Эксперимент

УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
Ю.Т. ЮРКИН и коллаборация ПАМЕЛА
Институт Космофизики Московского инженерно-физического института
(государственного университета)
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ ПОТОКОВ АНТИПРОТОНОВ И ПРОТОНОВ ПРИ ЭНЕРГИИ
200-400 МэВ ПО ДАННЫМ МАГНИТНОГО СПЕКТРОМЕТРА
ПАМЕЛА
Приведена методика измерения отношения потоков антипротонов и протонов
в космических лучах по данным магнитного спектрометра ПАМЕЛА.
Для выделения из общего потока информации протонов и антипротонов использовалась следующая процедура:
На первом этапе были отобраны события, в которых надежно был зарегистрирован один и только один трек. Отбор проводился по следующим
критериям:
 каждый сцинтилляционный детектор времяпролетной системы выработал сигнал, соответствующий прохождению одной частицы;
 временное соотношение между сигналами времяпролетной системы
соответствует прохождению частицы в прямом направлении ( > 0);
 отсутствуют сигналы в детекторах системы антисовпадений, расположенных в верхней части прибора;
 в трекере присутствует один трек, причем определение искривления трека проведено не менее, чем по четырем точкам, и величина ч 2 свидетельствует о том, что траектория соответствует дуге окружности.
На втором этапе были построены диаграммы зависимости от модуля
жесткости, определенной в трекере, следующих параметров:
 скорость частицы (), определенная по сигналам времяпролетной
системы;
 среднее энерговыделение в сцинтилляционных детекторах времяпролетной системы;
 среднее энерговыделение в трекере.
Последние два параметра представляют фактически удельные потери
энергии на ионизацию.
На диаграммах выделяются области, в которые попадают события для
разных типов частиц: область электронов (позитронов), область пионов,
область протонов (антипротонов), области ядер (Z > 2).
136
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 9
УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
На каждой диаграмме были определены границы областей протонов
(антипротонов) так, чтобы вероятность попадания частиц других типов в
эти области была менее 10-2. Это удалось сделать для жесткости не более
950 МВ/с, что соответствует энергии протона 400 МэВ. При этом вероятность того, что частица типа отличного от протона (антипротона) попадет
сразу в три выделенные области на трех диаграммах менее 5·10 -3.
Такой отбор событий гарантирует, что отношение потока антипротонов к потоку протонов не искажается вкладом электронов и пионов. Отобранные события были разделены по знаку жесткости на протоны и антипротоны. Кроме того, были выделены частицы, с жесткостью выше жесткости геомагнитного обрезания – первичные и вторичные частицы.
Полученные после обработки информации, накопленной за первый год
измерений эксперимента ПАМЕЛА результаты по отношению числа первичных антипротонов к числу протонов для энергии 290 – 390 МэВ и отношению числа вторичных антипротонов к числу протонов для энергии
350 – 390 МэВ следует считать предварительными, так как в настоящее
время проводится уточнение критериев отбора событий.
Работа выполнена при частичной поддержке Гранта РФФИ №07-0200992а и в рамках Проекта Рособразования РНП 2.2.2.2.8248.
Список литературы
1. The PAMELA space experiment: first year of operation. PAMELA Collaboration
European Physical Society HEP2007, Manchester, England, 19-25 July 2007
2. The Physics of PAMELA Space Mission. PAMELA Collaboration 30th ICRC,
OG 1.2, 2007
В.В. МИХАЙЛОВ и коллаборация ПАМЕЛА
Институт Космофизики Московского инженерно-физического института
(государственного университета)
ЗАРЯДОВОЕ ОТНОШЕНИЕ В ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННЫХ
ПОТОКАХ С ЭНЕРГИЕЙ 1-5ГэВ В ОКОЛОЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Основная задача калориметра прибора ПАМЕЛА на борту спутника «Ресурс
ДК1» состоит в выделении антипротонов и позитронов в космических лучах. В
данной работе определено зарядовое отношение в альбедных электрон-позитронных потоках с энергией 1-5 ГэВ в околоземном пространстве с использованием
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 9
137
УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
топологических характеристик электромагнитных и адронных ливней в калориметре.
Эксперимент «ПАМЕЛА» проводится на борту спутника «Ресурс
ДК1», запуск которого состоялся в 2006 г. Спутник имеет эллиптическую
орбиту с высотой от 350 до 600 км, наклонением 70 0. С 11 июля 2006 по
настоящее время проводятся непрерывные измерения потоков частиц
космических лучей.
Прибор ПАМЕЛА состоит из магнитного спектрометра на основе постоянного магнита ~0.4 Тл, окруженного детекторами антисовпадений,
калориметра, время пролетной системы на основе сцинтилляционных
счетчиков С1-С3, нижнего сцинтилляционного детектора С4 и нейтронного детектора [1].
Координатно-чувствительный калориметр состоит из 22 перемежающихся слоев из «стриповых» кремниевых детекторов и вольфрамовых
поглотителей. Толщина каждого слоя поглотителя 0.26 см, что соответствует 0.74 Хо (радиационной длины). “Стриповые” детекторы состоят из
двух пластин, «стрипы» которых расположены взаимно перпендикулярно,
позволяя определять Х и Y координаты треков частиц.
Для определения зарядового отношения в альбедных электронпозитронных потоках в околоземном космическом пространстве были
обработаны экспериментальные данные, полученные в областях с пороговой жесткостью геомагнитного обрезания более 10 ГВ. Область Бразильской Магнитной Аномалии была исключена из рассмотрения.
Для анализа взяты события, имеющие одиночный трек в магнитном
спектрометре с временем пролета, соответствующим движению в прямом
направлении, и энерговыделением в детекторах, соответствующем заряду
|Z|=1. Знак заряда частиц определялся по отклонению в магнитном поле.
Для выделения позитронов на фоне протонов использована топологическая переменная, учитывающая число сработавших «стрипов» калориметра вплоть до плоскости, в которой должен был бы наблюдаться максимум
электромагнитного ливня для позитрона с импульсом, соответствующим
кривизне траектории в магнитном поле спектрометра [2]. Число “стрипов”
просуммировано с весами равными номеру пластины поглотителя. Вычисленная таким образом величина построена на рисунке в зависимости
от измеренной жесткости частиц. Области, соответствующие электронам,
позитронам и протонам различимы на этом рисунке и позволяют определить число частиц каждого типа. Отношение числа позитронов к числу
электронов достигает ~4 для энергии 1 ГэВ и уменьшается ростом энергии, что согласуется с моделью образования этих частиц в процессах вза138
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 9
УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
имодействия космических лучей высоких энергий с остаточной атмосферой Земли. [3].
Работа выполнена при частичной поддержке Гранта РФФИ №07-0200992а и в рамках Проекта Рособразования РНП 2.2.2.2.8248.
Список литературы
1. Picozza P., Galper A.M. at al. Astroparticle Physics. 2007. 27. 296.
2. Moccutti E. et. al. The PAMELA Electromagnetic calorimeter: flight status. 2007. Proc. 30
ICRC. Merida. Mexico. OG.1.5.
3. Григоров Н.Л. Электроны высокой энергии в окрестности Земли. М.1985.
С.А. ВОРОНОВ и коллаборация ПАМЕЛА
Институт Космофизики Московского инженерно-физического института
(государственного университета)
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ ПОЗИТРОНОВ
К ЭЛЕКТРОНАМ С ЭНЕРГИЯМИ 5-100 ГэВ
В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПАМЕЛА
Приведена методика регистрации космических позитронов и электронов спектрометре ПАМЕЛА. Отношение первичных позитронов и электронов близко к
5% в диапазоне энергии 5–100 ГэВ.
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 9
139
УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
Магнитный спектрометр ПАМЕЛА [1] представляет собой комплекс
детекторов, предназначенный для регистрации античастиц высоких энергий. Он установлен на спутнике “Ресурс-ДК1”. Основными детекторами
являются кремниевый трекер (ТР), помещенный в магнитное поле, позволяющий измерять энергию частиц с точностью лучше 10% для энергий
менее 60 ГэВ и координатно-чувствительный калориметр (КАЛ), состоящий из 22 пластин вольфрама толщиной 2,3 мм каждая, прослоенных
плоскостями из кремниевых детекторов с 96 «стрипами» шириной 2,4 мм
ортогонально расположенными у соседних плоскостей. Динамический
диапазон детекторов составляет 0.5–1200 о.р.ч. Калориметр способен измерять энергию позитронов и электронов с точностью лучше 10% с энергиями выше 2 ГэВ. В состав спектрометра также входит времяпролетная
система (ВПС) на основе сцинтилляционных детекторов, позволяющая
измерять скорость частицы в с точностью около 10%.
При выделении позитронов на фоне протонов использовалась методика, основанная на спектрометрических свойствах ТР и КАЛ. Для электронов и позитронов величины энергий, восстановленные по ТР и КАЛ, совпадают, а для протонов энергия, восстановленная по КАЛ существенно
меньше, чем по ТР. Это обусловлено тем, что суммарное количество вещества в КАЛ составляет около 0,5 ядерной длины. Анализ экспериментальных данных показал, что величины энергий электронов, восстановленных по ТР и КАЛ, отличаются не более, чем на 7% для диапазона 5 –
20 ГэВ. Расчеты методом Монте-Карло [2] на основе программы GЕANT
3.21 [3] показали, что данная методика позволяет подавлять протоны на 2
порядка.
Следующим шагом в подавлении фона протонов является анализ продольного профиля развития каскада в КАЛ. Этот профиль для электронов
аппроксимируется гамма-функцией, и методом наименьших квадратов
определяются ее параметры для каждого события для ортогональных проекций. Затем проводится сравнение этих параметров для ортогональных
проекций. Дополнительно анализируется положение максимума каскада и
разность этих положений для ортогональных проекций. Эта методика
позволяет подавить протоны еще в 5 раз дополнительно.
Использование координатной информации от пластин КАЛ позволяет
измерить поперечные размеры каскада для разделения протонов и позитронов. Расчеты методом Монте-Карло показали, что различие в поперечных размерах таких ливней позволяет подавить фон протонов в 3 раза
дополнительно к предыдущим методам.
140
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 9
УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
Для дальнейшего подавления
фона протонов в 4 раза дополнительно к ранее описанным методам
применим анализ смешанного второго момента поперечного распределения вторичных частиц в каскаде. Это обусловлено тем, что для
электронов и позитронов из-за
симметрии линя второй момент
близок к 0, а для протонов, поскольку адронный каскад, как правило, начинается с распада 0мезона на 2 гамма-кванта, поперечное распределения вторичных
частиц отличию от изотропного.
Результаты расчета вероятности
имитации позитронов протонами после использования вышеупомянутых
методов приведены на рисунке 1.
Использование информации от детектора нейтронов (ДН), входящего в
состав ПАМЕЛА, позволяет подавить протоны дополнительно в 2 раза
[4].
Кроме того, протонные события браковались требованием получения
малой величины ч2 при восстановлении энергии по ТР и малого (не более
10%) отличия величины скорости частицы по ВПС от 1.
Все пороговые значения соответствующих величин были определены
для электронных событий, полученных в эксперименте для энергий электронов 5 - 25 ГэВ, и были экстраполированы к большим энергиям.
Предварительные результаты по измерению отношения е +/(е+ + e),
полученные за первые 3 месяца измерений на орбите, не противоречат
мировым данным.
Работа выполнена при частичной поддержке Гранта РФФИ №07-0200992а и в рамках Проекта Рособразования РНП 2.2.2.2.8248.
Список литературы
1. P. Picozza et al. Astroparticle physics, 2007. V. 27. Р.296.
2. Базилевская Г. А., Воронов С. А., Гальпер А.. М., Зверев В. Г. и др. Изв. РАН,
сер. физ., 2005. Т. 69. №3. С. 312.
3. R. Brun, F. Carminati. CERN Program Library Long Write-up 1993. W5013. 427 p.
4. Воронов С. А., Гальпер А.. М., Зверев В. Г. и др. Изв. РАН, сер. физ., 2005. Т. 69. №3.
С. 314.
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 9
141
УДК 521(06) Астрофизика и космофизика
142
ISBN 978-5-7262-0883-1. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2008. Том 9