Поиск нейтринных всплесков от коллапсирующих звёзд с помощью Баксанского подземного сцинтилляционного телескопа и детектора КОЛЛАПС

БАКСАНСКИЙ ПОДЗЕМНЫЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ТЕЛЕСКОП (БПСТ)

В 1978 г. осуществлен запуск 3200-канального подземного сцинтилляционного телескопа (ПСТ), одной из крупнейших подземных установок того времени. В 80 - 90-х годах начата его модернизация - установлен дополнительный регистрирующий слой, изготавливается вторая линия регистрации событий, ведется строительство установки "АНДЫРЧИ" над телескопом и мюонного детектора под установкой "КОВЕР".

БПСТ - многоцелевая подземная установка, предназначенная для решения большого круга проблем астрофизики, физики элементарных частиц и космических лучей (к.л.).

Телескоп расположен в горной выработке объемом 12000 куб. метров на расстоянии 550м от начала горизонтального тоннеля. Эффективная толщина грунта над телескопом составляет 850 гг/см². Установка представляет собой четырехэтажное здание с площадью основания (16,7 * 16,7) м² и высотой 11,1 м. Здание телескопа собрано из бетонных блоков толщиной 0,8 м, выполненных из низко радиоактивного бетона на основе ультраосновных пород (дуниты). Межэтажные перекрытия толщиной 0,8 м засыпаны мелкими фракциями щебня из дунита (150 г/см²). Шесть внешних и два внутренних регистрирующих слоя (четыре горизонтальных и четыре вертикальных слоя) изготовлены из стандартных жидкостных сцинтилляционных детекторов. Общее количество детекторов - 3 180, а общий вес сцинтиллятора в них ~ 330 тонн

Стандартный модуль представляет собой алюминиевый контейнер размерами (0,7 * 0,7 * 0,3) м³ , наполненный жидким сцинтиллятором на основе уайт-спирита с добавками РРО (1г/л) и РОРОР (0,03г/л). Внутренняя поверхность покрыта белой эмалью, диффузно отражающей свет. Объем детектора просматривается одним фотоэлектронным умножителем ФЭУ - 49 с диаметром фотокатода 0,15 м.

Прохождение заряженной релятивистской частицы сопровождается энерговыделением ~50 МэВ, что соответствует появлению на аноде ФЭУ сигнала амплитудой 70 мВ на нагрузке 75 Ом. Анодные сигналы детекторов каждого слоя суммируются последовательно в группы по 25, 100 и 400 детекторов.

Кроме сигнала с анода, информация снимается с 5-го и 12-го динодов и поступает, соответственно, на преобразователи "амплитуда (А) - время (Т)" и интегральный дискриминатор, расположенных на кожухе ФЭУ.

Порог преобразователя "А - Т" соответствует прохождению через детектор десяти релятивистских частиц, а динамический диапазон время-амплитудного преобразователя ~2 * 10³.

Порог интегрального дискриминатора соответствует энерговыделению 10 МэВ.

Сигналы с индивидуальных преобразователей "А - Т", интегральных дискриминаторов и анодные сигналы от групп детекторов каждого слоя телескопа поступают на регистрирующие устройства, расположенные в аппаратном зале, для:

определения координат детекторов, через которые прошли частицы;

измерения относительного времени пролета частицы через слой телескопа (точность 2 нс);

измерения энерговыделений в индивидуальных детекторах в диапазоне 0,05 - 1000 ГэВ;

измерения энерговыделений в отдельной плоскости от 10 МэВ до нескольких десятков ТэВ;

регистрации формы анодных сигналов каждого слоя для редких событий.

Система регистрации

Информация от регистрирующих устройств, а также от систем абсолютного и относительного времени поступает по каналу прямого доступа в ЭВМ. Каждые 900 сек вся накопленная и предварительно обработанная информация передается по оптоволоконному кабелю на сервер. На телескопе одновременно работает около десятка диагностических программ, которые позволяют иметь информацию о работоспособности всех систем телескопа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ БАКСАНСКОГО ТЕЛЕСКОПА

Измерен поток мюонов, рожденных нейтрино космических лучей, и получены ограничения на параметры осцилляций нейтрино;

Получено ограничения на поток нейтрино высоких энергий от локальных источников. Поток мюонов от нейтрино, из плоскости Галактики: F_ν<4 * 10^-14 cm^-2 s^-1sr^-1.

Получено наилучшее в мире ограничение на поток медленных(2 * 10^-4≤ν/c<10^-1) тяжелых магнитных монополей:
P ≤ 5.5 * 10^-16 cm^-2 s^-1 sr^-1.

Измерена амплитуда (12,3 ± 2) * 10^-4 и фаза (1,6 ± 0,8) первой гармоники анизотропии в звездном времени.

В течение 25 лет ведется служба наблюдения за нейтринными всплесками от гравитационного коллапса звезд в Галактике. По данным наблюдения за весь период (живое время 22 года) получены следующие ограничения на частоту вспышек ƒ и средний интервал между вспышками сверхновых Т (на 90% д.у.): ƒ < 0.177 год^-1 , T > 5.65 лет ;

Одновременно с установками США, Италии, Японии зарегистрирован поток нейтрино от коллапса звезды в Большом Магеллановом Облаке SN 1987A.

Исследовалась стабильность протона в ядрах вещества; полученное ограничение на время жизни протона:- Т > 0,9 * 10³¹ лет, являлось лучшим в то время в мире.

Измерен поток высокоэнергичных нейтронов, генерируемый мюонами в скальном грунте: P_n≤ (3.8 ± 0.5) * 10^-8 m^-2 s^-1.

Разработан и реализован в эксперименте метод разделения адронных и электромагнитных каскадов, основанный на регистрации π-μ-e-распадов, сопровождающих каскад.

Измерено полное сечение адронного фотопоглощения до энергий фотонов 10 ТэВ; полученные результаты согласуются с предсказаниями недиагональной обобщенной модели векторной доминантности.

Данные по измерению химического состава первичных космических лучей с энергиями 10¹² - 10¹⁶ эВ хорошо согласуются с результатами прямых измерений при более низких (10¹² эВ) энергиях.

На основе измеренной доли ядерных каскадов получены экспериментальные данные по сечению γ-N взаимодействия в диапазоне энергий √S=40 - 130 ГэВ. Эти данные, объединенные с данными, полученными в DESY на коллайдере HERA, подтверждают эффект более быстрого роста фотон-адронного сечения по сравнению с ростом сечений адрон-адронных взаимодействий.

Предложены, разработаны и реализованы два новых метода изучения мюонной компоненты широких атмосферных ливней; методы позволяют получить новую информацию об энергетическом спектре и массовом составе ПКЛ в области энергий 10¹⁵ - 10¹⁷ эВ.

Развита и реализована методика пересчета от спектра кратностей мюонов к спектру ШАЛ по полному числу мюонов, который, в отличие от спектра кратностей, является объективной (не зависящей от установки) характеристикой потока ПКЛ. Эта методика позволяет выполнить прямое сравнение данных, полученных в разных экспериментах с мюонными группами.

УСТАНОВКА "АНДЫРЧИ"

В 1995 г. начала свою работу установка "АНДЫРЧИ", предназначенная для регистрации атмосферных ливней с энергией больше 10¹⁴ эВ.

Установка расположена на склоне горы Андырчи, над телескопом и состоит из 37 стандартных детекторов на основе пластмассовых сцинтилляторов площадью 1 м². Детекторы расположены на площади ~ 4,5 * 10⁴ м² с шагом ~ 40 м. Центральный детектор установки расположен над БПСТ, расстояние по вертикали ≈ 350 м.

На установке проводятся исследования в области γ-астрономии сверхвысокой энергии и анизотропии первичных космических лучей в области энергий 10¹⁴-10¹⁷ эВ

Комплекс БПСТ - "Андырчи" является уникальным, не имеющим в настоящее время аналогов в мире. Одним из экспериментов, проводимых в настоящее время на этом комплексе, является проверка гипотезы об изменении в элементарном акте характера взаимодействия первичных частиц с ядрами атомов воздуха (и таким образом, излом в спектре ШАЛ по N_e связан с этим явлением).

Установка "Aндырчи" - наземная установка, работающая автономно. Для подобных установок очень актуальна безопасная эксплуатация в периоды грозовой активности. Эта задача успешно решена, разработка является авторской, уникальной для незаземленных установок. Принцип действия громозащиты основан на регистрации импульсных электромагнитных колебаний, возникающих в результате разрядов молнии.

УСТАНОВКА "КОВЕР"

Установка "КОВЕР", начавшая работу в 1973 году, предназначена для исследований жесткой компоненты космических лучей и широких атмосферных ливней, имеет непрерывную площадь регистрации 200 м². Центральная часть установки и шесть выносных пунктов площадью по 9 кв. м. составлены из тех же типовых жидкостных сцинтилляционных детекторов, что и подземный сцинтилляционный телескоп.

Основные направления исследований

исследование структуры центральной части широких атмосферных ливней.

Анализ событий позволил интерпретировать подстволы в многоствольных ливнях как следствие генерации струй частиц с большими поперечными импульсами и оценить сечение этого процесса в адрон-адронных взаимодействиях при энергии в системе центра масс √S ~ 500 ГэВ. Результат этого эксперимента, впервые подтвердившего предсказания квантовой хромодинамики, был опубликован раньше, чем соответствующее сечение, измеренное на SPS-коллайдере в ЦЕРНе.

исследование вариаций космических лучей

Огромный темп счета одиночных мюонов космических лучей позволяет иметь высокую статистическую точность за малые интервалы времени (0,03 % за 4 мин). Обнаружен новый тип спорадических вариаций с малым характерным временем, связанных с метеорологическими эффектами - сильная корреляция с величиной электрического поля в атмосфере (наблюдаются только во время грозы).

Пожалуй, самым интересным из спорадических изменений интенсивности космических лучей является гигантское возрастание во время мощной солнечной вспышки 29 сентября 1989 года. Впервые в этом событии наблюдалось присутствие частиц солнечного происхождения с энергией, по крайней мере, до 10¹⁰ эВ, причем наиболее яркие данные получены именно на установке "КОВЕР".

исследование анизотропии космических лучей

Полученное значение анизотропии космических лучей при 10¹³ эВ равно (0,057 ± 0,005) %.

гамма-астрономия сверхвысоких энергий

Ведется непрерывная регистрация атмосферных ливней с энергией больше 10¹⁴ эВ. Наиболее интересный результат, полученный к настоящему времени - регистрация вспышки от Крабовидной туманности 23 февраля 1989 года. Данные об этой вспышке, впервые опубликованные группой, работающей на установке "КОВЕР", позже были подтверждены на установках "Коллар Голд Филдс" в Индии и "Top EAS" в Гран Сассо (Италия).

УСТАНОВКА "КОВЕР-2"

В настоящее время закончены работы по созданию части подземного мюонного детектора "КОВЕР-2", предназначенного для совместной работы с установкой КОВЕР. На данном детекторе используются пластические сцинтилляционные детекторы (175 шт), площадью 1 кв.м. каждый.

Основные параметры установки:

непрерывная площадь регистрации 175 кв.м.

пороговая энергия для регистрируемых мюонов равна 1 ГэВ;

чувствительность установки больше 0,004 частиц/м² .

Получена зависимость среднего числа зарегистрированных в ММД мюонов (N_μ ) с энергией Е ≥ 1 ГэВ от полного числа ливневых частиц (N_e), регистрируемых установкой "КОВЕР", при аппроксимации в виде:

N_μ ~ N_e^α , α =0,8

Анализ информации с мюонного детектора, при его совместной с установкой "КОВЕР" работе, позволит существенно увеличить чувствительность эксперимента по поиску локальных источников гамма-квантов сверхвысоких энергий; проводить исследования химического состава первичных космических лучей с Е ≥ 10¹⁴ эВ; изучать вариации мюонов с энергиями больше 1 ГэВ.

В лаборатории ПСТ работают 52 человека, из них 14 научных сотрудников. Результаты исследований регулярно докладываются на Российских и Международных конференциях, публикуются в российских и международных периодических изданиях; часть работ поддерживается Российским Фондом Фундаментальных Исследований.

Персона для контактов:

Петков Валерий Борисович, д.ф.-м.н. vpetkov@inr.ru 8(866)387-51-37 факс 8(866)3875-205

Назад к списку

Главная Кабинет Контакты Сотрудники Документы