Международный коллектив ученых разработал методы машинного
обучения, которые позволили значительно повысить чувствительность эксперимента
Telescope Array к составу космических лучей сверхвысоких энергий. Это
исследование открывает новые возможности наблюдения за Вселенной. Работа
выполнена при поддержке Президентской
программы исследовательских проектов Российского научного фонда. Результаты
исследования опубликованы в журнале
Astroparticle Physics.
В течение девяти лет в рамках
проекта Telescope Array, объединяющего ученых из Японии, США, России, Южной
Кореи, Чехии и Бельгии, велись наблюдения за широкими атмосферными ливнями
(ШАЛ). Так называют потоки элементарных частиц (в основном, электронов и
фотонов) в земной атмосфере. Они формируются, когда лучи сверхвысоких энергий
космического происхождения проходят через воздушную оболочку Земли и запускают
сложный ядерно-электромагнитный каскад. Кроме электронов и фотонов, среди
частиц каскада присутствуют и адроны. Они взаимодействуют с ядрами атомов, которые
входят в состав молекул газов воздуха (в основном, азота), и превращают их в
заряженные частицы. В результате распада нестабильных адронов возникают
электроны и гамма-кванты, которые присоединяются к электромагнитной части ШАЛ,
а также мюоны.
Telescope Array (TA) – это
экспериментальная установка, расположенная в штате Юта, США, и занимающая
площадь около 700 кв. км. Множество детекторов ищут разные компоненты широких
атмосферных ливней. Во время прохождения потока электронов через атмосферу
часть энергии распространяется в виде излучения, которое воспринимается как
световые вспышки. Но их продолжительность очень небольшая – всего несколько
микросекунд. Чтобы обнаружить такие вспышки, установка оснащена флуоресцентными
телескопами. В то же время наземная решетка детекторов измеряет импульсы от
всех частиц, достигающих земной поверхности.
Ученые показали, что некоторые из
широких атмосферных ливней, наблюдаемых с помощью детектора установки, имеют не
космическое происхождение, а земное. Так же, как и потоки, вызванные фотонами
сверхвысоких энергий, они не содержат мюонов и обладают большой кривизной
фронта. Это означает, что поверхность, до которой дошли колебания в конкретный
момент времени, сильно изогнута. Причина возникновения земных ШАЛ – удары
молний. Эти естественные электрические разряды создают потоки электронов,
которые при рассеянии генерируют гамма-излучение. При изучении космических
потоков земное влияние не учитывается, поэтому из анализа были исключены
события, произошедшие во время гроз.
Для того, чтобы выделить события,
вызванные первичными фотонами, в некоторых других экспериментах (AGASA, Япония;
Якутская установка ШАЛ, Россия) используются отдельные мюонные детекторы,
размещенные на глубине 1–2 метра под землей. Однако площадь современных крупных
гибридных детекторов, таких как Telescope Array в США и Обсерватория Пьера Оже
в Аргентине, слишком велика для того, чтобы равномерно разместить на ней
мюонные детекторы. Поэтому разделение потоков, имеющих разное происхождение,
осуществляется с помощью наблюдаемых параметров, которые можно зафиксировать
наземными решетками и флуоресцентными телескопами.
Работа, выполненная на
экспериментальной установке Telescope Array, состояла из анализа наблюдений за
космическими лучами сверхвысоких энергий. Для этого создавались модели их
взаимодействий в атмосфере по имеющимся и вновь полученным сигналам детекторов.
Была разработана более точная по сравнению с предыдущими экспериментами ТА
модель протонных и фотонных ШАЛ. В ней учитывались кривизна и ширина фронта
ливней, крутизна функции поперечного распределения и параметры временной
развертки сигналов, чувствительные к содержанию мюонов. При этом удалось
отличить ливни, вызванные фотонами или нейтрино, от адронных.
Усовершенствование методов машинного обучения позволило повысить
чувствительность поиска фотонов сверхвысоких энергий и установить верхнюю
границу на их поток в атмосфере.
«В работе одновременно используются
16 наблюдаемых параметров широких атмосферных ливней, реконструируемых по
данным наземной решетки Telescope Array. Также мы применяем метод
многокомпонентного анализа на основе усиленных деревьев решений –
автоматического анализа данных. Это позволило значительно превзойти прежние результаты.
Полученные ограничения на поток фотонов являются наиболее сильными в Северном
полушарии и дополняют пределы, установленные
обсерваторией Пьера Оже в Южном полушарии», – заключил один из авторов статьи
Григорий Рубцов, доктор физико-математических наук, заместитель директора по
научной работе Института ядерных исследований РАН.
Работа выполнена коллективом ученых
из Института ядерных исследований РАН совместно с исследователями из
научно-исследовательских институтов Японии, США, Южной Кореи, Чехии и Бельгии.
Фото:
Григорий Рубцов на дежурстве по обслуживанию детекторов наземной решетки
Telescope Array (7 декабря 2018 г.).
Источник: Григорий Рубцов.