2.1 Исследований вариаций космических лучей во время гроз
На установке «Ковёр» Баксанской Нейтринной обсерватории экспериментально изучаются вариации разных компонент космических лучей во время гроз и их корреляции с величиной приземного электрического поля атмосферы и накоплен большой экспериментальный материал. За отчётный период достигнут большой прогресс в интерпретации этих данных. Ранее было показано, что как мягкая компонента (электроны, позитроны и гамма-кванты) так и жесткая (мюоны) в среднем обнаруживают как линейный, так и квадратичный эффект а зависимости интенсивности от поля, причем линейные коэффициенты для обеих компонент отрицательны, а квадратичные имеют разные знаки (положительный для мягкой компоненты и отрицательный для жесткой). Кроме этих средних зависимостей в эксперименте наблюдались яркие события возмущений интенсивности (возрастания для мягкой компоненты и понижения для жесткой), не коррелирующие с приземным полем. Теоретический анализ экспериментальных данных позволил построить для возрастаний мягкой компоненты модель генерации элементарных частиц грозовыми облаками, в которой ускорение сильным полем частиц с противоположными зарядами (электронов и позитронов) в сильно рассеивающей среде приводит к появлению положительной обратной связи и экспоненциальному росту интенсивности в ограниченном объёме.
Новыми результатами являются следующие.
1. В результате анализа эволюции стандартного спектра убегающих электронов в отчётный период получены высоты генерации гамма-квантов в экспериментально зарегистрированных событиях. Показано, что в большом проценте случаев высоты эти лежат высоко в стратосфере.
2. В то же время, на основании теоретически рассчитанных коэффициентов регрессии мюонов с полем и сравнения с экспериментальными данными получена связь амплитуды вариации интенсивности мюонов с разностью потенциалов между уровнем их генерации и уровнем наблюдения. Показано, что с большой вероятностью в промежутке между ионосферой и верхом грозового облака возникает поле, превышающее критическое для генерации убегающих электронов. Это привело к новому взгляду на события подобные приведённому на Рис. 1, в которых значительные вариации наблюдаются одновременно в мягкой компоненте космических лучей и в интенсивности мюонов.
Рисунок 1 - Грозовое событие 18.07.2008. Интервал усреднения 30 с. Сверху вниз показаны: 1) напряженность приземного электрического поля, 2) вариации интенсивности мягкой компоненты космических лучей в интервале 10-30 МэВ, 3) вариации интенсивности мюонов с порогом по энергии 100 МэВ, 4) вариации интенсивности мягкой компоненты космических лучей с энергией более 30 МэВ.
Нижний график на Рис. 1 приведен как свидетельство того, что весь эффект возрастания мягкой компоненты сосредоточен при энергиях ниже 30 МэВ.
3. Результаты, сформулированные в пп. 1 и 2 позволили выдвинуть гипотезу о существовании процесса медленного разряда на убегающих электронах с вершины грозового облака на ионосферу, который приводит к наблюдаемым эффектам одновременно в потоке гамма-квантов и мюонов. Подтверждением этой гипотезы является наличие магнитных пульсаций совпадающих по времени с указанными событиями.
Геомагнитные пульсации, подобные показанным на Рис. 2 возникают из-за мощных токов вследствие большой ионизации убегающими электронами в описанном процессе над областью грозы. Т.к. геомагнитные пульсации не наблюдаются в z-компоненте поля, это свидетельствует об их генерации вертикальными токами, что также подтверждает изложенный сценарий событий.
Рисунок 2 - То же событие, что и на Рис. 1. Дополнительно показаны вариации электрического тока дождя и h–компоненты геомагнитного поля. Последние измерены глубоко под землей на расстоянии 4 км от установки регистрирующей космические лучи.
2.2 Исследование суточной волны электрического поля «хорошей погоды»
Как известно, над плоской поверхностью суши или океана электрическое поле в отсутствие облачности (т.н. поле «хорошей погоды») в течение суток имеет временной ход именуемый унитарной вариацией и независимо от долготы наблюдения максимум поля приходится примерно на 19 часов по гринвичскому времени. Первые же измерения поля «хорошей погоды» в узком горном ущелье, где расположена Баксанская нейтринная обсерватория, показали, что суточная волна резко отлична от унитарной вариации.
Рисунок 3 - Приземное электростатическое поле 7 сентября 2007 г. Время местное. Усреднение 20 с.
Рисунок 4 - Приземное электростатическое поле 23 сентября 2007 г. День «хорошей погоды». Усреднение 20 с.
Рисунок 5 - Приземное электростатическое поле 1 октября 2007 г.
Рисунок 6 - Приземное электрическое поле 12 октября 2007 г.
В отчётный период были проанализированы данные измерений за более чем месячный период, с начала сентября по середину октября 2007 г. Показано, что в дни "хорошей погоды" аномальная форма суточной волны стабильна, но амплитуда поля обратной полярности постепенно уменьшается (см. Рис. 3-6). Другими словами, имеет место ярко выраженная сезонная вариация суточной волны. Поскольку исследован осенний период (с начала сентября по середину октября), указанное выше изменение амплитуды естественно связать с изменением температуры, скорость которого наибольшая в этот период года. Это хорошо согласуется с выводом, сделанным ранее на основе положения максимума обратного поля, т.к. максимум этот совпадает (15 часов местного времени) с временем максимального прогрева почвы в течение суток.
2.3 Тепловые нейтроны в широких атмосферных ливнях и окружающей среде
Предложенный ранее новый метод исследования ШАЛ и фоновых потоков тепловых нейтронов получил дальнейшее развитие.
В 2012 г. проводился набор и обработка экспериментальных данных, полученных с помощью разработанных в лаборатории нейтронных детекторов (эн-детекторов) по теме «Тепловые нейтроны в широких атмосферных ливнях и окружающей среде» на вариационных установках: «Нейтрон» в МИФИ, в Обнинске (Геофизическая служба РАН), в НИИЯФ МГУ, в БНО и в Лаборатории Гран Сассо (Италия), как на земной поверхности, так и под землей а также на прототипе ProtoPRISMA - установки нового типа для изучения ШАЛ (проект PRISMA).
По вариационной программе были получены следующие новые данные:
- О потоках тепловых нейтронов во время Форбуш-понижений интенсивности космических лучей, путем измерений с помощью глобальной сети эн-детекторов, как над земной поверхностью, так и под ней. Показано хорошее согласие с данными нейтронных мониторов и продемонстрирована принципиальная возможность использования эн-детекторов под различными поглотителями для спектрометрии корональных выбросов частиц в солнечных вспышках.
- По измерению нейтронных потоков во время гроз с целью проверки сообщений о возможной генерации нейтронов молниями. Был получен отрицательный результат: ни в одной из гроз в Москве за 2011-2012 гг. не было зафиксировано превышения потока тепловых нейтронов над фоновым потоком. Более того, во время самой мощной грозы 20.07.2012, когда молния попала в здание, где проводятся измерения, было зафиксировано понижение потока тепловых нейтронов на несколько часов, связанное, как мы полагаем, с большим количеством выпавших осадков. При этом понижение на 6% наблюдалось только в одном (D2) из 4 детекторов установки «Нейтрон», имеющим минимальное количество поглотителя (расположен в стеклянной галерее). В 3-х остальных детекторах никакого изменения потока нейтронов не наблюдалось. Этот результат приведен на рис. 1. Следует отметить, что только в нашем эксперименте проводится оцифровка импульсов с детекторов и отбор нейтронных событий по форме импульса, что позволяет нам быть абсолютно уверенными в отсутствии ложных срабатываний, связанных электромагнитными наводками, производимых молниевыми разрядами.
Рисунок 7 - Гроза 20.07.2012. Показания 1,2,3,4 детекторов установки «Нейтрон»,
поправленные на давление.
- Было получено, что в вариациях нейтронных потоков присутствуют периоды (вероятность случайной реализации < 10-3) в диапазоне десятков минут, характерные для собственных колебаний Земли (12, 15, 35, 43, 54 мин.). В настоящее время идет набор статистики и поиск корреляций амплитуды этих колебаний с мощными землетрясениями.
По программе изучения ШАЛ методом регистрации генерируемых в них нейтронов в 2012 г. совместно со студентами и сотрудниками МИФИ была проведена большая работа по физическому запуску установки ProtoPRISMA на базе эксперимента НЕВОД в МИФИ. В начале 2012 года был начат непрерывный набор научной информации на 2-х кластерах установки (32 эн-детектора). К настоящему времени получены предварительные данные по временному распределению регистрируемых нейтронов ШАЛ и по их пространственному распределению.
Рисунок 8 - Временное распределение регистрируемых нейтронов
В качестве иллюстрации на рис. 8 показано временное распределение зарегистрированных нейтронов в ШАЛ. Как и в наших прежних измерениях, временные распределения хорошо описываются двойными экспоненциальными функциями.
На рис. 9 представлено пространственное распределение тепловых нейтронов в ШАЛ относительно оси ливня. Это распределение хорошо описывается экспоненциальной функцией с параметром ~7 м, как и следует ожидать из экспоненциального распределения по поперечному импульсу родительских адронов.
Рисунок 9 - Пространственное распределение регистрируемых нейтронов.
R – расстояние до оси ШАЛ.
В ноябре 2012 г. в рамках научного сотрудничества ИЯИ РАН с Институтом физики высоких энергий Китайской академии наук создан прототип установки PRISMA из 4-х эн-детекторов в Пекине. В дальнейшем предполагается его перемещение и дальнейшая эксплуатация в Тибете на высоте 4300 м над уровнем моря для проведения исследований и калибровки с использованием показаний действующей там же установки ARGO-YBJ.
За 2012 г. было опубликовано (принято в печать): 4 статьи в журналах, 1 в электронном издании и сделано 6 докладов на различных конференциях.