ЖЭТФ, 2022, том 161, вып. 4, стр. 523-532

ГАММА-АСТРОНОМИЯ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

НА УСТАНОВКЕ «КОВЕР» БАКСАНСКОЙ

НЕЙТРИННОЙ ОБСЕРВАТОРИИ ИЯИ РАН

В. С. Романенкоa*, В. Б. Петков^a,b, А. С. Лидванский^a

^a Институт ядерных исследований Российской академии наук

117312, Москва, Россия

^b Институт астрономии Российской академии наук

119017, Москва, Россия

Поступила в редакцию 7 октября 2021 г.,

после переработки 17 ноября 2021 г.

Принята к публикации 17 ноября 2021 г.

Установка «Ковер» Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН, пред-

назначенная для изучения широких атмосферных ливней космических лучей, была введена в строй до-

статочно давно, в 1974 году. Однако она неоднократно модернизировалась, расширялась и продолжает

функционировать по нескольким программам. В настоящей работе приводится обзор основных резуль-

татов в области гамма-астрономии, полученных на установке «Ковер» за все время ее работы, а также

обсуждаются текущее состояние дел и новый этап в развитии установки.

Статья для специального выпуска ЖЭТФ, посвященного 100-летию А. Е. Чудакова

DOI: 10.31857/S004445102204006X

раля 1989 г., и эта вспышка была подтверждена еще

EDN: DPVKPR

несколькими установками для регистрации широ-

ких атмосферных ливней. Две эти вспышки были

1. ВВЕДЕНИЕ

единственными положительными эффектами, заре-

гистрированными в то время установкой Ковер по

Гамма-астрономия сверхвысоких энергий пере-

программе гамма-астрономии, и обе они подробно

живала пик активности в 1980-х годах, когда сен-

обсуждаются в разд. 2 настоящей статьи.

сационные данные группы из Кильского универси-

Впоследствии к установке «Ковер» был добав-

тета по источнику Лебедь Х-3 породили множе-

лен подземный мюонный детектор (МД) площа-

ство экспериментальных и теоретических работ в

дью 175 м², регистрирующий мюонную компонен-

этой области. Установка «Ковер» БНО ИЯИ РАН

ту широких атмосферных ливней (ШАЛ) с порого-

участвовала в кампании по наблюдению этого и

вой энергией 1 ГэВ. Это расширило возможности

некоторых других источников. Результаты для ис-

установки применительно к гамма-астрономии. По-

точника Лебедь Х-3 были опубликованы в рабо-

скольку ливни от первичных фотонов по сравнению

те [1], где был установлен верхний предел на по-

с ливнями от первичных протонов и ядер существен-

ток гамма-излучения сверхвысоких энергий и опро-

но обеднены адронами (и, как следствие, мюонами),

вергнуты результаты нескольких установок, полу-

информация с МД может использоваться для выде-

чивших ранее значимые цифры потоков. Однако в

ления ливней от первичных фотонов сверхвысоких

октябре 1985 г. были получены значительные пре-

энергий. Установка в новой конфигурации получила

вышения над фоном, которые были интерпретиро-

название «Ковер-2», и в данной конфигурации она

ваны как вспышка гамма-излучения сверхвысокой

работает по настоящее время.

энергии. Другое значимое превышение было заре-

В то же время интерес к гамма-астрономии

гистрировано от Крабовидной туманности 23 фев-

сверхвысоких энергий резко возрос, начиная с

^* E-mail: vsrom94@gmail.com

2013 года, в связи с важными результатами, по-

523

В. С. Романенко, В. Б. Петков, А. С. Лидванский

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

лученными в области нейтринной астрофизики.

от обсерватории IceCube. Планы модернизации и

Коллаборация IceCube сообщила [2] о регистра-

развития установки «Ковер-2» были опубликованы

ции нейтринным телескопом, расположенном на

давно [16]. Модернизация и расширение установки

Южном полюсе, нескольких нейтрино астрофи-

ведется поэтапно, и в настоящее время близок к за-

зического происхождения с энергиями от 30.2 до

вершению проект «Ковер-3», который должен сде-

1141

ТэВ. В работе [3] показано, что подобные

лать одну из самых старых установок в мире эф-

нейтрино могут образовываться в результате рас-

фективно работающей и конкурентоспособной.

пада заряженных пионов. Как следствие, должны

генерироваться и нейтральные пионы тех же

энергий. При их распадах возникают пары фо-

2. УСТАНОВКА «КОВЕР»

тонов, которые будут создавать дополнительные

Установка «Ковер» создавалась как многоце-

потоки гамма-излучения в области энергий свыше

левой детектор космических лучей, но регистра-

100 ТэВ. Поскольку нейтринные события IceCube

ция широких атмосферных ливней с самого нача-

не ассоциированы с конкретными источниками,

ла была одной из главных ее целей. Таким об-

наблюдение их партнеров в гамма-диапазоне не

разом, когда возник интерес к гамма-астрономии

может осуществляться путем увеличения углового

сверхвысоких энергий, на ней немедленно нача-

разрешения для выделения гамма-ливней из фона

лась реализация программы исследований в этой

протонных ШАЛ, как это делается в современной

области. Установка расположена на высоте 1700 м

гамма-астрономии для точечных источников. Необ-

над уровнем моря, что соответствует глубине в ат-

ходимо проводить селекцию событий по другим

мосфере 840 г/см² [17]. Центральная часть уста-

параметрам, и метод регистрации бедных мюонами

новки находится в здании под крышей толщиной

ливней, впервые предложенный в работе [4], вновь

29 г/см² и состоит из 400 жидкостных сцинтилля-

становится актуален.

ционных счетчиков, расположенных в виде квад-

Для его успешной реализации требуются уста-

рата со стороной 14 м с непрерывной площадью

новки с мюонными детекторами большой площа-

196 м². Стандартный сцинтилляционный детектор

ди, и такие установки создаются путем модерни-

представляет собой алюминиевый контейнер раз-

зации имеющихся или строятся заново. В России

мерами 0.7 × 0.7 × 0.3 м³, заполненный жидким

такая работа идет в астрофизическом комплексе

сцинтиллятором на основе уайт-спирита. В шести

TAIGA [5]. Среди зарубежных проектов несомнен-

выносных пунктах (ВП) с тонкой крышей (около

ным лидером является гигантская установка колла-

1.2 г/см²) находятся 108 таких же счетчиков (в каж-

борации LHAASO [6] в Китае. Можно назвать еще

дом по 18), общая площадь ВП составляет 54 м².

установки ALPACA [7] в Боливии, GRAPES-3 [8] в

Схема установки «Ковер» изображена на рис. 1: 400

Индии и многие другие.

счетчиков «Ковра» были разделены на четыре груп-

Некоторые из этих установок получили в по-

пы А-Г, импульсы с каждой группы подавались на

следние годы очень яркие результаты в области

схему четырехкратных совпадений, сигнал с кото-

гамма-астрономии сверхвысоких энергий. Можно

рой использовался для старта измерения задержек

вспомнить о регистрации гамма-излучения от Кра-

с выносных пунктов регистрации. В то же время,

бовидной туманности установками Tibet-ASγ [9] и

пятикратное совпадение этого сигнала с сигналами

HAWC [10]. Коллаборация HAWC [11] сообщила так-

от четырех выносных пунктов 1-4 генерирует им-

же о наблюдении космических лучей в диапазоне

пульс, запускающий систему сбора данных.

энергий 1-100 ТэВ от области активного звездооб-

Угловое разрешение установки для описанного

разования Кокон Лебедя [12]. Диффузное гамма-из-

выше триггера оценивалось экспериментально по

лучение в этой области энергий было обнаружено

распределению разностей временных задержек. Для

коллаборацией Tibet-ASγ [13]. Но пожалуй наибо-

любого азимутального направления ливня две па-

лее значимый результат это открытие так называ-

раллельные пары внешних детекторов находятся в

емых галактических ПэВатронов китайской колла-

равных условиях. Таким образом, разница между

борацией LHAASO [14].

парами

Среди этих достижений можно упомянуть и о ре-

Δt = (t₁ - t₂) - (t₃ - t₄)

гистрации установкой «Ковер-2» [15] ливней с энер-

гией выше 300 ТэВ из области созвездия Лебедя,

характеризует неопределенность восстановления

совпадающих по времени прихода и направлению

направления. Нестабильность стартового сигнала,

с оповещением о нейтрино сверхвысокой энергии

которая велика из-за больших линейных разме-

524

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Гамма-астрономия сверхвысоких энергий на установке «Ковер». . .

Рис. 2. Рассчитанные дифференциальные спектры фотон-

ных ШАЛ регистрируемых установкой «Ковер» для двух

разных спектров: а — фотонов вблизи источника (γ = 2.1);

б — вблизи Земли (γ = 2.7). Сплошными линиями пока-

заны спектры с учетом поглощения в межзвездной среде.

Стрелки соответствуют медианным значениям

Рис. 1. Схема ливневой установки «Ковер»

пазоне он незаметен из-за поглощения излучения

в галактической плоскости, но хорошо наблюдает-

ров установки, исключалась из этого значения.

ся во всех остальных диапазонах электромагнит-

Среднеквадратичное значение Δt, определенное

ного излучения. Лебедь X-3 является переменным

на большой выборке данных, равнялось

5.2

нс,

источником в инфракрасном, рентгеновском и ра-

что соответствует угловому разрешению для вер-

дио-диапазонах [20-22]. Обнаружение транзиентно-

тикальных ливней σ_θ

∼ 1.1^◦ [1, 18]. Однако эта

го гамма-излучения с энергией выше 100 МэВ ука-

первоначальная оценка оказалась чересчур оптими-

зывает на эффективное ускорение космических лу-

стичной. Впоследствии специальный эксперимент с

чей высоких энергий в данном источнике [23].

детектором черенковского излучения показал [19],

что угловое разрешение установки составляет 4.7^◦

Один из ярких радиовсплесков от Лебедь X-3

для 86 % C.L. и 3.1^◦ для 72 % C.L.

был зарегистрирован в октябре 1985 года, и макси-

мальная плотность потока достигла 9 октября зна-

чения 18 Ян на длине волны 11.1 см. Во время этой

2.1. Наблюдение возможной вспышки

радиовспышки было обнаружено заметное превы-

гамма-излучения сверхвысоких энергий в

шение над фоном числа зарегистрированных ШАЛ

источнике Лебедь X-3

от источника в течение 14-16 октября [1]. Энер-

Лебедь X-3 — рентгеновский источник, кото-

гия отдельных ливней не измерялась, и расчетный

рый является двойной системой. В оптическом диа- спектр зарегистрированных ливней существенно за-

525

В. С. Романенко, В. Б. Петков, А. С. Лидванский

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Таблица 1

Дата

14.10.1985

15.10.1985

16.10.1985

Сигнал

106

105

Шум

77.2

68.8

88.2

Вероятность

10-3

4.6 · 10-2

4.4 · 10-2

Сигнал/Шум

1.4 ± 0.14

1.24 ± 0.14

1.21 ± 0.12

висит от предполагаемого спектра гамма-излучения

от источника. На рис. 2 представлены дифферен-

циальные распределения энергий ливней для дан-

ного триггера и двух значений степенного показа-

теля спектров гамма-лучей: γ = 2.7, соответству-

ющего спектру первичных космических лучей, и

γ = 2.1, которое можно рассматривать как «эта-

лонный спектр» для экспериментальных данных по

гамма-излучению Лебедь X-3 в широком диапазоне

энергий.

Эффект учета межзвездного поглощения гамма-

квантов микроволновым фоновым излучением, свя-

занный с процессом γγ → e⁺e^-, также показан на

рис. 2. Для спектра γ = 2.7 поглощение незначи-

тельно изменяет медианную энергию распределения

Рис. 3. Отношение сигнал/шум для октября 1985 года:

(она равна 7·10¹³ эВ вместо 8·10¹³ эВ). Для плоско-

а — с шагом один день в октябре; б — с шагом три дня;

го спектра γ = 2.1 эффект более заметный: средняя

в — профиль радиовспышки, две стрелки соответствуют

энергия изменяется от 3.3 · 10¹⁴ эВ до 1.6 · 10¹⁴ эВ.

коротким вспышкам, зарегистрированным гамма-телеско-

Для анализа данных использовался следующий

пом Gulmarg [25] с порогом около 6 ТэВ; г — отношение

метод. Сравнивается темп счета ливней в круглой

сигнал/шум за период май-октябрь 1985 г.

угловой ячейке c центром в источнике радиусом 2.5^◦

(сигнал, ON) с фоновым темпом счета (шум, OFF) в

четырех внешних ячейках той же формы и размера.

и отношения сигнал/шум приведены в табл. 1. Мож-

Центры одной пары ячеек вне источника смещены

но видеть, что фон меняется от одного дня к друго-

от исходного положения на ±5^◦ по склонению, цент-

му. В основном это связано с коротким перерывом в

ры другой пары смещены на ±6.6^◦ = (5^◦/ cos δ) по

наборе данных 15 октября. Фоновые значения 14 и

прямому восхождению. При таком выборе все внеш-

16 вполне совместимы, особенно с учетом поправки

ние ячейки контактируют и имеют тот же телесный

на атмосферное давление.

угол, что и ячейка Лебедя. Данные были скорректи-

рованы на общий темп со всех направлений (чтобы

На рис.

показаны отношения сигнал/шум,

исключить влияние атмосферного давления) и уг-

а также профиль радиовсплеска на длине волны

ловое распределение ливней.

11.1 см. Максимумы радиоизлучения (9 октября)

Следует заметить, что в течение предыдущего

и избыток ШАЛ (14 октября) не совпадают. На

года наблюдений, с 1 июля 1984 г. по 30 июня 1985 г.,

тот момент возникла проблема объяснения времен-

превышения числа ливней от направления на Ле-

ной задержки, так как механизмы генерации радио-

бедь X-3 не было обнаружено. По данным за ок-

волн и гамма-излучения сверхвысоких энергий в Ле-

тябрь 1985 г. было получено, что наилучшее соотно-

бедь X-3 не были известны. Однако вскоре Березин-

шение сигнал/шум находилось в трехдневном окне

ский предложил [24] более простую и естественную

14-16 октября. Количество событий в ячейке источ-

модель, в которой гамма-излучение сверхвысоких

ника, усредненное значение событий в ячейках фона

энергий поглощается радиоизлучением внутри ис-

526

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Гамма-астрономия сверхвысоких энергий на установке «Ковер». . .

точника. Такое гамма-излучение может выйти нару-

жу с некоторой задержкой, после уменьшения пото-

ка радиоизлучения, и, следовательно, уменьшения

поглощения на радиоизлучении.

В табл. 1 представлены пуассоновские вероятнос-

ти реализации определенного количества событий

при заданном среднем фоне. Эти вероятности были

рассчитаны с использованием доверительных интер-

валов, приведенных в статье [26]. По оценке, вероят-

ность того, что событие с тремя подряд днями зна-

чительного превышения реализовано из-за флукту-

аций, равна 7 · 10-5. Это формально рассчитанная

вероятность появления избытка в определенный мо-

мент. С учетом равных шансов появления этого пре-

вышения в любой момент времени вокруг вспышки

была получена вероятность порядка 10-3.

Данные одной лишь установки «Ковер» не могли

быть рассмотрены как убедительное доказательство

вспышки в Лебедь X-3 без подтверждения от других

экспериментов, которых не последовало. Но стоит

Рис. 4. Распределение событий в 20-минутном интервале,

заметить, что в июне 1989 г. японской ливневой уста-

пришедших от Крабовидной туманности 23 февраля 1989

новкой Ohya был зарегистрирован [27] избыток фо-

года. Пунктирная линия соответствует ожидаемому фону

тонов сверхвысоких энергий c высокой статистиче-

ской значимостью, который также совпал по време-

Таблица 2. Результат наблюдений вспышки в Кра-

ни с мощной вспышкой в радио-диапазоне. В более

бовидной туманности 23 февраля 1989 года. Значи-

современной работе [28] также описано совместное

мость приведена без учета фазового анализа пуль-

наблюдение вспышки наземным радиотелескопом и

сара

орбитальной гамма-обсерваторией.

Время

Сигнал/Шум σ

набл., UTC

2.2. Наблюдение вспышки в Крабовидной

туманности

«Ковер»

15-18

1.61

3.1

Наблюдение незначительного избытка регистри-

KGF

13-16

1.97

3.4

руемых установкой ШАЛ от Лебедь Х-3 послужило

дополнительным стимулом для поиска других ис-

EAS-TOP

17-20

1.49

2.1

точников. Очередное интересное событие случилось

23 февраля 1989 года. На установке «Ковер» была

зарегистрирована вспышка гамма-излучения сверх-

статистической значимости 3.1 стандартных откло-

высоких энергий в Крабовидной туманности [29].

нения. Распределение этих 55 событий показано на

Данное событие было обнаружено по значительно-

рис. 4 вместе с ожидаемым фоном, который нор-

му суточному превышению числа зарегистрирован-

мирован на среднее число фоновых событий. После

ных ШАЛ над фоном, который был набран в тече-

19 ч 20 мин UTC установка не работала.

ние 1985-1989 годов. Наиболее интересным является

Как говорилось ранее, данное событие было за-

тот факт, что после первой публикации данного ре-

регистрировано и другими установками: KGF [30]

зультата другие установки подтвердили вспышку в

(Индия), EAS-TOP [31] (Италия). Итоговые резуль-

Крабовидной туманности.

таты приведены в табл. 2. По данным установки

Анализ данных за 23 февраля 1989 года (по тому

KGF был получен также поток фотонов:

же алгоритму, как и для Лебедь X-3) показал, что

I(E_γ > 10¹⁴ эВ) = (8 ± 2) · 10-12 см-2 · c-1.

55 событий попали в центральную ячейку, привя-

занную к Крабовидной туманности, тогда как значе-

Установкой EAS-TOP:

ние восьми фоновых ячеек равнялось 34.1 события.

Это соответствует соотношению сигнал/шум 1.6 и

I(E_γ > 2 · 10¹⁴ эВ) = 2 · 10-12 см-2 · c-1.

527

В. С. Романенко, В. Б. Петков, А. С. Лидванский

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

ния ливней, рожденных первичными фотонами, от

ливней, рожденных первичными протонами и ядра-

ми. Такое разделение возможно благодаря тому, что

ливни от первичных фотонов существенно обеднены

адронами (и, как следствие, мюонами), по сравне-

нию с ливнями от первичных протонов и, тем более,

ядер. Таким образом, если отбирать ШАЛ, обед-

ненные адронами и мюонами, то можно достаточ-

но эффективно выделять ливни от первичных гам-

ма-квантов. Для этого в составе установки «Ковер»

был создан мюонный детектор. В данной конфигу-

рации установка, получившая название «Ковер-2»,

работает с 1999 года. Регистрация мюонной ком-

поненты ШАЛ позволила улучшить эффективность

работы как в области гамма-астрономии сверхвысо-

ких энергий, так и при изучении химического соста-

ва первичного космического излучения [32].

Мюонный детектор [33] установки «Ковер-2»

Рис. 5. Относительное фазовое распределение 55 событий

расположен в трех подземных туннелях с размера-

после барицентрической обработки времен прихода и при-

ми 5.5 × 42 м², общий центр которого расположен

менения значений периода пульсара и его производной в

на расстоянии 48 метров от центра «Ковра». Тол-

соответствии с эфемеридой Jodrell Bank

, что пример-

щина грунта над МД около 500 г/см²

но соответствует пороговой энергии 1 ГэВ для вер-

тикальных мюонов. Первоначально планировалось

Поток, полученный установкой «Ковер», находился

заполнить все туннели жидким сцинтиллятором с

между двумя этими значениями, что говорит о хо-

толщиной слоя 30 см, упакованным в пластиковые

рошем согласии этих результатов.

мешки, который просматривался расположенными

Времена прихода событий на установке «Ковер»

на потолке туннелей ФЭУ. Впоследствии от этой

фиксировались с около миллисекундной точностью,

идеи отказались из-за негерметичности используе-

что позволило выполнить фазовый анализ для 55

мых пластиковых мешков и низкой эффективности

событий. Результат показан на рис. 5. Фаза пока-

регистрации мюонов. На следующем этапе создания

зана относительно произвольной начальной точки

МД второй (центральный) туннель был оснащен 175

в цикле импульса пульсара в Крабовидной туман-

счетчиками на основе пластического сцинтиллято-

ности, поскольку абсолютное время часов установ-

ра площадью 1 м² и толщиной 5 см. Сцинтиллятор

ки не было установлено с достаточной точностью

просматривается одним фотоэлектронным умножи-

для определения абсолютной фазы относительно ра-

телем ФЭУ-49Б. Счетчики были разделены на 5 мо-

диоимпульса. Фазовый анализ с периодом пульса-

дулей по 35 в каждом, и анодные импульсы ФЭУ

ра по данным KGF также показал неоднородность.

счетчиков каждого модуля суммируются по 35 штук

Они смогли измерить абсолютную фазу событий

в пяти аналоговых сумматорах. Сигналы с суммато-

и обнаружили, что все дополнительные события

ров подаются на входы ЗЦП (зарядовый - цифровой

приходятся на первую половину периода. Вероят-

преобразователь) с порогами срабатывания 0.5 р. ч.

ность случайной реализации наблюдаемого распре-

(1 р. ч. — релятивистская частица — наиболее веро-

деления равна 0.01 для исходного равномерного фа-

ятное значение энерговыделения в детекторе, рав-

зового распределения.

ное 10 МэВ для счетчиков МД). Полное энерговы-

деление в МД, измеренное в р. ч., обозначается как

n_μ и используется для оценки числа мюонов в МД.

3. УСТАНОВКА «КОВЕР-2»

За время работы установки «Ковер-2» использо-

В связи с результатами, которые были получены

вались два триггера для записи информации о со-

в области гамма-астрономии сверхвысоких энергий

бытии в МД. До 2018 года триггер вырабатывался

и появлением в мире новых установок по регистра-

следующим образом: импульсы с ЗЦП подавались

ции ШАЛ, было необходимо провести существенную

на вход схемы отбора событий, которая при нали-

модернизацию установки «Ковер» с целью отделе-

чии двух и более импульсов на входе вырабатыва-

528

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Гамма-астрономия сверхвысоких энергий на установке «Ковер». . .

ет выходной триггерный сигнал МД. Таким обра-

зом, сохранялась информация о событиях в МД при

срабатывании двух и более модулей, т. е. при реги-

страции в МД не менее двух мюонов. Такой триг-

гер существенно ограничивал возможность отбора

ливней от первичных фотонов при энергиях ниже

700 ТэВ. С начала 2018 года информация о событи-

ях в МД записывается по ливневому триггеру «Ков-

ра», что позволило отбирать ливни от первичных

фотонов с энергиями выше 300 ТэВ. Для выделе-

ния на установке «Ковер-2» ливней от первичных

фотонов сверхвысоких энергий используется корре-

ляционная зависимость n_μ - N_ch, где N_ch — экс-

периментально измеренное полное число частиц в

ШАЛ — используется для оценки энергии первич-

ных частиц.

3.1. Ограничения на потоки диффузного

гамма-излучения

Рис. 6. Корреляционная зависимость nμ от Nch для экспе-

риментально зарегистрированных ливней (синие крестики)

Поиск диффузного гамма-излучения с энерги-

и смоделированных гамма-ливней (зеленые точки). Крас-

ей выше 700 ТэВ проведен на установке «Ковер-2»

ная линия соответствует границе для экспериментальных

по экспериментальным данным за период с 1999 по

событий

2011, в течение которого установка работала в штат-

ном режиме 3390 суток [34].

За это время было зарегистрировано 1.3 · 10⁵

ШАЛ, удовлетворяющих следующим условием от-

бора:

• ось ливня находится в пределах «Ковра»,

• зенитный угол θ < 40^◦,

• полное энерговыделение в «Ковре» не менее

10⁴ р. ч.,

• количество сработавших счетчиков «Ковра» с

энергетическим порогом 10 р. ч. не менее 300.

Корреляционная зависимость n_μ - N_ch для за-

регистрированных ШАЛ и смоделированных лив-

ней от первичных фотонов, приведена на рис. 6.

Красная линия выделяет область, в которой есть

только события от смоделированных гамма-ливней,

при отсутствии зарегистрированных в эксперимен-

те ШАЛ (т. е. отсутствует фон). Это позволяет при-

Рис. 7. Ограничения на интегральный поток космическо-

менить следующую формулу для расчета верхнего

го диффузного гамма-излучения, полученные на установке

«Ковер-2», в сравнении с результатами других экспери-

предела для потока диффузного гамма-излучения

ментов и расчетными потоками из работы [3]. На рисунке

для 90 % C.L.:

также приведены ожидаемые ограничения на поток косми-

ческого диффузного гамма-излучения для двух конфигу-

Iγ (> E0) = n90/SΩT ε1(> E0)ε2(> E0),

раций установки «Ковер-3» и для двух значений времени

где n₉₀ = 2.3, SΩT = 6.2·10¹⁴ см² ·ср·с, ε₁ — эффек-

набора информации

тивность регистрации и восстановления параметров

ливня, ε₂ — эффективность отбора гамма-ливней.

529

В. С. Романенко, В. Б. Петков, А. С. Лидванский

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Полученные на установке «Ковер-2» за

3390

суток набора информации ограничения на интег-

ральный поток космического диффузного гамма-

излучения в зависимости от энергии первичных фо-

тонов приводятся на рис. 7 вместе с результатами

других экспериментов и расчетным потоком из ра-

боты [3].

3.2. Наблюдение вспышки в созвездии

Лебедя

ноября

2020

года нейтринная обсервато-

рия IceCube сообщила о регистрации события

(IceCube-201120A) с энергией

154

ТэВ. Внутри

области локализации этого события находятся

Рис. 8. Зависимость вероятности от ширины окна с цент-

несколько потенциальных источников гамма-из-

ром, отсчитанным относительно времени прихода нейтри-

лучения сверхвысоких энергий, в том числе

но. Сплошная линия соответствует всем событиям, штри-

Лебедь-X3, от которого в

1985

году установкой

ховая — фотонным кандидатам

«Ковер» был зарегистрирована сигнал.

Вскоре, 2 и 9 декабря, были сделаны сообщения

на портале The Astronomer’s Telegram, ATel#: 14237

и ATel# 14255. В первом сообщении был оценен по-

ток гамма-излучения с энергией более 100 ТэВ от

Кокона Лебедя во временном окне ±12 часов от-

носительно времени прихода нейтринного события.

При поиске в окне ±15 дней было обнаружено два

фотонноподобных события, о чем и говорилось во

втором сообщении. Более подробную информацию

о критериях отбора в фотонные кандидаты, а так-

же их поиске от астрофизических источников мож-

но найти в работах [35,36]. Дальнейший анализ вы-

полнялся для набора данных, начиная с 7 апреля

2018 года и по настоящее время. Для анализа брался

круг с угловым радиусом 4.7^◦, что соответствует уг-

ловому разрешению установки «Ковер-2», 86 % C.L.

В качестве центра круга был выбрал источник Ко-

кон Лебедя (4FGL J2028.6+4110e), являющийся наи-

более вероятным источником зарегистрированного

нейтрино.

Для всего набора данных превышение зареги-

Рис. 9. Распределение всех событий во временном интер-

стрированных событий над фоном не наблюдалось,

вале шириной 82 дня. Стрелками показаны дни прихо-

поэтому был получен верхний предел для интег-

да фотонных кандидатов. Вертикальная пунктирная линия

рального потока гамма-излучения с энергией более

соответствует времени прихода нейтрино, 20 ноября 2020 г.

300 ТэВ: I_γ(E_γ > 300 ТэВ) < 2.6 · 10-13 см-2 · c-1

(95 C.L.).

При анализе события вокруг нейтринного собы-

рассчитывалась вероятность для различных значе-

тия был получен сигнал, который может быть ин-

ний ширины временного окна, рис. 8. Было получе-

терпретирован как возможная вспышка. Всего от

но, что наибольшая статистическая значимость до-

региона с центром в Коконе Лебедя было зарегист-

стигается при выборе временного окна шириной 82

рировано более 350 событий, причем пять из них

дня. Распределение всех зарегистрированных собы-

соответствуют фотонным кандидатам. Для оцен-

тий для интервала шириной 82 дня, а также дни

ки статистической значимости возможной вспышки

прихода фотонных кандидатов показаны на рис. 9.

530

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Гамма-астрономия сверхвысоких энергий на установке «Ковер». . .

чиков, работавших на установке «Ковер-2» и 235

новых. В отличие от старых счетчиков МД, для ко-

торых измерялось только энерговыделение, в новых

дополнительно будет фиксироваться время прихода

события с наносекундной точностью, что позволит

исключать случайные события, не связанные с ре-

гистрируемым ШАЛ. В будущем, до конца 2023 го-

да, планируется объединить все 410 счетчиков еди-

ной системой сбора данных на основе аналогово-

цифровых преобразователей (АЦП) фирмы Caen,

которые будут записывать формы импульсов анод-

ных сигналов. Наземная часть установки будет со-

стоять из шести старых выносных пунктов реги-

страции (ВПР) и 39 новых. Новые ВПР будут со-

стоять из девяти пластических сцинтилляционных

счетчиков, таких же как и в МД, площадью 9 м².

Толщина сцинтиллятора равна пяти сантиметрам,

что соответствует наиболее вероятному энерговыде-

лению около 10 МэВ при прохождении вертикаль-

Рис. 10. Актуальная схема установки «Ковер-3». A — 400

ной заряженной частицы. Анодные сигналы ФЭУ с

счетчиков на основе жидкого сцинтиллятора общей пло-

девяти счетчиков будут поступать на суммирующий

щадью 196 м². B — старые выносные пункты регистра-

трансформатор. Суммированный сигнал с каждого

ции, 18 счетчиков на основе жидкого сцинтиллятора об-

ВПР по коаксиальному кабелю будет доставляться

щей площадью 9 м². C — подземный мюонный детек-

в аппаратный зал на систему сбора данных.

тор, 410 счетчиков на основе пластического сцинтиллято-

ра площадью 410 м². Новые выносные пункты регистрации

Данная конфигурация позволит значительно по-

установки «Ковер-3», 9 счетчиков на основе пластического

высить чувствительность и эффективность установ-

сцинтиллятора площадью 9 м²: D — полностью оборудо-

ки. Так, предварительно оцениваемая чувствитель-

ванные, предполагаемая дата запуска до конца 2021 года;

ность к диффузному гамма-излучению показана на

E — будут введены в эксплуатацию до 2023 года

рис. 7.

Можно заметить, что увеличение числа зарегистри-

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

рованных событий, в том числе фотонных кандида-

тов, совпадает по времени с приходом нейтринного

Установка «Ковер» активно работала по про-

события.

грамме гамма-астрономии сверхвысоких энергий в

В результате, для предоставленного на рис. 9 на-

1980 годы. Она участвовала в кампании по наблю-

бора данных вероятность составляет 0.0031 (2.96σ)

дению источника Лебедь Х-3, установив верхний

для всех зарегистрированных события и

0.0064

предел на поток от этого источника, который

(2.73σ) для фотонных кандидатов. Несмотря на низ-

опроверг результаты некоторых групп, получавших

кую статистическую значимость, совпадение с ней-

положительные результаты и значимые цифры

тринным событием позволяет говорить о наблюде-

потоков. Верхние пределы были получены и для

нии возможной вспышки в области Кокона Лебедя.

некоторых других точечных объектов (Her X-1,

Более подробную информацию, а также обсуждение

Mrk

421). Но наиболее интригующими резуль-

и выводы можно найти в работе [15].

татами были две вспышки от двух известных

источников, значимость которых была увеличена

сопутствующими наблюдениями других установок:

4. УСТАНОВКА «КОВЕР-3»

радиотелескопами и черенковским телескопом в

Установка «Ковер-3» является новым этапом в

случае источника Лебедь Х-3 и тремя незави-

развитии установки, ее актуальная схема показана

симыми установками для регистрации ШАЛ в

на рис. 10. Установка будет включать мюонный де-

случае Крабовидной туманности. Наблюдения в

тектор (МД) общей площадью 410 м², состоящий из

новой конфигурации «Ковер-2» также позволили

175 старых пластических сцинтилляционных счет-

установить верхний предел на поток диффузного

531

В. С. Романенко, В. Б. Петков, А. С. Лидванский

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

космического гамма-излучения с энергией более

15.

D. D. Dzhappuev, Yu. Z. Afashokov, I. M. Dzaparova

300

ТэВ и получить указания на возможную

et al., Astrophys. J. Lett. 916, L22 (2021).

вспышку, ассоциированную с одним из нейтринных

16.

J. Szabelski, Nucl. Phys. B-Proc. Sup.

196,371

событий детектора IceCube. Последнее заставляет

(2009).

с оптимизмом смотреть в будущее нового экспери-

17.

Е. Н. Алексеев, П. Я. Глемба, А. С. Лидванский

мента «Ковер-3».

и др., Изв. АН СССР, сер. физ. 40, 994 (1976).

Финансирование. Работа поддержана Мини-

18.

V. V. Alexeenko, A. E. Chudakov, N. S. Khaerdinov

стерством науки и высшего образования Российс-

et al., Proc. 19th ICRC (La Jolla, USA, August 11-23,

кой Федерации, контракт 075-15-2020-778 Програм-

1985), 1, 91 (1985).

мы крупных научных проектов в рамках нацио-

19.

В. В. Алексеенко, В. Н. Бакатанов, Д. Д. Джаппу-

нального проекта «Наука». Работа выполнена на

ев и др., Препринт ИЯИ РАН — 1109 (2003).

УНУ Баксанский подземный сцинтилляционный те-

20.

E. E. Becklin, G. Neugebauer, F. J. Hawkins et al.,

лескоп, ЦКП Баксанская нейтринная обсерватория

Nature 245, 302 (1973).

ИЯИ РАН.

21.

R. Hjellming, M. Hermann, and E. Webster, Nature

237, 507 (1972).

ЛИТЕРАТУРА

22.

J. C. A. Miller-Jones, K. M. Blundell1, M. P. Rupen

et al., Astrophys. J. 600, 368 (2004).

V. V. Alexeenko, A. E. Chudakov, Ya. S. Elensky

et al., Il Nuovo Cimento 10, 151 (1987).

23.

M. Tavani, A. Bulgarelli, G. Piano et al., Nature 462,

620 (2009).

M. G. Aartsen, R. Abbasi, Y. Abdou et al., Science

342, (2013).

24.

V. Berezinsky, Nature 334, 506 (1988).

O. Kalashev and S. Troitsky, JETP Lett. 100, 761

25.

H. S. Rawat, V. K. Senecha, R. C. Rannot et al.,

(2014).

Astrophys. Space. Sci. 151, 149 (1989).

R. Maze and A. Zawadzki, Il Nuovo Cimento 17, 625

26.

N. Gehrels, Astrophys. J. 303, 336 (1986).

(1960).

27.

Y. Muraki, S. Shibata, T. Aoki et al., Astrophys. J.

373, 657 (1991).

L. Kuzmichev, I. Astapov, P. Bezyazeekov et al.,

Nucl. Instrum. Meth. A 952, 161830 (2020).

28.

S. Corbel, G. Dubus, J. A. Tomsick et al., Astrophys.

J. 421, 2947 (2012).

Z. Cao, Nature Astron. 5, 849 (2021).

29.

V. V. Alexeenko, Y. M. Andreyev, A. E. Chudakov

T. Sako, PoS ICRC2021, 733 (2021).

et al., J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 18, L83 (1992).

P. K. Mohantya, S. R. Dugada U. D. Goswamia et al.,

30.

B. Acharya, M. Rao, K. Sivaprasad et al., Nature

Astropart. Phys. 31, 24 (2009).

347, 364 (1990).

M. Amenomori, Y. W. Bao, X. J. Bi et al., Phys. Rev.

31.

M. Aglietta, B. Alssandro, G. Badino et al., Euro-

Lett. 123, 051101 (2019).

phys. Lett. 15, 81 (1991).

10.

A. U. Abeysekara, A. Albert, R. Alfaro et al., Astro-

32.

Д. Д. Джаппуев, В. В. Алексеенко, В. И. Волченко

phys. J. 881, 134 (2019).

и др., Известия РАН, сер.физ. 71, 542 (2007).

33.

V. V. Alexeenko, N. A. Alexeenko, E. N. Alexeyev,

11.

A. U. Abeysekara, A. Albert, R. Alfaro et al., Nature

et al., Proc. 23rd ICRC (Alberta, Canada, July 19-30,

Astron. 5, 465 (2021).

1993) 2, 477 (1993).

12.

M. Ackermann, M. Ajello, A. Allafort et al., Science

34.

В. Б. Петков, Д. Д. Джаппуев, А. С. Лидванский

334, 1103 (2011).

и др., Изв. РАН Сер. Физ. 83, 1038 (2019).

13.

M. Amenomori, Y. W. Bao, X. J. Bi et al., Phys. Rev.

35.

S. Troitsky, D. Dzhappuev, and Y. Zhezher, PoS

Lett. 126, 141101 (2021).

ICRC2019, 808 (2019).

14.

Z. Cao, F. A. Aharonian, Q. An et al., Nature 594,

36.

D. D. Dzhappuev, I. M. Dzaparova, E. A. Gorbacheva

33 (2021).

et al., JETP Lett. 109, 226 (2019).

532