температурного режима атмосферы. коэффициент распада (%/km) – отрицательный эффект положительный температурный коэффициент (%/C) Высота изобарического уровня 100 mb: определяется непосредственным измерением; вычисляется на основе барометрической формулы, если известна высотная зависимость T(h) Duperier A., The Meson Intensity at the Surface of the Earth and the Temperature at the Production Level. // Proc. Phys. Soc., А 62, 1949, P

11 Метод среднемассовой температуры где Метод базируется на допущении, что плотность температурного коэффициента для наземных детекторов не сильно изменяется с глубиной атмосферы h среднемассовая температура температурный коэффициент требуется высотное зондирование ОДНАКО привлечение данных нейтронных мониторов позволяет определять Тm без температурного зондирования Дворников В.М, Крестьянников Ю.Я., Сергеев А.В. Определение среднемассовой температуры атмосферы по данным интенсивности КЛ. // Геомагнетизм и аэрономия Т С

12 12 T – средневзвешенная температура с весовым фактором Метод эффективной температуры Эффективную температуру впервые вводит Barret (1952) как температуру условной изотермальной атмосферы, при прохождении которой интенсивность мюонов была бы такой же, как и при прохождении реальной атмосферы с распределением температуры Т(х). Изотермальная атмосфера с Teff В работе (Barrett at al., 1952), возможно, впервые был построен годоскоп, содержащий 4 плоскости по 16 счетчиков в каждой плоскости. Для уровня регистрации (1574 mwe) был определён температурный коэффициент 0.79±0.20 %/ºK. P. H. Barrett, L. M. Bollinger, G. Cocconi, Y. Eisenberg, and K. Greisen. Interpretation of Cosmic-Ray Measurements Far Underground. Rev. Mod. Phys. 24, 133 (1952)

13 Метод эффективной температуры Ambrosio M. et al. Seasonal variations in the underground muon intensity as seen by MACRO. Astroparticle Physics, 7 (1997) Following Barrett et al. [1952]; Ambrosio et al. [1997], a single combined effective temperature T is defined by making a weighted average temperature as a function of altitude. The weighting is given by the distribution of altitudes where the mesons which cause observed muons in MINOS occur, based on analytic calculation [Ambrosio et al., 1997; Gaisser, 1990]. Fig. 1 shows that most of the mesons are located about the tropopause (»100 hPa) where temperature is least variable. Muon Weighting Function. Scaling factor used to determine effective temperature (blue, top axis, arbitrary scale) and climatological temperature for the period 2003–2007 from ECMWF (filled yellow, bottom axis).

14 Метод эффективной температуры как развитие интегрального метода безразмерный коэффициент имеет размерность %/градус ВАЖНО: или M.Berkova, V. Petkov, M.Kostyuk, R. Novoseltseva, Yu.Novoseltsev, P. Striganov, M. Boliev, V.Yanke. Seasonal variation of the muon flux seen by BUST. 32 nd ICRC, Beijing, China, 2011

15 В работе использованы данные температурного моделирования Глобальной прогностической системы (GFS - Global Forecast System), представляемые Национальным центром прогноза состояния окружающей среды (National Centers for Environmental Prediction NCEP, США) NCEP, Температурные данные Сравнение распределения температуры в атмосфере в соответствии с моделью GFS с экспериментально измеренными значениями для Greifswald для 2009 года погодный сервер температурный профиль атмосферы в реальном времени, или зеркало, Выходными данными модели GFS является температура на 17 изобарических уровнях: уровень наблюдения, 1000, 925, 850, 700, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30, 20, 10, hPa для четырех моментов времени 00, 06, 12 и 18 часов ежедневно. Данные интерполированы на сетке с разрешением 1°x1° от 0. Для получения данных с часовой скважностью проводится интерполяция кубическим сплайном по девяти узловым точкам. Запрос данных по температурному распределению выполняется в начале каждых суток, т.е. реализуется режим прогноза на текущие сутки. Точность таких данных определяется до нескольких градусов в зависимости от изобарического уровня.

16 Данные Перечень детекторов, данные которых оказались доступны (или публикуют данные в реальном времени или данные поступили в результате обмена). Российские: спектрографический комплекс Якутска - наземный уровень и 7, 20 и 40 mwe, Новосибирск, CUBE (ИЗМИРАН), URAGAN (МИФИ), BUST Баксанской обсерватории; зарубежные детекторы: Nagoya, Kuwait, Cao Marniho, Hobart, Greifswald. Пункты для которых на основе модели GFS (Global Forecast System) запрашиваются часовые вертикальные профили температуры на 17 (а с 2009 года на 25) стандартных изобарических уровнях атмосферы.

17 исходные неисправленные данные поправка на температурный эффект интегральным методом поправка на температурный эффект методом среднемассовой температуры данные, исправленные интегральным методом поправка, найденная методом эффективного уровня генерации вариациями нейтронного монитора Thailand Сравнение методов M.Д.Беркова, A.В.Белов, E.А.Ерошенко, В.Г.Янке. Температурный эффект мюонной компоненты и практические вопросы его учета в реальном времени. 31-я ВККЛ, Москва, 2010

18 , где MuSTAnG Muon Spaceweather Telescope for Anisotropies Greifswald 100 m above sea level (1013 mb) two rows of 16 (4x4x2) plastic scintillation counters 4 m2 of total area separated by 5 cm of lead runs stably from the end of 2007 MuSTAnG The MuSTAnG telescope – a part of a global network of similar muon telescopes, located in Australia, Japan and Brazil. M Ganeva, S Peglow, R Hippler, M Berkova, V Yanke. Seasonal variations of the muon flux seen by muon telescope MUSTANG. 23d ECRS, Moscow, 2012

19 MuSTAnG Методика уточнения теоретических плотностей температурных коэффициентов First, the effective temperature Teff was calculated for 2009 Densities of the temperature coefficients used for MuSTAnG are from: L.I.Dorman and V.G.Yanke To the theory of cosmic ray meteorological effects Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 35, pp Then the experimental temperature coefficient αE %/C was determined as the regression coefficient. The values of Teff. and αE are calculated separately for the vertical (0 º) and for each of the three angles of the particles arrival (30 º, 39 º and 49 º). For the control theoretical temperature coefficients αТ were calculated. And then the corresponding experimental and theoretical temperature coefficients were compared.

20 From the obtained relations αT / αE we can conclude that the densities of the temperature coefficients WT, calculated before and well- suited for other ground-based telescopes (e.g., Nagoya), are somewhat different for the MuSTAnG detector. MuSTAnG Calculation of the temperature effect of the muon component

21 21 Большой подземный сцинтилляционный телескоп БПСТ Большой подземный сцинтилляционный телескоп БПСТ находится в подземной выработке (камере) объемом 24х24х16 м3 под склоном горы Андырчи на расстоянии 550 м от входа в штольню. Высота горы над телескопом (вертикаль): 350 м, что соответствует эффективной толщине грунта над телескопом 850 г/см2 и эффективной пороговой энергии мюонов 220 ГэВ. БПСТ представляет собой четырехэтажное здание размером 16.7мх16.7мх11.1м.

22 исправленные на температурный эффект наблюдаемые данные эффективная температура БПСТ. Результаты Сравнение временных характеристик стратосферы и скорости счета детектора BUST для 2009 года. Верхняя панель. Температурные профили в стратосфере на стандартных изобарических уровнях 10, 20, 30 и 50 mb в сравнении с профилем эффективной температуры Teff, вычисленной для детектора BUST. Нижняя панель. Скорость счета детектора BUST (наблюдаемая и исправленная на температурный эффект) и вычисленная для детектора BUST эффективная температура Teff. M.Berkova, V. Petkov, M.Kostyuk, R. Novoseltseva, Yu.Novoseltsev, P. Striganov, M. Boliev, V.Yanke. Seasonal variation of the muon flux seen by BUST. 32 nd ICRC, Beijing, China, 2011

23 Корреляция вариаций скорости счета детектора BUST c отклонением эффективной температуры от базового значения. В качестве базового периода для скорости счета и эффективной температуры определен 2009 год. На нижней панели приведена невязка между наблюдаемой скоростью счета и найденными модельными значениями Распределение скоростей счёта детектора BUST до введения поправки на ТЭ (синяя кривая) и после (красная кривая) БПСТ. Результаты

24 24 E. W. Grashorn et al. The atmospheric charged kaon/pion ratio using seasonal variation methods. Astropart.Phys.33 (2010), pp Andreev Yu.N. et al. Season and daily variations of the intensity of muons with Em>220 GeV, Proc. 21st ICRC (Adelaide), 1990 Сравнение теретических значений α T (сплошная кривая), α Tπ (верхняя кривая) и α Tκ (нижняя кривая). Экспериментальные данные для Baksan взяты из [13]. N, Hzσ, HzραT,% / ºК,ºК ,32±0, ±0, ,30±0, ±0,04 БПСТ. Результаты

25 Якутск Ионизационная камера Мюонный телескоп (уровень моря) Мюонный телескоп (7mwe)

26 Якутск Мюонный телескоп (уровень моря) Berkova M., Belov A., Eroshenko E., Smirnov D., Yanke V. Temperature effect of muon component and practical questions of its account 21st ECRS, Košice, Slovakia, 2008

27 Якутск Мюонный телескоп (7mwe)

28 Якутск Ионизационная камера При введении поправок использовались плотности температурных коэффициентов, те же, что и для наклонного 60º телескопа на уровне моря. Для снятия сезонных вариаций необходимо плотность температурного коэффициента уменьшить примерно на 30±2%. Необходимость корректировки плотности температурного коэффициента для Якутской ионизационной камеры возможно связано со значительной толщиной экрана над ионизационной камерой (около 1 м в.э.)

29 Выводы 1)Вертикальные профили распределения температуры в атмосфере, найденные по данным модели атмосферы, позволяют с требуемой точностью исключать температурный эффект из часовых данных наблюдений мюонных телескопов как ретроспективно, так и в реальном времени. 2) Из всех рассмотренных методов определения температурного эффекта наиболее предпочтительным является метод эффективной температуры, т.к.: - во-первых, наравне с интегральным методом, он может применяться без всяких допущений и подходит как для наземных, так и для подземных детекторов; - во-вторых, он позволяет экспериментально определить температурный коэффициент как коэффициент регрессии. 3)Описанная методика корректировки плотностей температурного коэффициента (на примере МУСТАНГА) - а именно, сравнение теоретически рассчитанных значений плотностей температурных коэффициентов со значениями, полученными методом эффективной температуры - позволяет уточнить теоретические значения применительно к конкретному детектору. 4)Есть проблемы с определением температурного эффекта у горных детекторов. Правда, обобщать пока рано, т.к. были обработаны данные только одной горной станции YangBaJing на Тибете. Наблюдаемые на телескопе сезонные вариации в несколько раз превышают вариации, наблюдаемые на других детекторах. Возможно, имеет место локальный аппаратурный эффект, а возможно это определяется метеорологическими особенностями высокогорья. 4)Разработан проект Глобальной сети мюонных детекторов, доступный по адресу: где можно найти подробное описание Мировой сети мюонных детекторов, ее задачи и возможности.