Характеристика широких атмосферных ливней с энергией 3.10\13-3.10\14 ЭВ

Исследование широких атмосферных ливней (ШАЛ) со времени их обнаружения служило источником информации о характеристиках взаимодействия частиц высоких энергий. Основные экспериментальные данные о ШАЛ на уровне моря и на уровне гор / 1,2 / были получены с для ливней с числом частиц Ы Р10. Такие ливни на уровне гор образуются первичными частицами с энергиями Е0 > 2.10^ эВ, а для уровня моря эта энергия еще выше: Е0 > 10 эВ. Эти энергии до последнего времени более чем на два порядка превышали энергии, при которых проводилось детальное исследование характеристик взаимодействия частиц на ускорителях. В результате исследования ливней выяснилось, что многие их характеристики не могут быть объяснены в рамках тех представлений о взаимодействии частиц, которые были получены на ускорителях. В качестве примера можно привести слишком быстрое развитие ливней в атмосфере / 3 /, довольно сильную зависимость полного числа мюонов от числа электронов К1е, несовместимую со свойством масштабной инвариантности инклюзивных сечений (скейлингом) / 4,5 /, сильное расширение пространственных распределений адронов с увеличением энергии ливня, противоречившее представлениям о примерном постоянстве поперечного импульса / 6,7 / и т. д. До настоящего времени не удалось выработать единой точки зрения на причины этих несоответствий. В качестве альтернативы обсуждаются, в основном, два варианта: изменение характеристик взаимодействия частиц при энергиях выше 10эВ по сравнению с наблюдаемыми при меньших энергиях / 8 /, утяжеление ядерного состава первичных космических лучей в той же области энергий / 9 /. Любой из этих выводов в случае доказательства его справедливости имел бы очень большое значение для физики элементарных частиц и для астрофизики. Для доказательства того, что особенности ливней, наблюдаемые в области энергий вше 2Л0^эВ имеют физическую природу и не связаны с какими-либо методическими причинами, важно убедиться, что в области меньших энергий 10^*10″ ^ эВ характеристики ливней могут быть описаны с помощью обычных представлений об элементарном акте взаимодействия частиц и ядерном составе первичного космического излучения. На отсутствие серьезных изменений в характере взаимодействия частиц вплоть до энергий порядка 10^эВ указывали многие экспериментальные данные, полученные в космических лучах / 8−10 /. В условиях, когда запущен протон-антицротонный кол-ла^дер с энергией сталкивающихся частиц в С-системе fs = 540 ГэВ, в отсутствии каких-либо сильных изменений характеристик взаимодействия частиц в интервале энергий Ю^-гЮ^эВ уже можно быть уверенным / II /. Таким образом, детальные характеристики неупругих столто кновений и множественного рождения адронов в области энергий 10 * *10^эВ можно получить с помощью экстраполяции из области 10* эВ, где они изучены на ускорителях FW/JL, ISR, а в некоторых случаях интерполяцией между данными этих ускорителей и коллайдера SPS. В последние годы появились работы / 13−16 /, которые со значительной степенью уверенности позволяют утверждать, что и ядерный состав первичного космического излучения в области энергий 10.

— Ю^эВ мало отличается от измеренного прямыми методами при энер-ТТ Т 2 гиях 10 т-10 эВ, Хотя дискуссии на эту тему еще не закончены / 17 /, сейчас повидймому, можно отвергнуть практически чисто ядерный состав первичного космического излучения при Е0 = Ю^-Ю^эВ, предсказываемый по результатам измерений / 18 /. Таким образом, имея ввиду «обычные» характеристики взаимодействия частиц и «нормальный» смешанный химический состав первичного космического излучения в области энергий Ю^тЮ^эВ, следовало бы ожидать, что и характерно.

— б тики ШАЛ при этих энергиях должны быть «нормальными11. Экспериментальное обнаружение отличия характеристик этих ливней от аналогичных характеристик ШАЛ при больших начальных энергиях могло бы быть указанием физической природы аномалий, наблюдаемых в ливнях с энергией выше 2.10^ эВ. В этом состоит актуальность настоящей работы.

Целью .работы является экспериментальное изучение пространственно-энергетических характеристик электронно-фотонной, мюонной и л адронной компонент ШАЛ с полным числом частиц Ые = Ют10 регистрируемых на уровне гор, и их сравнение с аналогичными характеристиками ШАЛ с > Ю5.

Ливни с = Ю4хЮ5 относится к так называемым малым ШАЛ. Несмотря на сравнительно высокую интенсивность, изучать их характеристики сложно, т.к. эти ливни имеют малую плотность потока частиц. Из-за малой плотности затруднено определение координат оси ливня, направление его прихода и, соответственно, функций пространственного распределения различных его компонент. Для изучения малых ШАЛ необходима экспериментальная установка, имеющая, во-первых, комплексный характер, т. е. содержащая детекторы электронов, мюонов и адронов в своем составе, во-вторых, пространственная плотность этих детекторов должна быть высока, чтобы несмотря на малую плотность потока частиц в ливне надежно определять параметры ливня. Кроме того, как уже упоминалось, область первичных энергий 10^-10^ эВ может быть изучена с помощью малых ШАЛ только на уровне гор и выше, т.к., например, на уровне моря первичные частицы таких энеро д гий создают еще меньшие ливни (Ые = 10 ?10) и исследовать их еще труднее.

В нашей стране всем трем вышеперечисленным условиям удовлетворяет только Тянь-Шаньская комплексная установка для изучения ШАЛ.

Новизна настоящей работы заключается в том, что с помощью экспериментальных данных полученных на этой установке было проведено комплексное изучение малых ШАЛ с Ne = 10⁴−10^ на уровне гор, включающее в себя исследование пространственно-энергетических характеристик основных компонент ливня.

Изучение электронной и мюонной компонент существенно дополняет результаты, полученные на этой установке ранее / 19 /, анализом их энергетических характеристик. Пространственно-энергетические характеристики адронной компоненты высокой энергии в малых ШАЛ получены в настоящей работе впервые.

Автор работы в составе большого коллектива участвовал в наладке и эксплуатации отдельных узлов Тянь-Шаньской комплексной установки, в обработке экспериментальных данных на ЭВМ. Анализ экспериментальных данных по малым ШАЛ проведен автором самостоятельно.

В результате проведенной работы удалось получить характеристики ливней, созданных первичными частицами с энергией 10^*10^ эВ. Анализ этих характеристик и сравнение их с аналогичными характеристиками для ливней с Ы > 10^ позволяет подтвердить заключение об изменениях в характере взаимодействия частиц при энергиях, превышающих энергию коллайдера SPS .

В настоящее время в связи с вступлением ускорителей в область энергий выше 10^ перед физиками, ведущими исследования в ядерно-физическом аспекте космических лучей, встала задача получения информации в области еще больших энергий, т. е. выше 10^ эВ. Для работы при таких энергиях физики сейчас располагают только двумя методами: методом рентгено-эмульсионныхк камер (РЭК) и методом широких атмосферных ливней (ШАЛ). Будущие экспериментальные установки будут сочетать в себе оба этих метода / 20 /. Оба они сложны и требуют для интерпретации экспериментальных результатов большого объема расчетных работ. Опыт проведения таких работ, накопленный в разных странах, показал, что имеющаяся совокупность экспериментальных данных как по РЭК, так и по ШАЛ, все еще не поддается однозначной интерпретации / 8,10,21,22 /. Различие в выводах этих работ может быть вызвано целым рядом причин: неоднозначностью интерпретации экспериментальных данных, различием в существующих и используемых для анализа экспериментальных данных, разницей в конкретных количественных характеристиках моделей, использованных для сравнения с экспериментом, наконец, различием алгоритмов, точности и других деталей программ, приводящих к разным результатам вычислений даже при использовании одной модели. Одним из методов устранения неопределенностей, связанных с влиянием этих факторов, может являться калибровка программ расчета по полученным в настоящей работе экспериментальным данным о малых ШАЛ. Проведение расчетов малых ШАЛ при уже известных в общих чертах характеристиках взаимодействия частиц и свойствах первичного космического излучения и последующее сравнение результатов расчета с экспериментальными данными позволит уточнить детали, существенные для согласования расчета с экспериментом. Таким методом можно откалибровать программу расчетов ШАЛ при сравнительно низких энергиях и, примете няя ее для анализа ШАЛ с энергией выше 10 эВ, получить более надежные количественные выводы о характеристиках взаимодействия частиц в области энергйй недоступной для ускорителей. С этой точки зрения, результаты, полученные в настоящей работе имеют практическую ценность и могут быть использованы во всех научных группах, ведущих исследования взаимодействий частиц высоких энергий в космических лучах.

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. В главе I описывается Тянь-шаньскал комплексная установка для изучения ШАЛ, на которой получен экспериментальный материал. Глава П посвящена описанию обработки экспериментальных данных и определению размеров ливней. В третьей главе приведены результаты определения пространственно-энергетических характеристик электронно-фотонной компоненты. Главы 4, 5 и б посвящены адронной компоненте малых ШАЛ. В четвертой главе приводятся результаты измерения потоков энергии адронной компоненты без разделения потока на отдельные струи. В пятой главе описывается методика такого разделения и в шестой — приводятся результаты изучения пространственно-энергетических характеристик адронных струй. Здесь же в шестой главе сделаны количественные оценки энергетического спектра первичного космического излучения методом суммирования энергий всех основных компонент ливня. В седьмой главе описаны результаты изучения мюонной компоненты малых ШАЛ. В заключении представлены основные результаты и выводы диссертации. В конце приведен список цитированной литературы.

— 78 -ГЛАВА б РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АДРОННЫХ СТРУЙ.

6.1. Пространственное распределение плотности потока л радронных струй в ШАЛ с числом частиц N =10 -10 с".

В ливнях со средней плотностью потока частиц в ковре рк> 5 м по первой серии изме. рений за 17,3 час. было выделено 220 струй с энергией Еа> 0,6 ТэВ. По второй серии — за 80,4 час. в о ливнях с рк> 18 м выделили 350 струй с энергией Еа> I Тэв / 48 /. — р

Все ливни с рк = 54−178 м удовлетворяющие. ранее перечисленным условиям распределили по 4 группам по рк (вместо 6-ти, как было в предыдущих. разделах). Границы групп, а также число ливней в группах указаны в таблицах 18 и 19. Число частиц в данной группе ливней определялось так же, как описано в п. 4.2, находился параметр Энкг по значениям р6 и р73 и далее, используя аппроксимацию Р.

НКГ, находили 11е. При этом в первом интервале для рк = 5−18 м при вычислении 1Ме учитывалась поправка на то, что существует влияние притянутых ливней, величина этой поправки составляет 20−25% / 29 /.

Экспериментальные данные по первой серии измерений о пространственном распределении адронных струй с энергией Еа> 0,6 ТэВ, представлены в таблице 18 и на рис. 24. Суммарные данные по обеим сериям измерений о пространственном. распределении адронных струй с энергией Еа > I ТэВ приведены в Таблице 19 и на рис. 25.

Если формально аппроксимировать раСг) зависимостью в виде.

— Г/Г р^Сг) ~ е. 0 в интервале. расстояний 1−4 м, то полученные значения параметра Г0, характеризующие пространственное. распределение, будут такие, как приведены в таблице 20.

— 114 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В настоящей работе впервые проведено экспериментальное исследование пространственно-энергетических характеристик основных компонент широких атмосферных ливней с малым числом частиц, создаваемых на горах первичным излучением с энергией ЗЛ0*3-ЗЛ0*4 эВ, по данным Тянь-Шаньской комплексной установки. Данная установка являлась уникальной по сравнению с подобными устройствами, предназначенными для изучения широких атмосферных ливней, так как позволяла регистрировать ливни в широком диапазоне первичных то энергий — от ускорительных ~ 10 эВ и до сверхвысоких энергий эВ. Это дало возможность сравнить характеристики ШАЛ малых энергий с такими же характеристиками, полученными ранее при энергиях в 10−100 раз больших на этой же установке.

Приведем основные результаты настоящей работы и выводы, сделанные на основе этих результатов.

1. За 97,4 час. чистого времени работы установки отобрано.

1357 ливней со средней плотностью в сцинтилляционном ковре рк я? —? 54−18 м * и 2542 ливня с рк*= 18*316 м, оси которых сосредоточены вблизи центра установки, т. е. координаты оси 1Х|, 1У| < 3,5 г*.

2. С помощью искусственных ливней проведено исследование влияния критериев отбора и мастерных условий регистрации на основные параметры ливня возраст 5 и полное число частиц в ливне.

Ц," Получено, что наибольшая ошибка в сторону завышения 5 и возникает в самых малых ливнях с Ю4 и составляет.

0,05 и дАДО- 0,2*0,25.

3. Качественно подтвержден полученный ранее результат об уменьшении 5 с ростом Д, в диапазоне = Ю4*Ю^. Изменение.

— 115 параметра S в указанном интервале с учетом систематических ошибок составляет д$" 0,22+0,04.

4. Определено пространственное распределение плотности потока энергии электронно-фотонной компоненты ШАЛ. В ливнях с.

10^ это распределение имеет более пологую форцу, чем в ливнях с Ю®-. Показано, что изменение пространственного распределения потоков энергии электронно-фотонной компоненты отражается и на пространственных распределениях плотности потока заряженных частиц.

5. Поток энергии электронно-фотонной компоненты в круге радиуса Г< 10 м и в целом по ливню увеличивается с ростом.

Ve. В круге радиуса г = 10 м эта величина меняется от 168 + + 15 Мэв/эл при М&-= 8. I03 до величины 283 + 20 МэВ/эл при.

Я «2,6.10®.

6. Проведен анализ данных о потоках энергии адронной компоненты ШАЛ. Получено, что пространственное распределение плотности потоков энергии адронной компоненты в ливнях с N?-10^ положе, чем в ливнях с числом частиц 10®. Это может быть связано с изменением энергии лидирующих частиц при изменении первичной энергии ливня, что приводит к большему рассеянию лидирующих частиц в меньших ливнях при постоянных поперечных импульсах вторичных адронов. Полный поток энергии адронной компоненты Еа /A4 либо не меняется в данном диапазоне A4, либо имеет тенденцию к уменьшению с ростом Л^ .

7. Получено, что отношение потоков энергии электронно-фотонной и адронной компоненты Е0ф//Еа в центральной области ливня (г^ Ю м), а также в целом по ливню растет с увеличением. Соотношение Еэф/Еа меняется от 2,2+0,28 до 2,93i?, 44 в интервале = 1,4.104*1,4Л0^. Возможно, что это указывает на отсутствие равновесия между электронно-фотонной и адронной компонентой в ливнях, находящихся за максимумом своего развития,.

8. Получены пространственные распределения потока адронных струй с энергией Еа> 0,6 ТэВ и Еа> I ТэВ в ливнях с ==Ю4—10. Показано, что параметр Г0, характеризующий вид пространственного распределения (ра (г')= Аехр (-г/г0)) в исследуемом диапазоне Г и 74 слабо зависит от числа частиц в ливне. Получено, что произведение <�Е-г>, отражающее в ШАЛ средний поперечный импульс вторичных частиц, практически также не меняется в диапазоне = 104−10^. Сравнение с данными ранее выполненных работ показывает, что «сЕ-г> начинает расти с М^^Ю^.

Основываясь на указанном поведении Г0 и в ШАЛ и сравнении с расчетами при <Рг> = 0,4 ГэВ/с делается вывод, что средний передаваемый поперечный имцульс не меняется до энергий налетающих протонов ~ ЗЛО*4 эВ. Это совпадает с результатами, порченными на ускорителях,.

9. Определен интегральный энергетический спектр адронных струй для ливней с числом частиц Ю4 — 10^, При аппроксимации энергетических спектров функцией вида для ливней с = 1,08.104 показатель ^ имеет значение ^ «1,7+0,08, и для ливней с 8,9,104 — ^ = 1,5+0,15. Сравнение с результатами, полученными на той же высоте в ливнях с У/е> 10^ показывает, что с ростом Д, «а следовательно, энергии первичных частиц, спектры адронных струй становятся более жесткими.

В заключении автор приносит искреннюю благодарность руководителю работы профессору Сергею Ивановичу Никольскому за постоянное внимание и обсуждение результатов.

Автор благодарит Асейкина B.C., Ромахина В. А. за советы и помощь в работе, Тукиша Е. И. за полезные критические замечания в ходе работы.

Автор благодарен Никольской Н. М. за помощь в обработке экспериментальных результатов, а также всев^у коллективу Тянь-Шань-ской станции, участвующему в эксплуатации установки.