1.1 Մասնիկներ գրանցող դետեկտորների արձագանքը

Երկրի մակերևույթին և տիեզերանավերում տեղադրված մասնիկներ գրանցող դետեկտորները  տարրական մասնիկի կամ միջուկի դետեկտորի բլոկի միջով անցնելու միջոցով այն վերածում են էլեկտրական ազդանշանի կամ կոդի` այսպիսով կապ ապահովելով միկրո և մակրո աշխարհների միջև: Մասնիկներ գրանցող դետեկտորները ազդանշաններ ստեղծելու համար կիրառում են զանազան ֆիզիկական երևույթներ: Լիցքավորված մասնիկները փոխազդելով դետեկտորի բլոկի պարունակության հետ իոնացնում են ատոմները. իոնացումը կարող է վերածվել լույսի կամ էլեկտրական հոսանքի: Դետեկտորի մեջ չեզոք մասնիկները կարող են առաջացնել լիցքավորված մասնիկներ՝ միջուկային փոխազդեցությունների և քիմիական ռեակցիաների միջոցով: Ազդանշանների ուժգնությունից հնարավոր է որոշել մասնիկի էներգիան և դետեկտոր հասնող մասնիկների քանակը, բազմաշերտ դետեկտորի ազդանշանների համադրումից հնարավոր է չափել անկման անկյունները և տարրական մասնիկի տեսակը:

Ինչևիցե, տարրական մասնիկի հատկանիշների և դետեկտորի ազդանշանների միջև  միանշանակ կապ չկա: Մասնիկների փոխազդեցության մեխանիզմները նյութի հետ ստոխաստիկ բնույթ ունեն և դրա միայն միջինացված բնութագրերը կարող են հաշվարկվել: Դետեկտորի սանդղակից մասնիկների հատկանիշների մասին ինֆորմացիա ստանալու համար մենք լրացուցիչ տրամաչափման և սիմուլյացիայի կարիք ունենք: Սովորաբար դետեկտորների բարդ կառուցվածքների համար բավականին դժվար է կոնկրետ մասնիկների արագացուցչային փնջի համար ապահովել պահանջված էներգիան՝ արձագանքը չափելու համար (դետեկտորի տրամաչափում): Տրամաչափմանը համարժեք է այսպես կոչված Մոնտե Կառլոի մեթոդը` հաշվողական ալգորիթմի դաս, որը կիրառում է բարձր էներգիայի ֆիզիկայի ֆունդամենտալ գիտելիքները, ինչպես նաև դետեկտորի մանրամասն նախագիծը՝ կատարելու համար կրկնվող պատահական ընտրություն սահմանված մուտքային պարամետրերի տիրույթում: Նեյտրոնային մոնիտորների համար (տես նկ. 1) մեզ հարկավոր է նեյտրոնների, պրոտոնների, մյուոնների և պիոնների  կլանիչի (կապար) և դանդաղացուցիչ-անդարադարձիչի (պոլիեթիլեն) միջով անցնելու մոդելը,  հաշվարկել ջերմայնացված նեյտրոնների քանակը, հետևել դրանց փոխազդեցություններին բորի իզոտոպի հետ համեմատական հաշվիչում, որը ծնում է ալֆա մասնիկներ, և վերջապես առաջացնում  էլեկտրական իմպուլս, որն էլ գրանցվում է Տվյալների Ընդունման Էլեկտրոնիկայի կողմից:

 

Նկ 1. Նեյտրոնային մոնիտորի 6NM64 ստանդարտ սեկցիան  (տեղադրված Երևանի Ֆիզիկայի ինստիտուտի Արագածի Տիեզերական Միջավայրի Կենտրոնում)

Դետեկտորի արձագանքի մոդելավորման որոշ պարամետրերից մենք կուսումնասիրենք միայն մի քանիսը,  ավելի կոնկրետ էֆֆեկտիվության, մաքրության, և կտրվածքի խնդիրները: Դետեկտորի կոնկրետ տեսակի մասնիկներ գրանցելու էֆֆեկտիվությունը սահմանվում է որպես ընկնող մասնիկների քանակի (կամ ընկնող ճառագայթի պայծառույթան) և գրանցվածների հարաբերությունը: Կոնկրետ տեսակի մասնիկներ գրանցելու էֆֆեկտիվությունը դա այդ մասնիկների հարաբերակցությունն է, ընտրված բոլոր մասնիկների միջից, դետեկտորի ազդանշանի նախասահմանված չափանիշների համաձայն: Դետեկտորի ազդանշանների համար կիրառվում են տարբեր կտրվածքներ՝ մեծացնելու համար արդյունավետությունը կամ մաքրությունը` կախված փորձի նպատակներից: Ինչևիցե, հնարավոր չէ միևնույն դետեկտորի միջոցով միաժամանակ մեծացնել և մաքրությունը և արդյունավետությունը. արդյունավետության աճի հետ մաքրությունը նվազում է, մաքրության աճի հետ արդյունավետությունն է նվազում: Երբ հետազոտության նպատակն է հատուկ տեսակի մասնիկների հաշվարկը, կարող են առաջանալ տարբեր խնդիրներ: Դետեկտորը կարող է բաց թողնել որոշ մասնիկներ (արդյունավետության նվազում) և սխալմամբ գրանցել այլ տեսակի մասնիկներ (մաքրության նվազում): Սովորաբար արդյունավետությունը և մաքրությունը ներկայացվում են որպես մասնիկի էներգիայի, անկման անկյան, կամ դիտարկվող այլ պարամետրի ֆունկցիա:  

 

Նկ. 2.  Ստանդարտ (BP-28 համեմատական խողովակներ) NM-64-ը  հաշվարկեց ուղղահայաց ուղղությամբ երկիր հասնող  երկրորդային մասնիկների գրանցման էֆեկտիվությունը

2-րդ նկարում ցուցադրված է  NM-64-ի 10BF3 հաշվիչների վերջնական   գրանցման էֆեկտիվությունը մասնիկների 6 տարբեր տեսակների համար՝ անկման ուղղահայաց ուղղությամբ (Clem & Dorman, 2000):  NM-64-ը հարմարեցված է երկրորդային տիեզերական ճառագայթների հադրոնիկ բաղադրիչները չափելու համար: ՆՄ արձագանքը (էֆեկտիվություն) 1 ԳէՎ-ից բարձր մյուոնների նկատմամբ ավելի քան 3 անգամ փոքր է, քան հադրոնների նկատմամբ:

Ստանալու համար նկար 2-ում ներկայացված գրաֆիկը՝ բազմիցս կիրառվել է Մոնտե Կառլոյի մեթոդը տարբեր մուտքային պարամետրերով (10 էներգիաներ մասնիների 6 տեսակներից յուրաքանչյուրի համար): 6-ից յուրաքանչյուրի համար, այսպես կոչված մոդելավորման փորձեր, կոդը կիրառվել է առնվազն 1000 անգամ՝ ապահովելու համար անհրաժեշտ վիճակագրական ճշգրտություն (տես սխալների սանդղակը մյունային կորագծում): Ավելի մանրամասն հաշվարկների և ավելի բարդ դետեկտորների համար հարկավոր է հսկայական քանակի մեքենայական ժամ: Հայտնի  GRID նախագիծը ձեռնարկվել է CERN-ում՝ որպես հեռակա մոդելավորման և տվյալների վերլուծության միջոց բոլոր համագործակցող ինստիտուտներում:

1.2 Էֆեկտիվությունը և մաքրությունը

Էֆեկտիվության և մաքրության փոխհարաբերությունը կարելի է ներկայացնել նոր համաշխարհային SEVAN (Chilingarian & Reymers, 2007) ցանցի դետեկտորների միջոցով:

  Նկ. 3. Եռաշերտ  SEVAN մասնիկներ գրանցող դետեկտորը. 1 մ2  5 սմ հաստության 2 պլաստիկ սցինտիլյատորների միջև տեղադրված են 2 կապարե ֆիլտրեր և 0.25 մ2 տարածություն, 25 սմ հաստության պլաստիկ սցինտիլյատոր

Դետեկտորի յուրաանչյուր շերտ ունի բավականին տարբեր էֆեկտիվություն և մաքրություն հատուկ տեսակի մասնիկների գրանցման համար: Երկրորդական տիեզերական ճառագայթների գրանցման նպատակով արդյունավետության և մաքրության չափման համար մեզ անհրաժեշտ է իմանալ մյուոնների, նեյտրոնների, պրոտոնների, էլեկտրոնների էներգետիկ սպեկտրերը այն աշխարհագրական կոորդինատներում, որտեղ դետեկտորը տեղադրված է: Այնուհետև մեզ անհրաժեշտ է մոդելավորել լիցքավորված և չեզոք երկրորդային  մասնիկների  հեղեղները՝ ստեղծված Երկրի մթնոլորտ մտնող առաջնային մասնիկների կողմից: Այս սպեկտրերը ստացվել են  CORSIKA (տարբերակ 6.204) կոդի (Heck, et al., 1998) միջոցով: Սկզբնական մասնիկների շեմային էներգիաները՝ ընդունված որպես մուտքային CORSIKA –ի համար, համապատասխանում են դետեկտորի տեղանքի ուղղահայաց կտրվածքի կոշտությանը (7 ԳէՎ Արագածի համար): Բոլոր երկրորդական մասնիկները դիտվել են մինչև դրանց էներգիայի անկումը սահմանված արժեքից ցածր (50 ՄէՎ հադրոնների համար, 10 ՄէՎ մյուոնների համար և  6 ՄէՎ էլեկտրոնների և պրոտոնների համար) կամ մինչև գետնին հասնելու ողջ ուղին: Սկզբնական պրոտոնների և հելիումի միջուկի սպեկտրը (հոսքի 99%-ը մինչև 100 ԳէՎ էներգիաների դեպքում) ընտրված են հետևելու համար պրոտոնների և հելիումի սպեկտրերը՝ հաշվարկված զոնդային փորձի հիման վրա (Boezio, et al., 2003): Տարատեսակ երկրորդական մասնիկների տեսակների շարքում, որոնք առաջանում են մթնոլորտի միջուկային-էլեկտրամագիսական կասկադներում, մյուոնները, էլեկտրոնները, գամմաները,  նեյտրոնները, պրոտոնները, պիոնները և կաոնները բացահայտվել են CORSIKA-ի կողմից և գրանցվել: Այս մասնիկները կիրառվել են որպես մուտքային տվյալներ  դետեկտորի արձագանքի մոդելավորման համար կիրառվող GEANT3/JEANT4 (GEANT, 1993) փաթեթներում: Մենք նաև հաշվի ենք առնում սցինտիլյատորի մեջ լույսի կլանումը:

 Ինչպես երևում է 4-6 նկարներից, լիցքավորված մասնիկների գրանցման մաքրությունը (էլեկտրոններ և մյուոններ)  SEVAN դետեկտորի գագաթնային և վերին շերտերի կողմից կազմում է 95%, ինչևիցե, այն առավելագույն է ծովի մակերևույթին,  որտեղ նեյտրոնների և գամմաների հոսքը զգալիորեն  թուլանում է: Չեզոք մասնիկի գրանցման մաքրությունը միջին «հաստ» սցինտիլյատորի մեջ հասնում է 55%-ի  3200 մ-ի վրա, և 30%-ի ծովի մակերևույթի վրա՝ կրկին նեյտրոնային հոսքի թուլացման հետևանքով: Բարձր էներգետիկ մյուոնները հիմնականում ընկնում են երրորդ շերտ՝ 10 սմ կապարի տակ, մյուոնների ընտրության մաքրությունը ծովի մակերևույթին 95% է, որը նվազում է մինչև 88%  3200 մ բարձրության վրա:  

Նկ. 4 Տարրական մասնիկների բաշխումը դիտարկված  SEVAN դետեկտորի վերին շերտում

Նկ. 5 Տարրական մասնիկների բաշխումը՝ դիտարկված SEVAN դետեկտորի միջին  շերտում

Նկ. 6 Տարրական մասնիկների բաշխումը դիտարկված SEVAN դետեկտորի ստորին շերտում

Մենք կարող ենք բարելավել ընտրված մասնիկների «փնջի» մաքրությունը DAQ էլեկտրոնիկայի միջոցով, որը հաշվում է դետեկտորի շերտերի մեջ բոլոր ազդանշանային համընկնումները: Երբ չեզոք մասնիկը հատում է գագաթի բարակ  (5սմ) սցինտիլյատորը, սովորաբար ազդանշան չի հետևում: Ազդանշանի բացակայությունը վերին սցինտիլյատորների մեջ, միևնույն ժամանակ ազդանշանը միջին սցինտիլյատորի մեջ, ցույց է տալիս, որ գրանցվել է չեզոք մասնիկ: Գագաթի և ստորին սցինտիլյատորների ազդանշանների համընկնումը ցույց է տալիս, որ գրանցվել են  բարձր էներգետիկ մյուոններ: Կապարե կլանիչները բարելավում են չեզոք հոսքերի գրանցման և ֆիլտրացված ցածր էներգիայով  լիցքավորված մասնիկների արդյունավետությունը: Եթե մենք “1”-ով նշենք սցինտիլյատորից ստացվող ազդանշանը, և “0”-ով որևէ ազդանշանի բացակայությունը, ապա հնարավոր կլինի ստանալ եռաշերտ դետեկտորի արդյունքների հետևյալ համակցությունները.

Նկ. 7.Արագածի Արեգակնային Նեյտրոնային աստղադիտակ, չորս 1 մ2 , 5 սմ. հաստ սցինտիլյատորներ և չորս  1 մ2 , 60 սմ. հաստ սցինտիլյատորներ՝ դիտարկվող թվայնանման կոնվերտերներով զինված ֆոտոբազմապատկիչների կողմից (ADC)

Հետաքրքիր ֆիզիկական խնդիրներից է, որը մենք կարող ենք ուսումնասիրել ASNT-ի միջոցով, հանդիսանում մոտ-հորիզոնական մյուոնների հոսքի և մյուոնային հոսքի նվազման չափումը 30 կմ ժայռի վրա:

ASNT ծրագրի գործարկիչը ընտրում է նախասահմանված շեմից բարձր էներգիայի արտադրությամբ դեպքեր՝ ապահովելով մյուոնների հորիզոնական տեղաշարժը: Ընդունված նախապայմանը ընտրված դեպքերն են, որոնք հատում են մեկ շարքի վրայի 2 դետեկտորները (այսինքն սցինտիլյատորներ 8&7, 6&5, 6&8, 5&7, բայց ոչ  8&5 և 6&7, տես 7) և արտադրում էներգիա՝ առնվազն 200 ՄէՎ –ին համապատասխան ( ADC-ի 35կոդը,  այս արժեքը հավասար է մյուոնի էներգիայի արտադրությանը 10մ սցինտիլյատորի մեջ): Այսպիսով մենք կարող ենք չափել մոտ հորիզոնական մյուոնները, որոնք գալիս են բաց հորիզոնից և Արագած սարից՝ անցնելով  առնվազն 30 կմ ժայռի միջով: Մեր արդյունքները ապացուցում են, որ Արագածից եկող մյուոնները «ազատ» հորիզոնից եկող մյունների համեմատությամբ(>5ԳէՎ)ունեն ավելի բարձր էներգիաներ (առնվազն 25-30ԳէՎ): 

Նախապայմանների կիրառմամբ լուծված մեկ այլ ֆիզիկական խնդիր է մթնոլորտային էլեկտրականության լիցքաթափումը՝ կապված կայծակների հետ: Մասնիկների հզոր արագացուցիչը գործի է դրվում լայն մթնոլորտային էլեկտրական դաշտերի և տիեզերական ճառագայթների հեղեղների միջոցով: Նոր մոդելը, որը ներառում է պոզիտրոնների և բարձր էներգիայի ֆոտոնների կողմից դրական հետադարձ կապ, թույլ է տալիս փախչող լիցքաթափմանը դառնալ ինքնասատար և էքսպոնենցիալ կարգով մեծացնել հոսքային էլեկտրոնների քանակը շատ կարճ ժամանակահատվածում (Dwyer, 2003) : Այս մեխանիզմը, որը կհիշատակվի որպես Ռելատիվիստիկ Հետադարձ կապի Խախտում, (RFB), որը բավականին մեծացնում է փախչող էլեկտրոնների հոսքը, ուղեկից բարձր էներգիայի ճառագայթումը, և հետևանքային իոնացումը, այպիսով հնարավոր դարձնելով կայծակի պարպումը: Տեսությունը բարձր էներգիաների էլեկտրոնների համար շեմ է առաջարկում  ~30 ՄէՎ: Այսպիսով, կարևոր է ստուգել նախակայծակնային աճի  էլեկտրոնների էներգիաները՝ ASEC դետեկտորների միջոցով (Chilingarian et al., 2009):

Նկ. 8. Հաշվի արագության աճերը՝ գրանցված ASNT կանալների միջոցով:  6-10 ՄէՎ (վարդագույն), 10-16 ՄէՎ (սև), >30 ՄէՎ - կապույտ

8-րդ նկարում ստացված ASNT կանալների  ADC արդյունքների վրա նախապայմանների կիրառմամբ, մեզ տեսանելի է, որ անկասկած աճի մեծ մասը, պայմանավորված ցածր էներգիայի էլեկտրոններով, 30 ՄէՎ-ից բարձր էներգիաներով էլեկտրոնների և մյուոնների ժամանակային շարքերով որևէ աճ չի ցուցադրել:

 Հղումներ

Abassi R., Ackermann M., Adams J., et al. Solar Energetic particle spectrum on 2006 December 13 determined by IceTop. ApJ Letters, 689, L65-68, 2008.

Agostinelli, S., Allison, J., Amako, K. G4 — a simulation toolkit. Nucl. Instr. Meth. A 506, 250-303, 2003.

Boezio, M., Bonvicini, V. , Schiavon, P., Vacchi, A., and Zampa, N.  The cosmic-ray proton and helium spectra measured with the CAPRICE98 balloon experiment. Astropart. Phys. 19, 583-604, 2003.

Chilingarian A.A., Arakelyan K., Avagyan K., et al. Correlated measurements of secondary cosmic ray fluxes by the Aragats Space Environmental Center monitors.  NIM, A543, pp. 483-496, 2005.

Chilingarian A, Melkumyan L., Hovsepyan G., Reymers A., The response function of the Aragats Solar Neutron Telescope, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 574, (255-263), 2007.

Chilingarian A.A. and Reymers A.E. Particle detectors in Solar Physics and Space Weather Research, Astropart. Phys., 27, pp. 465-472, 2007.

Chilingarian A.A. and Reymers A. Investigations of the response of hybrid particle detectors for the Space Environmental Viewing and Analysis Network (SEVAN), Ann. Geophys., 26, pp. 249-257, 2008.

Chilingarian A., Hovsepyan G., Arakelyan K., et al., Space environmental viewing and analysis network (SEVAN). Earth, Moon, and Planets, v.104, p. 195, 2009.

Chilingarian A., Daryan A., Arakelyan K. et al., Thunderstorm correlated enhancements of Cosmic Ray fluxes, detected at mt. Aragats, Proceedings of the 31th ICRC, Lodz, Poland, 2009.

Clem, J.M. and Dorman, L.I., 2000, “Neutron monitor response functions” Space Sci. Rev., 93, 335.

Dwyer, J. R., A fundamental limit on electric fields in air, Geophys. Res. Lett., 30(20), 2055, 2003.

Fasso, A., Ferrari, A., Ranft, J., and Sala, P.R., 2005, FLUKA: a multi-particle transport code. CERN Yellow Report, INFN/TC_05/11.

Heck, D., and Knapp, J., A Monte Carlo Code to Simulate Extensive Air Showers, 1998, Forschungszentrum Karlsryhe, FZKA Report 6019.

Zazyan, M.Z., Chilingarian, A.A. Calculations of the Sensitivity of the Particle Detectors of ASECand SEVAN Networks to Galactic and Solar Cosmic Rays, Astroparticle physics, in press