Boron isotopes in the PAMELA experiment

E. A. Bogomolov; Богомолов Э. А.; G. I. Vasilyev; Васильев Г. И.; W. Menn; Менн В.; O. Adriani; Адриани О.; G. A. Bazilevskaya; Базилевская Г. А.; G. Barbarino; Барбарино Дж.; R. Bellotti; Белотти Р.; M. Boezio; Боецио М.; V. Bonvicini; Бонвичини В.; M. Bongi; Бонджи М.; S. Bottai; Боттаи С.; A. Bruno; Бруно А.; A. Vacchi; Вакки А.; E. Vannuccini; Ваннуччини Е.; S. A. Voronov; Воронов С. А.; A. M. Galper; Гальпер А. М.; C. De Santis; Де Сантис К.; V. Di Felice; Ди Феличе В.; G. Zampa; Зампа Дж.; N. Zampa; Зампа Н.; M. Casolino; Казолино М.; D. Campana; Кампана Д.; P. Carlson; Карлсон П.; G. Castellini; Кастеллини Г.; F. Cafagna; Кафанья Ф.; A. A. Kvashnin; Квашнин А. А.; A. N. Kvashnin; Квашнин А. Н.; S. A. Koldobskiy; Колдобский С. А.; I. A. Lagoida; Лагойда И. А.; A. A. Leonov; Леонов А. А.; A. G. Mayorov; Майоров А. Г.; V. V. Malakhov; Малахов В. В.; M. Martucci; Мартуччи М.; L. Marcelli; Марчелли Л.; M. Merge; Мерге М.; V. V. Mikhailov; Михайлов В. В.; E. Mocchiutti; Моккъютти Е.; A. Monaco; Монако А.; N. Mori; Мори Н.; R. Munini; Мунини Р.; G. Osteria; Остериа Дж.; B. Panico; Панико Б.; P. Papini; Папини П.; P. Picozza; Пикоцца П.; M. Ricci; Риччи М.; S. Ricciarini; Риччиарини С.; M. Simon; Симон М.; R. Sparvoli; Спарволи Р.; P. Spillantini; Спиллантини П.; Y. I. Stozhkov; Стожков Ю. И.; Y. T. Yurkin; Юркин Ю. Т.

doi:10.31857/S0044002724020016

Boron isotopes in the PAMELA experiment

Authors: Bogomolov E.A.¹, Vasilyev G.I.¹, Menn W.², Adriani O.³^,4, Bazilevskaya G.A.⁵, Barbarino G.⁶^,4, Bellotti R.⁷^,4, Boezio M.⁸, Bonvicini V.⁴, Bongi M.³^,4, Bottai S.⁴, Bruno A.⁷^,4, Vacchi A.⁴^,9, Vannuccini E.⁴, Voronov S.A.⁸, Galper A.M.⁸, De Santis C.⁴^,10, Di Felice V.⁴^,11, Zampa G.⁴, Zampa N.⁴, Casolino M.⁴, Campana D.⁴, Carlson P.¹², Castellini G.¹³, Cafagna F.⁴, Kvashnin A.A.⁵, Kvashnin A.N.⁵, Koldobskiy S.A.⁸, Lagoida I.A.⁸, Leonov A.A.⁸, Mayorov A.G.⁸, Malakhov V.V.⁸, Martucci M.¹⁰^,14, Marcelli L.¹⁰, Merge M.⁴^,10, Mikhailov V.V.⁸, Mocchiutti E.⁴, Monaco A.⁷^,4, Mori N.⁴, Munini R.⁴^,15, Osteria G.⁴, Panico B.⁴, Papini P.⁴, Picozza P.⁴^,10, Ricci M.¹⁴, Ricciarini S.⁴, Simon M.², Sparvoli R.⁴^,10, Spillantini P.³^,4, Stozhkov Y.I.⁵, Yurkin Y.T.⁸
Affiliations:
1. Ioffe Institute
2. University Siegen
3. University of Florence
4. INFN
5. Lebedev Physical Institute
6. University of Naples “Federico II”
7. University of Bari
8. National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute)
9. University of Udine
10. University of Rome “Tor Vergata”
11. Agenzia Spaziale Italiana (ASI)
12. KTH Royal Institute of Technology
13. IFAC
14. INFN, Laboratori Nazionali di Frascati
15. University of Trieste
Issue: Vol 87, No 2 (2024)
Pages: 73-78
Section: ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ. Эксперимент
URL: https://ogarev-online.ru/0044-0027/article/view/265620
DOI: https://doi.org/10.31857/S0044002724020016
EDN: https://elibrary.ru/KSAWPE
ID: 265620

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

In this work, a new analysis of the isotopic composition of boron nuclei (B) in galactic cosmic rays (GCR) in the range of rigidities of 1–5 GV (nuclear energies 0.1–1.5 GeV/nucleon) was carried out using data from the PAMELA space experiment 2006–2014 on the rigidity of detected nuclei and their velocity (time-of-flight analysis and ionization losses in the instrument’s multilayer calorimeter). The new results of the PAMELA experiment expand the energy range of previous measurements, are consistent with the few existing data, and indicate deviations of the B isotope ratios from the GALPROP simulation data for the GCR, similar to the deviations for the Li and Be isotopes in the PAMELA data, which can be interpreted as evidence of observation against the background of the GCR the contribution of several local sources from explosions of nearby (hundreds of parsec) supernovae.

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

В космическом эксперименте PAMELA впервые обнаружены [1] источники позитронов с энергией свыше нескольких десятков ГэВ, вероятно связанные с генерацией пар е⁺, е^–вблизи пульсаров в остатках близких (~сотен парсек) сверхновых (SNR) [2]. Потоки этих позитронов на порядки выше фона от галактических космических лучей (ГКЛ). Подобные объекты могут быть также источниками ядер, и их поиск возможен, в частности, путем анализа отклонений изотопного состава ядер от ожидаемого в ГКЛ из-за различия условий

распространения ядер. Скорее всего, потоки ядер, наблюдаемые в ГКЛ, являются смесью ГКЛ и космических лучей (КЛ) от локальных источников (ЛИ), которые могут возникать за счет ядерных взаимодействий ГКЛ с веществом SNR [3] либо генерироваться там за счет энергетики пульсаров. Предварительный изотопный анализ ядер B в гауссовом приближении был проведен нами при жесткостях 1–3.5 ГВ в 2018 г. [4]. В условиях собранной в эксперименте PAMELA статистики ядер Li и Ве использование стандартных методов анализа изотопов показало ограниченность их применения [5]. В настоящем анализе использованы новые, нестандартные подходы, разработанные в ФТИ РАН.

2. МЕТОД АНАЛИЗА

Для изотопного анализа отбираются события, прошедшие без ядерных взаимодействий через времяпролетную систему (ToF) и более пяти слоев вольфрама в калориметре (Cal) спектрометра PAMELA. Анализ изотопов проводился в ФТИ с использованием собственного подхода [4, 6]. При анализе изотопов ядер лития (Li) и бериллия (Be) в условиях относительно низкой статистики обнаружилась ограниченность стандартного подхода [5]. Наряду с отличием экспериментальных распределений от гауссовых GEANT4-моделирование давало завышенный эффект от рассеяний ядер в материале прибора. Расчетное положение пиков изотопов и FWHM в распределениях по массе и потерях энергии в калориметре согласуется с полетными данными. Для разрешения проблемы в области перекрытия спектров изотопов в ФТИ при поиске изотопов ¹⁴С были впервые использованы распределения, полученные из полетных данных [6]. Последующий опыт анализа изотопов Li и Be выявил наряду с завышением при GEANT4-моделировании эффектов от рассеяния ядер в материале прибора асимметрию экспериментальных распределений. При селекции изотопов ядер ¹⁰B и ¹¹B отдельно использовались правые (для ¹⁰B) и левые (для ¹¹B) ветви суммарного распределения ¹⁰B +¹¹B. Положение границы раздела ядер ¹⁰B и ¹¹B в анализируемом распределении, где события левее границы считаются ядрами ¹⁰B, а правее — ядрами ¹¹B, определяется тождеством числа событий в области перекрытия в расчетных ‟хвостах” для ¹⁰B и ¹¹B [4]. В настоящей работе использован этот подход и полученные результаты вероятно наиболее реалистичны.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

В результате анализа полетных данных эксперимента PAMELA, собранных в 2006–2014 гг., с использованием вышеупомянутого подхода в диапазоне жесткостей ~1–5 ГВ с шагом по жесткости 0.2 ГВ получены отношения ¹¹B/¹⁰B, представленные на рис. 1. Данные позволяют получить спектры изотопов ¹⁰B и ¹¹B в зависимости от жесткости, представленные на рис. 2, преобразовать их в энергетические спектры, показанные на рис. 3, и получить отношение ¹¹B/¹⁰B в зависимости от энергии, представленное на рис. 4. Изотопный анализ потоков ядер бора (B) в ГКЛ до эксперимента PAMELA был проведен для отношения ¹¹B/¹⁰B только в энергетической области — ~0.08–0.17 ГэВ/нуклон в космических экспериментах Voyager 1 и 2, Ulysses, ACE/CRIS, а также измерен c точностью ~30% в баллонном эксперименте ISOMAX-98 при энергии 0.28–0.56 и 0.56–0.95 ГэВ/нуклон [3, 7]. Результаты нового анализа полетных данных эксперимента PAMELA 2006–2014 гг. для изотопов B в КЛ согласуются в пределах статистических ошибок с немногочисленными данными ранних измерений [3, 7], сравниваются с результатами GALPROP-моделирования ¹¹B/¹⁰B в ГКЛ (GP на рис. 1–4) и генерации в локальных источниках (LS на рис. 1–4), но дают отклонение от предсказаний для соотношений этих изотопов в ГКЛ [3] и могут указывать на присутствие дополнительного низкоэнергетического компонента предположительно из ЛИ, таких как остатки близких сверхновых (SNRs). Отклонения от предсказаний GALPROP-моделирования для ГКЛ наблюдаются для отношений ¹¹B/¹⁰B при жесткостях ядер ~1–2 и ~3–5 ГВ или при энергиях ~0.1–0.4 и 0.7–1.4 ГэВ/нуклон. Аналогичная картина при анализе данных PAMELA получена нами для изотопов Li и Be [8]. Отклонения могут достигать ~20–30% и не связаны со статистическими флуктуациями или методикой анализа. Также интересно, что согласно нашему анализу прецизионных данных AMS-02 [9, 10] данные экспериментов PAMELA и AMS-02 для антипротонов, представленные на рис. 5, и изотопов He в данных AMS-02 также могут указывать на подобные ‟волны” отклонений при жесткостях до ~5 ГВ. Недавний анализ спектра ядер Fe [11] показал особенность при жесткостях менее ~2 ГВ, которую авторы связывают с изотопом ⁶⁰Fe из локальных источников. Наш анализ данных AMS-02 для спектра ядер Fe, отношений Fe/He, Fe/O и Fe/Si [12] указывает на такую особенность также при жесткостях ~3–5 ГВ. Вероятными локальными источниками в SNRs особенностей изотопного состава и спектров при жесткостях до ~20 ГВ, согласно нашему анализу, могут быть, в частности, близкие взрывы белых карликов в созвездии Vela на расстоянии 200–250 пк. При жесткостях менее 5 ГВ часть наблюдаемых антипротонов может быть при этом из локальных источников.

Рис. 1. ¹¹B/¹⁰B-отношения в зависимости от жесткости ядер.

Рис. 2. Спектры ядер ¹⁰B и ¹¹B в зависимости от жесткости.

Рис. 3. Спектры ядер ¹⁰B и ¹¹B в зависимости от энергии.

Рис. 4. ¹¹B/¹⁰B-отношения в зависимости от энергии ядер.

Рис. 5. AMS-02 и PAMELA, спектры антипротонов при жесткости 1–10 ГВ.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обнаруженные при анализе данных эксперимента PAMELA для изотопов B при жесткостях ~1–5 ГВ отклонения изотопного состава от ожидаемого для ГКЛ являются вероятным указанием на вклад локальных источников с эффектом на уровне десятков процентов. Данные для соотношений ¹¹B/¹⁰B получены в хорошем согласии двумя независимыми методами (анализ данных TOF и калориметра), хорошо согласуются с немногочисленными результатами существующих измерений [3, 7], что повышает их достоверность. Наш анализ данных AMS-02 при жесткостях ~30–1000 ГВ для позитронов, антипротонов и ядер от H до Fe [9] указывает на коррелированные подъемы интенсивности с эффектом на уровне единиц процентов от ГКЛ, которые могут быть связаны с обычными вторичными ядерными взаимодействиями и процессами ускорения в остатках близких SNRs, и складывается впечатление, что данные AMS-02 для антипротонов и позитронов не связаны с проблемой природы темной материи.

Department of Physics, Sezione di Florence

Italy, Florence; Florence

G. A. Bazilevskaya

Lebedev Physical Institute

Email: Edward.Bogomolov@gmail.com
Russian Federation, Moscow

G. Barbarino

University of Naples “Federico II”; INFN

Username
Password
Remember me

Forgot password?	Register

Username
Password
Remember me

Forgot password?	Register

Boron isotopes in the PAMELA experiment

Full Text

Abstract

Full Text

1. ВВЕДЕНИЕ

2. МЕТОД АНАЛИЗА

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

About the authors

References

Supplementary files

Note