ISSN 1563-0315; еISSN 2663-2276
ӘЛ-ФАРАБИ атындағы ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
ХАБАРШЫ
Физика сериясы
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени АЛЬ-ФАРАБИ
ВЕСТНИК
Серия физическая
AL-FARABI KAZAKH NATIONAL UNIVERSITY
RECENT CONTRIBUTIONS TO PHYSICS
№4 (79)
Алматы
«Қазақ университеті»
2021
ХАБАРШЫ
ISSN 1563-0315; еISSN 2663-2276ФИЗИКА СЕРИЯСЫ №4 (79) желтоқсан
ИБ № 15136
Пішімі 60х84/8. Көлемі 8,0 б.т. Тапсырыс № 11950.
Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің
«Қазақ университеті» баспа үйі.
050040, Алматы қаласы, әл-Фараби даңғылы, 71.
«Қазақ университеті» баспа үйінің баспаханасында басылды.
© Әл-Фараби атындағы ҚазҰУ, 2021
ВЕСТНИК
ХАБАРШЫ Ф И З И К А С Е Р И Я С Ы С Е Р И Я Ф И З И Ч Е С К А Я
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени АЛЬ-ФАРАБИAL-FARABI KAZAKH
NATIONAL UNIVERSITY ӘЛ-ФАРАБИ атындағы ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
4(79) 2021
ISSN 1563-0315 • eISSN 2663-2276
RECENT CONTRIBUTIONS TO PHYSICS
Физика сериясы – физика саласындағы іргелі және қолданбалы зерттеулер бойынша бірегей ғылыми және шолу мақалаларды жариялайтын ғылыми басылым.
04.05.2017 ж. Қазақстан Республикасының Ақпарат және коммуникация министрлігінде тіркелген Куәлік № 14498-Ж
Журнал жылына 4 рет жарыққа шығады (наурыз, маусым, қыркүйек, желтоқсан)
РЕДАКЦИЯ АЛҚАСЫ:
Давлетов А.Е., ф.-м.ғ.д., профессор – ғылыми редактор (Қазақстан)
Лаврищев О.А., ф.-м.ғ.к. – ғылыми редактордың орынбасары (Қазақстан)
Әбишев М.Е., ф.-м.ғ.д., профессор (Қазақстан) Асқарова Ә.С., ф.-м.ғ.д., профессор (Қазақстан) Буртебаев Н., ф.-м.ғ.д., профессор (Қазақстан) Алдияров А.У., ф.-м.ғ.д., профессор (Қазақстан) Жаңабаев З.Ж., ф.-м.ғ.д., профессор (Қазақстан) Косов В.Н., ф.-м.ғ.д., профессор (Қазақстан)
Буфенди Лайфа, профессор (Франция) Иващук В.Д., ф.-м.ғ.д., профессор (Ресей) Ишицука Эцуо, доктор (Жапония) Лунарска Элина, профессор (Польша) Сафарик П., доктор (Чехия)
Тимошенко В.Ю., ф.-м.ғ.д., профессор (Ресей) Кеведо Эрнандо, профессор (Мексика) ТЕХНИКАЛЫҚ ХАТШЫ
Дьячков В.В., ф.-м.ғ.к. (Қазақстан) ЖАУАПТЫ ХАТШЫ
Иманбаева А.К., ф.-м.ғ.к. (Қазақстан) Телефон: +7(727) 377-33-46
E-mail: [email protected]
Жоба менеджері Гульмира Шаккозова Телефон: +7 701 724 2911
E-mail: [email protected] Редакторлары:
Гульмира Бекбердиева Ағила Хасанқызы Компьютерде беттеген Айгүл Алдашева
1-бөлім
ТЕОРИЯЛЫҚ ФИЗИКА.
ЯДРО ЖӘНЕ ЭЛЕМЕНТАР БӨЛШЕКТЕР ФИЗИКАСЫ. АСТРОФИЗИКА
Section 1
THEORETICAL PHYSICS.
NUCLEAR AND ELEMENTARY PARTICLE PHYSICS. ASTROPHYSICS
Раздел 1
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА.
ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ.
АСТРОФИЗИКА
ISSN 1563-0315; еISSN 2663-2276 Recent Contributions to Physics. №4 (79). 2021 https://bph.kaznu.kz
© 2021 Al-Farabi Kazakh National University 4
МРНТИ 29.15.39; 29.15.33 https://doi.org/10.26577/RCPh.2021.v79.i4.01 О.А. Каликулов1* , Н.О. Садуев1,2 , С.Б. Шаулов2 , А.Н. Седов1 ,
В.В. Оскомов1 , Н.О. Ережеп1 , А.Е. Бактораз1 , Ш.Б. Утей1 , А.И. Жумабаев1 , Е.С. Мухамеджанов3 , С.К. Шинбулатов1
1НИИЭТФ, Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Казахстан, г. Алматы
2Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), Россия, г. Москва
3Объединенный институт ядерных исследований, Россия, г. Дубна
*e-mail: [email protected]
ПРОТОТИП УСТАНОВКИ ВРЕМЕННЫХ ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСИ ПРИХОДА ШАЛ
В данной работе представлен прототип конструкции для определения направления оси широких атмосферных ливней (ШАЛ). Данная детекторная система состоит из четырех инди
видуальных детекторов на основе сцинтилляторов (100 x 100 x 1 см), использующих для сбора света световоды со смещением длины волны. Указанный прототип позволит на его основе создать систему детекторов с быстрым отсчетом времени (временными детекторами) и дополнит комплексную установку ШАЛ, расположенную на высоте 3340 м над уровнем моря на ТШВНС (ТяньШаньская высокогорная научная станция) недалеко от города Алматы, Казахстан.
Описан метод определения направления широких атмосферных ливней. Указано, что для оценки определения направления широких атмосферных ливней необходимо определить азимутальный и зенитный углы с требуемой точностью. Используется геометрия установки по схеме расположения детекторов крест на крест.
В работе представлена калибровка детекторов вертикальными космическими мюона
ми. Для калибровки детекторов был собран испытательный стенд и приведено его схемати
ческое изображение. Сигналы от сцинтилляционных детекторов анализировались с помо
щью 8канального аналогового цифрового преобразователя CAEN DT 5725. Также в статье проводится обсуждение предварительных результатов калибровочных результатов. Одночас
тич ная калибровка детекторов позволит оценить количество прошедших частиц через сцинтилляционный детектор.
Ключевые слова: широкие атмосферные ливни, сцинтилляционный детектор, амплитудный сигнал.
O.A. Kalikulov1*, N.O. Saduyev1, S.B. Shaulov2, A.N. Sedov1, V.V. Oskomov1, N.O. Yerezhep1, A.Y. Baktoraz1, Sh.B. Utey1,
A.I. Zhumabayev1, Y.S. Mukhamejanov3, S.K. Shinbulatov1
1IETP, AlFaraby Kazakh National University, Kazakhstan, Almaty
2P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences, Russia, Moscow
3Joint Institute for Nuclear Research, Russia, Dubna
*email: [email protected]
Timing detectors setup prototype for determining EAS axis direction
This work presents a prototype setup for determining extensive air showers (EAS) axis direction. The detector system consists of four scintillation detectors (100x100x1 cm) using wavelengthshifted fibers light collection. This prototype will make it possible to create system of detectors with fast timing (timing detectors) and supplement the complex shower installation, located at 3340 m above sea level at the Tien Shan Highaltitude Scientific Station (TSHSS) near Almaty, Kazakhstan.
A method for determination the direction of extensive air showers is described. It is indicated that to assess the determination of extensive air showers direction, it is necessary to define azimuth and zenith angles with required accuracy.
In this work, calibration of detectors with vertical cosmic muons is presented. To calibrate the detec
tors, a test bench was assembled, and its schematic representation is shown. The signals from scintilla
tion detectors were analyzed using a CAEN DT 5725 8channel analogtodigital converter. In addition, there is a discussion of the preliminary results from calibration. Singleparticle calibration of detectors will allow estimating the number of particles passed through the scintillation detector.
Key words: extensive air showers, scintillation detector, amplitude signal.
О.А. Каликулов и др.
О.А. Каликулов1*, Н.О. Садуев1, С.Б. Шаулов2, А.Н. Седов1, В.В. Оскомов1, Н.О. Ережеп1, А.Е. Бақтораз1, Ш.Б. Утей1,
А.И. Жумабаев1, Е.С. Мухамеджанов3, С.К. Шинбулатов1
1ЭТФҒЗИ, ӘлФараби атындағы Қазақ ұлттық университеті, Қазақстан, Алматы қ.
2Ресей ғылым академиясы П.Н. Лебедев атындағы физикалық институты, Ресей, Мәскеу қ.
3Біріккен ядролық зерттеулер институты, Ресей, Дубна қ.
*email: [email protected] КАН түсу осін анықтаудағы
уақыт детекторлары қондырғысының прототипі
Бұл жұмыста кең атмосфералық нөсерлердің (КАН) ось бағытын анықтауға арналған прототипі ұсынылады. Детектрлік жүйе толқын ұзындығының ығысуымен жарық жинайтын төрт жеке сцинтилляторлық детектордан тұрады (100 x 100 x 1 см). Көрсетілген прототип оның негізінде уақытты жылдам есептейтін детекторлар жүйесін (уақыт детекторлары) құруға мүмкіндік береді және теңіз деңгейінен 3340 м биіктікте орналасқан ТШБТҒСғы (ТяньШань биік таулы ғылыми станциясы) Алматы, Қазақстан, ШАЛ кешенді қондырғысын толықтырады.
Кең атмосфералық нөсерлердің бағытын анықтау әдісі сипатталған. Кең атмосфералық нөсерлердің бағытын анықтауды бағалау үшін азимутты және зениттік бұрыштарды тиісті дәлдікпен анықтау қажет екендігі көрсетілген. Детекторлардың бірбіріне қарамақарсы орнатылған геометриялық схемасы қолданылады.
Жұмыста детекторларды тік ғарыштық мюондармен калибрлеу ұсынылған. Детекторларды калибрлеу үшін сынақ стенді жиналып, оның схемалық бейнесі келтірілген. Сцинтилляциялық детекторлардың сигналдары 8 арналы CAEN DT 5725 аналогты сандық түрлендіргіші арқылы талданды. Сонымен қатар графиктер көрсетілген. Сондайақ, калибрлеу нәтижелерінің алдын ала нәтижелерін талқылау бар. Детекторлардың бір бөлшекті калибрлеуі сцинтилляциялық детектор арқылы өткен бөлшектердің санын бағалауға мүмкіндік береді.
Түйін сөздер: кең атмосфералық нөсерлер, сцинтилляторлық детектор, амплитудалық сигнал.
Введение
ШАЛ – это вторичные космические лучи, возникающие в результате взаимодействия вы- сокоэнергичных первичных космических лучей с атмосферой Земли. В ТШВНС есть несколько установок для исследования ШАЛ: установка Horizon-T, HADRON-55, толчковая установка (ТУ) и др.
Назначение текущего прототипа детектор- ной системы – определение направления оси ШАЛ. Регистрация с помощью четырех детек- торов позволит учесть влияние флуктуаций фронта ШАЛ при определении зенитного и азиму тального углов при анализе временных поверхностей методом минимизации [1-7].
В последствии предлагается дополнить имеющиеся установки (ГОРИЗОНТ-Т, кало- ри метр и толчковую установку (ТУ)) путем интеграции в них быстрых временных детек- торов. Быстрые временные детекторы будут изго- тавливаться с учетом всех параметров которые будут отработаны на предлагаемом прототипе.
Детектор будет состоять из оптических стекол в которых заряженные частицы генерируют импульсы черенковского света длительностью 100 пикосекунд. Создание системы временных
детекторов на каждой установке обеспечит определение параметров ШАЛ. То есть, позволит отбирать ШАЛ с осями внутри этого комплекса, надежно определить долю необычных ливней с несколькими фронтами и зависимость этой доли от первичной энергии.
В экспериментах были зарегистрированы ши рокие атмосферные ливни (ШАЛ) с нес- коль кими фронтами отстоящими друг от друга на сотни наносекунд. На текущий момент ядер ным составом космических лучей (КЛ) объяснить этот эффект невозможно. Япон ские физики предположили наличие в КЛ тяже лых адронов. Установка ГОРИЗОНТ-Т распо ла- гается и работает на Тянь-Шанской высо ко- горной научной станции (ТШВНС, Алматы, Казахстан). В эксперименте АДРОН на ТШВНС были получены указания на возмож ность существования в КЛ супертяжелых гипоте- тических частиц странной кварковой материи — странглетов [8-12]. В этой связи представляется крайне перспективным более детальное изучение ШАЛ с несколькими задержанными фронтами.
Необходимо создать быстрые временные детектора заряженных частиц с временем раз- решения 5-6 нс. Для регистрации световых им- пульсов должны использоваться ФЭУ типа HA-
6
Прототип установки временных детекторов для исследования оси прихода ШАЛ
MAMATSU Е5859-19 с временем нарастания импульса 2,5 нс. Предполагается что такая система позволит получить разрешающее время достаточное для точного определения углов прихода оси ШАЛ с высокой точностью.
Создание системы временных детекторов на каждой установке (Калориметр и толчковая установка) обеспечит определение одного из параметров – оси ШАЛ [13-20].
Методика и методы исследования Детекторная система
Данный прототип детекторной системы пред назначен для определения зенитных и азимутальных углов прихода оси ШАЛ. Сцин- тилляционные детекторы, использующие для сбора света волокна со смещением длины волны, являются рабочим телом, их взаимное расположение схематично показано на Рисунке 1. Каждый сцинтилляционный детектор имеет размеры 1000 × 1000 × 10 мм (Рисунок 2).
Метод определения направления широких атмосферных ливней
Чтобы оценить направление широких атмо- сферных ливней, необходимо определить ази- мутальный и зенитный углы. Для этого исполь- зуется расположение каждого детектора. Если пред положим, что фронт ливня плоский, то форму ла плоскости записывается следующим образом:
ax + by + cz +d = 0, (1) где a, b, c – координаты нормального вектора, a2 + b2 + c2 = 1. Поскольку в нашей задаче детек- торы расположены на одном уровне, координата
z = 0. Расстояние от i-го детектора с координата- ми xi, yi и zi до плоскости ливня равно:
δi = axi + byi + czi +d,
где δi = ti * c, ti – относительное время отклика i-го детектора (нс), с – скорость света. Затем, ис- пользуя метод наименьших квадратов и метод Крамера, найдем коэффициенты a, b, c. Таким образом, углы прихода ливня определяются сле- дующим образом:
θ = arccos(c),
φ = arctg(b/a). (2) Калибровка сцинтилляционных детекторов для прототипа временных детекторов
Одним из важных параметров детектора при регистрации электромагнитной компоненты ШАЛ является получение количественной характеристи- ки амплитудного сигнала на прохождение мюона.
С целью получения количественной характеристи- ки амплитудного сигнала был собран стенд для калибровки сцинтилляционного детектора (Рису- нок 3). Калибровка сцинтилляционных детекторов была проведена на космических мюонах.
Сцинтилляционный свет собирается свето- водами со сдвигом по длине волны, а затем реги- стрируется фотоумножителями ФЭУ-115М [2].
Сигналы от ФЭУ анализировались с помощью 8-канального цифрового преобразователя CAEN DT 5725 (14 бит, 500 Мб/с) [3].
Формирование триггера идет от первого и третьего детекторов включенных в схему совпа- дений (одновременное срабатывание 1 и 3 детек- тора) и данный триггер инициирует запуск АЦП для записи от второго детектора.
Рисунок 1 – Расположение
сцинтилляционных детекторов Рисунок 2 – Общий вид
сцинтилляционного детектора
О.А. Каликулов и др.
Результаты и обсуждение
Проведена предварительная одночастичная калибровка одного сцинтилляционного детекто- ра. Время нарастания определяется как времен- ной интервал между 10% и 50% площади пика, а общая ширина определяется как временной ин- тервал между 10% и 80%.
Причина этих определений состоит в том, чтобы четко определить начало импульса выше любого минимального уровня шума, использо- вать среднюю площадь в качестве определения
“центра” и отрезать возможные длинные хвосты от кабелей (Рисунок 4).
Одним из недостатков вышеуказанного ме- тода одночастичной калибровки является боль-
Рисунок 3 – Стенд для одночастичной калибровки сцинтилляционных детекторов
шая площадь верхнего и нижнего детектора, так как возможна вероятность прихода одновремен- но нескольких частиц в эту площадь, однако этот недостаток частично компенсируется бы- стрым набором статистики прошедших частиц через все три детектора. Для улучшения этой методике в будущем предполагается дополнить данный стенд небольшим мюонным телескопом (в сравнении с действующей установкой по ка- либровке), который позволит нам провести бо- лее точную одночастичную калибровку.
Примененная методика по одночастичной калибровки сцинтилляционных детекторов по- зволит впоследствии оценить количество про- шедших частиц через рабочую площадь детек- тора.
Рисунок 4 – Одночастичная калибровка сцинтилляционного детектора системы
8
Прототип установки временных детекторов для исследования оси прихода ШАЛ
Заключение
Проведена калибровка сцинтилляционно- го детектора. Получены и проанализированы предварительные калибровочные данные от детектора. Временное разрешение полученное по данным проведенной калибровки позволяет с хорошей точностью оценить углы прихода оси ШАЛ. Точность этого измерения будет из-
учена по мере поступления дополнительных данных.
Благодарность
Работа поддержана грантом Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан AP09058049 «Исследование широких ат- мосферных ливней с запаздывающими фронтами».
Литература
1 Beisembaev R. et al., Extensive Air Showers with Unusual Spatial and Temporal Structure // in proceedings of EPJ Web of Conferences. – 2019. – Vol. 208. – 06002 (1-4).
2 MELZ-FEU, 4922-y pr-d, 4с5, Zelenograd, g. Moskva, Russia, 124482. http://www.melz-feu.ru.
3 CAEN S.p.A. Via della Vetraia, 11, 55049 Viareggio Lucca, Italy. http://caen.it.
4 Prokopenko N.N. Dissertation for the degree of candidate of physical and mathematical sciences, 2020.
5 Eiji Kido et al, The TAx4 experiment //35th International Cosmic Ray Conference – ICRC2017. – 2017. – POS 386 (1-8).
6 Шульженко И.А. и др. Центральная часть установки НЕВОД-ШАЛ: первые результаты // Известия РАН. Серия Физическая. – 2017. – № 4. – 524 c.
7 Шульженко И.А. и др. Статус эксперимента НЕВОД-ШАЛ // Известия РАН, Серия физическая. – 2015. – № 3. – C.
710–712.
8 Ampilogov N.V., Denisov S.P., Kokoulin R.P., Petrukhin A.A., Prokopenko N.N., Shulzhenko I.A., Unatlokov I.B., Yashin I.I. Multisector scintillation detector with fiber-optic light collection // Journal of Instrumentation. – 2017. – Vol. 12(7). – C07004.
9 Aynutdinov V.M., Bonifazi C.B., Creusot A. et al., The Pierre Auger surface detector LED flashers and their use for moni- toring and calibration // Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference. – 2003. – P. 825-828.
10 Хохлов С.С. и др. Современный статус черенковского водного детектора НЕВОД // Труды III Черенковских чте- ний: Новые методы в экспериментальной ядерной физике и физике частиц. – М.: ФИАН, 2010. – 30 c.
11 Богданов А.Г. и др. Исследование характеристик потока и взаимодействия космических лучей сверхвысоких энер- гий с помощью метода спектров локальной плотности мюонов // Ядерная физика. – 2010. – № 11. – 1904 c.
12 Rodriguez G. A measurement of the muon number in showers using inclined events detected at the Pierre Auger Observa- tory // EPJ Web of Conferences. – 2013. – Vol. 53. – 7003.
13 Shulzhenko I.A. et al. Proposal of NEVOD-EAS shower array. // Journal of Physics. Conference Series. – 2013. – Vol.
409. – 012098.
14 Bogdanov A.G. et al. New approach to muon investigations in inclined EAS // Nuclear Physics B. – 2008. – P. 342.
15 Барбашина Н.С. и др. Широко апертурный мюонный годоскоп большой площади УРАГАН // Приборы и техника эксперимента. – 2008. – № 2. – 26 c.
16 Антохонов Б.В. и др. Тунка-133 – новая установка для исследования космических лучей сверхвысоких энергий //
Известия РАН, серия физическая. – 2011. – T. 75. – C.710-712.
17 Peter K. F. Grieder. Extensive Air Showers: High Energy Phenomena and Astrophysical Aspects – A Tutorial //Reference Manual and Data Book. – 2010. – 255 p.
18 Jhansi V.B. et al., Measuring the hourly gain of the scintillator detectors from EAS data // Proceedings of Science 356.
Сайт эксперимента GRAPES-3: http://grapes-3.tifr.res.in.
19 Haungs A. et al., Two Decades of KASCADE and KASCADE-Grande Measurements: Some Achievements // Proc. 34th ICRC. – 2015. – 278.
20 Radomír Šmída Scintillator detectors of Auger Prime // 35th International Cosmic Ray Conference – ICRC2017. – 2017.
http://www.auger.org/archive/authors_icrc_2017.html.
References
1 R. Beisembaev et al., in proceedings of EPJ Web of Conferences, 208, 06002 (1-4) (2019) 2 MELZ-FEU, 4922-y pr-d, 4с5, 124482 http://www.melz-feu.ru.
3 CAEN S.p.A. Via della Vetraia, 11, 55049. http://caen.it.
4 N.N. Prokopenko Dissertation for the degree of candidate of physical and mathematical sciences, 2020.
5 Kido Eiji et. all, ICRC2017, POS 386 (1-8) (2017).
6 I.А. Shulzhenko et al., Izvestiya RAN, Seriya Fizicheskaya, № 4, 524 (2017). (in Russ) 7 I.А. Shulzhenko et al., Izvestiya RAN, Seriya Fizicheskaya, № 3, 710–712 (2015). (in Russ)
О.А. Каликулов и др.
8 N.V. Ampilogov, S.P. Denisov, R.P. Kokoulin, A.A. Petrukhin, N.N. Prokopenko, I.A. Shulzhenko, I.B. Unatlokov, I.I.
Yashin, Journal of Instrumentation, 12(7), C07004 (2017).
9 V.M. Aynutdinov, C.B. Bonifazi, A. Creusot et al., Proceedings of the 28th International Cosmic Ray Conference, 825-828 (2003).
10 S.S. Khokhlov et al., Trudy III Cherenkovskikh chteniy: Novyye metody v eksperimental’noy yadernoy fizike i fizike chastits (Мoscow: FIAN, 2010), 30 p. (in Russ)
11 A.G. Bogdanov et al., Yadernaya fizika, № 11, 1904 (2010). (in Russ) 12 G. Rodriguez, EPJ Web of Conferences, 53, 7003 (2013).
13 I.A. Shulzhenko et al. Journal of Physics. Conference Series, 409, 012098 (2013).
14 A.G. Bogdanov et al., Nuclear Physics B, 342 (2008).
15 N.S. Barbashina et al., Pribory i tekhnika eksperimenta, № 2, 26 (2008). (in Russ) 16 B.V. Antokhonov et al., Izvestiya RAN, Seriya fizicheskaya, 75, 710-712 (2011). (in Russ) 17 K. F. Peter, Reference Manual and Data Book, 255 (2010).
18 V.B. Jhansi et al., Proceedings of Science 356, Sayt eksperimenta GRAPES-3: http://grapes-3.tifr.res.in.
19 A. Haungs et al., Proc. 34th ICRC, 278 (2015).
20 Š. Radomír, 35th International Cosmic Ray Conference – ICRC2017, (2017) http://www.auger.org/archive/authors_
icrc_2017.html.
ISSN 1563-0315; еISSN 2663-2276 Recent Contributions to Physics. №4 (79). 2021 https://bph.kaznu.kz
© 2021 Al-Farabi Kazakh National University 10
IRSTI 29.15.33; 29.35.29 https://doi.org/10.26577/RCPh.2021.v79.i4.02 P.A. Bezyazeekov1* , O. Fedorov2 , D. Kostunin3
1Applied Physics Institute of Irkutsk State University, Russia, Irkutsk
2Astroparticle Physics Lab of JetBrains Research, Russia, St. Petersburg
3DESY, Germany, Zeuthen
*е-mail: [email protected]
PROSPECTS OF THE AIR-SHOWER RADIO ARRAY AT THE TIEN SHAN HIGH-ALTITUDE
SCIENTIFIC STATION
High energy astrophysics has been actively developed since the last decades. The photons and neu
trinos produced at astrophysical sources were detected up to energies of PeV, while the measured spec
trum of cosmic rays lasts from GeV to ZeV energies. The challenges of modern detectors are not only pushing towards higher energies to reach the cosmic acceleration limit, but also increasing the resolution of the reconstruction of the energy, arrival direction and the type of the cosmic particle. Due to low flux of these particles, their detection is feasible only by measurement of airshowers, atmospheric cascades of secondary particles induced by the primary one. One of the promising methods of the airshower detection is the sparse digital radio arrays, a young, but costeffective technique aimed at the cosmic particles with energies beyond PeV. The future detectors aimed at detection of cosmic rays, photons and neutrinos of extreme energies are based on the antenna arrays located either in ice or on mountain slopes. The latter are sensitive both to downwarddirectional airshowers induced by cosmic rays, and upwardgoing ones produced by skimming neutrinos interacting with rock. The prototyping of such an array requires appropriate location (highaltitude mountains) with corresponding infrastructure and ide
ally additional cosmicray detector for the crosscalibration of antennas. TheTien Shan Highaltitude Scientific Station (TSHSS) located near Almaty, Kazakhstan, and equipped with airshower instruments, is an ideal place for this prototype. In this work we discuss the prospects of the radio technique, its cur
rent challenges and report the recent advances of the prototype radio installations at TSHSS.
Key words: astroparticle physics, cosmic rays, radio antennas, TienShan Highaltitude Scientific Station.
П.А. Безъязыков1*, О. Фёдоров2, Д. Костюнин3
1Иркутск мемлекеттік университетінің қолданбалы физика ҒЗИ, Ресей, Иркутск қ.
2Астрофизика және бөлшектер физикасы зертханасы, «ДжетБрейнс»
ғылымизерттеу және білім беру орталығы, Ресей, СанктПетербург қ.
3Неміс электронды синхротрон, Германия, Цойтен қ.
*еmail: [email protected]
Тянь-Шань биік таулы ғылыми станциясында кең атмосфералық нөсерді тіркеуге арналған
антенна торларының болашағы
Жоғары энергиялы астрофизика соңғы онжылдықта белсенді дамып келеді. Астрофизикалық көздерде туындаған нейтринолар мен фотондар ПэВ энергиясына дейін тіркелген, ал ғарыштық сәулелердің өлшенген спектрі ГэВ энергиясынан ЗэВке дейін созылады. Қазіргі заманғы детекторлардың міндеті – ғарыш кеңістігінде жылдамдатылған жоғары энергиялардың бөлшектерін тіркеуге ұмтылу ғана емес, сонымен қатар энергияны қалпына келтіруге арналған қондырғылардың, келу бағыттары мен ғарыштық бөлшектердің түрлерін шешуге қабілеттілігін арттыру. Бұл бөлшектердің аз ағымына байланысты оларды кең атмосфералық нөсердің (КАН), бастапқы бөлшектен туындаған қайталама бөлшектердің атмосфералық каскадтарын өлшеу арқылы ғана анықтауға болады.
КАН анықтаудың жобалы әдістерінің бірі – таратылған сандық радио массивтері болып табылады, бұл жаңа, бірақ экономикалық тұрғыда үнемді әдіс, ПэВтен жоғары энергиялы ғарыштық бөлшектерді тіркеуге бағытталған. Ғарыштық сәулелер, фотондар және экстремалды энергиялы нейтринолардың болашақ детекторлары мұзда немесе тау бөктерінде орналасқан антенналық торларға негізделген. Соңғылары ғарыштық сәулелерден туындаған КАНге де, тау жыныстарымен әрекеттесетін нейтриноны тудыратын жоғары бағытталған нөсерге де сезімтал.
Мұндай тордың прототипін жасау үшін тиісті инфрақұрылымы бар қолайлы орын (таулы жер)
P.A. Bezyazeekov et al.
қажет және, ең дұрысы, антенналарды көлденең калибрлеу үшін КАН тіркеуге арналған басқа қондырғылар бар болғаны жөн. Алматы (Қазақстан) маңында орналасқан және КАН тіркеуге арналған кешенді қондырғылармен жабдықталған ТяньШань биік таулы ғылыми станциясы (ТШБТҒС) осы прототип үшін тамаша орын болып табылады. Бұл жұмыста біз радиотехниканың перспективаларын, оның қазіргі проблемаларын және ТШБТҒСтегі радиоқондырғылардың прототипінің соңғы ғылыми жетістіктері туралы талқылаймыз.
Түйін сөздер: ғарыштық бөлшектер физикасы, ғарыштық сәулелер, радиоантенналар, Тянь
Шань биік таулы ғылыми станциясы.
П.А. Безъязыков1, О. Фёдоров2, Д. Костюнин3
1НИИ прикладной физики Иркутского государственного университета, Россия, г. Иркутск
2Лаборатория астрофизики и физики частиц, Научноисследовательский и образовательный центр “ДжетБрейнс”, Россия, г. СанктПетербург
3Немецкий электронный синхротрон, Германия, г. Цойтен
*еmail: [email protected] Перспективы антенных решеток
для регистрации широких атмосферных ливней на Тянь-Шаньской высокогорной научной станции
Астрофизика высоких энергий активно развивается в последнее десятилетие. Фотоны и нейтрино, рожденные в астрофизических источниках, зарегистрированы до энергий ПэВ, в то время как измеренный спектр космических лучей длится от энергий ГэВ до ЗэВ. Задача современных детекторов заключается не только в регистрации частиц все более высоких энергий, ускоренных в космическом пространстве, но и в повышении разрешающей способности установок для восстановления энергий, направлений прибытия и типов космических частиц. Изза малого потока этих частиц их обнаружение возможно только путем измерения широких атмосферных ливней (ШАЛ), атмосферных каскадов вторичных частиц, индуцированных первичной частицей.
Одним из перспективных методов обнаружения ШАЛ являются распределенные цифровые радиомассивы, новый, но экономически эффективный метод, нацеленный на регистрацию космических частиц с энергией выше ПэВ. В основе будущих детекторов космических лучей, фотонов и нейтрино экстремальных энергий лежат антенные решетки, расположенные во льду или на горных склонах. Последние чувствительны как к направленным вниз ШАЛ, вызванных космическими лучами, так и к направленным вверх создаваемым нейтрино, взаимодействующим с горными породами. Для создания прототипа такой решетки требуется подходящее место (высокогорье) с соответствующей инфраструктурой и, в идеале, ряд других установок для регистрации ШАЛ, для перекрестной калибровки антенн. ТяньШаньская высокогорная научная станция (ТШВНС), расположенная недалеко от Алматы, Казахстан, и оснащенная комплексными установками для регистрации ШАЛ, является идеальным местом для этого прототипа. В этой работе мы обсуждаем перспективы радиотехники, ее текущие проблемы и сообщаем о последних научных достижениях прототипа радиоустановок на ТШВНС.
Ключевые слова: физика космических частиц, космические лучи, радиоантенны, Тянь
Шаньская высокогорная научная станция.
Introduction
When the measurements of cosmic rays have reached energies of the GZK [1,2], the main challenge for the physics of ultra-high cosmic rays is to increase the statistics and the measurement quality close to the breakdown of the cosmic ray flux at approximate 60 EeV. To obtain sufficient statistics one needs to build economically reasonable large-area detectors with high duty-cycles. The radio detection could be one of the prospective techniques for future investigations of ultra-high energy cosmic rays.
Radio detection of ultra-high energy (>PeV) particle cascades in media was proposed [3,4] and
detected [5] more than half a century ago. Due to limitations of the data acquisition and data analysis with the technologies available at that time, the radio technique has been disregarded until the first decade of the 21st century. Development and mass production of fast digital-analog converters, boards and computers enabled the installation of large wide-angle digital radio arrays for radio astronomy as well as for air-shower detection. In the last years digital radio arrays operating in the MHz frequency band have proven their feasibility, hardware and software for them were developed and successfully applied.
To acquire sufficient data in the EeV energy domain, it is necessary to cover areas from tens to
12
Prospects of the air-shower radio array at the Tien Shan high-altitude scientific station
thousands of square kilometers, which implies the deployment of sparse arrays with distances between antenna stations from tens to thousands of meters.
The hardware and methods for the sparse antenna arrays were developed and successfully tested in AERA and Tunka-Rex [6-12], which has shown that radio arrays for air-shower detection are ready for the installation on the large areas. This success has brought a motivation to build large-scale radio arrays with areas of thousands square kilometers.
The first step will be done with the AERA setup which will be extended to the full area of the Pierre Auger Observatory, namely by attaching an antenna station to each water-Cherenkov tank. The first successful stand-alone array ARIANNA aimed mainly for neutrino detection is being deployed in Antarctica and has already shown that a self-trigger can be implemented and successfully used in very radio-quiet locations [13].
The achievements listed above are planned to be used in the proposed extremely-large scale setup GRAND, a distributed radio array tuned for the detection of very inclined air-showers for neutrinos, cosmic rays and gamma [14]. This ambitious project has many challenges starting from industrial production and maintenance of hundreds of thousands of antennas and corresponding electronics and finishing with precision methods for the reconstruction of upward-going and highly inclined air-showers. Achieving these challenges requires building prototypes in the environments close to the real ones, i.e. high-altitude mountains. One of the best locations for such a prototype is the Tien-Shan High-altitude Scientific Station (TSHSS). At TSHSS there are several installations for the study of EAS:
Horizon-T installation, HADRON-55, burst detector etc.In this work we discuss the prospects of the ra- dio technique, its current challenges and report the recent advances of the prototype radio installations at TSHSS.
Radio detection technique and analysis methods
The interest in radio detection of air-showers was rekindled due to the following features of this technique:
– Cost-efficiency. The cost of a single detection element (antenna) of a radio array is an order of magnitude lower than for particle detectors (scintil- lators) and optical detectors (PMTs). At the same time, deployment and maintenance of radio arrays require less human, time and financial resources than for optical arrays or telescopes.
– Duty-cycle. Since the air is transparent for MHz radio, the detection is almost unaffected by the atmospheric conditions (temperature, density and humidity, see Ref. [15] for details) and can be performed around-the-clock except during thunder- storms.
– Precision for energy and shower maximum. In the last years it was proven that the resolution of radio detectors can achieve 10-15% for the energy and 20-40 g/cm² for the depth of shower maximum [16,17] depending on energy and on the configura- tion of the detector. These numbers are comparable with the precision achievable using optical methods of air-shower detection.
– Sensitivity for inclined events. Since the se- condary particles as well as Cherenkov and fluo- rescent light are absorbed during the propagation through the atmosphere, optical and particle setups have difficulties detecting very inclined air show- ers (with inclination υ>60°) with full efficiency.
Contrary to it, radio waves can propagate tens of kilometers in the atmosphere and be seen by an an- tenna array from a very far distance. Although the power of the emission falls with distance squared, the air-shower footprint increases as 1/cosυ, which allows one to detect these air-showers with very sparse arrays.
The combination of these features makes the detection of ultra-high energy messengers (>EeV) the perfect science case for the radio technique. For the time being most of the digital radio arrays serve as extensions for the existing cosmic-ray setups, and only few operate in stand-alone mode. The main obstacle for large-scale stand-alone arrays is the high radio background. To achieve high efficiency under this background one needs to select the optimal frequency band and develop sophisticated self-trigger [18] as well as develop optimal methods for the signal processing and EAS parameters reconstruction.
Common approach to the measurements of air-showers in radio bands is using sparse time- synchronized antenna arrays. Single station detects the integrated radio emission of an air-shower at the point of the surface of the array. Air-shower radio pulse is short peak with tens of nanoseconds characteristic length. With known timestamps of the detection of these pulses at different stations one can reconstruct the arrival direction of the air-shower.
Position of shower core is reconstructed by the lateral distribution of amplitudes of measured pulses. With reconstructed arrival direction and shower core one performs reconstruction of the main parameters of the shower: electromagnetic energy, related to
P.A. Bezyazeekov et al.
energy of the primary particle, and depth of shower maximum (depth in atmosphere associated with maximal number of particles in shower lifecycle), related to the mass of the primary particle.
These parameters are usually reconstructed using analysis of lateral distribution of measured amplitudes in the plane perpendicular to the shower axis. Measured amplitudes are fitted with some type of exponential function (lateral distribution function, LDF) depending on experimental conditions and used approach. For example, in the first-years analysis of data collected by Tunka-Rex the following parameterization is used:
E(r) = Er0 sin αg exp[fη(r − r0)] ,
where Er0 is amplitude of radio pulse at the distan- ce r0 from the shower axis, αg is angle between the geomagnetic field vector and the shower axis, r is distance to the shower axis. With this approach the shower energy and depth of maximum are defined as amplitude and slope of the LDF at specific points [19].
For increasing the precision of the reconstruc- tion one can take into account the shape of the shower pulse, as shown in the latest analysis of Tunka-Rex [20]. With this approach the energy is pre-reconstructed using the LDF method. After that a set of simulations for each event with the fixed
energy, but various masses of the primary particle is produced, and is fitted to the shapes of measured pulses to the simulated ones. Comparsion is perfor- med using reducing chi-square fit. Using this appro- ach the better precision is reached in comparison with the LDF method.
For the testing of new methods of the air-sho- wers radio data processing the Tunka-Rex Virtual Observatory (TRVO) is developed [21]. It is a fra- mework which provides an open access to the data of experiments measuring cosmic rays with radio technique. At the current moment it contains data collected by Tunka-Rex and Almarac experiments.
Framework includes low-level information (time- stamps and signal traces) and specific modules for processing the data, for example, denoising the tra- ces with deep neural networks, modules for calcu- lating the signal parameters and for testing the self- trigger techniques.
Preliminary results of deployment of antenna setups on TSHSS and discussion
Radio detection at the TSHSS began more that five years ago. The first installation has been done with the three low-frequency dipole antennas opera- ting in the 1-8 MHz range (Fig. 1, left). [22]. Fig.2 shows day-night variation of background at low-fre- quency antenna caused by ionosphere features.
Figure 1 – Various antenna types at TSHSS.
Left: Low-frequency dipole antennas operating in 1-8 MHz range.
Middle: Short aperiodic loaded loop antenna (SALLA) from Almarac array.
Right: newly developed Uda-Yagi antenna to be installed with the Horizon-T array
Later, in cooperation with Tunka-Rex, the Almaty Radio Cluster (Almarac) was deployed in 2018. Almarac antenna cluster consists of 4 short aperiodic loaded loop antennas (SALLA)
with arcs oriented at an angle of 45 degrees to the Earth’s magnetic field (Fig. 1, middle). This orientation of the antennas ensures the highest efficiency of air-shower radio emission detection.
14
Prospects of the air-shower radio array at the Tien Shan high-altitude scientific station
A similar arrangement of antennas has already been successfully used in the Tunka-Rex experiment.
The signal track completely repeats the Tunka-Rex signal path, with one exception of a slightly longer cable length in the Almarac antenna cluster. To digitize the signal, a CAEN ADC with a sampling rate of 250 MHz is used, which makes it possible to detect radio emission up to 125 MHz and with a margin that overlaps the bandwidth of the signal path (30-80 MHz). A feature of the Almarac antenna cluster is its high-altitude location. This arrangement
of the cluster makes it possible to reduce the energy threshold for cosmic-ray detection, due to the lower attenuation of radio emission from air-showers at threshold energies. The close proximity of the antenna cluster to other installations of the Tien Shan Station makes it possible to carry out cross- calibration. Closely located high mountains allow the installation to be naturally protected from man-made interference. For the moment, the data acquired by Almarac are converted to the TRVO format to be analyzed with Tunka-Rex software.
Figure 2 – Day-night variation of background at low-frequency antenna at TSHSS
One of the most important tasks of radio detection is to solve the problem of autonomous registration without using an external trigger. At the moment, there are no universally established methods for the implementation of autonomous radio installations with internal trigger systems. Although the solution of this problem is the most important stage in the development of new generation radio installations.
Previous studies have shown the potential efficiency of compact antenna clusters for the tasks of autonomous cosmic-ray detection without reference to other types of detectors [18]. The Almarac cluster can be used to develop and implement in hardware the techniques for detecting radio emission from air- showers without using external triggers.
Recently a new Yagi-Uda antenna was created to detect radio emission from inclined air-showers in the frequency range of 55-65 MHz (as a potential extension to the Horizon-T setup [23]). First, a computer model of the antenna was designed and an experimental model (a real prototype) was created based on the simulations. The active vibrator half- wave length (0.5 λ) is 2.38 m, the reflector length, slightly larger than 0.5 λ, is 2.45 m, the directors are 2.26 m and 2.24 m, respectively (Fig. 1, right).
All active and passive vibrators are made of aluminum pipe with an outer diameter of 10 mm.
The length of the wooden boom (traverse) is 2.5 m. The deployment of these new antennas are in progress.
P.A. Bezyazeekov et al.
Conclusion
Tien-Shan High-altitude Scientific Station is a unique facility that provides a variety of setups measuring different components of air-showers as well as very inclined cascades induced by the ultra- high energy cosmic rays. Its high-altitude location allows for lowering the threshold of detection and studying hadronic components of air-showers as well as provide opportunity for the location of the detectors on the slope of the mountain. The combination of these features allows us to develop
and test modern perspective techniques, such as radio detection of air-showers. The first results obtained with prototype radio setups installed there are very promising and bring an inspiration for the deployment of more complicated hardware for the solution of the actual problems of radio detection, like lowering the threshold, autonomous trigger system, very-large zenith angle observations. Achievement of these challenges will help community to make a step forward towards the next-generation ultra-large scale antenna arrays for the detection of particles of extreme energies.
References
1 Greisen K. End to the Cosmic-Ray Spectrum // Physical Review Letters. – 1966. – Vol. 16. – P. 748–750.
2 Zatsepin G. T. and Kuzmin V. A. Upper limit of the spectrum of cosmic rays // ZhETF Pisma Redaktsiiu. – 1966. – Vol.
4(3). – P. 114–117.
3 Askaryan G. A. Excess negative charge of an electron-photon shower and its coherent radio emission // Soviet Physics JETP. – 1962. – Vol. 14. – 441 p.
4 Kahn F. D. and Lerche I. Radiation from cosmic ray air showers // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. – 1966. – Vol. 289. – 206 p.
5 Jelley J. V., Fruin J. H., Porter N. A. et al. Radio Pulses from Extensive Cosmic-Ray Air Showers // Nature. – 1965. – Vol.
205. – P. 327–328.
6 Pedro Abreu et al. Antennas for the Detection of Radio Emission Pulses from Cosmic-Ray // JINST. – 2012. – Vol. 7. – P10011.
7 Alexander Aab et al. Observation of inclined EeV air showers with the radio detector of the Pierre Auger Observatory Pierre Auger Collaboration // JCAP. – 2018. – Vol. 10. – 026. – e-Print: 1806.05386 [astro-ph.IM].
8 Alexander Aab et al. Energy Estimation of Cosmic Rays with the Engineering Radio Array of the Pierre Auger Observatory Pierre Auger Collaboration // Published in: Phys. Rev. D. – 2016. – Vol.93(12), –122005. – e-Print: 1508.04267 [astro-ph.HE].
9 Bezyazeekov P.A. et al. Radio measurements of the energy and the depth of the shower maximum of cosmic-ray air showers by Tunka-Rex Tunka-Rex Collaboration // JCAP 01. – 2016. – Vol. 052. – e-Print: 1509.05652 [hep-ex].
10 Bezyazeekov P.A., Budnev N.M., Gress O.A., Haungs A., Hiller R. et al. Measurement of cosmic-ray air showers with the Tunka Radio Extension (Tunka-Rex) // Nucl.Instrum.Meth.A. – 2015. – Vol.802. – P.89-96. –e-Print: 1509.08624 [astro-ph.IM].
11 Kostunin D., Bezyazeekov P.A., Hiller R., Schröder F.G., Lenok V. et al. Reconstruction of air-shower parameters for large-scale radio detectors using the lateral distribution // Astropart.Phys. – 2016. – Vol.74. – P.79-86. – e-Print: 1504.05083 [astro- ph.HE].
12 Bezyazeekov P.A., Budnev N.M., Chernykh D., Fedorov O., Gress O.A. et al. Reconstruction of cosmic ray air showers with Tunka-Rex data using template fitting of radio pulses // Phys.Rev.D. – 2018. – Vol. 97(12). – 122004. – e-Print: 1803.06862 [astro-ph.IM].
13 Barwick S.W., Besson D.Z., Burgman A., Chiem E., Hallgren A. et al. Radio detection of air showers with the ARIANNA experiment on the Ross Ice Shelf // Astropart.Phys. – 2017. – Vol.90. – P.50-68. – e-Print: 1612.04473 [astro-ph.IM].
14 Jaime Álvarez-Muñiz et al. The Giant Radio Array for Neutrino Detection (GRAND): Science and Design GRAND Collaboration // Sci.China Phys.Mech.Astron. – 2020. – Vol.63 (1). – 219501. – e-Print: 1810.09994 [astro-ph.HE].
15 Corstanje A., Bonardi A., Buitink S., Falcke H., Hörandel J.R. et al. The effect of the atmospheric refractive index on the radio signal of extensive air showers // Astropart.Phys. – 2017. – Vol.89. – P.23-29. – e-Print: 1701.07338 [astro-ph.HE].
16 Buitink S., Corstanje A., Enriquez J. E., Falcke H., Hörandel J. R. et al. Method for high precision reconstruction of air shower X_{max}X max using two-dimensional radio intensity profiles // Phys.Rev.D. – 2014. – Vol.90 (8). – 082003. – e-Print:
1408.7001 [astro-ph.IM].
17 Bezyazeekov P.A., Budnev N.M., Chernykh D., Fedorov O., Gress O.A. et al. Reconstruction of cosmic ray air showers with Tunka-Rex data using template fitting of radio pulses // Phys.Rev.D. – 2018. – Vol.97 (12). – 122004. – e-Print: 1803.06862 [astro-ph.IM].
18 Bezyazeekov P., Fedorov O., Kazarina Y., Kopylova O., Kostunin D., Lenok V., Malakhov S. Efficiency estimation of self- triggered antenna clusters for air-shower detection // Proceedings of the 37th International Cosmic Ray Conference. – 2021. – Online.
19 Bezyazeekov P.A., Budnev N.M., Gress O.A., Haungs A., Hiller R., Huege T., Kazarina M.Kleifges Y., Konstantinov E.N., Korosteleva E.E., Kostunin D., Krömer O., Kuzmichev L.A., Levinson E., Lubsandorzhiev N., Mirgazov R.R., Monkhoev R., Pakhorukov A., Pankov L., Prosin V.V., Rubtsov G.I., Rühle C., Schröder F.G., Wischnewski R., Zagorodnikov A. Measurement of cosmic-ray air showers with the Tunka Radio Extension (Tunka-Rex) // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research
