El telescopio de neutrones solares en Sierra Negra y aceleración de iones en la atmósfera solar
Resumen Abstract Índice Conclusiones
Luis Xavier González Méndez
2011-A
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El Telescopio de Neutrones Solares (TNS) en Sierra Negra, Puebla, México (19.0°N, 97.3°W y 4580 m.s.n.m.) es el más nuevo de la red mundial de telescopios especializados en la detección de los neutrones provenientes de las fulguraciones solares. El TNS está compuesto de cuatro plásticos centelladores de 1m x 1m x 30cm, en anti-coincidencia electrónica con arreglos de contadores proporcionales que cubren todo el detector. Esta señal de anti-coincidencia se usa para discriminar entre partículas cargadas y neutrones. Para rechazar el fondo de rayos gama, el TNS se encuentra cubierto en los cuatro lados por placas de Hierro y en la parte superior por placas de Plomo, ambas de 0.5 cm de espesor. Tiene la capacidad de registrar cuatro canales de deposición de energía, que corresponden a E ≥ 30 MeV, 60 MeV, 90 MeV y 120 MeV, con una razón de conteo de 10 segundos. La dirección de arribo de los neutrones es determinada por cuatro góndolas de contadores proporcionales en coincidencia electrónica, localizadas ortogonalmente en la parte inferior del TNS, dos en dirección N-S y dos más en dirección E-W.
Esta tesis muestra un estudio de las emisiones de la actividad solar, desde el interior y hasta la atmósfera, tomando en cuenta los mecanismos físicos más importantes. Se toman en cuenta las reacciones nucleares en el interior y atmósfera solar, haciendo énfasis en las reacciones que producen neutrones. Se estudian los eventos de neutrones solares registrados en la Tierra y en el espacio. Se describe el funcionamiento y construcción del Telescopio de Neutrones Solares en Sierra Negra y la red mundial de detectores de éste tipo. Se lleva a cabo un análisis del evento de neutrones solares registrado por el TNS para la fulguración del 7 de Septiembre de 2005. Se presenta una completa simulación de la respuesta del detector al ingreso de neutrones, protones, electrones y rayos gama, con rangos de energía de 100 MeV a 1 GeV y ángulos de incidencia cenital de 0°, 30° y 60°. Esta simulación toma en cuenta todos los elementos activos del detector y los procesos físicos más relevantes, utilizando el código de simulación GEANT4. Se confirma que los datos obtenidos por el detector son estables y el TNS está funcionando adecuadamente.
The Solar Neutron Telescope (TNS) at Sierra Negra, Puebla, Mexico (19.0°N, 97.3°W and 4580 m.a.s.l.) is the newest of the global network of specialized telescopes to detect neutrons from solar flares. The TNS consists of four plastic scintillator 1m x 1m x 30cm, in electronic anti-coincidence with arrangements of proportional counters (PRCs), surrounded the detector. This anti-coincidence signal is used to discriminate between charged particles and neutrons.
In order to discard photon background it is shielded on its sides by 0.5 cm thick iron plates and on its top by 0.5 cm lead plates. It is capable of registering four different channels corresponding to four energy deposition thresholds: E>30, >60, >90 and >120 MeV. The arrival direction of neutrons is determined by gondolas of PRCs in electronic coincidence, four layers of these gondolas orthogonally located underneath the SNT, two in the NS direction and two in the EW direction.
This thesis shows the analysis of the solar neutron event, recorded by TNS for the flare of September 7, 2005. We present a full simulations of the detector response to neutrons, protons, electrons and gammas in range of energies from 100 MeV to 1 GeV, and zenith angles of 0°, 30° and 60°. The simulation code was written using the Geant4 package, taking into account all relevant physical processes and all the active elements of the detector. It is confirmed that the data collected by the detector are stable and the TNS is working properly.
RESUMEN ………………………………………………………………… i
INTRODUCCIÓN ……………………………………………………………. 1
1.EMISIONES DE LA ACTIVIDAD SOLAR
1.1. Generalidades …………………………………………………….. 7
1.2. Interior solar ……………………………………………………. 9
1.2.1. Núcleo ……………………………………………………….. 10
1.2.2. Zona radiativa ………………………………………………… 10
1.2.3. Zona convectiva ……………………………………………….. 11
1.3. Atmósfera solar …………………………………………………… 12
1.3.1. Fotósfera …………………………………………………….. 12
1.3.2. Cromósfera ……………………………………………………. 16
1.3.3. Corona ……………………………………………………….. 18
1.3.4. Viento solar ………………………………………………….. 21
1.4. Actividad solar …………………………………………………… 23
1.4.1. El ciclo de manchas solares …………………………………….. 23
1.4.2. Regiones altamente activas ……………………………………… 24
1.4.3. Fulguraciones solares ………………………………………….. 25
1.4.4. Emisiones de las fulguraciones ………………………………….. 29
1.4.4.1. Rayos X suaves …………………………………………… 29
1.4.4.2. Rayos X duros ……………………………………………. 30
1.4.4.3. Rayos gama ………………………………………………. 31
1.4.4.4. Ultravioleta……………………………………………… 33
1.4.4.5. Óptico ………………………………………………….. 34
1.4.4.6. Radio …………………………………………………… 35
1.4.5. Tipos de fulguraciones y clasificación ………………………….. 36
1.4.6. Liberación y transporte de energía en fulguraciones……………….. 38
1.4.6.1. Disipación de energía en fulguraciones ……………………… 39
2. REACCIONES NUCLEARES EN EL INTERIOR Y ATMÓSFERA SOLAR
2.1. Introducción ……………………………………………………… 45
2.2. Reacciones nucleares en el núcleo solar ……………………………… 46
2.2.1. Cadenas protón-protón y CNO …………………………………….. 47
2.3. Otras reacciones nucleares en el interior solar ………………………. 51
2.4. Reacciones nucleares que producen neutrones en la atmósfera solar ………. 53
3. EVENTOS DE NEUTRONES SOLARES DETECTADOS EN LA TIERRA Y EL ESPACIO
3.1. Introducción ……………………………………………………… 60
3.2. Primeras observaciones …………………………………………….. 63
3.3. Eventos de neutrones detectados en Tierra por NM-64 …………………… 67
4. EL TELESCOPIO DE NEUTRONES SOLARES Y LA RED MUNDIAL DE OBSERVATORIOS
4.1. Introducción ……………………………………………………… 89
4.2. Monitor de neutrones ………………………………………………. 90
4.3. Telescopio de neutrones solares (TNS) ……………………………….. 95
4.3.1. Principio de detección de neutrones usando el TNS …………………. 99
4.3.2. Telescopio de neutrones solares en Sierra Negra …………………… 100
4.4. Primeros neutrones solares detectados por los TNS …………………….. 106
5. EL EVENTO DEL 7 DE SEPTIEMBRE DE 2005
5.1. Observaciones …………………………………………………….. 118
5.2. Interpretación del evento de neutrones……………………………….. 127
6. SIMULACIÓN DEL TNS EN SIERRA NEGRA CON GEANT4
6.1. Introducción ……………………………………………………… 136
6.2. Descripción de la simulación ……………………………………….. 138
6.3. Resultados de la simulación ………………………………………… 142
6.3.1. Eficiencia de detección de partículas ……………………………. 144
6.3.2. Resolución angular …………………………………………….. 153
CONCLUSIONES ……………………………………………………………. 155
APÉNDICES……………………………………………………………….. 159
REFERENCIAS …………………………………………………………….. 180
Desde Julio de 2004, que el TNS en Sierra Negra ha tomado datos de forma continua, sólo se ha observado un evento de neutrones solares, atribuido a la fulguración tipo limbo X17.0, del 7 de Septiembre de 2005.
El TNS detectó el exceso en las cuentas de neutrones en los cuatro canales de deposición de energía, con significancias estadísticas de 15.8 sigma, 12.6 sigma, 9.6 sigma, 7.8 sigma, para los canales S1_con_Anti (Edep > 30 MeV), S2_con_Anti (Edep > 60 MeV), S3_con_Anti (Edep > 90 MeV) y S4_con_Anti (Edep > 120 MeV), respectivamente. Además, los 25 canales direccionales del TNS registraron este exceso, con un máximo de 11.3% de las cuentas en el canal central, lo que es consistente con el máximo de la emisión de rayos X y rayosgama. De este modo, se confirma que el TNS detectó neutrones solares.
Con base en que el código GEANT4, se calculó el índice espectral para los neutrones solares detectados por el TNS en Sierra Negra. Los resultados muestran que el índice que mejor se ajusta al flujo de neutrones producidos en la fulguración del 7 de Septiembre de 2005 está alrededor de 3. Este resultado es congruente con análisis anteriores y se concluye que la emisión de neutrones para este evento fue continua y comenzó a la par que el flujo de rayos gama. Para este evento, se detectaron neutrones de al menos 1 GeV, lo que implica que en la fulguración se produjeron protones de hasta 10 GeV, que no pudieron ser vistos en Tierra, porque el evento fue tipo limbo.
Para conocer la capacidad de detección del TNS y la contaminación por otras partículas, se simuló el funcionamiento del detector con todos los componentes activos, utilizando como base de la simulación el código GEANT4. Se inyectaron electrones, gamas, neutrones y protones con un rango de energía de 100 MeV a 1 GeV y a tres distintos ángulos de incidencia cenital (0°, 30° y 60°). La simulación verificó que la eficiencia de detección del TNS se incrementa con respecto al ángulo cenital de incidencia de las partículas.
Los resultados muestran que los neutrones incidentes detectados, con energía primaria (Einj) de 100 MeV, depositan más de 30 MeV en los plásticos centelladores y son registrados por el canal S1_con_Anti (Edep ≥ 30 MeV).
Los neutrones detectados con Einj mayor a 600 MeV siempre depositan al menos 120 MeV y son registrados por los cuatro canales de deposición de energía.
Se observa que los neutrones con energías de algunos cientos de MeV son detectados con eficiencias de al menos 10% y se incrementa con la energía primaria del neutrón y el ángulo de incidencia.
La probabilidad de que los protones de alta energía contaminen la señal de los neutrones es despreciable, ya que son rechazados por su señal de coincidencia en más del 99%.
Para electrones, la máxima contaminación es menor que 2.5%. Para gamas, se observa que más de 67% son rechazados, que es concordante con un trabajo previo realizado por Valdés-Galicia, et. al, 2004. Al considerar un flujo de gamas (con Einj =100 MeV) similar al de neutrones, la contaminación es menor al 3.5%. Al tomar en cuenta que los flujos de electrones y gamas a la altura del TNS en Sierra Negra son mucho menores que los flujos de neutrones y protones, la contaminación de esas partículas baja hasta ser despreciable.
La reconstrucción angular del TNS se generó simulando la entrada de neutrones a 0° cenitales (18:00 hrs TU) y comparando con los datos registrados por el TNS para el evento del 7 de Septiembre de 2005 (17:40 hrs TU). La simulación mostró que 11.9% de los cuentas reconstruidas caen en el panel central, mientras que las cuentas reales para el evento de neutrones muestran que se registraron 11.3%. Se observa que los restantes canales direccionales tienen porcentajes de cuentas muy parecidos y en muy buena conformidad entra la simulación y los datos reales.
De este modo, aseguramos que el código de simulación reproduce satisfactoriamente la respuesta del TNS en Sierra Negra.
El análisis de estabilidad de los datos tomados por el TNS para los años de 2004, 2005 y 2006, muestra que son discretos y tienen distribuciones poissonianas. Se constató que las variaciones promedio fueron menores al 1.5% con datos de 3 minutos y que el grado de dispersión fue lo suficientemente pequeño para considerar los datos estables.
Finalmente, con base en que se conoce totalmente el funcionamiento y capacidad de detección del TNS en Sierra Negra y la estabilidad de los datos detectados por el mismo, estamos listos para el registro y análisis de los datos de eventos de neutrones que se generen en fulguraciones para el nuevo ciclo solar 24.