Детектор ПАМЕЛА
 | |
 | |
| Организация | Группа ПАМЕЛА |
|---|---|
| Тип миссии | Космический луч |
| Хост-спутник | Ресурс ДК1 |
| Запуск | 15 июня 2006 г. |
| Ракета-носитель | Soyuz-FG |
| Запуск сайта | Космодром Байконур |
| Продолжительность миссии | 3 года (планируется), 9 лет, 7 месяцев и 23 дня (достигнуто) |
| Конец миссии | 7 февраля 2016 г. |
| Масса | 470 кг |
| Максимальная длина | 1300 мм |
| Потребляемая мощность | 335 Вт |
| Веб-страница | Домашняя страница ПАМЕЛА |
| Orbital elements (Resurs DK1) | |
| Наклон | 70 градусов |
| Орбита | квазиполярный эллиптический |
| Минимальная высота | 360 км |
| Максимальная высота | 604 км |
| Период | 94,02 мин. |
ПАМЕЛА ( Полезная нагрузка для исследования антивещества и астрофизики легких ядер ) — модуль исследования космических лучей , прикрепленный к спутнику на орбите Земли. ПАМЕЛА была запущена 15 июня 2006 года и стала первым спутниковым экспериментом, посвященным обнаружению космических лучей с особым акцентом на их антивещественный компонент в виде позитронов и антипротонов . Другие цели включали долгосрочный мониторинг солнечной модуляции космических лучей, измерения энергичных частиц Солнца , Земли частиц высокой энергии в магнитосфере и Юпитера электронов . Была также надежда, что он сможет обнаружить доказательства аннигиляции темной материи . [1] Деятельность ПАМЕЛА была прекращена в 2016 году, [2] как и работа узла-спутника «Ресурс-ДК1» . Этот эксперимент был признан экспериментом CERN (RE2B). [3] [4]
Разработка и запуск
[ редактировать ]ПАМЕЛА была крупнейшим на тот момент устройством, созданным коллаборацией Wizard, в которую входят Россия, Италия, Германия и Швеция, и участвовала во многих экспериментах по космическим лучам на спутниках и шарах, таких как Fermi-GLAST . Изначально планировалось, что инструмент весом 470 кг и стоимостью 32 миллиона долларов США (24,8 миллиона евро, 16,8 миллиона британских фунтов) будет рассчитан на трехлетнюю миссию. Однако этот прочный модуль оставался работоспособным и внес значительный научный вклад до 2016 года.
ПАМЕЛА установлена на обращенной вверх стороне российского спутника «Ресурс-ДК1» . [1] Он был запущен ракетой "Союз" с космодрома Байконур 15 июня 2006 года. "ПАМЕЛА" выведена на полярную эллиптическую орбиту высотой от 350 до 610 км с наклонением 70°.
Дизайн
[ редактировать ]Устройство имеет высоту 1,3 м, общую массу 470 кг и потребляемую мощность 335 Вт. Прибор построен на основе спектрометра на постоянных магнитах с кремниевым микрополосковым трекером, который обеспечивает жесткость и информацию о dE/dx. В его нижней части находится кремниево-вольфрамовый визуализирующий калориметр, детектор нейтронов и сцинтиллятор с ливневым хвостом для дискриминации лептонов и адронов. Время полета (ToF), состоящее из трех слоев пластиковых сцинтилляторов, используется для измерения скорости и заряда частицы. Противосчетная система, состоящая из сцинтилляторов, окружающих аппарат, используется для отклонения ложных триггеров и частиц альбедо во время автономного анализа. [5]
| Частица | Энергетический диапазон |
|---|---|
| Поток антипротонов | 80 МэВ – 190 ГэВ |
| Поток позитронов | 50 МэВ – 270 ГэВ |
| Электронный поток | до 400 ГэВ |
| Поток протонов | до 700 ГэВ |
| Поток электронов/позитронов | до 2 ТэВ |
| Легкие ядра (до Z=6) | до 200 ГэВ/н |
| Легкие изотопы (D, 3He) | до 1 ГэВ/н |
| Поиск антиядер | чувствительность лучше 10 −7 антиХе/Он |
Результаты
[ редактировать ]Предварительные данные (опубликованы в августе 2008 г., ICHEP, Филадельфия) указывают на избыток позитронов в диапазоне 10–60 ГэВ. Считается, что это возможный признак аннигиляции темной материи : [6] [7] гипотетические вимпы, сталкивающиеся и аннигилирующие друг с другом, образуя гамма-лучи, частицы материи и антиматерии. Другим объяснением упомянутого выше признака является рождение электрон-позитронных пар на пульсарах с последующим ускорением вблизи пульсара.
Данные за первые два года были опубликованы в октябре 2008 года в трех публикациях. [8] [9] Избыток позитронов был подтвержден и обнаружен до 90 ГэВ. Удивительно, но избытка антипротонов обнаружено не было. Это не согласуется с предсказаниями большинства моделей источников темной материи, в которых избытки позитронов и антипротонов коррелируют.
Статья, опубликованная 15 июля 2011 года, подтвердила более ранние предположения о том, что пояс Ван Аллена может удерживать значительный поток антипротонов, образующихся в результате взаимодействия верхних слоев атмосферы Земли с космическими лучами . [10] Энергия антипротонов измерена в диапазоне 60–750 МэВ. Космические лучи сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы, создавая антинейтроны , которые, в свою очередь, распадаются с образованием антипротонов. Они были обнаружены в ближайшей к Земле части пояса Ван Аллена. [11] Когда антипротон взаимодействует с нормальной частицей, оба аннигилируют. Данные PAMELA показали, что эти события аннигиляции происходили в тысячу раз чаще, чем можно было бы ожидать в отсутствие антивещества . Данные, содержащие доказательства наличия антиматерии, были собраны в период с июля 2006 года по декабрь 2008 года. [12] [13]
Измерения потоков бора и углерода были опубликованы в июле 2014 г. [14] важно для объяснения тенденций изменения доли позитронов в космических лучах. [15]
Сводный документ о деятельности PAMELA был опубликован в 2017 году. [2]
Источники ошибок
[ редактировать ]В диапазоне от 1 до 100 ГэВ ПАМЕЛА подвергается воздействию в сто раз большего количества электронов, чем антипротонов. При энергии 1 ГэВ протонов в тысячу раз больше, чем позитронов, а при энергии 100 ГэВ — в десять тысяч раз больше. Поэтому для правильного определения содержания антивещества крайне важно, чтобы ПАМЕЛА могла отвергнуть фон материи. Коллаборация PAMELA в статье «Характеристики электронного адронного разделения электромагнитного калориметра PAMELA» заявила , что менее одного протона из 100 000 может пройти отбор калориметра и быть ошибочно идентифицирован как позитрон, когда энергия меньше 200 ГэВ.
Соотношение вещества и антивещества в космических лучах с энергией менее 10 ГэВ, достигающих ПАМЕЛА из-за пределов Солнечной системы, зависит от солнечной активности и, в частности, от точки 11-летнего солнечного цикла . Команда PAMELA использовала этот эффект, чтобы объяснить несоответствие между их результатами низкой энергии и результатами, полученными CAPRICE , HEAT и AMS-01 , которые были собраны в течение той половины цикла, когда солнечное магнитное поле имело противоположную полярность.
Эти результаты согласуются с серией позитронно-электронных измерений, полученных с помощью AESOP , охватывающей обе полярности. Кроме того, эксперимент PAMELA противоречит более раннему заявлению эксперимента HEAT об аномальных позитронах в диапазоне от 6 до 10 ГэВ.
См. также
[ редактировать ]- AMS-02 — это эксперимент по физике высоких энергий, установленный на внешней стороне Международной космической станции, обеспечивающий усовершенствованную идентификацию частиц и широкий диапазон измерений 0,3 м2ср. AMS-02 находится в эксплуатации с мая 2011 года. На данный момент AMS зарегистрировало более 100 миллиардов событий заряженных космических лучей.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Винченцо Буттаро (ред.). «Космическая миссия ПАМЕЛА» . Проверено 4 сентября 2009 г.
- ^ Jump up to: а б Адриани, О; и др. (Коллаборация ПАМЕЛА) (2018). «Десять лет ПАМЕЛА в космосе». Ривиста дель Нуово Чименто . 10 (2017): 473–522. arXiv : 1801.10310 . Бибкод : 2018arXiv180110310A . дои : 10.1393/ncr/i2017-10140-x . S2CID 119078426 .
- ^ «Признанные эксперименты в ЦЕРН» . Научные комитеты ЦЕРН . ЦЕРН . Проверено 20 января 2020 г.
- ^ «RE2B / PAMELA: Полезная нагрузка для исследования антиматерии и астрофизики легких ядер» . ЦЕРН . Проверено 20 января 2020 г.
- ^ Казолино, М; и др. (2008). «Запуск космического эксперимента ПАМЕЛА». Достижения в космических исследованиях . 42 (3): 455–466. arXiv : 0708.1808 . Бибкод : 2008AdSpR..42..455C . дои : 10.1016/j.asr.2007.07.023 . S2CID 119608020 .
- ^ Брамфил, Джефф (14 августа 2008 г.). «Физики ждут подтверждения существования темной материи» . Природа . 454 (7206): 808–809. дои : 10.1038/454808b . ПМИД 18704050 .
- ^ Чолис, Илиас; Финкбайнер, Дуглас П.; Гуденаф, Лиза; Вайнер, Нил (2009). «Избыток позитронов ПАМЕЛА от аннигиляции в легкий бозон». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2009 (12): 007. arXiv : 0810.5344 . Бибкод : 2009JCAP...12..007C . дои : 10.1088/1475-7516/2009/12/007 . S2CID 73574983 .
- ^ Казолино, М; и др. (2008). «Два года полета эксперимента Памела: итоги и перспективы». Журнал Физического общества Японии . 78 : 35–40. arXiv : 0810.4980 . Бибкод : 2009JPSJ...78S..35C . дои : 10.1143/JPSJS.78SA.35 . S2CID 119187767 .
- ^ Адриани, О; и др. (2009). «Наблюдение аномального содержания позитронов в космическом излучении». Природа . 458 (7238): 607–609. arXiv : 0810.4995 . Бибкод : 2009Natur.458..607A . дои : 10.1038/nature07942 . ПМИД 19340076 . S2CID 11675154 .
- ^ Адриани, О.; и др. (2011). «Открытие антипротонов космических лучей, захваченных в геомагнитных ловушках». Письма астрофизического журнала . 737 (2): Л29. arXiv : 1107.4882 . Бибкод : 2011ApJ...737L..29A . дои : 10.1088/2041-8205/737/2/L29 .
- ^ Тан, Кер (10 августа 2011 г.). «Антиватерия обнаружена на орбите Земли — впервые» . Национальное географическое общество . Архивировано из оригинала 10 октября 2011 года . Проверено 12 августа 2011 г.
- ^ Коуэн, Рон (9 августа 2011 г.). «Обнаружен пояс антивещества, вращающийся вокруг Земли» . Наука . Архивировано из оригинала 24 октября 2011 года . Проверено 12 августа 2011 г.
- ^ Чанг, Эмили (8 августа 2011 г.). «Пояс антивещества окружает Землю» . Новости ЦБК . Проверено 12 августа 2011 г.
- ^ Адриани, О; и др. (31 июля 2014 г.). «Измерение потоков бора и углерода в космических лучах с помощью эксперимента Памела». Астрофизический журнал . 791 (2): 93. arXiv : 1407.1657 . Бибкод : 2014ApJ...791...93A . дои : 10.1088/0004-637X/791/2/93 . S2CID 53002540 .
- ^ Чолис, Илиас; Хупер, Дэн (24 февраля 2014 г.). «Ограничение происхождения растущей фракции позитронов космических лучей соотношением бора и углерода». Физический обзор D . 89 (4): 043013. arXiv : 1312.2952 . Бибкод : 2014PhRvD..89d3013C . дои : 10.1103/PhysRevD.89.043013 . S2CID 96470471 .
