High energy physics in Earth’s

EAS core- particle
burst” - “Inverse TGF”
Aragats station 3200 asl, Kare lich, August
MAKET experimental hall under snow, April.
Surrounded by scintillators of MAKET-ANI surface array, which for the
first time measured energy spectra of light and heavy nuclei separately

Физика высоких энергий в атмосфере Земли
За более чем столетнюю историю исследования космических лучей был создан инструментарий, используемый в астрофизике высоких энергий, в физике элементарных частиц, и сейчас – в геофизике.
Не останавливаясь на блестящих достижениях в первых двух областях, позволивших создать самосогласованную картину возникновения Вселенной и материи, остановимся на третьей, сравнительно новой области.
Я имею ввиду прежде всего модуляционные эффекты, связанные с прохождением космических лучей через грозовую атмосферу и влияние электрических полей грозовых облаков на естественный фон гамма-радиации. Исследование взаимосвязи между потоками элементарных частиц, разрядами молний и возмущениями атмосферного электрического поля привело к открытию ряда физических явлений, имеющих как фундаментальный, так и прикладной характер.
В докладе будет рассказано о прогрессе физики высоких энергий в атмосфере, достигнутом с помощью методов физики элементарных частиц и ядерной спектроскопии.

Tripole model

Particle bursts: EAS cores (energies > 1016 eV)
occasionally hitting surface arrays

TGFs – RREAs in upper dipole –
most energetic gamma rays
from microbursts (individual RREAs)
reach orbiting gamma observatories:
electron avalanches open path for lightning flashes ,
sprites and other optical phenomena

Synergy of Atmospheric physics and Cosmic Ray physics
10-20 km
from one initial electron
(Ee 0.1 – 2 MEV)
-2 km
5-6 km above Aragats (3.2 km)

Scientific Instrumentation: neutral and charge fluxes, energy spectra

NaI 1, STAND3 1100, 1110 and 1111

Lightning flashes terminated TGE
10-sec histograms of energy releases in 60 thick scintillator. Normal polarity intracloud flashes terminate TGE 2 times

b)
a)
c)
d)
Comparison of TGE registered by NAI 1 (energy spectrum at 15:56 prolonged up to 10 MeV) and 4 (under lead filter, energy spectrum on 15:56 prolonged up to 1.2 MeV)

EFM-100 electric field sensors
(electric mills) 4 units operate on Aragats
NaI network
Slow (30Hz) electric field
Fast (GHz) electric field

Panoramic cameras
New lab installed on Aragats for synchronous monitoring of skies, NS electric field, meteo parameters, and particle fluxes
El. Field sensor
Weather
station

Proceeding from the gamma ray spectrum observed on 30 May 2018 we estimate that 1018 gamma rays each second bombarded the globe

a)
b)
Emax ≈ 38 MeV
Emax ≈ 18 MeV
Emax ≈ 5 MeV
Emax ≈ 42 MeV
The differential energy spectra of two TGE events of 2020 measured by ASNT spectrometer: NS electric field can reach strength of 200 kV/m at 100 m above ground!
On 22 April the positive near-surface electric field lasting 4 minutes indicates
the positive charge above, i.e., a mature LPCR that screened the negative charge
of the MN layer. Proceeding from the very low maximum energy of the
electron energy spectrum (7 MeV) compared with 40 MeV maximum
energy of the gamma-ray flux) we conclude that electric field extends 100 m
“deeper” than on 22 April, and electron flux attenuates much less than on 22 April.

A network of middle to low latitude particle detectors called SEVAN (Space Environmental Viewing and Analysis Network) was accomplished in the framework of the International Heliophysical Year (IHY-2007), to improve fundamental research of the Solar accelerators and Space Weather conditions. The program of high-energy atmospheric physics with SEVAN network started in 2010.

Installation of SEVAN module at entrance of DESY (Zeuthen)

Lomnický štít (LS) 49.1952 N 20.2131 E 2634 m
The observed enhancements of gamma ray and electron fluxes measured by the upper scintillator of SEVAN as compared with CORSIKA simulations of the RREA imply the maximum ≈500 MV potential difference present in the atmosphere during the minute of the highest flux (and consequently highest strength of the electric field) measured by the SEVAN detector at Lomnicky Stit on 10 June 2017.

100 combination,
2,5 mln. additional
TGE particles, 12,860%
011 combination Inclined muon flux depletion 45%
111 combination;
Muon flux depletion 13.5%
a)
c)
b)
Extreme TGE event detected by SEVAN detector located on Lomnicky Stit mountain: a) – TGE particles – electrons and gamma rays; b) high energy muons; c) inclined muons.
Maximum potential drop 250 MV; electric field 2.5 kV/cm

CORSIKA code version 7.7400, which takes into account the effect of the electric field on the transport of particles.
The energy spectrum of seed electrons was adopted from the EXPACS WEB calculator in the energy range 1-300 MeV. The number of seed electrons from the ambient population of secondary cosmic rays was obtained from the same calculator, to be 42,000 on the height 5400 above Aragats with energies lareger than 1 MeV.

a)
b)
Avalanche started at 5400 m a.s.l. (0 depth), that is 2200 m above the Aragats station. The number of avalanche particles is calculated each 300 m. After exiting from the electric field propagation of avalanche particles is followed additionally 200 m before reaching the station. By blue line, we show the electron and gamma ray number per seed electron for the TGE that occurred on 14 June 2020.
Comparing measured TGE intensities with CORSIKA simulations

Атмосферное электричество: ускорители электронов, воздействие на климат и на технологии
Новое направление исследований атмосферных электрических полей связано с потоками частиц, проходящих через грозы и регистрируемых на поверхности Земли спектрометрами частиц, т.е. мы используем потоки частиц для скрининга грозовой атмосферы (подобно рентгеновскому скринингу). Новый подход дает очень интересные результаты, иногда противоречащие общепринятым знаниям о вертикальном профиле атмосферного электрического поля, однако подкрепленные точными методами физики частиц и устоявшимися теориями электромагнитных взаимодействий.
Многие виды элементарных частиц рождаются в земной атмосфере высокоэнергетическими протонами и ядрами, ускоренными в экзотических галактических источниках. Во время грозы, в дополнение к этому более или менее постоянному потоку, электроны и гамма-лучи производятся самым мощным естественным ускорителем электронов, работающим в электризующейся атмосфере. Огромные потоки электронов и гамма-излучения могут превышать фон до 100 раз и оказывать пока еще не оцененное влияние на климат. В определенный момент времени во всем мире действуют более 2 000 гроз, которые производят около 100 вспышек в секунду. Общая поверхность грозовой атмосферы в каждый момент времени может быть оценена как ≈ 200 000 км2, и, по нашим оценкам, ≈ 1,3*1018 гамма-лучей с энергией выше 100 кэВ попадают на поверхность Земли каждую секунду. Долгосрочное воздействие этого излучения на человека должно быть тщательно изучено.
Высокая напряженность приповерхностного электрического поля, достигающая 200 кВ/м, была установлена путем изучения энергетических спектров электронов и гамма-лучей лавин частиц, инициированных ускорителем электронов, работающим в грозовой атмосфере. Во многих центрах мира регистрируются дополнительные потоки гамма-излучения, мы на Арагаце с помощью сложных спектрометров можем также регистрировать электроны и восстанавливать их энергетические спектры. Это позволяет нам с точностью ≈50 м оценить, когда сильное ускоряющее поле заканчивается и электроны выходят из него и очень быстро теряют энергию на ионизацию и исчезают. Если мы измеряем поток электронов, то из этого в конечном итоге следует, что поле заканчивается на высоте не более 100 м над землей. В связи с опасностью и стоимостью удара молнии в космический аппарат, следует прекратить запуск во время грозы, чтобы свести к минимуму риск удара молнии.