Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В настоящее время получены научные данные прецизионного эксперимента ПАМЕЛА, проводившего измерения направленных потоков различных частиц в околоземном пространстве. Определенные характеристики частиц (тип, энергия, направление прилета) позволяют провести численные расчеты их траекторий движения в магнитном поле Земли (магнитосфере) и атмосфере до попадания в прибор. С помощью полученных экспериментальных данных и расчётов можно определить источник частиц, механизмы проникновения и движения частиц в магнитосфере, а также произвести проверку эмпирических моделей магнитного поля Земли. В рамках работ первого года по выполнению Проекта РНФ коллективом учёных НИЯУ МИФИ получены новые сведения о химическом составе адронной компоненты вторичного космического излучений в околоземном пространстве (альбедной и захваченной компоненты, изучены энергетические особенности спектров в различных областях радиационного пояса), обнаружена временная вариация потоков частиц, связанная с солнечной активностью. Достичь таких результатов удалось при помощи современных средств обработки экспериментальных данных, основанных на методах машинного обучения. Истинные спектры частиц восстановлены из приборных в сложных условиях анизотропных потоков при помощи усовершенствованного метода решения задачи обратной свёртки и его распространению на многомерный случай. Полученные результаты важны для изучения природы потоков частиц в околоземном пространстве, их энергетических и временных вариаций. Благодаря полученным сегодня результатам в дальнейшем планируется построение эмпирической модели радиационной обстановки в околоземном пространстве, которая будет полезна и для фундаментального представления о окружающем космосе и для решения прикладных задач космонавтики.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Одной из двух основных направлений работы в рамках проекта было создание эмпирической модели PAMELA на основе экспериментальных данных одноимённого эксперимента, полученных в первую очередь во внутреннем радиационном поясе Земли. Представление данных в виде эмпирической модели обусловлено их сложностью и разнообразием, кроме того, это упрощает практическое использование экспериментальных данных. Потоки частиц в радиационном поясе и на его границах зависят от так называемых инвариантов, сохраняющихся во время движения частицы величин, характеризующих траекторию, по которой они движутся. От них же зависит и величина потока таких частиц. Существуют три инварианта M, L и К. Первый характеризует вращение частицы вокруг силовой линии и является производной от её энергии; второй – движение частицы вдоль силовой линии, и третий – её долготный дрейф. Совокупность одинаковых значений L образует кольцевую поверхность вокруг Земли, по которой перемещаются гироцентры при движении захваченных частиц. При регистрации потока частиц в конкретной точке, положение этой точки определяет значение L, в то время как направление прилёта частицы в эту точку определяет значение К-инварианта. При экспериментальных измерениях направленных потоков частиц телескопами с относительно широкой областью обзора и высоким угловым разрешением открываются как широкие возможности для точного их измерения, так и сложности, связанные с обработкой таких данных. В первую очередь это расчёт эффективности прибора по отношению к регистрации анизотропного потока: дело в том, что телескоп с широкой апертурой одновременно наблюдает и регистрирует частицы из областей обзора, соответствующих разным К-инвариантам или производным от них питч-углам. Для решения этой задачи необходимо было создать алгоритм, который бы рассчитывал зоны в области обзора телескопа в каждой точке наблюдения и суммарную эффективность каждой из таких областей. Второй проблемой при расчёте эффективности являлось огромное количество конфигураций трековой системы спектрометра, отличающиеся своим значением эффективности. Для того чтобы решить эту проблему каждая из конфигураций моделировалась методом Монте-Карло, а затем конфигурации с близким значением суммарной эффективности группировались по корзинам с шагом по эффективности 1%. Для этих корзин затем считалась угловая эффективность прибора. Второй проблемой при регистрации резко-анизотропного потока является «перетекание» событий из одного бина (по энергии или углу) в соседние, т.е. систематическая ошибочная регистрация параметра события. Эта проблема хорошо известна и решается методами обратной свёртки (или анфолдинга) при измерении энергетических частиц ГКЛ. В случае же регистрации событий в радиационном поясе могут систематически измеряться ошибочно не только энергия, но и направление прилёта частиц. Для поправки угловых и энергетических распределений в этом случае в рамках проекта был разработан метод 3-ёхмерного анфолдинга, для коррекции распределения потоков по энергии и питч- и фазовому углу. После того как все направленные потоки были посчитаны, была создана «карта» потоков в многомерном пространстве, построенном на базисе: M(E), L, K(питч-угол), t (f10.7). Сама эмпирическая модель представляет из себя поверхность в этом пространстве, описывающая экспериментальные измерения. Вторым направлением работы было создание вычислительной среды для моделирования основных процессов, происходящих с заряженными частицами в околоземном пространстве. Такая среда позволила бы вычислять теоретические значения потоков в любой точке околоземного пространства, определять источник частиц в этой области и их состав. Базовый алгоритм работы предполагался следующим: на основе известной информации о спектрах частиц ГКЛ различного вида моделируется их прохождение через магнитосферу Земли и их взаимодействие с атмосферой; моделируется прохождение вторичных частиц в магнитном поле Земли, их захват, т.е. механизм CRAND или выход из магнитосферы (альбедо). Для прослеживания всего жизненного цикла, каждая частица трассируется в магнитосфере Земли с учётом возможного рассеяние на веществе остаточной атмосферы. Для реализации такой среды (инструментария) необходимы такие программные инструменты как модели атмосферы и магнитосферы, средства для трейсинга заряженных частиц в магнитном поле и программы для расчёта взаимодействий. По результатам детального анализа основными моделями магнитного поля для инструментария были выбраны IGRF, CHAOS для внутренней магнитосферы и модель Цыганенко T96 для внешней. Для трейсинга частиц разработан собственный алгоритм на основе метода Бунемана-Бориса, который показал лучшую точность по сравнению с используемыми сейчас методами в физике космических лучей. В качестве модели атмосферы была выбрана модель NRLMSISE00, а стандартного средства для моделирования взаимодействия с атмосферой – GEANT4. Результаты выполненной работы имеют не только прикладное значение для расчёта радиационной обстановки в околоземном пространстве, но также могут быть полезны и в фундаментальной физике. Согласование построенных эмпирической и численной моделей потоков ядерной компоненты космических лучей в околоземном пространстве невозможно без выбора правильных моделей магнитного поля Земли, моделей ядерных взаимодействий и др. А это должно привести к лучшему пониманию природы электромагнитных полей, индуцируемых планетой и в её окрестности, развитию представлений о реакциях под действием различных частиц и др.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчётном периоде завершены основные работы по созданию и настройке инструментария для расчёта потоков космических лучей в околоземном пространстве, включая область внутреннего радиационного пояса Земли (в дальнейшем предполагается его поддержка, уточнение, дополнительная настройка). Инструментарий проверен путём сравнения с данными о потоках частиц альбедо, в том числе захваченных, которые измерены в эксперименте PAMELA. Он позволяет проводить восстановление траекторий заряженных и нейтральных космических лучей в магнитосфере Земли, выбирая различные модели магнитного поля, учитывать потери энергии частиц на ионизацию в атмосфере и ионосфере Земли, рассчитывать неупругие процессы с рождением вторичных частиц в разных моделях, предусмотренных средой Geant4, моделировать распады короткоживущих ядер, включая процессы CRAND и CRANbarD, а также по предложенным на данный момент критериям определять тип (природу) частиц: галактические, стабильно-захваченные, квазизахваченных, короткоживущие и альбедо. Независимая обработка экспериментальных данных позволила детально исследовать несколько интересных эффектов. Так, получены вариации захваченных потоков в течении солнечного цикла, а также распределения захваченных частиц по питч и фазовому углу. Последнее количественно характеризует эффект восточно-западной асимметрии. В первом случае показано, что наибольшие вариации испытывают потоки на малых L-оболочках, уменьшаясь с их ростом. Также амплитуда вариаций уменьшается с ростом энергии. Однако наиболее интересным результатом стало питч-угловое распределение амплитуды вариаций между максимумом и минимумом цикла солнечной активности. Распределение имеет двугорбую структуру и по всей видимости связано с наличием в выборке частиц трёх видов захвата: стабильно захваченных, квазизахваченных и короткоживущих. Эти три типа частиц имеют разные характерные значения питч-углов на одной и той же L-оболочке, но при этом вариации плотности остаточной атмосферы (под действием ультрафиолетового солнечного излучения) влияют на них по разному. В рамках анализа восточно-западной асимметрии был обнаружен такой эффект, как увеличение отношения потоков протонов, приходящих с западного направления, к восточному с уменьшением номера оболочки L. При этом для анализа экспериментальных данных были использованы методы обратной свёртки, позволяющие восстановить оценку истинного распределения измеряемой величины из приборного распределения (спектра), что особенно важно в случае многомерных распределений (в данном случае направленных потоков: два угла входа частицы в прибор и её магнитная жёсткость) из-за увеличенной возможности миграции случайных величин из бина в бин. После проведённого подробного анализа возможностей существующих двумерных подходов решения данной задачи, разработан алгоритм многомерного анфолдинга, ставший расширением метода SVD на многомерный случай. Этот алгоритм, являясь более общим, зарекомендовал себя лучше аналогичного двумерного варианта при верном выборе его параметров. Это позволяет применять его к данным любых экспериментов, где измеряются сразу несколько характеристик регистрируемых частиц. Используя созданный инструментарий и эмпирическую модель потоков частиц во внутреннем радиационном поясе Земли, выполнены ещё несколько исследований. Разработан метод расчёта жёсткости геомагнитного обрезания на основе трассировки частиц в магнитном поле Земли и построена её многомерная карта. Метод проверен при помощи сравнения с аналитическим решением в дипольном поле, а также сравнением с ранее опубликованными результатами для реального поля, заданного моделью IGRF (например, Смарта и Ши). Во втором случае воспроизведены известные эффекты, такие как переходная область между запрещёнными и разрешёнными областями вместо чёткой границы ("штрих-код"). Многомерная карта жёсткости геомагнитного обрезания строится в зависимости от географических координат (высота, широта и долгота) и направления (зенитный и азимутальный угол). Область её применения пока ограничена высотами от 300 до 600 км, от -70° до 70° по широте и весь диапазон по долготе (расчёт выполнен для описания геомагнитного обрезания вдоль траектории КА Ресурс-ДК1 и сравнения с данными эксперимента PAMELA). Замечено влияние литосферной компоненты магнитного поля Земли, не учитываемой в наиболее широко распространённой среди специалистов в физике космических лучей модели IGRF, на траекторные расчёты космических лучей в околоземном пространстве. Используя эту компоненту поля, определённую в модели CHAOS, показано, что траектории галактических космических лучей искажаются на высотах ниже 400 км, а также заметно изменяются траектории альбедных частиц, приближающихся к Земле в полярных областях. Также обнаружено, что зеркальные точки в области Южно-Атлантической Магнитной Аномалии опускаются глубже в атмосферу, что должно приводить к большему темпу убывания частиц из радиационного пояса. Кроме этого изменяется форма дрейфовой оболочки, а значит и значение L, которое стандартно рассчитывается трассированием магнитно-силовой линии в модели IGRF. Наконец, есть указания на возможное влияние космических гамма-всплесков на потоки частиц в околоземном пространстве. Так, было обнаружено, что в нескольких случаях в момент прихода-гамма излучения по данным обсерватории Fermi наблюдается изменение потока заряженных комических лучей в области под внутренним радиационным поясом, что может свидетельствовать о его возмущении с последующим высыпанием частиц. Выполненные расчёты позволили определить тип и энергии высыпавшихся частиц, а также оценить вероятность взаимодействия гамма-излучения с захваченными в магнитном поле Земли заряженными частицами. Таким образом, полученные результаты могут быть и для решения прикладных задач, таких как определение радиационной обстановки в околоземном пространстве, так и для фундаментальных исследований, связанных с проникновением и движением частиц и излучений в магнитосфере Земли.