Введение к работе
Работа посвящена проблеме создания аппаратных и программных средств, обеспечивающих реализацию идеи использования наземных черенковских водных детекторов для регистрации основных компонентов космического излучения и исследованию возможности детектирования нейтрино на поверхности Земли.
Актуальность работы
Исследования нейтрино и гамма-квантов высоких энергий в настоящее время проводятся на различных детекторах. Для регистрации нейтрино используются установки, расположенные под большим слоем поглотителя. Для детектирования у излучения применяются установки, размещаемые в атмосфере или за ее пределами.
Крайне привлекательной является идея объединения v и у телескопов в составе одной экспериментальной установки. Такая установка должна располагаться на поверхности Земли, обеспечивая тем самым возможность регистрации гамма-квантов высокой энергии, образующих при прохождении через атмосферу каскадные ливни (у-ШАЛ). Регистрация нейтринных событий осуществляется из нижней полусферы. В этом случае Земля играет роль естественного фильтра, поглощающего все компоненты космических лучей, кроме нейтрино. Преимущества такого объединения достаточно очевидны:
одновременные исследования v и у позволят получить более полную информация об источнике излучения;
наземное размещение установки снимает целый ряд технических ограничений на размеры детекторов;
значительно расширяется область физических исследований, которые могут проводиться на установках такого типа (горизонтальный поток атмосферных мюонов, нейтрино из нижней полусферы, у-ШАЛ).
Наиболее перспективной основой для создания наземных телескопов являются водные черенковские детекторы. Во-первых, использование воды как рабочего вещества детектора практически не накладывает ограничений на размеры установки, что крайне важно при регистрации слабых потоков излучения от v и у источников. Во-вторых, черенковские водные установки позволяют обеспечить непрерывность чувствительного объема и одинаковые размеры детекторов электронно-фотонной, мюонной и адронной компонент ШАЛ. Использование мюонного и адронного детекторов большой площади позволяет повысить надежность выделения у-ШАЛ на фоне обычных й-ШАЛ.
Однако, создание таких установок невозможно без решения ряда технических и методических проблем, главной из которых является необходимость подавление фона атмосферных мюонов при регистрации нейтринных событий. Соотношение потоков мюонов сверху и снизу на поверхности Земли составляет величину ~ 1010, что предъявляет очень жесткие требования к надежности восстановления направления движения регистрируемых частиц и подавления возможных имитаций. Кроме того, мюоны, рассеявшиеся на большие углы, а также продукты их взаимодействия, могут имитировать нейтринные события из нижней полусферы. Это, в частности, определяет область зенитных углов, в которой возможно выделение нейтринных событий.
Другая проблема, связанная с созданием наземных нейтринных телескопов, это большая величина абсолютной загрузки детектора мюонами. В зависимости от его размера, она может составлять десятки и сотни килогерц, что сильно усложняет задачу трштирования крупномасштабных наземных установок.
Таким образом, актуальными представляются следующие вопросы:
Возможно ли создание многофункциональных экспериментальных установок на поверхности Земли, способных работать как широкоапертурные нейтринные телескопы?
Каким образом организовать эффективное триггирование и сбор информации в установке с распределенной структурой регистрирующих элементов в условиях большой загрузки атмосферными мюонами?
Ответы на эти вопросы можно получить, используя черенковсюга водный детектор НЕВОД, являющийся прототипом крупномасштабных многофункциональных наземных телескопов.
Цели и задачи исследования
Разработка аппаратных и программных средств, обеспечивающих реализацию идеи использования наземных черепковских водных детекторов для регистрации основных компонентов космігческого излучения и исследование возможности детектирования нейтрино на поверхности Земли.
Личный вклад
-
Разработана, создана и проверена в условиях физического эксперимента аппаратура, обеспечивающая трштированпе и контроль за работой установки.
-
Создана и налажена система центрального управления детектора НЕВОД-91, включающая в себя аппаратную часть и программное обеспечение.
-
Проведен анализ фоновых условий регистрации нейтрино в наземных детекторах.
-
Проведены экспериментальные исследования параметров, определяющих надежность подавления потока атмосферных мюонов при регистрации нейтрино на поверхности Земли и определены условия достижения необходимой величины фактора подавления.
5. Автор был ответственным за проведение трех серий измерений.
Научная новизна
Впервые реализована идея использования черенковского водного детектора для исследования различных компонентов космических лучей на поверхности Земли.
Развит новый подход к способам подавления возможных имитаций мюонов из нижней полусферы, основанный на анализе пространственной картины регистрируемых событий.
Практическая значимость
Методика аппаратной реализации трштерной и управляющей системы установки НЕВОД-91 может быть использована в других детекторах с объемной решеткой регистрирующих элементов.
На основании проведенных расчетов может быть оценена апертура наземных нейтринных телескопов в зависимости от их порога регистрации.
Результаты исследований имитаций нейтринных событий мюонами, прошедшими вне рабочего объема детектора, должны быть приняты во внимание в любых нейтринных детекторах при анализе событий вне решетки измерительных модулей.
Автор защищает
-
Результаты расчетов фона при регистрации нейтрино на поверхности Земли и способы его подавления.
-
Триггерную систему установки и систему управления и контроля за ее работой.
-
Пакет управляющих программ для детектора НЕВОД-91.
-
Результаты экспериментальной оценки параметров измерительной аппаратуры, определяющих условия надежного детектирования мюонов из нижней полусферы.
Апробация результатов
Основные результаты диссертации докладывались на 22nd International Cosmic Ray Conference, Dublin, 1991; Sixth International Workshop on Neutrino Telescopes, Venezia, 1994; Int. School "Particles and cosmology", Baksan, 1995; 24nd International Cosmic Ray Conference, Roma, 1995; Международной конференции по космическим лучам, Москва, 1996; Seventh International Workshop on Neutrino Telescopes, Venezia, 1996 и опубликованы в 9 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и двух приложений. Содержит 56 рисунков, 14 таблиц и библиографию, включающую 71 наименование. Полный объем - 91 стр.
