БНО ИЯИ РАН - Лаборатория Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп.

В лаборатории проводятся научные исследования на Баксанском сцинтилляционном телескопе, и на установках для регистрации широких атмосферных ливней - "КОВЕР" и "АНДЫРЧИ". Научное руководство осуществляется академиком Г.Т. Зацепиным и доктором физико-математических наук С.П. Михеевым. Большинство работ проводятся совместно с Отделом лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики ИЯИ.



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: Fν<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: Pn≤ (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 Ne 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 (Nμ ) с энергией Е ≥ 1 ГэВ от полного числа ливневых частиц (Ne), регистрируемых установкой "КОВЕР", при аппроксимации в виде:

Nμ ~ Neα , 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




WWW.INR.RU 2001 © webmasters