В научном мире существует два метода исследования энергетического спектра и состава космических лучей (КЛ): «прямой», в котором измеряется энергия и заряд первичных частиц за пределами атмосферы при помощи космических аппаратов или высотных аэростатов, и «косвенный» - регистрация ливней вторичных частиц, образующихся при вхождении в атмосферу первичных частиц благодаря многочисленным ядерным и электромагнитным взаимодействиям вторичных частиц ливня с ядрами и электронами атомов атмосферы.
Возможности провести прямое изучение КЛ за пределами атмосферы в диапазоне энергий 1015 −1016 эВ у исследователей не было и пока нет – слишком дорого и методически трудно. Поэтому единственным способом изучения энергетического спектра и состава космических лучей в этом интересном диапазоне энергий является исследование широких атмосферных ливней (ШАЛ) на наземных установках.
В проведенных ранее экспериментах были обнаружены следующие особенности энергетического спектра: два излома (при энергиях ~ 3*1015 и ~ 1017 эВ) и его обратный изгиб (~ 5*1018 эВ), а также изменения состава КЛ сначала в сторону более тяжелых ядер, а затем в сторону более легких. Однако однозначной интерпретации наблюдаемых явлений в рамках единого подхода до сих пор не получено. При этом практически неизученной остается нейтронная компонента ШАЛ, которая может нести недостающую информацию о развитии ливней в атмосфере, так как адроны являются основной компонентой ШАЛ, определяющей их свойства на уровне наблюдения.
Излом энергетического спектра широких атмосферных ливней получил название «колено» и наблюдается в разных компонентах ШАЛ. На сегодняшний день создано множество моделей физической интерпретации «колена». Всех их можно условно разделить на две группы: «ядерно-физические» и «астрофизические», но ни одна из них не описывает всю совокупность имеющихся экспериментальных данных. Именно на решение проблемы «колена» в энергетическом спектре космических лучей и направлены исследования нейтронной компоненты ШАЛ, проводимые в НОЦ НЕВОД в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых-кандидатов наук.
Для проведения исследований используются экспериментальные данные, получаемые на установке ПРИЗМА-32, созданной в МИФИ совместно с Институтом ядерных исследований РАН.
Данная установка состоит из 32 эн-детекторов, размещенных в экспериментальном комплексе НЕВОД. Эн-детектор способен одновременно регистрировать две основные компоненты ШАЛ: электромагнитную компоненту (э) при групповом прохождении заряженных частиц и адронную компоненту через регистрацию тепловых нейтронов (н). Его конструкция схожа с обычным детектором ШАЛ, но со специальным тонким неорганическим сцинтиллятором, чувствительным к тепловым нейтронам. Слой сцинтиллятора состоит из сплава неорганического сцинтиллятора ZnS (Ag) и LiF, обогащенного до 90% 6Li, который является очень эффективным сцинтиллятором для регистрации тепловых и надтепловых нейтронов. В нем образуется около 160000 фотонов при захвате нейтрона в реакции6Li(n,a)t + 4.8 MeV. Это позволяет собирать более 50 фотоэлектронов с фотокатода ФЭУ от n-захвата при площади сцинтиллятора порядка 1 кв. м, просматриваемого одним фотоумножителем.
Рис.2. Детектор для регистрации тепловых нейтронов.Основной задачей проводимых исследований является продолжение эксперимента по регистрации нейтронной компоненты ШАЛ, начатого в 2013 году.
«Это позволит получить уникальные экспериментальные данные по спектрам электронной и нейтронной компонент ШАЛ, которые дадут новую информацию о космических лучах в области излома энергетического спектра»,
– пояснил ведущий инженер НОЦ НЕВОД, один из разработчиков установки нового типа Дмитрий Громушкин.
«Работу с новым детектором нейтронов Дмитрий начал сразу послу окончания МИФИ в 2006 году. Создание первой в мире масштабной установки для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ явилось предметом его кандидатской диссертации, защищенной в 2014 году. Следует также отметить, что за создание этой установки Дмитрий Михайлович был награжден Медалью РАН для молодых ученых»,
– сказал руководитель НОЦ НЕВОД, профессор НИЯУ МИФИ А.А. Петрухин.
Созданная в МИФИ установка позволила впервые получить данные о нейтронной компоненте ШАЛ. Опыт создания установки для регистрации нейтронной компоненты ШАЛ уже используется при развертывании крупномасштабных установок с использованием детекторов подобного типа (проект Установки для Регистрации Атмосферных Нейтронов (УРАН) и проект установки PRISMALHAASO).
Разработанные детекторы и методы регистрации нейтронов могут также применяться и в прикладных задачах, например, для изучения долговременных вариаций потока тепловых нейтронов и в системах контроля радиационной обстановки.
В релизе использованы материалы автореферата диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Д.М. Громушкина «УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НЕЙТРОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ШАЛ».