В.А. Рябов Физический институт им.П.Н. Лебедева РАН Исследование космических лучей на высотах гор

Проект: «Высокогорные исследования космических лучей сверхвысоких и ультравысоких энергий». Руководители проекта: В.П. Павлюченко В.С. Пучков

Тянь-Шанская высокогорная станция ВЫСОТА НАД УРОВНЕМ МОРЯ – 3340 м. ГЛУБИНА АТМОСФЕРЫ – 690 г/см 2 РАСПОЛОЖЕНА В 43 км ОТ г. АЛМАТЫ РАСПОЛОЖЕНА В 43 км ОТ г. АЛМАТЫ

Установка Гроза Грозовые облака проходят на высоте станции, так что детекторы измерительных установок оказываются непосредственно внутри грозового облака. Пункты регистрации излучений размещены на различных высотах (в пределах 3,4 – 4 км над уровнем моря). Это позволило получить профили распределения излучений внутри облаков не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскостях. Пункты регистрации излучений размещены на различных высотах (в пределах 3,4 – 4 км над уровнем моря). Это позволило получить профили распределения излучений внутри облаков не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскостях.

Что необходимо измерять в грозовой атмосфере? Быстрые электроны (E > 20 – 30 кэВ) Быстрые электроны (E > 20 – 30 кэВ) Гамма- излучение Гамма- излучение Радиоизлучение Радиоизлучение Корреляции импульсов гамма и радиоизлучения с прохождением ШАЛ Корреляции импульсов гамма и радиоизлучения с прохождением ШАЛ Корреляции гамма и радиоизлучения с потоком космических лучей и грозовым электрическим полем Корреляции гамма и радиоизлучения с потоком космических лучей и грозовым электрическим полем

ДЕТЕКТОРНЫЙ КОМПЛЕКС > Радио- регистрирующий комплекс Радио- регистрирующий комплекс Система сцинтилляционных детекторов гамма- излучения Система сцинтилляционных детекторов гамма- излучения Многослойные спектрометры полного поглощения Многослойные спектрометры полного поглощения Установка для регистрации широких атмосферных ливней Установка для регистрации широких атмосферных ливней Радио- регистрирующий комплекс Радио- регистрирующий комплекс Система сцинтилляционных детекторов гамма- излучения Система сцинтилляционных детекторов гамма- излучения Многослойные спектрометры полного поглощения Многослойные спектрометры полного поглощения Установка для регистрации широких атмосферных ливней Установка для регистрации широких атмосферных ливней

ДЕТЕКТОРНЫЙ КОМПЛЕКС >

Атмосферные разряды и всплески гамма-излучения Запись скачков электрического поля, соответствующих атмосферным разрядам (молниям)

Атмосферные разряды и всплески гамма-излучения Регистрация гамма-излучения сцинтилляционными детекторами

Атмосферные разряды и всплески гамма-излучения Зависимость длительности вспышки гамма-излучения от длительности атмосферного разряда

Вспышки быстрых электронов

Возрастание интенсивности тепловых нейтронов

Комплексное изучение грозового разряда Впервые вспышки гамма-излучения прямо отождествлены с атмосферными разрядами (молниями) Впервые вспышки гамма-излучения прямо отождествлены с атмосферными разрядами (молниями) Вспышки чрезвычайно интенсивны и сопровождают все стадии развития каждого атмосферного разряда Вспышки чрезвычайно интенсивны и сопровождают все стадии развития каждого атмосферного разряда В активный грозовой период наблюдается огромное количество электронов с энергиями вплоть до МэВ и выше В активный грозовой период наблюдается огромное количество электронов с энергиями вплоть до МэВ и выше В период активной фазы грозы было замечено значительное возрастание интенсивности сигналов от детекторов тепловых нейтронов В период активной фазы грозы было замечено значительное возрастание интенсивности сигналов от детекторов тепловых нейтронов

Установка «Горизонт» Оптическая часть установки содержит два параболических зеркала. Каждое зеркало имеет диаметр 150 см и фокусное расстояние 639 мм. Зеркала регистрируют излучение Вавилова-Черенкова от ШАЛ, оси которых приходят под зенитными углами от 0º до 80º. Оптическая часть установки содержит два параболических зеркала. Каждое зеркало имеет диаметр 150 см и фокусное расстояние 639 мм. Зеркала регистрируют излучение Вавилова-Черенкова от ШАЛ, оси которых приходят под зенитными углами от 0º до 80º. На расстоянии 20 м от оптической системы под углом 45  к вертикали расположены два сцинтилляционных детектора площадью 1 м 2 каждый. На расстоянии 20 м от оптической системы под углом 45  к вертикали расположены два сцинтилляционных детектора площадью 1 м 2 каждый.

Установка «Горизонт» В декабре 2010 года установка проработала 43 часа. В декабре 2010 года установка проработала 43 часа. Было зарегистрировано 1191 событие. Было зарегистрировано 1191 событие. Средняя интенсивность составила 27.7 событий в час. Средняя интенсивность составила 27.7 событий в час. Среди зарегистрированных 1191 событий в 22 событиях одновременно зарегистрированы импульсы, как с зеркал, так и со сцинтилляционных детекторов. Среди зарегистрированных 1191 событий в 22 событиях одновременно зарегистрированы импульсы, как с зеркал, так и со сцинтилляционных детекторов. В этих событиях все импульсы, имели длительности около 30 нс. В этих событиях все импульсы, имели длительности около 30 нс. Среди зарегистрированных событий импульсы с двумя и тремя максимумами обнаружены не были. Среди зарегистрированных событий импульсы с двумя и тремя максимумами обнаружены не были.

Экспериментальный комплекс «АТЛЕТ» (модернизация) Увеличено число сцинтилляционных детекторов в ливневой части установки. Было создано 90 новых детекторов со сцинтиллятором толщиной 5 см и размером 0,5 × 0,5 м 2

Экспериментальный комплекс «АТЛЕТ» (модернизация) Смонтированы две системы регистрации для сцинтилляционной установки ШАЛ. Смонтированы две системы регистрации для сцинтилляционной установки ШАЛ. Каждая система способна провести амплитудный анализ сигналов от 128 Каждая система способна провести амплитудный анализ сигналов от х канальных сцинтилляционных детекторов. 3-х канальных сцинтилляционных детекторов.

Подземный экспериментальный комплекс Подземный экспериментальный комплекс

Эксперимент «OGAMA» (Objects in Galaxy from Anomalous MAtter) Цель – поиск холодной темной материи Вселенной, которая возможно существует в форме экзотических ядер (типа странглетов) с небольшим зарядом Цель – поиск холодной темной материи Вселенной, которая возможно существует в форме экзотических ядер (типа странглетов) с небольшим зарядом (~ 10), и аномально большой массой (~ 350). (~ 10), и аномально большой массой (~ 350). Используется комбинация детекторов различного типа, которая позволяет регистрировать аномально массивные ядра. Используется комбинация детекторов различного типа, которая позволяет регистрировать аномально массивные ядра. В настоящее время анализируется статистика событий с целью выявления кандидатов на экзотические частицы темной материи. В настоящее время анализируется статистика событий с целью выявления кандидатов на экзотические частицы темной материи.

Установка «Адрон-М» Рентгеновская пленка проявлена, начата ее обработка. Основной интерес представляет поиск в рентгеноэмульсионных камерах высокоэнергичных (E>10 16 эВ) событий с аномальным поглощением адронов в свинце и обнаружение гамма-семейств с выстроенностью наиболее энергичных частиц. Рентгеновская пленка проявлена, начата ее обработка. Основной интерес представляет поиск в рентгеноэмульсионных камерах высокоэнергичных (E>10 16 эВ) событий с аномальным поглощением адронов в свинце и обнаружение гамма-семейств с выстроенностью наиболее энергичных частиц.

Установка на Памире После годовой экспозиции снята, проэкспонированная рентгеноэмульсионная пленка из 2-х ярусных рентгеноэмульсионных камер специальной конструкции площадью 36м 2. Эта установка ориентирована на исследование сечения образования очарованных частиц в области энергий 50 – 1000 ТэВ. После годовой экспозиции снята, проэкспонированная рентгеноэмульсионная пленка из 2-х ярусных рентгеноэмульсионных камер специальной конструкции площадью 36м 2. Эта установка ориентирована на исследование сечения образования очарованных частиц в области энергий 50 – 1000 ТэВ. Результаты эксперимента позволят проверить гипотезу о быстром росте сечения образования очарованных частиц с энергией. Результаты эксперимента позволят проверить гипотезу о быстром росте сечения образования очарованных частиц с энергией.

План работ на 2011 г. Комплексное изучение грозового разряда; Комплексное изучение грозового разряда; Расширение установки (увеличение чувствительной площади и уменьшение скважности между детекторами) АТЛЕТ и исследование на ней арактеристик ПКИ и свойств ШАЛ при энергиях эВ; Расширение установки (увеличение чувствительной площади и уменьшение скважности между детекторами) АТЛЕТ и исследование на ней арактеристик ПКИ и свойств ШАЛ при энергиях эВ; Расширение макета установки ГОРИЗОНТ-Т: создание пункта с двумя зеркалами диаметром 1.5 м для регистрации черенковского импульса ШАЛ и до 4-х пунктов с детекторами заряженных частиц; Расширение макета установки ГОРИЗОНТ-Т: создание пункта с двумя зеркалами диаметром 1.5 м для регистрации черенковского импульса ШАЛ и до 4-х пунктов с детекторами заряженных частиц; Запуск в эксплуатацию двух сцинтилляционных ковров с увеличенным в 2010 г. числом детекторов. Получение данных о пространственных распределениях электронов в области стволов ШАЛ (на расстояниях менее 20 м от оси). Задача ставится специально для сцинтилляционных детекторов с динамическим диапазоном 10 6 ; Запуск в эксплуатацию двух сцинтилляционных ковров с увеличенным в 2010 г. числом детекторов. Получение данных о пространственных распределениях электронов в области стволов ШАЛ (на расстояниях менее 20 м от оси). Задача ставится специально для сцинтилляционных детекторов с динамическим диапазоном 10 6 ; Проявка и анализ проэкспонированных рентгеновских пленок; Проявка и анализ проэкспонированных рентгеновских пленок; Финансирование проекта на 2011 г. Финансирование проекта на 2011 г руб.

Проект: « Поиск и исследование локальных источников космического излучения сверхвысоких энергий». Проект: « Поиск и исследование локальных источников космического излучения сверхвысоких энергий ». Руководитель проекта: В.Г. Синицина

Эксперимент ШАЛОН в нейтринной астрофизике и ТэВ-ной гамма- астрономии сверхвысоких энергий

Остаток сверхновой Тихо Браге а - интегральный спектр  -квантов сверхвысоких энергий по данным телескопа ШАЛОН в сравнении с данными других экспериментов: Whipple, HEGRA IACT- system, HEGRA AIROBICC и теоретические расчёты [H.J. Völk, E.G. Berezhko, L T. Ksenofontov, A&A, v. 483№2, 2008, pp.529 – 535]; б - спектральное энергетическое распределение  -излучения от Tycho’s SNR; в - изображение источника Тихо Браге при энергиях >0.8 ТэВ по данным телескопа ШАЛОН; г - На рисунке представлено изображение Tycho’s SNR, полученное рентгеновским телескопом Chandra.

Основной результат эксперимента ШАЛОН в 2010 г. Впервые измерены характеристики исторического остатка сверхновой Тихо Браге при сверхвысоких энергиях γ-квантов, лежащих в диапазоне 0,8 – 80 ТэВ. При этом, полученные значения потока ТэВ-ного γ- излучения, и спектральное энергетическое распределение, подтвердили предсказания теории, что является экспериментальным подтверждением эффективного ускорения космических лучей в остатках сверхновых вплоть до ультравысоких энергии (~ эВ). Впервые измерены характеристики исторического остатка сверхновой Тихо Браге при сверхвысоких энергиях γ-квантов, лежащих в диапазоне 0,8 – 80 ТэВ. При этом, полученные значения потока ТэВ-ного γ- излучения, и спектральное энергетическое распределение, подтвердили предсказания теории, что является экспериментальным подтверждением эффективного ускорения космических лучей в остатках сверхновых вплоть до ультравысоких энергии (~ эВ).

План работ на 2011 г. Экспериментальное исследование процессов и свойств галактических и метагалактических (с красным смещением z= до z=1.375) источников космического излучения сверхвысоких энергий Экспериментальное исследование процессов и свойств галактических и метагалактических (с красным смещением z= до z=1.375) источников космического излучения сверхвысоких энергий (10 12 – эВ); (10 12 – эВ); Поиск локальных источников нейтрино с энергией – эВ по ШАЛ, генерируемым в горных хребтах. Анализ результатов наблюдений черенковского излучения ШАЛ при зенитных углах больше 72 о ; Поиск локальных источников нейтрино с энергией – эВ по ШАЛ, генерируемым в горных хребтах. Анализ результатов наблюдений черенковского излучения ШАЛ при зенитных углах больше 72 о ; Проведение работ по наблюдению и поиску новых источников гамма- квантов и нейтрино с энергией >10 12 эВ; стабильная и непрерывная эксплуатация телескопов ШАЛОН-1 и ШАЛОН-2 и стереопары телескопов ШАЛОН-1 и ШАЛОН-2; продолжение создания третьего телескопа ШАЛОН-3 и светоприёмника телескопа; анализ и моделирование наблюдаемых процессов; обработка полученных экспериментальных данных и их публикация; Проведение работ по наблюдению и поиску новых источников гамма- квантов и нейтрино с энергией >10 12 эВ; стабильная и непрерывная эксплуатация телескопов ШАЛОН-1 и ШАЛОН-2 и стереопары телескопов ШАЛОН-1 и ШАЛОН-2; продолжение создания третьего телескопа ШАЛОН-3 и светоприёмника телескопа; анализ и моделирование наблюдаемых процессов; обработка полученных экспериментальных данных и их публикация; Продолжение работ в рамках Комплексной долгосрочной программы научно-технического сотрудничества между Россией и Индией по синхронным наблюдениям локальных источников гамма-квантов сверхвысоких энергий в высокогорных обсерваториях ШАЛОН АЛАТОО (ФИАН, Россия) и TACTIC, MACE (BARC, Индия). Продолжение работ в рамках Комплексной долгосрочной программы научно-технического сотрудничества между Россией и Индией по синхронным наблюдениям локальных источников гамма-квантов сверхвысоких энергий в высокогорных обсерваториях ШАЛОН АЛАТОО (ФИАН, Россия) и TACTIC, MACE (BARC, Индия). Финансирование проекта на 2011 г. Финансирование проекта на 2011 г руб руб

Отчет по теме «Пленочные астрофизические структуры» (проект «Парус») за 2010 г. В.А. Рябов Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Эксперимент ЛОРД (Лунный Орбитальный РадиоДетектор)

Основная научная задача  Регистрация космических лучей и нейтрино ультравысоких энергий Информация об этих частицах важна для решения фундаментальных проблем астрофизики и физики элементарных частиц, касающихся источников и механизмов ускорения космических лучей, природы темной материи, и возможно, нарушения основополагающих принципов теории относительности.

Эксперимент ЛОРД

Конструирование прибора ЛОРД  Проделан значительный объем работ, связанных с теоретическими расчетами, математическим моделированием и конструированием регистрирующей аппаратуры.  Разработана конструкторская документация на аппаратуру эксперимента ЛОРД, которая вписана в рамки космической платформы, проектируемой НПО им. Лавочкина.

КА Луна-Глоб

Антенная система и блок электроники прибора ЛОРД

Low Noise Amplifier Ø 600 mm ANTENNA SYSTEM:  Two antennas + LNA  Polarization - LP & RP  200 MHz MHz  Gain ~ 7.5 dB  Polarization - LP & RP  Length =1515 mm  Diameter= 600 mm  LNA 40 dB, NF=1.1dB Low Noise Amplifier 1515 mm Ø 600 mm Антенная система

Антенная система ( МГц, правая и левая поляризация, D=600 мм и Н=1514 мм "ОКР Луна-Глоб-ЛОРД"

Структурная схема прибора ЛОРД "ОКР Луна-Глоб-НА-ФИАН"

Блок электроники ЛОРД L×W×H = 420 mm ×320 mm×80 mm, Weight= 10÷12 kg, Power Supply = 27 V, 60 W 80 mm 320 mm 420 mm

 Разработана математическая модель регистрации прямых и отраженных радиосигналов методом Монте - Карло с учетом полученного выражения поля излучения каскада и с учетом отражений от подложки реголита со случайно распределенной толщиной от 2 до 12 метров.  Определены полные апертуры и число регистрируемых событий взаимодействия космических лучей и нейтрино ультравысоких энергий.  Результаты моделирования позволили оптимизировать параметры детектирующей аппаратуры ЛОРД. Моделирование и оптимизация прибора ЛОРД

реголит базальт Моделирование регистрации прямых и отраженных сигналов

Пример одновременной регистрации прямого и отраженного сигналов

Количество зарегистрированных прямых и отраженных сигналов в эксперименте ЛОРД событий КЛУВЭ за один год. отраженные прямые

Сравнение апертур CR и NU для Луны и ледяных спутников Европы

Ограничения на потоки космических лучей и нейтрино в различных экспериментах

Статьи, опубликованные в 2010 г. Гусев Г.А., Ломоносов Б. Н., Рябов В. А., Чечин В. А. // Ледяные спутники планет Солнечной системы и орбитальные радиодетекторы для регистрации частиц ультравысоких энергий // УФН, 2010, том 180, № 9, стр.957 – 964; Гусев Г.А., Ломоносов Б. Н., Полухина Н. Г., Рябов В. А., Царев В. А, Чечин В. А. // Моделирование эксперимента по регистрации частиц ультравысоких энергий с учетом приповерхностного слоя лунного грунта // Журнал технической физики, 2010, том 80, вып. 1, стр. 98 – 102; Рябов В.А., Гусев Г.А., Ломоносов Б.Н., Полухина Н.Г., Чечин В.А. // Особенности регистрации частиц ультравысоких энергий в эксперименте ЛОРД (Лунный Орбитальный РадиоДетектор) // КСФ ФИАН, 2010, № 4, стр. 8 – 16; Гусев Г.А.// Возможное ослабление радиосигнала от каскада в твердой среде при энергиях выше 1020 эВ // КСФ ФИАН, 2010, №12, стр.15-19; Гусев Г.А. // Об излучении Вавилова-Черенкова в волновой зоне Френеля для конечного трека заряда // КСФ ФИАН, 2010, в печати; Gusev G.A., Chechin V.A., Lomonosov B.N., Polukhina N.G., and Ryabov V.A. // Design of the LORD Experiment and Perspectives of Ultrahigh- Energy Particles Observation // NIM A, in press; Gusev G.A., Chechin V.A., Lomonosov B.N., and Ryabov V.A. // Targets and radio detectors in far-space region for registration of ultra high-energy cosmic rays and neutrino // NIM A, in press.

План работ на 2011 г.  1. Изготовление технологического макета антенной системы эксперимента ЛОРД. Разработка схемотехники и конструирование макета электронной аппаратуры прибора ЛОРД.  2. Разработка программного обеспечения и циклограмм для управления режимами работы прибора ЛОРД в составе комплекса научной аппаратуры, размещаемой на космической платформе «Луна-Глоб».  3. Разработка алгоритмов и программ анализа данных, зарегистрированных аппаратурой ЛОРД и переданных на Землю. Финансирование проекта на 2011 г руб.