Энергетический спектр и угловое распределение мюонов в области энергий 0, 6-10 тэв

Изучение процессов образования и взаимодействия мюонов сверхвысоких анергий является одной из важнейших проблем физики космических лучей. Исследование этих процессов позволит решить рад первостепенных задач, таких, как поиск процессов генерации мюонов в ядерных соударениях, определение сечения фотоодерных взаимодействий, изучение гипотетического аномального взаимодействия мюонов и т. д. Все эти задачи тесно связаны с проблемами физики элементарных частиц [I] .

Еще в конце пятидесятых годов Зацепин [2,3] обратил внимание на то, что механизм генерации мюонов космических лучей ощутимо влияет на вид энергетического и углового распределения этих частиц и, поэтому, им было предложено использовать изучение этих распределений как метод, позволяющий исследовать процессы генерации мюонов. Информацию о взаимодействии мюонов с веществом можно извлечь при анализе поглощения мюонов в больших толщах грунта или воды. Из сказанного очевидно, что энергетическое и угловое распределения мюонов являются важнейшими характеристиками этих частиц.

По модели скейлинга [4*6], согласно которой характеристики вторичных частиц при ядерных взаимодействиях зависят не от их энергии, а от отношения этой энергии к энергии первичной частицы, спектры вторичных частиц (пионов и каонов) и первичных космических лучей должны иметь один и тот же показатель степени, а спектр мюонов должен характеризоваться наличием излома в области энергииЮ11 эВ, так как при Ю11 эВ вероятность распада пионов в атмосфере падает, как. Упомянутое укруче-ние спектра для мюонов, идущих под большими зенитными углами, должно наступить при более высоких энергиях. Очевидно, что если основными источниками генерации мюонов являются Л — и Кмезоны, распределение мюонов должно иметь анизотропный характер.

Аномальное взаимодействие мюонов, частиц, у которых отсутствует непосредственное сильное взаимодействие, в настоящее время является предметом усиленных поисков.

В пятидесятых годах эксперименты по космическим лучам [4, 8*10] показали, что характеристики мюонов согласуются с гипотезой о том, что подавляющая часть их генерируется в процессе распада пионов, а некоторая часть — при распаде каонов, образованных при ядерных взаимодействиях первичных космических частиц в верхних слоях атмосферы.

В большинстве экспериментов [11*18] по исследованию энергетического спектра мюонов, проведенных различными методами, наблюдается хорошее соответствие с общепринятой моделью потерь энергии мюонами вплоть до энергий Ер эВ и не требует введения каких-либо дополнений.

Однако, появление рдца работ [19,20,21], в которых авторы указывают на более жесткий энергетический спектр, требует не только существенно изменить принятое представление о механизме образования мюонов, но также предположить наличие дополнительного вида потерь энергии мюонами.

Расхождение экспериментальных данных в названных работах [20,21], вызвало необходимость исследования энергетического и углового распределения мюонов в максимально широком диапазоне зенитных углов одновременно на одной и той же установке.

С этой целью в лаборатории космических лучей Тбилисского государственного университета создана комплексная установка [22,23], представляющая собой восьмислойннй ионизационный калориметр площадью 9 м², расположенный на глубине 150 м в.э. под землей. Калориметр наклонен под углом 45° к горизонту и с трех сторон окружен нейтронными счетчиками. С целью лоцирования направления мюонов установка оснащена тремя радами годоскопических счетчиков, расположенных над, в средней части и под калориметром.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию энергетического спектра мюонов в интервале энергии (0,6*10) ТэВ и углового распределения мюонов с энергией >0,6 ТэВ в интервале зенитных углов 0° — © < до0.

Оригинальное решение установки позволило, в отличие от других работ, отделить электромагнитные каскады, возникающие при взаимодействии мюонов с веществом калориметра, от ядерных по двум критериям и охватить весь диапазон зенитных углов.

Диссертация защищает следующие положения:

1. Целесообразность метода сочетания нейтронного монитора с ионизационным калориметром для получения сведений о взаимодействии мюонов.

2. Расположение установки под углом 45° к вертикали с целью установления картины генерации космических мюонов сверхвысоких энергий по всему диапазону зенитных углов.

3. Полученные впервые экспериментальные данные об интегральной интенсивности и угловом распределении космических мюонов в области энергии (0,6+10) ТэВ в интервале зенитных углов от 0° до 90° с помощью спектров электромагнитных каскадов, отобранных по двум критериям.

4. Механизмы образования мюонов в процессе распада пионов и каонов с добавлением некоторой доли прямой генерации мюонов в области сверхвысоких энергий.

Результаты исследования энергетического спектра мюонов, изложенные в настоящей диссертационной работе, согласуются с данными других авторов в соответствующей области энергии, если при определении спектра мюонов принимать во внимание только электромагнитные процессы, возникающие при взаимодействии мюонов с веществом. На самом деле, результаты, полученные на установках, детектирующих ионизирующее излучение методом эмульсионных камер, обусловлены тем, что они, возможно, не регистрируют те неизвестные процессы, вызванные мюонами в веществе, которые наблюдаются в установках с ионизационными камерами [19,22,42,65,69]. Одним из таких предполагаемых процессов может быть процесс множественного рождения пионов, указанный в работе [37]. Широкое угловое распределение вторичных пионов должно приводить к тому, что такие каскады не должны наблюдаться в рентгеновских пленках.

Укручение энергетического спектра мюонов при энергии Ер<~2 ТэВ, экспериментально наблюдаемое в настоящей работе, согласуется с данными работ [57,58], проводимыми на магнитном спектрометре, и с данными [62]. В работах [59,61] также отмечается укручение спектра мюонов, только при энергии Е^^ 7*1012 эВ.

В работе [70] было обращено внимание на возможный «излом» в спектре пионов в области энергии (10^*10*®) эВ за счет «гама-низации», при которой в акте неупругого взаимодействия нуклонов доля переданной энергии заряженным пионам уменьшается по сравнению с долей, переданной электронно-фотонному каскаду. Если это явление возможно, то этим можно будет объяснить увеличение показателя степени наклона энергетического спектра мюонов.

— но.

§ 5.2, Угловое распределение мюонов.

Исследование углового распределения космических мюонов проводилось различными методами в различных интервалах энергий и зенитных углов.

Достоверную картину механизма генерации мюонов можно получить, изучив угловое распределение этих частиц непосредственно на одной и той же установке в максимальном диапазоне зенитных углов (0°*90°). С этой точки зрения надо отметить работу [593, которая уже была упомянута в предыдущем разделе. Квазиизотропная чувствительность установки позволяла авторам исследовать весь диапазон зенитных углов от 0° до 90°. Угловое распределение мюонов определялось в области энергий 3 ТэВ ^ Е54 ^ 30 ТэВ на основании углового распределения электронно-фотонного каскада. Для уменьшения статистических ошибок определялась также зависимость отношения интенсивности горизонтального потока мюонов (0,3 ^ COS© ^ 0,0) к интенсивности вертикального потока (1^.0050⁰, 6) от энергии. Экспериментальные распределения сравнивались с расчетными, полученными при различных предположениях о механизме генерации мюонов. Такое сравнение методомтеста показало, что наибольшей степенью вероятностью мюоны образуются при распаде пионов или пионов плюс 20 $ каонов. Авторы отмечают, что в исследуемой области энергии доля прямой генерации мюонов не превышает 0,8 $ с 70 $-ной вероятностью. В интервале энергии Ер< =(3*13) ТэВ наиболее вероятен (0,1 $*0,2 $)-ный вклад прямой генерации. С энергии Ejm ^ 13 ТэВ эта доля незначительно растет. Надо отметить, что работа была проведена на установке с рентгеноэмульсионными камерами.

Исследование углового распределения мюонов на установке с.

— III эмульсионными камерами проводилось и в работе [60] на глубине 20 м в.э. в области энергии 3 ТэВ^Ер^ 10 ТэВ. В работе обсуждаются результаты, полученные в диапазоне зенитных углов 0 = = 0°+60° и дается заключение об абсолютном отсутствии указаний на существование процессов прямого рождения мюонов в сильных взаимодействиях.

Аналогичные результаты даются в работе [711, где угловое распределение мюонов исследовалось с помощью ионизационного калориметра в интервале зенитных углов от 60° до 88° для энергии Ер ~ 10^ эВ. Авторы делают заключение о генерации мюонов в распадах пионов, возможно, с небольшой добавкой распадов каонов.

Работа [72] посвящается исследованию углового распределения высокоэнергичных мюонов космических лучей. Исследование проведено на глубине 130 м в.э. на ионизационном калориметре, оснащенном системой годоскопов. Распределение мюонов по зенитным углам исследовалось в диапазоне 0 = 0°*65° для мюонов со средней энергией <�Е|ч> = 200 ГэВ и <�Е|ч> = 500 ГэВ. Результаты работы указывают на существование анизотропии углового распределения мюонов и на его зависимость от энергии. Однако, недостаточная статистическая точность, особенно при Е|ч> 500 ГэВ, не позволяет определить отношение для интенсивности мюонов данной энергии, образованных при распаде каонов и пионов.

В Индии было проведено тщательное измерение углового распределения мюонов на трех глубинах под землей с помощью пластического сцинтиллятора и неоновых искровых счетчиков [73]. Для построения зависимости отношения от 56С0 интенсивность П (0=0°) вычислялась на основании 1фивой поглощения с учетом зависимости толщины проходимого грунта от зенитного угла. Экспериментальный результат не согласуется с гипотезой о наличии неЯ посредственной генерации мюонов с энергией ^ 4'1Сг ГэБ. Авторы утверждают, что в области энергии (1+50) ТэВ прямое образование мюонов незначительное и оно не превышает 0,4 $.

В работе [74] угловое распределение мюонов исследовалось на глубине 4200 м в.э. с помощью систем черенковских счетчиков. Авторы отмечают, что в интервале зенитных углов 0° < 6 < 60° распределение описывается соотношением [75].

Же) = Жо) гесе ехр[- -^(Бесе-О] если =700 гг/см2. И — глубина наблюдения. Минимальная энергия на данной глубине Е^ч = 2,7 ТэВ.

В работе [76] с помощью телескопа изучалось угловое распределение одиночных мюонов на уровне моря. Углы измерялись с точностью 1°. Б интервале зенитных углов от 0° до 70° авторы получили результаты, хорошо описываемые формулой.

Авторы работы [21], проведенной на установке, описанной в предыдущем разделе, высказываются в пользу изотропизации углового распределения мюонов в области энергии > I ТэВ. Ввиду того, что в работе не охватывается весь диапазон зенитных углов, а только 0 = 0°+50°, для выяснения вопроса о механизме генерации мюонов требуется большая статистика. В качестве косвенного подтверждения своих выводов авторы указывают на примерное равенство показателей энергетического спектра всех каскадов с Е> 0,3 ТэВ (% =2,12+0,09) и спектра каскадов с 0⁵⁰° (# =2,14+0,04). Используя критерий Пирсона, авторы установили приблизительно одинаковую достоверность как обычной модели происхождения мюонов, так и модели, в которой допускается прямая генерация СР (>'Хг) = = 0,4⁰, 9] .

— из.

Исследование механизма генерации мюонов возможно также сопоставлением интенсивностей вертикального и горизонтального потоков мюонов. С этой целью в работе [77] был исследован энергетический спектр вертикального потока мюонов. Ливни от мюонов регистрировались с помощью многослойного сцинтилляционного детектора. Энергия соответствующего мюона измерялась магнитным спектрометром. Установка была оснащена восемью рядами широкозазорных искровых камер и помещалась на глубине 40 м в.э. под землей. Б области энергии 0,3 ТэВ^Ер^ 3 ТэВ спектр вертикального потока мюонов оказался более пологим, чем при %} Краспаде. Авторы допускают 2 $-ный вклад непосредственного рождения мюонов. Надо отметить, что большая толщина поглотителя (12 см свинца) авторам не позволяет отделить «короткие» ливни от электромагнитных.

В работе [781 дается анализ экспериментальных данных по исследованию импульсного спектра вертикальных и горизонтальных мюонов в интервале (0,5*5) ТэВ/с, полученных методом магнитного спектрометра различными авторами. В работе приведено сравнение этих данных с расчетными, полученными для различных механизмов генерации мюонов. Авторы делают вывод, что для объяснения экспериментальных данных необходимо привлечь процесс быстрой генерации мюонов (2*3)$.

Рассмотрев ряд работ по исследованию углового распределения мюонов, можно заключить, что результаты исследования этого распределения настоящей диссертационной работы говорят в пользу работ, отмечающих некоторую долю непосредственного рождения мюонов в ядерных взаимодействиях, при этом источником прямой генерации мюонов могут служить некоторые короткоживущие частицы, например, А/ -бозоны [78].

Надо отметить, что в области энергий, где указываются на.

— 114 прямую генерацию мюонов, во всех работах недостаточная статисти ческая обеспеченность. Поэтому нам представляется, что только большая статистика при сверхвысоких энергиях мюонов может пролить свет на этот вопрос, при этом более достоверные результаты можно получить на установках, охватывающих весь диапазон зенитных углов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Актуальность проблемы выяснения механизмов генерации и взаимодействия мюонов стимулировала интерес к изучению энергетического и углового распределения космических мюонов. С целью исследования этих распределений и была создана оригинальная установка лаборатории космических лучей Тбилисского государственного университета. В данной установке сочетались ионизационный калориметр и нейтронный монитор. Такое сочетание, в отличие от других работ, дает возможность отделить электромагнитные каскады от ядерных, используя как форму каскадной кривой, так и наличие нейтронов. Важность такой выборки несомненна, так как метод регистрации нейтронов является единственным надежным методом классификации коротких каскадов, которые являются одной из причин расхождения экспериментальных данных, полученных разными авторами по энергетическому спектру каскадов.

Квазиизотропная чувствительность установки (наклонена под углом 45° к вертикали) дает возможность исследовать угловое распределение мюонов по всему интервалу зенитных углов от 0° до 90° на одной и той же установке, что является немаловажным фактором для выяснения механизма генерации мюонов.

Исходя из принятых процессов образования космических мюонов такое расположение установки повышает эффективность регистрации мюонов сверхвысоких энергий, что несомненно тоже существенно при крутопадающем спектре мюонов.

Исследование поставленных вопросов осуществлялось путем изучения энергетического спектра и углового распределения электромагнитных каскадов, вызванных мюонами космических лучей при прохождении в веществе калориметра.

В настоящей диссертационной работе были получены следующие основные физические результаты:

1. Сравнение экспериментальных результатов с теоретически ожидаемыми энергетическими распределениями электромагнитных каскадов указывает на увеличение крутизны спектра мюонов с энергией.

2 ТэВ.

2. Результаты эксперимента до энергии Е^^ I ТэВ хорошо согласуются со спектром электромагнитных каскадов, генерированных мюонами с показателем степени наклона спектра мюонов =2,5, при чисто пионном механизме генерации мюонов (Ро =2,6*1СГ4).

3. Для энергии I ТэВ с большой достоверностью можно предположить, что в этой области энергии Хр = 2,8 наиболее соответствующий показатель степени наклона спектра мюонов ([о = 18-Ю" 4).

Эти результаты можно согласовать с данными других работ в соответствующей области энергии, если при определении спектра мюонов принимать во внимание только электромагнитные процессы, возникающие при взаимодействии мюонов с веществом. Экспериментально наблюдаемое укручение энергетического спектра согласуется с данными работ [57,58], выполненными на магнитном спектрометре, и с данными работы [62].

4. Экспериментально наблюдаемое увеличение интенсивности электромагнитных каскадов с ростом зенитного угла в области энергии до Е^ 0,8 ТэВ с наибольшей степенью вероятности согласуется с расчетным для механизмов генерации мюонов при распаде пионов или + 20 $ каонов.

5. При энергии Е^^ 0"8 ТэВ распределение приобретает менее анизотропный характер, однако, как и во всех других работах, где.

— 117 указывается на прямую генерацию мюонов, недостаточные статистические данные не позволяют сделать окончательных выводов. Только большая статистика может пролить свет на этот вопрос.

Для дальнейшего исследования энергетического спектра и углового распределения мюонов нам представляется целесообразным сочетать ионизационный калориметр с рентгеноэмульсионными камерами с целью выяснения вопроса о том, вызвано ли отличие результатов, полученных на этих установках, различием методик.

Материалы диссертации докладывались на всех Всесоюзных и международных конференциях по физике космических лучей с 1972 года и изложены в статьях [22,23,44,51*56].

Автор приносит глубокую благодарность своим научным руководителям, кандидату физико-математических наук, доценту Иосифу Ивановичу Сакварелидзе и кандидату физико-математических наук, доценту Левану Дмитриевичу Гедеванишвили. Считаю своим приятным долгом с благодарностью отметить внимание и большую помощь, проявленные старшим научным сотрудником лаборатории космических лучей ТГУ, кандидатом физико-математических наук В. А. Агламазовым на протяжении всей работы.

Автор признателен сотруднику Института физики АН ГССР, кандидату физико-математических наук Бетману Р. и сотрудникам Института прикладной математики ТГУ за помощь при теоретических расчетах, а также всем сотрудникам лаборатории космических лучей ТГУ за постоянную помощь при проведении эксперимента.