ЖЭТФ, 2022, том 161, вып. 4, стр. 610-615

ОЦЕНКА ЭФФЕКТА ФРАГМЕНТАЦИИ ПРИ РЕГИСТРАЦИИ

СВЕРХТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ

ЛУЧЕЙ В ПАЛЛАСИТАХ

П. А. Бабаев^a, А. В. Багуля^a, А. Е. Волков^a,b,c, С. А. Горбунов^a,

Г. В. Калинина^a, Н. С. Коновалова^a,d, Н. М. Окатьеваa,d*,

Н. Г. Полухина^a,d,e, Ж. Т. Садыков^a,d, Н. И. Старков^a,d, Е. Н. Старкова^a,

Тан Найнг Со^a, М. М. Чернявский^a, Т. В. Щедрина^a,d

^a Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук

119991, Москва, Россия

^b Лаборатория ядерных реакций им. Г. Н. Флёрова

Объединенного института ядерных исследований

141980, Дубна, Московская обл., Россия

^c Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

123182, Москва, Россия

^d Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

119049, Москва, Россия

^e Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

115409, Москва, Россия

Поступила в редакцию 24 ноября 2021 г.,

после переработки 2 декабря 2021 г.

Принята к публикации 3 декабря 2021 г.

Представлены результаты модельных расчетов для оценки эффекта фрагментации при регистрации тя-

желых и сверхтяжелых ядер галактических космических лучей в кристаллах оливина из палласитов

Марьялахти и Игл Стейшн. Измерение потоков и спектров тяжелых и сверхтяжелых ядер в космических

лучах является чувствительным способом изучения состава и возможных источников космических лу-

чей, процессов, происходящих как в самих источниках, так и в межзвездной среде, а также основой для

построения моделей удержания космических лучей в Галактике. Полученная в эксперименте ОЛИМПИЯ

база данных, включающая характеристики 21743 треков, на сегодняшний день является крупнейшей в

пределах диапазона зарядов Z > 55. Сделанные на основе модельных расчетов оценки фрагментации

ядер в палласитах показывают, что влияние этого процесса на полученный зарядовый спектр не суще-

ственно.

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

DOI: 10.31857/S0044451022040150

для ядерной физики, физики элементарных частиц

EDN: DRJNJD

и астрофизики. А. Е. Чудаков как председатель

Научного совета РАН по космическим лучам

1. ВВЕДЕНИЕ

(1980-2000 гг.) всегда активно поддерживал работы

Изучение зарядового спектра галактических

по поиску и идентификации природных сверхтяже-

космических лучей (ГКЛ) в области тяжелых и

лых элементов (входящих в состав гипотетического

сверхтяжелых ядер представляет большой интерес

острова стабильности сверхтяжелых элементов [1]).

Эту проблему В. Л. Гинзбург, Нобелевский лауреат,

^* E-mail: okatevanm@lebedev.ru

610

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Оценка эффекта фрагментации при регистрации сверхтяжелых ядер.. .

включил в свой знаменитый список первостепенных

ном травлении и последующей сошлифовке тон-

задач современной физики [2].

ких слоев кристаллов метеоритного оливина [7].

Целью эксперимента ОЛИМПИЯ (ОЛИвины из

При формировании экспериментальной базы дан-

Метеоритов — Поиск тяжелых и сверхтяжелых

ных фиксируются обнаруженные под микроскопом

Ядер) [3], который реализуют авторы статьи, яв-

видимые участки треков ядер с Z > 40 (ядра с за-

ляется поиск и идентификация тяжелых и сверх-

рядами 26 < Z < 40 также оставляют следы в оли-

тяжелых ядер ГКЛ в кристаллах оливинов из же-

винах, но их длины слишком малы для измерений

лезо-каменных метеоритов (палласитов), использу-

с требуемой точностью, и они используются исклю-

емых как трековые детекторы. В ходе проекта

чительно для определения глубины залегания кри-

ОЛИМПИЯ осуществляется набор данных о составе

сталлов по отношению к доатмосферной поверхно-

тяжелой компоненты космического излучения (ядер

сти метеороида по величине их плотности). После

с Z > 55), оценка величин их потоков и построе-

измерения параметров обнаруженных участков тре-

ние статистически обеспеченного зарядового спек-

ков часть кристалла толщиной 50-100 мкм (с точно-

тра в этой области зарядов [4]. Кристаллы оливина

стью до нескольких мкм) удаляется, и процесс об-

(Mg0.8Fe0.2)₂SiO₄, входящие в состав метеоритов ти-

работки поверхности с последующими измерениями

па палласитов, за время облучения в космическом

повторяется. При обработке кристалла на каждой

пространстве накапливают следы ядер ГКЛ тяже-

новой стадии осуществляется поиск как новых тре-

лее железа. Уникальность этих природных детекто-

ков, так и продолжений участков треков, уже най-

ров заключается в длительном времени их экспо-

денных на предыдущем этапе. В последнем случае

зиции: потоки сверхтяжелых ядер в составе косми-

проводится координатная «сшивка» трека, в резуль-

ческих лучей необычайно малы, и для того, чтобы

тате чего восстанавливается его полная длина L до

получить статистически значимый результат, необ-

точки остановки в детекторе. Также измеряется ско-

ходимо либо располагать в космосе установкой ги-

рость V травления оливина вдоль траектории нале-

гантской площади, либо обеспечить очень продол-

тающего ядра. Для определения зарядов ядер по из-

жительное время экспозиции. Возраст используе-

меренным характеристикам треков в рамках проек-

мых в настоящей работе палласитов (Marjalahti и

та разработано специальное программное обеспече-

Eagle Station) составляет, по различным оценкам, от

ние, основанное на калибровочной зависимости за-

30 до 175 млн лет [5].

ряда частицы Z(L, V ). Калибровка метода была осу-

ществлена в серии облучений оливинов космическо-

го и земного происхождения на ускорителях тяже-

лых ионов [7].

2. ЭКСПЕРИМЕНТ

Измерения проводятся на разработанном в

Налетающая заряженная частица, обладающая

ФИАН современном высокотехнологичном изме-

зарядом Z > 26 и энергией ∼ 0.5-500 МэВ/нуклон,

рительном комплексе ПАВИКОМ [8, 9], который

в оливине стимулирует изменения его физико-хими-

обеспечивает высокую точность обработки матери-

ческих свойств в нано- и микроразмерной окрестно-

ала и надежность полученных данных. За время

сти своей траектории. Разлет быстрых электронов,

осуществления проекта в общей сложности обнару-

генерируемых в результате взаимодействия налета-

жено и идентифицировано 28272 треков ядер ГКЛ,

ющей частицы с электронной подсистемой материа-

из которых 21743 включены в итоговое зарядовое

ла, и последующие структурно-фазовые изменения

распределение, представленное на рис. 1 в сравне-

приводят к возникновению долгоживущей области

нии с результатами ряда крупных экспериментов

повышенной химической активности на расстояни-

(HEAO-3 [10-12], ARIEL-6

[13] и UHCRE

[14]),

ях до 1-5 мкм от траектории тяжелого ядра (см.,

проведенных на искусственных спутниках Земли.

например, [6]). Эти изменения сохраняются в крис-

Как видно на рис. 1, полученный в эксперименте

таллах оливина в течение сотен миллионов лет.

ОЛИМПИЯ зарядовый спектр повторяет основ-

Лабораторное химическое травление кристаллов

ные особенности спектров из этих экспериментов,

оливина позволяет получить видимые под микро-

например, третий пик r-процессов (76 ≤ Z ≤ 78).

скопом треки ядер и проводить прецизионные изме-

Дополнительный анализ полученных данных по-

рения параметров этих треков. Коллективом авто-

казал, что зарядовый спектр, построенный для

ров разработана оригинальная методика поиска тре-

6529 (из 28272) ядер, имеет аномальный характер

ков тяжелых частиц ГКЛ и определения их геомет-

[15], связанный с тем, что они были зарегистри-

рических и динамических параметров при послой-

рованы в кристаллах, взятых из крупной ячейки

611

П. А. Бабаев, А. В. Багуля, А. Е. Волков и др.

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Рис. 2. Схема железо-оливиновой сборки, имитирующей

структуру палласита

Таблица

Глубина (номер

на рис. 2)

Рис. 1. Зарядовый спектр 21743 ядер галактических кос-

Энергия налетающего

мических лучей по результатам различных экспериментов:

0.8

1.1

1.4

1.7

ядра, ГэВ/нуклон

ОЛИМПИЯ (кресты), HEAO-3 (квадраты), ARIEL-6 (ром-

бы) и UHCRE (круги). Распространенность железа принята

Доля неупругих

равной 10⁶

ядерных событий, %

диаметром 5 мм, расположенной близко к поверх-

граммного пакета GEANT4 [18] было проведено мо-

ности метеорита, и поэтому в данные на рис. 1 не

делирование прохождения тяжелых ядер через же-

включен. Более близкое расположение кристаллов

лезо-оливиновую сборку, имитирующую структуру

к поверхности метеорита могло привести к отжи-

палласита. Сборка включает чередующиеся слои

гу треков за счет нагревания метеорита при его

железа толщиной 1 мм и оливина толщиной 1 см

прохождении через атмосферу во время падения

(рис. 2). Такая конфигурация соответствует соот-

на Землю (см. [16]). При отжиге треков происхо-

ношению объемов железной матрицы и кристал-

дит их укорачивание, причем в разной степени,

лов оливина в исследуемых фрагментах метеоритов.

в зависимости от заряда ядра. Этот эффект мог

При моделировании учитывались взаимодействия

привести к искажениям при определении заряда

налетающих ядер с электронными оболочками ато-

частиц и, следовательно, к изменению полученного

мов, а также упругие и неупругие ядерные взаимо-

зарядового распределения [17].

действия с ядрами атомов метеорита. Последние мо-

гут изменить массу и заряд налетающего ядра или

привести к его распаду на осколки.

3. МОДЕЛЬ ФРАГМЕНТАЦИИ

Моделирование было проведено для ядер урана.

Кристаллы оливина, используемые в экспери-

Трек, видимый после травления в оптический мик-

менте ОЛИМПИЯ, располагаются на глубине

роскоп, создают ядра урана с кинетической энерги-

нескольких сантиметров от доатмосферной поверх-

ей, меньшей 500 МэВ/нуклон. Для разных глубин

ности метеороида. Следовательно, существует

этой энергии соответствуют разные величины энер-

вероятность того, что при прохождении слоя метео-

гии ядра, входящего в метеорит. Целью моделиро-

ритного вещества от этой поверхности до уровня

вания было оценить, какая доля ядер была потеря-

наблюдения ядра космического излучения испы-

на за счет фрагментации до входа в слой оливина,

тывали неупругие взаимодействия, в результате

находящегося на определенной глубине. Концы рас-

которых они распадались и образовывали фраг-

смотренных слоев на рис. 2 отмечены цифрами 1,

менты с другим зарядом и массой. Такие события

2, 3, 4 и 5. Отметим, что основная часть обработан-

могли привести к искажениям полученных данных

ных кристаллов располагалась на глубине 2-3 см.

относительно первичного зарядового спектра ГКЛ.

Каждый сеанс моделирования включал несколько

Чтобы оценить этот эффект и его возможное

тысяч событий. Результаты моделирования показа-

влияние на полученные результаты, с помощью про-

ны в таблице.

612

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Оценка эффекта фрагментации при регистрации сверхтяжелых ядер.. .

Рис. 3. Распределение по заряду и массе фрагментов, об-

Рис. 5. Распределение по заряду и массе фрагментов, об-

разовавшихся при взаимодействиях ядер урана, получен-

разовавшихся в результате взаимодействий ядер свинца,

ное при расчетах для глубины 3 на рис. 2

полученное при расчетах для глубины 3 на рис. 2

вичной энергии на нуклон доли неупругих взаимо-

действий у этих ядер близки к значениям, приве-

денным в таблице, однако характер распределения

конечных продуктов совершенно иной. На рис. 4

приведено распределение по заряду и массе фраг-

ментов, образовавшихся при взаимодействиях ядер

вольфрама. Видно, что большинство фрагментов со-

ставляют ядра, близкие по своим параметрам к ис-

ходному ядру, т. е. неупругий процесс идет по кана-

лам перезарядки и подхвата.

Для ядер свинца имеет место промежуточная си-

туация (рис. 5).

Следует отметить, что большая часть тяжелых

фрагментов урана и свинца имеют заряд меньше

Рис. 4. Распределение по заряду и массе фрагментов, об-

Z = 53. Это означает, что они выходят за преде-

разовавшихся при взаимодействиях ядер вольфрама, по-

лы эффективной регистрации ядер рассматривае-

лученное при расчетах для глубины 3 на рис. 2

мой методикой (Z > 55), т. е. возникающие неупру-

гие ядерные каналы в этом случае приводят к поте-

ре регистрируемых ядер. С другой стороны, часть

фрагментов вольфрама и свинца, испытывающих

Следует отметить, что, согласно результатам мо-

перезарядку или подхват, включаются в общее рас-

делирования, неупругие взаимодействия ядер урана

пределение зарядов и слегка «размывают» его.

при рассмотренной энергии приводят в основном к

фрагментации на два тяжелых осколка с зарядами

в диапазоне 30 < Z < 60, в сопровождении легких

фрагментов (нуклонов, дейтронов, альфа-частиц).

4. ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 показано распределение числа фрагмен-

тов N по заряду и массе на глубине 3 рис. 2.

Энергетические спектры F (T ) галактических

Для понимания зависимости полученных резуль-

космических лучей от протонов до ядер никеля

татов от заряда падающих на метеорит ядер бы-

подобны: они имеют максимум в области энергий

ло проведено аналогичное моделирование для ядер

≈ 0.5 ГэВ/нуклон и убывают по степенному

вольфрама и свинца. При такой же величине пер-

закону как F ∼ T-2.7 при T > 1 ГэВ/нуклон [19].

613

П. А. Бабаев, А. В. Багуля, А. Е. Волков и др.

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Поскольку проникающая способность частиц

растет с увеличением энергии, это означает, что

количество космических ядер в метеорите будет

убывать с ростом глубины. Расчет показывает, что

если принять, что и сверхтяжелые ядра имеют ту

же зависимость, то на глубине с номером 2 на рис. 2

поток будет в 4-5 раз больше, чем на глубине 5.

Кроме того, на глубине 2 доля фрагментированных

ядер в четыре раза меньше. Кристаллы метеорит-

ного оливина, использованные в данной работе,

располагались на относительно небольшой глубине

(менее

5-6

см) от доатмосферной поверхности

метеороида, причем основная часть обработанных

кристаллов располагалась на глубине 2-3 см.

Для наглядности можно провести мысленный

эксперимент. Пусть наша сборка облучается ядрами

урана с энергией, приведенной в таблице для уров-

ней 2, 3, 4 и 5, при этом каждый раз ядро будет под-

ходить к соответствующему слою оливина с энерги-

ей около 500 МэВ/нуклон, позволяющей создавать

в нем видимый трек. Если через уровень 2 пройдет

100 ядер, только 89 из них будут зарегистрированы,

а 11 фрагментируют. При том же исходном коли-

честве ядер, падающих на сборку, через уровень 3

пройдет порядка 50 ядер, из которых 10 фрагменти-

руют, а 40 будет зарегистрировано. Через четвертый

слой оливина пройдет уже около 40 ядер, 12 фраг-

ментируют и, наконец, через пятый слой пройдет 20

ядер, 10 из них фрагментируют. Таким образом, из

210 падающих на сборку ядер, которые могли бы со-

здать в оливине видимый трек, фрагментирует всего

Рис. 6. а) Сравнение результатов спутникового экспери-

43 ядра, а остальные 167 будут зарегистрированы.

мента UCHRE с учетом фрагментации и без него. б) Срав-

При таких условиях потери составляют всего око-

нение результатов экспериментов UCHRE и ОЛИМПИЯ с

ло 20 %, что, по нашему мнению, не может оказать

диапазонами поправок на фрагментацию

существенного влияния на конечный результат.

Дополнительным аргументом в пользу этого вы-

вода является демонстрация поправок на фрагмен-

учета фрагментации, показывающее малое влияние

тацию, сделанных для спутниковых экспериментов,

указанных поправок на конечный результат. Рису-

изучавших зарядовые спектры ядер ГКЛ (на при-

нок 6б, на котором дано сравнение результатов экс-

мере эксперимента UCHRE [20]). Эксперименты на

периментов UCHRE и ОЛИМПИЯ с диапазонами

спутниках имели ту же нижнюю границу по энер-

поправок на фрагментацию, подтверждает, что учет

гии, что и наш эксперимент (∼ 1 ГэВ/нуклон), а

этих поправок не влияет на результат сравнения.

это подразумевает аналогичные условия фрагмен-

тации и, следовательно, аналогичный масштаб по-

Сделанные расчеты позволяют также объяснить

правок, по крайней мере, по порядку величины. Из-

наличие в наших данных ядер с зарядами 84 ≤ Z ≤

за схожих условий фрагментации можно предполо-

≤ 89. Ядра с зарядами в этом диапазоне не могут

жить, что соответствующая поправка в эксперимен-

содержаться в первичных космических лучах в си-

те ОЛИМПИЯ того же порядка и не повлияет на

лу их очень малого времени жизни. Мы полагаем,

сравнение со спутниковыми данными. На рис. 6а

что регистрация их в нашем эксперименте являет-

дано сравнение относительных выходов зарегистри-

ся результатом фрагментации более тяжелых ядер

рованных ядер в эксперименте UHCRE до и после

в доатмосферном слое метеороида [21, 22].

614

ЖЭТФ, том 161, вып. 4, 2022

Оценка эффекта фрагментации при регистрации сверхтяжелых ядер.. .

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

А. Б. Александров, А. В. Багуля, М. С. Владими-

ров и др., ПТЭ № 2, 38 (2009).

Таким образом, авторами разработана и успеш-

но используется оригинальная, не имеющая анало-

A. Aleksandrov, I. Apacheva, E. Feinberg et al., Nucl.

Instrum. Meth. Phys. Res. A 535, 542 (2004).

гов методика поиска и идентификации тяжелых и

сверхтяжелых ядер в оливинах из метеоритов, ос-

A. Alexandrov, N. Konovalova, N. Okateva et al.,

нованная на автоматизированных измерениях пара-

Measurement 187, 110244 (2022).

метров их треков. На сегодняшний день в результа-

те реализации эксперимента ОЛИМПИЯ получено

10.

M. H. Israel, 17th Int. Cosmic Ray Conf., Conf.

зарядовое распределение тяжелой компоненты ГКЛ

Papers 12, 53 (1981).

для 21743 ядер с зарядами Z > 55. Выполненные

11.

W. Binns, M. Israel, N. Brewster et al., Astrophys. J.

модельные расчеты процессов фрагментации ядер

297, 111 (1985).

в веществе метеорита показали, что влияние этого

эффекта не изменит принципиальным образом ре-

12.

W. Binns, T. Garrard, P. Gibner et al., Astrophys. J.

зультирующий зарядовый спектр. Можно утверж-

346, 997 (1989).

дать, что изучение сверхтяжелых ядер в оливинах

13.

P. Fowler, R. Walker, M. Masheder et al., Astrophys.

из метеоритов-палласитов на основе трековой мето-

J. 314, 739 (1987).

дики дает возможность получать уникальные и до-

стоверные результаты, открывая новые возможнос-

14.

J. Donnelly, A. Thompson, D. O’Sullivan et al.,

ти в исследовании потоков и спектров космических

Astrophys. J. 747, 40 (2012).

лучей в области тяжелых и сверхтяжелых ядер. По-

15.

A. B. Alexandrov, A. V. Bagulya, A. E. Volkov et al.,

лученные результаты, чрезвычайно важные для по-

Bull. Lebedev Phys. Inst. 47(12), 381 (2020).

нимания физической картины мира, представляют

большой интерес для ядерной физики, физики эле-

16.

В. П. Перелыгин, Л. Л. Кашкарова, Метеоритика

ментарных частиц и астрофизики.

38, 55 (1979).

17.

Than Naing Soe, N. G. Polukhina, and N. I. Starkov,

ЛИТЕРАТУРА

Phys. Atom. Nucl. 84, 643 (2021).

1. S. G. Nilsson, S. G. Thompson, and C. F. Tsang,

18.

J. Allison, K. Amako, J. Apostolakis et al., Nucl.

Phys. Lett. B 28, 458 (1969).

Instrum. Meth. Phys. Res. A 835, 186 (2016).

2. В. Л. Гинзбург, УФН 169, 419 (1999).

19.

J. S. George, K. A. Lave, M. E. Wiedenbeck,

W. R. Binns et al., Astrophys. J. 698, 1666 (2009).

3. В. Л. Гинзбург, Е. Л. Фейнберг, Н. Г. Полухина и

др., Докл. РАН 402, 472 (2005).

20.

J. Donnelly, A. Thompson, D. O’Sullivan et al.,

Astrophys. J. 747, 40 (2012).

4. V. Alexeev, A. Bagulya, M. Chernyavsky et al.,

Astrophys. J. 829, 120 (2016).

21.

А. Б. Александров, А. В. Багуля, М. С. Владими-

5. А. В. Багуля, М. С. Владимиров, А. Е. Волков и

ров и др., УФН 180, 839 (2010).

др., Кратк. сообщ. по физике 42, 49 (2015).

22.

А. В. Багуля, Л. Л. Кашкаров, Н. С. Коновалова

6. А. М. Митерев, УФН 172, 1131 (2002).

и др., Письма в ЖЭТФ 97, 811 (2013).

615