В результате спорадических явлений солнечной активности электроны и ионы ускоряются до энергий до нескольких МэВ и до нескольких ГэВ соответственно. Таким образом образуются солнечные космические лучи (СКЛ) [1]. Во время солнечных вспышек их интенсивность становится высокой, что опасно для космонавтов и космической аппаратуры [4]. Для мониторинга потока электронов и ионов СКЛ, а также для измерения их спектра в настоящей работе разрабатывается детектор.
Детектор представляет собой цилиндр, состоящий из нескольких сцинтилляционных шайб. При прохождении частиц сквозь детектор в шайбах высвечиваются фотоны, которые через оптоволокно попадают в SiPM. Фотоны попадают в оптоволокно за счёт того, что в шайбах просверлена канавка, куда оно вклеивается. Такая конструкция позволяет вынести электронику подальше от пучка частиц, а также имеет хорошую однородность светосбора.
Рис. 1 Слева: основные элементы детекторного блока макета: 1 – сцинтилляционные шайбы, 2 – кремниевые лавинные фотодиоды (SiPM), 3 – температурный датчик, 4 – монтажно-защитный корпус. Справа: собранный макет без электроники.
Детектор проектируется для измерения электронов с кинетической энергией от 1 до 10 МэВ и протонов с кинетической энергией от 10 МэВ до 100 МэВ. Методика измерения основана на кривой ионизационных потерь частиц в веществе. Частицы, проходя сквозь детектор, в разных шайбах выделяют разное количество энергии, что позволяет восстановить кривую потерь. Для протонов эта кривая имеет характерный пик Брегга [3], по положению которого можно определить энергию частицы.
Рис. 2 Кривая ионизационных потерь протонов и электронов в сцинтилляторе.
Расчёт выделения энергии в шайбах был выполнен с помощью Монте Карло моделирования на Geant4 [2]. В качестве физической модели использовался модуль стандартной электромагнитной физики G4EmStandartPhysics, включающий в себя описание процессов, оказывающих основное влияние на распространение частиц в детекторе: ионизационные потери, упругое кулоновское рассеяние и тормозное излучение.
В силу того, что детектор разрабатывается для измерений в космосе, то требовалось оптимизировать его габариты и массу. Длина детектора будет составлять 7 см, диаметр шайб составит 3 см. Такие габариты позволяют останавливать частицы в требуемом диапазоне энергий, а также поглощать большую часть электромагнитных ливней, рождённых регистрируемыми частицами в детекторе. Суммарная масса детектора включая электронику и корпус не превысит 700 г.
В качестве SiPM были выбраны hamamatsu S12575-015P. Было промерено оптимальное напряжение на SiPM при разных температурах от 0 до 50 градусов Цельсия. Оказалось, что при комнатной температуре оптимальное напряжение 68.5 В. При изменении температуры на +1 градус необходимо менять напряжение приблизительно на +0.06 В (зависимость линейная).
Детектор будет работать в двух режимах: в счётном и в интегральном. Счётный режим используется в том случае, когда поток частиц СКЛ ниже скорости регистрации детектора. В таком случае каждая кривая потерь анализируется отдельно, и по ней определяется энергия частицы методом максимального правдоподобия. Интегральный режим используется при большом потоке СКЛ, например, во время солнечных вспышек. В этом режиме выделяемые энергии регистрируемых частиц складываются, и анализируется суммарная кривая потерь. Из неё, например, с помощью регуляризации Турчина [5] восстанавливается спектр частиц. Погрешность детектора не превысит 10%.
Рис. 3 Пример восстановления дифференциального спектра протонов в компьютерной модели.
Работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 17-72-20134).
Цель работы заключается в вычислении сечений и скорости захвата солнечных нейтрино ядрами 76Ge, что могло бы помочь в оценке нейтринного фона в экспериментах по безнейтринному двойному бета-распаду типа GERDA. В качестве исходного материала были взяты спектры возбуждённых состояний ядра 76Ge, опубликованные в журнале Physical Reviw (2012). Основная проблема заключается в декомпозиции спектра, т.e. представлении спектра в виде совокупности резонансных и нерезонансных состояний, что необходимо для определения матричных элементов ядерного перехода. Консультации по теоретической части нам устраивают профессор Курчатовского института д.ф.-м.н. Лютостанский Юрий Степанович и его коллега д.ф.-м.н. Тихонов Виктор Николаевич.
По теме работы было произведено несколько докладов на международных конференциях: в Гейдельберге 3-9 июня (XXVIII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics), в Воронеже 1-6 июля (68 Международная научная конференция по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра «Ядро 2018»), в МИФИ 22-26 октября (4 Международная конференция по физике частиц и астрофизике).
По результатам работы готовится статья в журнале «Известия РАН. Серия Физическая». Англоязычный вариант статьи выложен на архиве (https://arxiv.org/abs/1810.07452).
В настоящее время изучается вклад в структуру резонансных уровней т.н. пигми-резонансов – побочных спутников Гамов-Теллеровского резонанса, имеющих место в зарядово-обменных процессах.
Разработка Байесовских методов в рамках коллаборации BAT
Разработка платформы DataForge для автоматизированной работы с данными
Разработка библиотек для научного программирования
Разработка и применение компьютерных методов
Симуляции
Конференции и публикации
Послано две статьи в сборники трудов конференции (AYSS, TEPA)
Опубликована статья PHYS. REV. D 98, 082001 (2018) “Structures of the intracloud electric field supporting origin of long-lasting thunderstorm ground enhancements” A.CHILINGARIAN et al.
Название / ссылка | Авторы | Опубликовано (дата) | Финансирование / отчетность |
Application of Turchin’s method of statistical regularization / https://doi.org/10.1051/epjconf/201817707005 | Mikhail Zelenyi , Mariia Poliakova , Alexander Nozik, Alexey Khudyakov, | 18.04.2018 | Ministry of Education and Science of the Russian Federation under the contract No. 3.3008.2017/PP. |
Chemical composition analysis for X-ray transport container scans. / http://pepan.jinr.ru/ | A. Zelenaya, M. Zelenyi, A.A.Turinge, V.G. Nedorezov |
| Ministry of Education and Science of the Russian Federation under the contract No. 3.3008.2017/PP. |
Cosmic-ray muon flux at Canfranc Underground Laboratory | W.H. Trzaska, M. Slupecki, I. Bandac, A. Bayo, A. Bettini, L. Bezrukov, T. Enqvist, A. Fazliakhmetov, A. Ianni, L. Inzhechik, J. Joutsenvaara, | in progress | This work has been supported in part |
Сечение захвата солнечных нейтрино ядром 76Ge | А. К. Выборов, Л. В. Инжечик, Г. А. Коротеев, Ю. С. Лютостанский, В. Н. Тихонов, А. Н. Фазлиахметов | in progress журнал Известия РАН | Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант № 18-02-00670 и государственного задания Минобрнауки России 3.3008.2017/ПЧ. |
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕНТИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ И ГАММА-КВАНТОВ В АТМОСФЕРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ | Зелёный М. Е., Стадничук Е. М. | 2018 Труды тринадцатой ежегодной конференции "Физика плазмы в солнечной системе" | This work is supported by the Russian Science Foundation under grant No. 17-12-01439 |
Проектирование детектора протонов и электронов для мониторинга солнечных космических лучей | М. Зелёный, Е. Стадничук, А. Нозик, И. Зимовец, А. Кудинов и И. Резников | in progress | Работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 17-72-20134) |
Calculation of gain coefficient in Dwyer relativistic discharge feedback model of thunderstorm runway breakdown | Mikhail Zelenyi, Egor Stadnichuk and Alexander Nozik | in progress | This work is supported by the Russian Science Foundation under grant No. 17-12-01439 |
Название / ссылка | Дата | Тип конференции | Тип доклада | Финансирование / отчетность |
The 3rd International Conference on Particle Physics and Astrophysics https://indico.particle.mephi.ru/event/14/ http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/934/1/012019/meta | 2-5 October 2017 | международная | постерный | This work was supported by the grant of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation number 3.3008.2017. |
Koroteev G.A. Solar neutrino capture cross-section for 76Ge nuclei | 01.07.2018 - 06.07.2018 | международная | устный доклад | This work is supported by grants of the Russian Foundation of Basic Research No. 18-02-00670 and Ministry of Education and Science of the Russian Federation under the contract No. 3.3008.2017/PP. |
XXVIII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics https://www.mpi-hd.mpg.de/nu2018/ 2 постера | 4–9 June 2018 | международная | постерный | This work is supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation under the contract No. 3.3008.2017/PP and the Russian Foundation for Basic Research (project no. 18-02-00670) |
КОНФЕРЕНЦИЯ КОНКУРС МОЛОДЫХ ФИЗИКОВ | 5 марта 2018 | международная | постерный | Данная работа выполнена в рамках исполнения государственного задания Минобрнауки России 3.3008.2017/ПЧ. |
ICPPA-2018 Nozik A. A. Time of arrival analysis of constant count rate measurements data | 22-26 октября 2018 | международная | устный | ? |
Egor Stadnichuk, Monte Carlo simulation of the Relativisticfeedback discharge model (RFDM) | 17-20 сентября 2018 | международная | устный | This work is supported by the Russian Science Foundation under grant No. 17-12-01439 and Ministry of Education and Science of the Russian Federation under the contract No. 3.3008.2017/PP |
The XXII International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2018) Mikhail Zelenyi, About some question in modern models of thunderstorm runway breakdown | 23-27 апреля 2018 | международная | устный | This work is supported by the Russian Science Foundation under grant No. 17-12-01439 |
The XXII International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2018) | 23-27 апреля 2018 | международная | постер | Работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 17-72-20134) |
9-10 апреля 2018 | всероссийская | устный | Работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 17-72-20134) | |
9-10 апреля 2018 | всероссийская | постер | This work is supported by the Russian Science Foundation under grant No. 17-12-01439 | |
Тринадцатая ежегодная конференция "Физика плазмы в солнечной системе" | 12-16 февраля 2018 | всероссийская | устный | This work is supported by the Russian Science Foundation under grant No. 17-12-01439 |
61-я Всероссийская научная конференция МФТИ Стадничук Егор, Проектирование детектора солнечных космических лучей | 19-25 ноября 2018 | всероссийская | устный | Работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 17-72-20134). |