Библиотека ДИССЕРТАЦИЙ

Главная страница Конференции | Авторефераты Новые диссертации

Комната отдыха

Книги
Статьи
О сайте
Авторские права
О защите
Для авторов
Бюллетень ВАК
Новости
Поиск
СУПЕРОБУЧЕНИЕ Полезные ссылки

Введите слово для поиска

Тороид - автоматизация технологических процессов и элетротехническая продукция

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им Д. В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Батьков Константин Евгеньевич

Энергетические спектры средних и

тяжёлых ядер по данным стратосферного

полёта спектрометра ATIC

01.04.23 — физика высоких энергий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва 2006


Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского Государственного Универ­ситета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

Зацепин Виктор Иванович

доктор физико-математических наук

НИИЯФ МГУ

Официальные оппоненты:

Калмыков Николай Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор

НИИЯФ МГУ

Котельников Константин Александрович

доктор физико-математических наук Физический институт РАН

Ведущая организация:

Институт ядерных исследований РАН, г. Москва

Защита состоится 30 марта 2006 г. в 15:00 на заседании диссертацион­ного совета К 501.001.03 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Воробьёвы Горы, НИИЯФ МГУ, корп. 19, ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан 27 февраля 2006 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук   А. К. Манагадзе


Общая характеристика работы Актуальность темы

Исследование космических лучей высокой энергии позволяет решить ряд фундаментальных задач, связанных с процессами, происходящи­ми в источниках частиц космических лучей, а также со структурой магнитных полей в Галактике. В частности, необходимо знать энерге­тические спектры различных элементов первичных космических лучей с хорошей статистической точностью и методической надёжностью.

Однако, в результате многочисленных экспериментов, выполнен­ных в области энергий больше 100 ГэВ, были получены противоре­чивые данные по спектральным индексам основных элементов кос­мических лучей, по которым нельзя составить согласованной карти­ны процессов, происходящих в источниках космических лучей и при их распространении к Земле. В связи с этим появилась потребность в детекторах нового поколения, одним из которых является спектро­метр ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter), разработанный и построенный коллаборацией из нескольких научных групп США с уча­стием НИИЯФ МГУ.

Аппаратура прибора содержит две новые технологии: полностью активный висмуто-германиевый калориметр (для измерения энергии каскада) и высокосегментированную матрицу кремниевых детекто­ров (для определения заряда первичной частицы).

Использование новых приборов позволяет выполнять измерения в широком диапазоне энергий и зарядов с помощью одного инструмента.


Цель работы

Целью данной работы является определение энергетических спектров средних и тяжёлых ядер первичных космических лучей в области энер­гий от 100 ГэВ до 100 ТэВ с использованием полученных в эксперимен­те ATIC спектров энерговыделений. Для решения этой задачи необходимо:

Выполнить моделирование отклика спектрометра ATIC на про­
хождение в апертуре прибора различных ядер первичных косми­
ческих лучей (С, О, Ne, Mg, Si и Fe).

Решить задачу восстановления энергетических спектров первич­
ных космических лучей по измеренным спектрам энерговыделе­
ний в калориметре с использованием аппаратных функций, по­
лученных в результате моделирования отклика прибора методом
Монте Карло. Проблема относится к классу обратных некоррект­
но поставленных задач.

Исследовать стабильность решения обратной задачи путём срав­
нения различных методов восстановления энергетических спек­
тров.

Исследовать возможность описания полученных результатов в
рамках существующих моделей спектров космических лучей в
источниках и моделей зависимости времени жизни космических
лучей в Галактике от магнитной жёсткости частиц первичных
космических лучей.


Научная новизна и практическая ценность работы

Научная значимость работы состоит в расширении области де­
тальных экспериментальных данных для энергетических спек­
тров ядер тяжелее лития от 35 ГэВ на нуклон (измеренной в экс­
перименте НЕАО-3-С2) до 1 ТэВ на нуклон.

Практическая значимость работы состоит в том, что результаты
моделирования функций отклика прибора, фрагментации потока
первичных космических лучей в остаточной атмосфере, а также
разработанные автором методы решения обратной задачи могут
быть использованы для дальнейших исследований участниками
коллаборации ATIC.

Новые результаты по спектрам средних и тяжёлых ядер, а также
другие имеющиеся данные могут стать базой для создания но­
вых, более реалистических, моделей образования галактических
спектров.

На защиту выносятся:

Математическая компьютерная модель спектрометра ATIC, со­
зданная на базе программной системы FLUKA, и методы рас­
чёта отклика спектрометра на частицы первичных космических
лучей.

Результаты моделирования отклика спектрометра ATIC на сред­
ние и тяжёлые ядра (С, О, Ne, Mg, Si и Fe).

Решение  обратной  задачи  по  восстановлению  энергетических


спектров средних и тяжёлых ядер из измеренных в эксперимен­те ATIC спектров энерговыделений.

Решение задачи о фрагментации потока космических лучей в
остаточной атмосфере.

Энергетические спектры средних и тяжёлых ядер в области энер­
гий от 100 ГэВ до 100 ТэВ, восстановленные из спектров энер­
говыделений, полученных в стратосферном полёте спектромет­
ра ATIC.

Вклад автора

Создана математическая модель спектрометра ATIC и разрабо­
тан комплекс программ на основе пакета FLUKA, позволяющий
моделировать процессы, сопровождающие прохождение ядер че­
рез спектрометр ATIC.

С использованием созданной математической модели вычисле­
ны матрицы отклика спектрометра
ATIC на прохождение сред­
них (С, О) и тяжёлых (Ne, Mg, Si, Fe) ядер первичных косми­
ческих лучей в апертуре прибора. Моделирование производилось
на 50 современных процессорах в течение 15 месяцев. Для рас­
чётов использовались технологии распределённых (GRID) и па­
раллельных (MPI) вычислений.

Разработан комплекс программ для решения задачи восстанов­
ления энергетических спектров из спектров энерговыделений с
использованием метода сдвига и метода последовательных при­
ближений.

6


4. С использованием пакета FLUKA решена задача о фрагмента­ции потока первичных космических лучей в остаточной атмосфе­ре. На основе полученных вероятностей фрагментации вычисле­ны коэффициенты, позволяющие определить абсолютные потоки ядер на границе атмосферы.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИЯФ МГУ, на Ломоносовских чтениях в 2002, 2003 и 2004 г.г., а также на следующих конференциях:

29th International Cosmic Ray Conference (Пуне, Индия, 2005);

28-я Всероссийская конференция по космическим лучам (Москва,
Россия, 2004);

35th COSPAR Scientific Assembly (Париж, Франция, 2003);

28th International Cosmic Ray Conference (Цукуба, Япония, 2003);

18-й Европейский симпозиум по космическим лучам  (Москва,
Россия, 2002).

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 9 публикациях, список которых приведён в конце автореферата.

7


Структура диссертации

Диссертация изложена на 137 страницах, включает 40 иллюстраций, 20 таблиц; состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы из 68 наименований.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется основная цель, новизна исследования, раскрывается практическая и научная значимость работы, а также перечисляются положения, вы­носимые на защиту.

В первой главе приводится обзор существующих экспериментов в области исследования спектров и зарядового состава первичных кос­мических лучей при энергиях до 1000 ТэВ. Показано, что при энергиях до 100 ГэВ спектры различных ядер и их относительное содержание из­мерены достаточно хорошо. При более высоких энергиях данные раз­личных групп о спектрах и зарядовом составе первичных космических лучей различаются. Это связано, прежде всего, с низкой точностью энергетической привязки, недостаточной статистикой и существенны­ми методическими ошибками. Поэтому продолжение исследований в этой области является актуальным, особенно при использовании аппа­ратуры, работающей в широком энергетическом и зарядовом диапазо­нах.

Во второй главе содержится подробное описание эксперимента ATIC: рассматриваются все детекторы прибора, их калибровки, а также опи­сываются экспозиции прибора в стратосфере.

Баллонный эксперимент ATIC предназначен для измерения энер­гетических спектров галактических космических лучей с индивиду-

8


альным разрешением по заряду от протонов до ядер железа в энер­гетическом интервале от 100 ГэВ до 100 ТэВ. В состав прибора входит полностью активный BGO калориметр для измерения энергии. Глу­бина калориметра по вертикали составляет ~ 18 каскадных единиц. Для измерения заряда используется высоко сегментированная матрица кремниевых детекторов, практически полностью решившая проблему обратного тока. Также в спектрометре присутствуют углеродная ми­шень, предназначенная для взаимодействий падающих частиц, и сцин-тилляционные годоскопы, служащие для выработки триггеров и яв­ляющиеся дополнительным детектором заряда. Для подъёма прибора в стратосферу используется высотный аэростат объёмом ~ 850 000 м3, наполненный гелием. Общая масса прибора равна 1500 кг. Геометриче­ский фактор прибора составляет 0,22м2-стер.

На сегодняшний день ATIC совершил два успешных полёта вокруг Южного Полюса: с 28 декабря 2000 г. по 13 января 2001г. (тестовый полёт ATIC-1) и с 29 декабря 2002 г. по 18 января 2003 г. (научный полёт ATIC—2). В настоящей работе используются данные второго — научного — полёта.

Также во второй главе рассматриваются особенности методики из­мерения энергии, заряда и восстановления траекторий первичных ча­стиц. Приводятся полученные зарядовые спектры и спектры энерговы­делений для каждого типа первичных частиц.

В третьей главе описываются методы перехода от спектров выде­ленных энергий к энергетическим спектрам. Также приводятся детали моделирования прохождения частиц через прибор.

Искомые энергетические спектры ф(Ео) связаны со спектрами энер-

9


говыделений (fi(Ed) интегральным уравнением Фредгольма:

I A(Ed, E0) ф(Е0) dE0 = ip{Ed)        )

Ядро A(Ed, Ео) является аппаратной функцией, характеризующей прибор. Для численного решения (1) удобно перевести задачу в дис­кретные термины, то есть представить её в виде системы линейных алгебраических уравнений:

п

 i,j = 1,2,.. .         n,

где ||М^ || соответствует tp(Ed) — экспериментальному спектру энерго­выделений, а \\Nj\\ соответствует ф(Ео) — искомому энергетическому спектру. Квадратная матрица \\(iij\\ называется матрицей отклика и соответствует функции A(Ed, E$) из уравнения (1). Элементы матрицы отклика вычисляются из моделирования отдельных событий методом Монте Карло и определяют вероятность того, что событие с первичной энергией из бина j создаст энерговыделение в бине г.

Моделирование развития каскадов от первичных частиц высокой энергии производилось на базе пакета FLUKA. Для этого был создан программный комплекс, содержащий математическую модель спектро­метра ATIC. Матрицы отклика для обильных чётных ядер С, О, Ne, Mg, Si и Fe были рассчитаны с хорошей статистикой в интервале энер­гий от ЮГэВ до 106ГэВ.

Проблема состоит в том, что искомые энергетические спек­тры ф(Ео) с искажением преобразуются измерительным прибором в спектры энерговыделений Lp(Ed). Целью работы является решение обратной задачи — восстановление ф(Ео) из

10


Если бы и ||<2у||, и ||М^ || были известны точно, то система (2) имела бы единственное решение при det \\chj\\ ф 0. В реальности же ситуация не столь проста: матрица отклика определяется из моделирования, а вектор || М^ ||— из данных эксперимента. Поэтому оба этих элемента содержат ошибки, связанные как с погрешностью метода, так и с огра­ниченной статистической точностью. Система (2) является плохо обу­словленной, и в связи с этим её решение очень сильно зависит от малых изменений начальных данных. Ошибки начальных данных ведут к раз­витию неустойчивостей в виде "гребёнки" очень большой амплитуды. Поэтому ответ, который можно получить с помощью прямых методов решения линейной системы (2), лишён смысла.

Задача перехода от спектров энерговыделений к энергетическим спектрам падающих частиц относится к классу некорректно постав­ленных обратных задач. Точного решения такие задачи не имеют, воз­можен поиск только приближённого решения, отвечающего некоторым априорным ограничениям, связанным со смыслом ожидаемого резуль­тата. Одним из важнейших априорных ограничений является требова­ние гладкости полученного результата в том или ином смысле. Так как использование априорных ограничений неизбежно приводит к некото­рому произволу, то для решения задачи важно применять несколько разных методов и сравнивать полученные результаты. Поэтому в на­стоящей работе были использованы следующие способы решения, мак­симально отличающиеся друг от друга:

метод сдвига;

методы деконволюции (решения обратной задачи

11


метод последовательных приближений;

решение обратной задачи и регуляризация решения по ме­
тоду А. Н. Тихонова (выполнено А. Д. Пановым).

Метод сдвига справедлив на степенных участках спектра, поэтому он был использован как первое приближение к ответу. Идея, положен­ная в основу метода, состоит в том, чтобы сдвинуть спектр энерго­выделений, используя два коэффициента сдвига: по оси энергий (для учёта того, что калориметр является тонким, и в нём выделяется не вся энергия падающей частицы), и по оси ординат (для учёта того, что падающая частица может пройти мишень, не провзаимодействовав в ней).

Методы решения обратной задачи, в отличие от метода сдвига, не используют предположения о степенном характере спектра.

Метод последовательных приближений является стандартным ите­рационным методом решения систем линейных уравнений. Из-за неустойчивости задачи необходимо было произвести регуляризацию ре­шения, которая была сделана разными методами, давшими схожие ре­зультаты.

Третий метод — с использованием регуляризации по методу А. Н. Тихонова — является наиболее хорошо разработанным, и в опре­делённом смысле стандартным и строгим (если вообще можно гово­рить о строгости решения некорректно поставленных задач). Однако, из-за сложности задачи одного этого метода недостаточно для полу­чения надёжного ответа. Важен перекрёстный контроль результатов, полученных при использовании всех трёх методов.

В работе показано, что все эти способы дают схожие результаты,

12


согласующиеся с данными других экспериментов.

В четвёртой главе описывается вычисление коэффициентов абсо­лютных нормировок для приведения интенсивностей полученных спек­тров к границе атмосферы. Для этого автором было выполнено моде­лирование фрагментации потока первичных космических лучей в слое атмосферы над прибором. В качестве первичных частиц использова­лись протоны и все ядра от гелия до железа. Траектории падающих частиц были распределены изотропно в пределах апертуры прибора. Для исследования зависимости вероятностей фрагментации от энергии падающей частицы моделирование проводилось при трёх фиксирован­ных энергиях: 10 ГэВ на нуклон, 100 ГэВ на нуклон и 1 ТэВ на нуклон. Для исследования зависимости вероятностей фрагментации от глуби­ны слоя остаточной атмосферы моделирование проводилось для трёх высот экспозиции прибора: дневной (4,55г/см2), ночной (5,58г/см2) и средней по всему полёту (4,87г/см ). Показано, что вероятности фраг­ментации слабо зависят как от энергии первичной частицы в рассмат­риваемом диапазоне энергий, так и от глубины слоя остаточной ат­мосферы на протяжении полёта прибора. Поэтому учёт фрагментации потока первичных космических лучей не изменяет форму спектра, а влияет лишь на величину абсолютной интенсивности энергетических спектров отдельных компонент.

Окончательные результаты приведены в виде таблиц абсолютных интенсивностей для каждого типа ядер. Выполнено сравнение с су­ществующими моделями спектров в источниках и с существующими моделями распространения космических лучей в Галактике.

13


В заключении приведены основные результаты диссертации:

На основе программного пакета FLUKA разработан программ­
ный комплекс для расчёта функций отклика спектрометра ATI С
на падающие в апертуру прибора первичные ядра.

С хорошей статистикой произведено моделирование матриц от­
клика спектрометра ATIC на средние и тяжёлые ядра (С, О, Ne,
Mg, Si и Fe). Для моделирования были использованы самые пере­
довые на сегодняшний день технологии распределённых (GRID)
и параллельных (кластеры MPI) вычислений.

Исследованы   разные   методы   восстановления   энергетических
спектров из измеренных спектров энерговыделений для ядер С,
О, Ne, Mg, Si и Fe.

Решена задача о фрагментации потока космических лучей в оста­
точной атмосфере.

Построены  энергетические  спектры   средних   (С,   О)   и  тяжё­
лых (Ne, Mg, Si, Fe) ядер в области энергий от 100 ГэВ до 100 ТэВ
и выполнен анализ полученных результатов.

14


По теме диссертации опубликованы следующие работы:

[1] В. И. Зацепин, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. Л. Башинджагян, К. Е. Батьков и другие. Зарядовое разрешение в эксперименте АТИК. Известия РАН: серия физическая 66(11), 1631-1633 (2002).

[2] Zatsepin, V. I., Adams, J. H., Aim, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. Е., et al. Experience of Application of Silicon Matrix as a Charge Detector in the ATIC Experiment. In Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference, volume 4, 1857-1860 (Universal Academy Press, Tsukuba, Japan, 2003).

[3] Zatsepin, V. I., Adams, J. H., Ahn, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. Е., et al. Comparison of Measured and Simulated Albedo Signals in the ATIC Experiment. In Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference, volume 4, 1861-1864 (Universal Academy Press, Tsukuba, Japan, 2003).

[4] Zatsepin, V. I., Adams, J. H., Ahn, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. Е., et al. Rigidity spectra of protons and helium as measured in the first flight of the ATIC experiment. In Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference, volume 4, 1829-1832 (Universal Academy Press, Tsukuba, Japan, 2003).

[5] К. Е. Батьков. Моделирование энергетического отклика спектро­метра АТИК. Труды четвёртой баксанской молодёжной шко­лы экспериментальной и теоретической физики. Под редакцией А. А. Петрухина и М. X. Хоконова, 1-4 (КБГУ, Нальчик, 2003).

[6] В.  И.  Зацепин, Дж. X.  Адаме, X.  С.  Ан,  Г.  Л.  Башинджагян,

15


К. Е. Батьков и другие. Энергетические спектры и зарядовый со­став галактических космических лучей, измеренные в эксперимен­те AT И К 2. Известия РАН. Серия Физическая. 68(11), 1593-1595

(2004).

[7] Zatsepin, V. I., Adams, J. H., Ahn, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. Е., et al. The silicon matrix as a Charge Detector in the ATIC Experiment. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 524, 195-207 (2004). doi:10.1016/j.nima.2004.01.071.

[8] H. В. Сокольская, Дж. X. Адаме, X. С. Ан, Г. Л. Башинджагян, К. Е. Батьков и другие. Альбедо в эксперименте АТИК: результа­ты измерений и моделирования. Ядерная физика 68(7), 1225-1232 (2005).

[9] Panov, A. D., Adams, J. H., Ahn, H. S., Bashindzhagyan, G. L., Batkov, К. Е., et al. The energy spectra of heavy nuclei measured by the ATIC experiment. Advances in Space Research (2005). doi:10.1016/j.asr.2005.07.040

Запрос на диссертацию присылайте на адрес kulseg@mail.ru

Биология
Ветеринария
Геология
Искусствоведение
История
Культурология
Медицина
Педагогика
Политика
Психология
Сельхоз
Социология
Техника
Физ-мат
Филология
Философия
Химия
Экономика
Юриспруденция

Подписаться на новости библиотеки
Рассылка 'Новости библиотеки диссертаций'

Пишите нам
X