Моделирование процессов прохождения ядер галактических космических лучей через кристаллы оливина из метеорита

Исследование космических лучей имеет долгую историю. Первое указание на существование неизвестного источника ионизации чистого воздуха появилось ещё в 1900 [1][2], а в 1912 г. В. Ф. Гесс [3] обнаружил, что степень ионизации воздуха быстро растёт с высотой над уровнем моря и выдвинул предположение о внеземном происхождении причины такого эффекта. Однако понадобилось ещё более 10 лет, прежде чем эта идея получила признание, и более 20 лет, прежде чем автору была вручена Нобелевская премия. Такая высокая оценка не является случайной и свидетельствует о важности сделанного открытия. По сути, было обнаружено, что Земля пронизывается мощными потоками элементарных частиц и ядер, несущими информацию о процессах на Солнце и в Космосе. Эта информация до сих пор играет существенную роль при проверке астрофизических моделей образования и эволюции звёзд и галактик.

Помимо астрофизических задач, исследования космических лучей вносят большой вклад в решение проблем физики элементарных частиц и ядерного взаимодействия при высоких энергиях. В составе космических лучей впервые были обнаружены позитрон, мюоны, пионы, К± и К°-мезоны, Л0-, и Е~ - гипероны. Продолжаются поиски экзотических частиц: монополей Дирака, частиц тёмной материи, странглетов, аксионов и др. Долгое время космические лучи были на передовой линии исследований по физике высоких энергий, опережая ускорительные методы и двигаясь по шкале энергий всё дальше и дальше по мере развития ускорителей. К настоящему времени в космических.

20 лучах обнаружены частицы с энергией вплоть до 10 эВ.

Особую роль играют исследования, направленные на изучение распространенности химических элементов в составе космических лучей как в области легких, начиная с водорода и гелия, так и в области тяжелых (7, > 20) и сверхтяжелых (X > 50) ядер. При этом особое значение имеют работы, направленные на исследование ядер ультратяжелой (82 <Ъ< 92) компоненты. Регистрация тяжёлых и сверхтяжёлых ядер в космических лучах и поиск среди них трансфермиевых ядер с зарядами Ъ > 100 принадлежит к числу наиболее значимых и актуальных задач современной ядерной физики и астрофизики [4].

Вопрос о существовании сверхтяжелых ядер имеет важнейшее значение для понимания свойств ядерной материи. Прежде всего, представляет интерес проверка предсказания [5] значительного увеличения стабильности ядер вблизи магических чисел 114 и N = 184 (К — число нейтронов), которое могло бы приводить к существованию в этой области «острова стабильности» сверхтяжелых ядер. Подтверждения этого предсказания получены в экспериментах под руководством Ю. Ц. Оганесяна на ускорителе Лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флерова Объединённого института ядерных исследований (ОИЯИ) [6], где были открыты ядра элементов со 112-го по 118-ый. Время жизни некоторых из этих ядер составляет несколько секунд и даже минут, что в десятки тысяч раз превышает время жизни ядер с меньшим зарядом.

Несмотря на этот успех, дальнейший поиск сверхтяжелых элементов в составе космических лучей сохраняет свою актуальность. Дело в том, что эксперименты на ускорителях приводят к созданию изотопов ядер, находящихся не в зоне стабильности, а вблизи неё. Эти изотопы имеют время жизни, достигающее в лучшем случае минуты, что на много порядков больше, чем у ядер, находящихся в зоне нестабильности (92 <Ъ< 100). Однако на много порядков величины меньше теоретических оценок, которые должны иметь ядра в зоне «острова стабильности». Результаты экспериментов, проведенных на ускорителе ОИЯИ, требуют дальнейшей проверки и подтверждения с помощью ускорительной техники, а также стимулируют продолжение поиска и регистрации трансфермиевых ядер путем исследования космических лучей. Необходимы поиски и других возможных сверхтяжелых ядер. Если закономерности, основанные на теоретическом представлении о магических числах протонов и нейтронов в ядрах, продолжают быть существенными и для очень больших значений Z и N, то не исключена вероятность существования «острова стабильности» для еще более тяжелых (Z > 118) ядер. Можно предположить, что для поиска и обнаружения таких сверхтрансфермиевых ядер использование космического излучения является одним из наиболее целесообразных путей исследования.

Измерение потоков и спектров тяжелых и сверхтяжелых ядер в космических лучах является чувствительным способом изучения состава источников космических лучей, процессов, происходящих как в самих источниках, так и в межзвездной среде, в которой распространяются космические лучи, а также построения моделей удержания космических лучей в галактике. Существующие в настоящее время экспериментальные данные по распространенности сверхтяжелых ядер (Z > 50) во Вселенной, а также по энергетическим спектрам и потокам этих ядер в космических лучах весьма ограничены. Для трансфермиевых ядер достаточно надежные экспериментальные данные вообще отсутствуют.

Изучение зарядового состава ядер галактических космических лучей (ГКЛ) имеет большое значение для понимания свойств ядерной материи, эволюции вещества Вселенной и процессов, происходящих в ней. Применяемая при этом методика регистрации следов торможения ядер ГКЛ в твердотельных трековых детекторах (ТТД) различного типа позволила получить большой объем экспериментальных данных по этой проблеме.

История применения трековых детекторов в экспериментальной физике началась с обнаружения в 1959 г. радиационных микро-нарушений в слюде вдоль следов торможения осколков деления ядер урана [7]. Геометрические размеры этих следов были крайне малы и составляли около 3 нм по диаметру и несколько микрон в длину. В результате развернувшихся после этого исследований с применением химического травления силикатных минералов и стекол [8] были получены травимые треки, микронные размеры которых позволяли наблюдать их в оптический микроскоп. Это открыло огромные возможности для применения трекового метода в различных областях науки и техники.

Одновременно с работами, использующими такие трековые детекторы, как ядерные фотоэмульсии, для изучения зарядового состава ядер ГКЛ начали применяться ТТД — пластиковые (ПТД) и стеклянные (СТД). Экспозиция этих детекторов в открытом космосе в течение нескольких лет осуществлялась на шарах-зондах или искусственных спутниках Земли. Наряду с этим направлением исследований ядерной компоненты ГКЛ начались исследования, в которых в качестве трековых детекторов использовались кристаллы силикатных минералов, входящие в состав вещества метеоритов [9]. Широко распространенные минералы такие, как плагиоклаз, пироксен и оливин, способны формировать и сохранять нарушения кристаллической решетки вдоль следа торможения высокоэнергичных ядер тяжелых элементов ГКЛ с зарядом Ъ>2Ъ. Таким образом, они оказались уникальными природными детекторами ядер.

Одним из наиболее перспективных и детально изученных к настоящему времени ТТД является оливин, кристаллы которого содержатся в метеоритах. Важно то, что метеориты находятся в космическом пространстве десятки и сотни миллионов лет. Всё это время они подвергаются облучению первичными космическими лучами, в том числе тяжёлыми и сверхтяжёлыми ядрами.

При поиске реликтовых треков, оставленных частицами космических лучей в минералах, входящих в состав некоторых метеоритов [8], используется способность силикатных кристаллов регистрировать и сохранять в течение многих сотен миллионов лет треки ядер с Ъ > 20 [9]. Радиационный возраст, используемых в настоящей работе метеоритов типа палласитов, то есть время их экспозиции в потоке космических лучей, оценивается как пхЮ8 лет. Поэтому кристаллы оливина, составляющие основной объём этих метеоритов, могут содержать большое число треков космических ядер. Элементарные подсчеты показывают, что в одном кубическом сантиметре таких кристаллов, расположенных на глубине до ~ 5 см от доатмосферной поверхности.

8 2 3 метеорита, за 10 лет образуется 10−10 треков ядер с Z > 90, а в кристаллах из приповерхностных участков метеоритов, расположенных на глубине меньше ~ 1 см, до 104 таких треков. Таким образом, использование фактора длительной экспозиции метеоритов в космосе приводит к огромному преимуществу данного метода по сравнению с методами, основанными на использовании различных детекторов, экспонируемых на спутниках и аэростатах.

Следы торможения ядер в метеорите могут быть обнаружены при использовании специальных методов химического травления достаточно прозрачных кристаллов оливина. После травления следы — треки космических частиц в оливине — могут быть исследованы с помощью оптического микроскопа.

В ОИЯИ под руководством Г. Н. Флерова были начаты исследования по поиску треков сверхтяжелых ядер космических лучей в кристаллах оливина из метеоритов [10]. В этих ранних работах, среди выявленных путем отжига и травления образцов треков ядер с Z > 60, около 150 было отнесено к трекам ядер группы урана. Был также обнаружен след длиной 364 мкм, который, возможно, является треком ядра с Z > 110 [11]. Использовавшаяся ручная обработка кристаллов оливина осуществлялась очень медленно, что приводило к низкой производительности.

Актуальность диссертации.

В рамках уникального эксперимента ОЛИМПИЯ («ОЛИвины из Метеоритов — Поиск тяжелых И сверхтяжелых Ядер») [12] по поиску и идентификации природных сверхтяжелых ядер группами сотрудников ФИАН и ГЕОХИ РАН была разработана методика идентификации заряда ядер галактических космических лучей (ГКЛ) по трекам, травимым в кристаллах оливина из метеоритов [13]. Методика основана на определении заряда ядра по расчетной зависимости заряда от величины остаточного пробега и экспериментально установленной зависимости между зарядом и скоростью травления трека вдоль следа торможения ядра [12] [13]. Выполнение исследований зарядового спектра сверхтяжелых ядер ГКЛ по их трекам, регистрируемым в кристаллах оливина из палласитов, привело к необходимости оценки дополнительных поправок, связанных с учетом процесса фрагментации первичных ядер ГКЛ в веществе исследуемых метеоритов. Существенным при этом является то, что в результате фрагментации тяжелых ядер ГКЛ происходит как занижение числа регистрируемых ядер ГКЛ данного сорта, так и увеличение потока более легких вторичных ядер — продуктов фрагментации.

В данной работе проведено полномасштабное моделирование реального эксперимента по поиску и идентификации природных сверхтяжелых ядер с использованием программного пакета БШМ [14] и программного комплекса ОЕАїчПГ4 [15]. Выполнены модельные расчеты зависимостей потерь энергии и пробегов от энергии для большого набора ядер, ставшие основой методики идентификации зарядов частиц.

Цель диссертационной работы.

Основной целью диссертационной работы было выполнение полномасштабного моделирования реального эксперимента по поиску и идентификации треков природных сверхтяжелых ядер в метеоритном оливине с использованием программного пакета БШМ [14] и программного комплекса ОЕА1ЧТ4 [15]. Совместное использование программ позволило провести сравнение получаемых результатов, и тем самым повысить их надежность. Пакет БИМ в основном использовался для вычисления ионизационных потерь энергии ядер в веществе. Использование пакета ОЕА1ЧТ4 для моделирования прохождения ионов в веществе позволило учесть все возможные процессы взаимодействия, в частности, фрагментацию.

В качестве основного инструмента моделирования был создан пакет поп, который представляет собой модернизированную в соответствии с задачами исследования версию пакета Нас1г01, входящего в состав ОЕА1ЧТ4 в качестве официального примера его применения.

Учет процессов взаимодействия тяжелых ядер с веществом метеорита, включая их фрагментацию, изучение влияния данных процессов на изменение зарядового состава ГКЛ стало также одной из главных целей выполненных модельных расчетов.

В число задач диссертационной работы входила обязательная проверка правильности выполненных расчетов, для чего были проведены калибровочные эксперименты по облучению кристаллов оливина ядрами Хе, и, Аи на ускорителе, продемонстрировавшие хорошее согласие расчетных и экспериментальных зависимостей. Успешно выполненные модельные расчеты позволили корректно идентифицировать примерно 6000 ядер с зарядом более 55 в кристаллах оливинов из метеоритов.

Научная новизна и практическая ценность работы.

Научная новизна диссертации состоит в следующем: разработан и оптимизирован программный пакет, входящий в состав ОЕА1ЧТ4, для выполнения модельных расчетов зависимостей потерь энергии и пробегов от энергии для большого набора ядер, которые стали основой методики идентификации зарядов частиц уникального эксперимента по поиску сверхтяжелых ядер в галактических космических лучах по трекам в кристаллах метеоритных оливиновпроведено полномасштабное моделирование процесса фрагментации ядер сверхтяжелых элементов ГКЛ (Ъ > 60) при их прохождении в веществе метеорита-палласита.

Практическая ценность данной диссертационной работы заключается, прежде всего, в том, что исключительно на основе полученных расчетных зависимостей была выполнена успешная идентификация зарядов около 6000 ядер галактических космических лучей по их трекам, обнаруженным в кристаллах метеоритных оливинов.

Кроме того:

• показано, что расчетные оценки поправок, связанных с учетом процесса фрагментации первичных ядер ГКЛ в веществе исследуемых метеоритов дают дополнительную информацию для определения зарядового распределения первичного космического излучения;

• разработан и оптимизирован программный пакет, входящий в состав ОЕА1ЧТ4, для получения целого набора параметров ядер, проникающих на различную глубину в тело облучаемого метеорита, и позволяющий генерировать энергетические, пространственные и угловые распределения первичных ядер;

• разработаны и реализованы критерии для полномасштабного моделирования процесса фрагментации ядер сверхтяжелых элементов ГКЛ (Ъ > 60) при их прохождении в веществе метеорита-палласита.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) В рамках уникального эксперимента по поиску сверхтяжелых ядер в галактических космических лучах по трекам в кристаллах метеоритных оливинов выполнены модельные расчеты зависимостей потерь энергии и пробегов от энергии для большого набора ядер, ставшие основой методики идентификации зарядов частиц.

2) Проведено полномасштабное моделирование процесса фрагментации ядер сверхтяжелых элементов ГКЛ (Ъ > 60) при их прохождении в веществе метеорита-палласита.

3) Проведены калибровочные эксперименты по облучению кристаллов.

141 197 оливина ядрами Хе, и, Аи на ускорителе, подтвердившие правильность выполненных модельных расчетов.

4) На основе разработанной методики исследования треков галактических космических ядер в кристаллах оливинов из метеоритов обнаружены и идентифицированы 6000 ядер с зарядом более 55. Полученное зарядовое распределение ядер хорошо согласуется с данными экспериментов ARIEL-6 [16] и НЕАО-3 [17].

Личный вклад.

Автор принимал непосредственное участие в реализации проекта ОЛИМПИЯ, выполняя измерения параметров треков ядер для разработки методики идентификации ядер галактических космических лучей в кристаллах оливинов из метеоритов. Автором были созданы алгоритм и программное обеспечение для обработки результатов измерения параметров треков, в составе группы подготовлены и проведены калибровочные эксперименты на укорителе тяжелых ионов, выполнены модельные расчёты зависимостей потерь энергии и пробегов от энергии для большого набора ядер. Результаты, представленные к защите, получены при определяющем вкладе диссертанта.

Апробация работы.

Результаты диссертации докладывались автором на 72 ежегодной международной конференции Метеорологического общества (13−19 июля 2009, Нанси, Франция) [18], 22-ой Европейской конференции по космическим лучам (3−6 августа 2010, Турку, Финляндия) [19], Молодежной научной конференции по минералогии (15−18 марта 2011, Миасс) [20], Всероссийском ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (17−18 апреля 2013, ГЕОХИ РАН), на семинарах ФИАН.

Публикации по теме диссертации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 7 работах [21]-[27].

Заключение

.

Таким образом, в диссертационной работе:

1. Выполнен анализ существующих в настоящее время обобщенных экспериментальных данных и теорий механизмов образования элементов. Постановка экспериментов по поиску и регистрации ядер ультратяжёлых элементов в природе, прежде всего, в космических лучах, представляет собой весьма актуальную и реальную задачу современной ядерной физики, хотя поток этих ядер очень мал. Длительная экспозиция метеоритов в космосе приводит к значительному преимуществу данного метода поиска треков сверхтяжелых стабильных ядер в метеоритах по сравнению с другими.

2. Создан и модернизирован с учётом экспериментальных данных программный пакет из комплекса ОЕА1чГГ4.

3. Проведено сравнение расчётов с использованием программ 8 ММ и СЕА1ЧТ4. Для этого были проведено моделирование прохождения ядер

131 207 238.

Хе, РЬ и и через вещество разного состава в широком диапазоне энергий. Полученные результаты моделирования сравнивались с табличными данными, в которых представлены тормозные способности и пробеги ионов с зарядами 2 < Ъ < 103 для диапазона энергий от 2.5 до 500 МэВ/нуклон в различных материалах. Результаты расчётов показали хорошее согласие в пределах статистических ошибок.

4. Проведены калибровочные эксперименты по облучению кристаллов.

131 238 197 оливина ядрами Хе, и, Аи на ускорителе, подтвердившие правильность выполненных модельных расчетов.

5. Использование расчетных данных позволило определить изменения спектров заряженных частиц с целью внесения поправок в исследуемый спектр космического излучения. Получены расчетные характеристики зарядового и энергетического спектров ядер сверхтяжелых элементов.

ГКЛ на входе в регистрирующий кристалл оливина после прохождения определенной толщины вещества метеороида.

6. Впервые детально проанализирована фрагментация тяжелых ядер ГКЛ (Т > 60) при их прохождении в веществе метеорита-палласита. Показано, что в результате происходит как занижение числа регистрируемых ядер ГКЛ данного сорта, так и увеличение потока более легких вторичных ядер — продуктов фрагментации. Полученные результаты позволили провести анализ не только характера изменения выхода ядер — продуктов фрагментации с глубиной от поверхности облучаемого тела палласита, но и количественно оценить вклад в группу ядер с Ъ — 60 — 75 от ядер более тяжелых элементов ГКЛ, распавшихся при фрагментации в веществе метеорита-палласита. Учет процессов взаимодействия тяжелых ядер с веществом метеорита, включая их фрагментацию, изучение влияния данных процессов на изменение зарядового состава ГКЛ стал одним из основных результатов выполненных модельных расчетов.

7. Разработанная новая методика идентификации и измерения параметров следов торможения ядер ГКЛ в объеме кристаллов оливина из метеорита позволила обнаружить и идентифицировать 6000 ядер с зарядом более 55. Полученное зарядовое распределение ядер хорошо согласуется с данными спутниковых экспериментов АЮЕЬ-б и НЕАО-3.

8. Результаты данной работы, могут дать объяснение целому ряду событий, наблюдавшихся в экспериментах на спутниках при изучении состава космических лучей в области сверхтяжёлых ядер Ъ > 65 [64] [93] [94]. Помимо стабильных ядер с Ъ < 92, в этих экспериментах были зарегистрированы отдельные сигналы от частиц с зарядом в интервале 94 < Ъ < 100. Частицы с таким зарядом не могут входить в состав первичного космического излучения в силу их очень малого времени жизни. Авторы указанных статей природу этих частиц не комментируют. По мнению авторов проекта ОЛИМПИЯ, события с Ъ > 92 появляются не из-за методических неточностей или сбоя в работе аппаратуры, а являются результатом фрагментации более тяжёлых ядер из области «острова стабильности». Несколько таких событий было обнаружено и в наших исследованиях треков сверхтяжёлых частиц в оливинах из метеоритов.

Благодарности.

Автор выражает особую благодарность научному руководителю A.B. Багуле за постановку задачи, научное руководство и взаимопонимание. Отдельная благодарность за помощь и поддержку в подготовке диссертации Н. Г. Полухиной, J1. J1. Кашкарову и Н. И. Старкову, сотрудникам Лаборатории элементарных частиц.