Определение причин и доли вкладов различных
advertisement
Влияние возмущений магнитосферы Земли, вызванной солнечной активностью, на поток высокоэнергичных космических лучей. А. Бычков. А. Гуськов. Введение Космические лучи традиционно являются инструментом не только физики элементарных частиц, но и астрофизики. Энергетический спектр, состав и зависимость потока космических лучей высоких энергий галактического и внегалактического происхождения от направления несут информацию о свойствах межзвёздной среды, конфигурации галактических магнитных полей, пространственном распределении источников космических лучей и механизмах ускорения частиц до высоких энергий. В настоящее время в Объединённом Институте Ядерных Исследований (Дубна) создаётся распределённая установка “РУСАЛКА” для регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ), порождаемых взаимодействием первичных космических лучей с атмосферой Земли. Её основными научными задачами являются изучение вариаций потока первичных космических лучей и поиск пространственных и временных корреляций между ШАЛ в диапазоне энергий выше 1013 эВ. В рамках научно-образовательного проекта “Ливни знаний” данные установки “РУСАЛКА” доступны через веб-интерфейс для анализа широкому кругу заинтересованных пользователей. Для поиска и изучения вариаций потока космических лучей, вызванных не известными на сегодняшний день причинами, прежде всего, необходимо принять во внимание вариации, связанные с уже известными причинами, такими, например, как солнечная активность. О связи солнечной активности с вариациями потока космических лучей, регистрируемых у поверхности Земли, известно давно. Механизмы, обеспечивающие эту связь различны: изменение потока солнечных космических лучей, непосредственно связанное с процессами, происходящими в атмосфере Солнца; изменение потока галактических космических лучей, связанное с возмущениями межпланетного магнитного поля (Форбуш - эффект); изменение состояния атмосферы Земли, приводящее к изменению условий генерации вторичных космических лучей и т. д. Низкоэнергетичная область спектра первичных космических лучей наиболее подвержена вариациям, связанным с солнечной активностью (эффект может составлять десятки процентов), в то время, как влияние солнечной активности на жёсткие космические лучи незначительно. В данной работе сделана попытка проследить связь возмущений геомагнитного поля, вызванных солнечной активностью, с изменением потока вторичных космических лучей у поверхности Земли, рождённых при взаимодействии первичных протонов с энергией выше 100 ГэВ в атмосфере. Установка “РУСАЛКА” Установка “РУСАЛКА”, расположенная на территории Лаборатории Ядерных Проблем Объединённого Института Ядерных Исследований, представляет собой кластер, в состав которого входят 7 станций. Диаметр описанной вокруг кластера окружности, составляет 250 метров, таким образом эффективная площадь установки составляет 0.05 км2. Каждая станция состоит из 2-х сцинтилляционных счетчиков площадью 0.5 м2 каждый, блока электроники сбора и первичной обработки данных и антенны GPS приемника. (Рис. 1). Станция записывает лишь события одновременного прохождения частиц через два счётчика (|t1t2|<1200 нс). Это условие позволяет игнорировать значительную часть событий, не связанных с прохождением ШАЛ (одиночные частицы вторичных космических лучей, шумы фотоэлектронных умножителей, служащих для превращения светового сигнала в сцинтилляторе в электрический сигнал и т. д.), поскольку вероятность их одновременного появления в двух счётчиках невелика. Скорость счёта отбираемых таким образом событий лежит в интервале 0.1-1 Гц, в то время как скорость счёта каждого сцинтилляционного счётчика составляет около 60 Гц. Следует отметить, что несмотря на величину окна в 1200 нс, разница времени прихода сигналов со счётчиков, вызванных ШАЛ заметно меньше и составляет несколько десятков наносекунд. Распределение для величины |t1-t2| показано на Рис. 2. Узкий пик в нуле соответствует сигналам от ШАЛ (события класса А), в то время как равномерное распределение соответствует фоновым событиям (события класса B). Доля событий класса B может составлять до 10% от всех событий. Монте-Карло моделирование процесса регистрации ШАЛ отдельной станцией показало, что основная доля событий, регистрируемых станцией, соответствует начальной энергии частицы в 1011-1015 эВ. Рис.1: Принципиальная схема установки РУСАЛКА. Раз в 6 часов каждая станция передаёт набранные данные на центральный сервер для хранения и последующей обработки, в том числе и через веб-интерфейс. Посредством GPS сигнала каждое событие получает временную привязку к всемирному времени (UTC) с точностью не хуже нескольких десятков наносекунд. События, зарегистрированные разными станциями установки во временном окне в 1000 нс интерпретируются как порождённые одним и тем же ШАЛ и при последующей обработке объединяются в суперсобытие. Точное знание времени регистрации каждого события в суперсобытии позволяет определить направление приходящего ШАЛ, а, следовательно, и первичной высокоэнергетичной частицы. Также имеются косвенные методы оценки энергии первичной частицы. Рис. 2: Распределение временного сдвига t1-t2 между сигналами с двух сцинтилляционных детекторов одной станции. Зависимость счёта станций от метеоусловий Изменение атмосферного давления во времени - наиболее сильный эффект, приводящий к изменению счёта станций. Эффект обусловлен тем, что с изменением давления изменяется плотность атмосферы над точкой наблюдения, а значит и условия развития ШАЛ. Увеличение длины свободного пробега вторичных частиц в ливне с уменьшением давления приводит к тому, что счёт станции тем выше, чем ниже давление. Зависимость счета станций от атмосферного давления (барометрический эффект) может быть измерена для каждой станции, поскольку в состав установки входит метеостанция, непрерывно мониторирующая состояние атмосферы. На Рис. 3 показан пример зависимости счёта от давления для одной из станций. Можно видеть, что зависимость счёта от давления линейная вида: R R0 1 k P 100kPa . Значение углового коэффициента k для каждой станции может быть определено независимо для произвольного периода времени. Для устранения вариаций счёта, связанных с барометрическим эффектом, счёт станций в соответствии с вышеприведённой формулой пересчитывается на давление 100 кПа. На Рис. 4 показан пример счёта станции до и после такой корректировки. Видно, что вариации, связанные с изменением давления, практически полностью сглаживаются. Зависимость счёта станций от температуры атмосферы у поверхности при постоянном давлении показана на Рис 5. Поскольку среднеквадратичное отклонение температуры от среднего значения в течение суток (а именно суточный интервал используется в нашем исследовании в качестве единичного) невелико и составляет обычно 3-5 градусов, вариации счёта станций в пределах суток, вызванные температурным эффектом не должны превышать 0.3-0.5%. Из-за малости этой величины в настоящее время счёт станций не корректируется на температурный эффект. Рис. 3: Зависимость скорости счёта одной из станций от атмосферного давления. Рис. 4: Регистрируемый счёт станции 5 (красная линия) и счёт, поправленный на величину барометрического эффекта (синяя линия) в зависимости от времени. Рис. 5: Зависимость скорости счёта одной из станций от температуры при постоянном давлении. Поиск корреляций между изменением геомагнитного поля и вариациями счёта станций Для анализа были использованы данные по измерению временной зависимости счёта станций 4, 5, и 3 в период с марта по октябрь 2011 года. События, для которых разность времён прихода сигналов с двух сцинтилляционных счётчиков каждой станции превышала 30 нс, исключались из анализа. Этим требованием эффективно отбрасывались события, являющиеся случайными совпадениями сигналов счётчиков, вызванных как шумами ФЭУ, так и прохождением вторичных частиц, не связанных с общей первичной частицей. Для определения состояния геомагнитного поля был использован индекс геомагнитной активности , который непосредственно связан с вариацией геомагнитного поля (см. Рис. 6). Значение индекса > 4 соответствует магнитной буре. Данные по геомагнитной активности были взяты с сайта прокат «ТЕСИС», целью которого является исследование Солнца в рентгеновской области спектра. Данные доступны в виде гистограмм (Рис. 6,1). Рис. 6: Связь индекса K p с вариацией индукции геомагнитного поля. Рис. 6.5: Гистограмма изменения индекса геомагнитной активности во времени. Основная идея, использованная в данной работе, заключается в том, что для поиска корреляций между изменением регистрируемого потока ШАЛ и солнечной активностью исследовалась не зависимость среднего счёта станций от времени, сопоставленная со временем начала солнечных вспышек, а зависимость флуктуаций регистрируемого числа событий от индекса геомагнитной активности. Была сделана попытка выделить в наблюдаемых флуктуациях компоненту, не связанную со статистическими флуктуациями и зависящую от K p . Единичным временным интервалом, используемым в анализе, являлись сутки. Каждые сутки делились на 8 трёхчасовых интервалов, для каждого из которых вычислялась средняя скорость счёта . Далее для каждых суток вычислялась относительная флуктуация скорости счёта: (2) Таким образом, каждые сутки измерения для каждой станции характеризовались всего двумя величинами: относительной флуктуацией скорости счёта значением индекса геомагнитной активности разделён на 9 групп с одинаковым значением и максимальным за сутки . Весь набор данных для каждой станции был (от 0 до 8). Для каждой из 9 групп было вычислено среднее значение относительной флуктуации скорости счёта (3) где — число суток в соответствующей группе, и была оценена статистическая ошибка величины величины из предположения, что в пределе большого числа событий дисперсия в каждой группе одинакова и равна (4) Здесь — полное число анализируемых суток для данной станции. Тогда (5) Зависимость величины на Рис. 7. от для каждой из трех анализируемых станций приведена Было сделано предположение о том, что флуктуации счёта каждой станции Рис. 8: Зависимость уровня относительных флуктуаций, вызванных солнечной активностью, от индекса геомагнитной активности . Рис. 7: Зависимость среднего значения относительной флуктуации скорости счёта от индекса геомагнитной активности . Было сделано предположение о том, что флуктуации счёта каждой станции определяются вкладами двух компонент: статистическими флуктуациями скорости счета (поскольку ni является случайной величиной, подчиняющейся статистике Пуассона) и флуктуациями , связанными с солнечной активностью: (6) Предполагалось, что вклад периода «спокойного» Солнца ( одинаков для всех станций, пренебрежимо мал для < 4) и растёт с ростом уникален для каждой станции и не зависит от , в то время, как вклад , поскольку определяется только абсолютной величиной счёта станции. На Рис. 8 представлена зависимость величины, рассчитанной изначально для каждой станции, по формуле (6) а затем усреднённой по трём станциям, от . Величина как среднее значение для Полученная зависимость для каждой станции оценивалась < 4. , не противоречит статистической гипотезе о том, f SA2 K p 0 во всём диапазоне значений (для данной гипотезы вероятность случайно получить большее значение 67%). 2 ndf 0.74 , для данного числа степеней свободы – Рис. 9: Зависимость оценки максимально возможного уровня флуктуаций, вызванных солнечной активностью, от индекса геомагнитной активности . Таким образом, не удалось обнаружить зависимости вариаций регистрируемого потока ШАЛ от солнечной активности. Однако, полученные данные позволяют сделать вывод о верхнем пределе для величины таких вариаций. На Рис.9 показаны уровни значений в зависимости от , соответствующие вероятности 95% и 99% нахождения вклада флуктуаций, вызванных солнечной активностью, ниже данного значения. Таким образом, можно утверждать с вероятностью 99%, что даже во время сильных магнитных бурь ( = 8) уровень флуктуаций, потока первичных космических лучей с энергией выше 100 ГэВ временного масштаба порядка нескольких часов, вызванных возмущением магнитосферы Земли, не превышает 1.2%. Результаты работы и выводы. В результате проделанной работы не было обнаружено зависимости вариаций потока ШАЛ с энергией выше 100 ГэВ от солнечной активности. С вероятностью 99% уровень флуктуаций потока на временном масштабе порядка суток, вызванных возмущением магнитосферы Земли, не превышает 1.2%. Этот результат важен для понимания источников вариаций счёта установки “РУСАЛКА”, а, следовательно, и для дальнейшего развития научно-образовательного проекта. Следует отметить, что полученная верхняя граница для величины вариации потока определяется двумя факторами: объёмом проанализированной статистики и величиной температурного эффекта. Зависимость счёта от солнечной активности может быть обнаружена или верхняя граница на эффект может быть понижена путем увеличения объёма анализируемых данных и одновременной корректировки счёта станций на температурный эффект. Таким образом, работа по поиску корреляций между счётом станций и состоянием геомагнитного поля будет продолжена. Следующие запланированные шаги: 1)детальное изучение и учёт температурного эффекта; 2) анализ большего объёма данных (как уже имеющихся, так и новых) 3) поиск корреляций на других временных масштабах (как меньше, так и больше суток) По результатам проделанной работы готовится публикация в научном журнале “Письма в ЭЧАЯ”.
