Детектирование космических лучей сверх высоких энергий из космоса Дмитрий В. Наумов Лаборатория Ядерных Проблем ОИЯИ. - презентация

1 Детектирование космических лучей сверх высоких энергий из космоса Дмитрий В. Наумов Лаборатория Ядерных Проблем ОИЯИ

2 План лекций: Первая Лекция Большие и малые энергии История космических лучей Космические лучи Широкие атмосферные ливни Космические лучи сверх-высоких энергий

3 План лекций: Вторая Лекция Происхождение космических лучей сверх-высоких энергий Микроволновой фон и его роль в прохождении космических лучей к Земле Экспериментальное наблюдение космических лучей сверх-высоких энергий. Загадки. Возможные решения... Современные детекторы Наземные Космические

4 Большие и малые энергии Энергия = Сила х Путь Величина измерения Джоуль в Макро мире Электрон-Вольт в Микро мире: энергия, приобретаемая электронов, проходящим разность потенциалов в 1 Вольт 1 калория = Джоуля эВ = 4 калории = 2 таблетки Тик-Так 1 эВ = 1,602 · 10 –19 Дж 0, Дж Международные обозначения: eV = эВ J = Дж

5 Необходимы другие единицы энергии eV = 1 keV eV = 1 MeV eV = 1 GeV eV = 1 TeV … eV = 1 EeV eV = 1 ZeV eV, keV, MeV... ZeV Большие и малые энергии

6 Масштабы энергии частиц в природе 0,03 eV Энергия молекулы кислорода или азота в воздухе 0,67 eV Энергия, необходимая протону или нейтрону, чтобы избежать земного притяжения 1000 – eV, eV Типичные энергии электрона Северного Сияния Энергия Рентгеновского излучания у дантиста MeV Энергия частиц, излучаемых в радио-активных распадах ядер GeV Область энергии, покрываемаемая космическими лучами Большие и малые энергии

7 Энергия частиц в ускорителях (на примере ЦЕРН) ISR : Intersecting Storage Rings Первый протон-протонный коллайдер с максимальной энергией 31 ГэВ (1971) SPS : Super Proton Synchrotron Протонный ускоритель до энергии 450 ГэВ. LEP : Large Electron-Positron collider Пучки e + e - с энергией каждого вплоть до 200 ГэВ LHC : Large Hadron Collider В стадии построения. Будут достпны энергии до ГэВ (14 ТэВ). Большие и малые энергии

8 Протоны с энергией по 7 ТэВ, т.е с доступной энергией в 14 ТэВ в системе центра масс: Температура градусов Условия, сущестовавшие во Вселенной секнд после большого взрыва Два «пакета» протонов пересекаются друг с другом 40 миллионов раз в секунду и дают порядка 20 взаимодействий в секунду 800 миллионов столкновений в секунду!

9 10 20 эВ = эВ В космических лучах зарегистрированы частицы с энергией порядка и даже выше, чем Это практически МАКРОСКОПИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ в 16 Дж! Такие события ОЧЕНЬ редкие: 1 раз на 100 квадратных километров в год

10 История Космических Лучей

11 Фарад ей Максв елл Герц Научная предыстория в XIX веке Объединение электричесвта и магнетизма Объяснение волновой природы света Вещество: примитивная теория атомов (ядра и электроны еще не известны) В конце XIX века новые лучи Катодные лучи, X лучи, радиоактивные лучи, космические лучи

12 Лучи: свет или вещество? Катодные лучи: Физики Крукс, Перрин и Томсон (Crookes, Perrin, Thomson) изучали поведение катодных лучей в присутсвтвии электрического поля Дж. Дж. Томсон заключил, что эти лучи обладают отрицательным электрическим зарядом и были названы « электроны » (1898) X Лучи: Открыты Рентгеном в1895 Природы их была неизвестна вплоть до Фон Лое (Von Laue) (1912) Радиоактивность: Открыты Беккерелем в1896 (ураний) Поль и Мария Кюри, Э.Резерфорд и П. Виллард поняли, что существует несколько разных типов лучей ( )

13 Courtesy by V.Naumov

14 A gold-leaf Bennet-type electroscope (ca. 1880s) manufactured by Ducretet. Even very well isolated gold-leaf electroscopes are discharged at a slow rate. … observed by scientists before 1900 J.Elster, H. F.Geitel, C.Wilson investigated this phenomenon and concluded that some unknown source of ionizing radiation existed. Wilson even surmised that the ionization might be …due to radiation from sources outside our atmosphere, possibly radiation like Röntgen rays or like cathode rays, but of enormously greater penetrating power Soon after, two Canadian groups, Ernst Rutherford and H. Lester Cooke (1903) at McGill University, and J. C. McLennan and E. F. Burton (1902) at the University of Toronto showed that 5 cm of lead reduced this mysterious radiation by 30%. An additional 5 t of pig lead failed to reduce the radiation further. Courtesy by V.Naumov

15

16 Victor Hess won The Nobel Prize in Physics 1936 "for his discovery of cosmic radiation". Classic references: V.F. Hess, Physik. Zeitschr. 12 (1911) 998. V.F. Hess, Physik. Zeitschr. 13 (1912) V.F. Hess, Physik. Zeitschr. 14 (1913) 610. Background of the slide: H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) a next-generation system of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes for the investigation of cosmic gamma rays in the 100 GeV energy range. Courtesy by V.Naumov

17 История космических лучей Природа космических лучей 1925 : Роберт Милликан думал, что лучи Хесса это гамма лучи «космические лучи » 1929 : Бете и Колорстер (W. Bothe, W. Kohlörster), используя счетчик Гейгера показали, что лучи Хесса - заряжены вещесетво !! но Нобевский лауреат Милликен не хотел принять это... Скобельцин также показал, что лучи Хесса это вещество при помощи пузырьковой камеры

18 Пузырьковая камера Вилсона Установлен градиент температуры сверху-вниз и термо-изолированный сосуд заполнен смесью воздуха паров алкоголя До того как скондинсироваться парам алкоголя на дне сосуда, пары пересеают зону перенасыщения. В этой зоне ионы, рожденные заряженными частицами, пересекающими сосуд, служат центрами конденсации и делают видимым трек частиц Анализируя траектории (длина, плотность, профиль) можно идентифицировать тип частицы по ее взаимодействию с веществом История космических лучей

19 Открытие новых частиц: 1932 : позитрон e+ Предсказан Дираком в 1930 По следу КЛ 1936 : мюон Напоминает электрон, но в 200 раз массивнее 1947 : пион История космических лучей

20 Космические Лучи

21 Происхождение космических лучей Астрофизические механизмы рождения частиц Реакции слияния в центрах звезд Сверх-новые Столкновения галактик Черные дыры (в центре галактик) Активные галактические ядра Supernova 1987A – image dHubble космические лучи Столкновения галактик NGC 4036 и NGC 4039

22 Courtesy by V.Naumov 1 st knee Foot (?) Modulated by solar activity 1 particle per m 2 ×second 1 particle per m 2 ×year 2 nd knee Ankle Fingers (?) 1 particle per km 2 ×year A Bird view of the CR spectrum

23 1 st knee ~ 3×10 6 GeV GZK ~ 5×10 10 GeV ankle ~ 5×10 9 GeV 2 nd knee ~ 4×10 8 GeV Courtesy by V.Naumov

24 Широкие атмосферные ливни

25 Courtesy by V.Naumov

26 Gamma e+, e- muons

27 Детектирование ливней через детектирование частиц на Земле Необходимо покрыть большую поверхность Сеть детекторов частиц Тройной интерес к использованию сети детекторов: Увеличение числа зарегистрированных частиц каждым детектором – лучшая оценка числа частиц в ШАЛе Чем больше сеть, тем больше число событий, которое можно зарегестрировать Временной фронт дает информацию о напрвелении всего ливня Типы используемых детекторов : сцинтилляторы, черенковские детекторы

28 Сцинтилляторы Сцинтилляторы даелаются из специального сцинтиллирующего пластика Как только частица пересекает детектор и сцинтилляторную плоскость, рождаются фотоны, которые регистрируются фотоумножителями Фотоумножитель усиливает сигнал и выходной сигнал прямо пропорционально числу падающих фотонов

29 Фотоумножитель (ФЭУ) ФЭУ трансформирует слабый фотонный импульс в измеряемый электрический сигнал Форма и амплитуда сигнала зависит от числа фотонов упавших на входную поверхность ФЭУ

30 Черенковский детектор В этом типе детекторов сцинтиллятор заменяется чистой водой При прохождении через воду, частицы ШАЛ, двигающиеся со скоростью выше скорости света в воде, излучают фотоны, которые потом регистрируюься ФЭУ Стенки сосуда покрыты отражающей поверхностью для увеличения числа попадающих на ФЭУ фотонов

31 Эффект Черенкова За открытие эффекта излучения заряженными частицами, движущимися в среде со скоростью выше скорости света в среде, фотонов П. Черенкову была присуждена Нобелевская премия в 1958.

32 Детектирование ШАЛ по флюоресцентному свету Вторичные частицы в ШАЛ возбуждают атомы азота в воздухе, в результате атомы азота, переходя в основное состояние, излучают свет равномерно во все стороны. Спектр фотонов лежит в УФ области ( nm). Невозможно наблюдение днем и при полнолунии Яркость в максимуме пропорциональна числу заряженных частиц в максиуме ливня Измеряя флюоресцентный свет при помощи ФЭУ можно узнать полную энергию начальной частицы.

33 Up to now EAS are detected on the Earth ground Today the largest ground detector Pierre Auger in Argentina camps will cover ~3000 km 2 surface and detect both: Charged particles Fluorescent light

34 Космические лучи сверх – высоких энергий

35 Первые детектирования Volcano Ranch (US, 59-63) Первая сеть для детектирования ШАЛ 19 детекторов расположенные на площади 8 km 2 Счетчики и плстические сцинтилляторы 3.3 m2 1 космический луч с энергией выше eV

36 Первые наблюдения Haverah Park (UK, 67-87) Сеть Черенковских водных детекторов на площади 12 km 2 Якутск (Сибирь, 70-95… ) Сцинтилляторы + детектирование Черенковского света излученного в воздухе 4 косических луча с энергией выше eV 1 космический луч с энергией выше eV

37 1 космический луч с энергией выше eV Первые наблюдения Fly s eye (US, 81-92) 67 зеркал диаметром 1,6 м Фокальная плоскость снабжена 1214ФЭУ 880 ФЭУ покрывают небо

38 Недавние и текущие эксперименты HiRes (High Resolution Flys eye detector) Флюоресцентная техника Космический луч с энергией > eV

39 Множество космических лучей с энергией > eV Недавние и текущие эксперименты AGASA (Akeno Giant Air Shower Array, Japon) 100 km2 111 Черенковских детекторов + 27мюонных детекторов

40 Обзерватория Оже 1600 детекторов разнесенных на 1,5 km 3000 km 2 24 флюоресцентных детекторов

41 Обзерватория Оже Черенковский детектор вызывает люботытсво местных жителей

42 440 Сферических зеркал фотоумножители (1,5° угловое разрешение пикселя) Корректирующие линзы Обзерватория Оже