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.