Файл: Азимов С.А. Неупругие соударения частиц большой энергии с нуклонами и ядрами.pdf

искровых камер и черенковскнх детекторов. Рассмотрены такие характеристики взаимодействий, как множественность вновь рожденных частиц, их угловое распределение и коэффициент неупругостн.

Книга рассчитана па специалистов, работающих в области физики высоких энергий и космических лучей, а также на преподавателей и студентов соответ­ ствующих специальностей.

0237— 138 А 355(ов)—74

Издательство «Фан» УзССР, 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

Доминирующим процессом сильных взаимодействий ад­ ронов при высоких и сверхвысоких энергиях является множествен­ ное рождение частиц. Для описания таких процессов существует несколько теоретических схем и моделей. Наибольшее развитие получили два направления: статистическая теория в различных ва­ риантах [66, 79, 106] и теория периферических взаимодействий [52, 84, 98]. Предметом оживленных дискуссий в течение ряда лет яв­ ляется модель файрболов [121], а в последнее время выдвинуты оригинальные гипотезы масштабной инвариантности [105] и пре­ дельной фрагментации [101]. Однако ни одна из рассматриваемых теоретических схем не может претендовать на роль строгой теории сильных взаимодействий, описывающей все стороны этого явления. Многие модели имеют характерные области применения, справед­ ливые только для определенного класса взаимодействий и интер вала энергий. Для однозначного выбора между различными трак­ товками механизма множественной генерации частиц, очевидно, необходимо детальное сравнение теоретических предсказаний с экспериментом. Важное значение в связи с этим приобретает полу­ чение достаточно полной информации о различного рода характе­ ристиках неупругих взаимодействий частиц в возможно широком диапазоне энергий.

До последнего времени вся информация о сильных взаимодей­ ствиях при энергиях выше ІО11 эв получалась только в космиче­ ских лучах. Недавно введенный в действие ускоритель на встреч­ ных пучках протонов позволяет продвинуться до эквивалентных в лабораторной системе энергий ~ ІО12 эв. Однако ввиду специфиче­ ских условий эксперимента на встречных пучках не все характе­ ристики взаимодействий могут быть получены в ближайшие годы. С другой стороны, при помощи такого ускорителя могут исследо­ ваться лишь протон-протонные столкновения, а изучать взаимодей­ ствия адронов с различными ядрами не представляется воз­ можным.

Поэтому экспериментальные данные о взаимодействиях адро­ нов с нуклонами и ядрами, получаемые в космических лучах для

3

Г л а в а I

УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРИ ЭНЕРГИЯХ 10м —1012 эб

§ 1. Обзор установок, применяемых для изучения сильных взаимодействий при высоких энергиях

Специфические трудности, возникающие при постановке экспериментов с космическими лучами,—■малая интенсивность и неопределенность энергии налетающих частиц—приводят к необхо­ димости создания установок большой светосилы. Разработанный Н. Л. Григоровым, И. Д. Раппопортом и В. С. Мурзиным [38] метод ионизационного калориметра позволил решить проблему соз­ дания надежного детектора энергии с большой эффективной пло­ щадью. Однако для изучения индивидуальных характеристик взаи­ модействия необходимо сочетание детектора энергии с трековым прибором. В качестве трекового прибора длительное время исполь­ зовалась камера Вильсона и, таким образом, с начала 60-х гг. наиболее распространенным инструментом исследования сильных взаимодействий в космических лучах стала установка, в которой энергия первичных частиц измерялась ионизационным калоримет­ ром, а для изучения вторичных частиц применялась камера Виль­ сона. помещаемая иногда в магнитное поле [26, 28, 82, 124].

Первая установка такого типа была создана в 1957 г. группой сотрудников ФИАН СССР и НИИЯФ МГУ [39] на Памире, а позднее более усовершенствованный ее вариант был построен на Тянь-Шане [43]. При этом для индивидуального взаимодействия могли быть определены следующие параметры:

1)энергия первичной частицы с точностью 20-—30%;

2)пространственные углы вылета вторичных частиц из мишени;

3)суммарная энергия я-мезонов, генерированных во взаимо­

действии;

4)ионизация вторичных частиц в газе камеры;

5)импульсы вторичных частиц при максимальном измеримом

значении, составляющем 25 Гэв/с.

Анализ полученного экспериментального материала позволил группе Н. А. Добротина и С. А. Славатинского открыть асиммет­ ричные в Ц-системе ливни и установить ряд интересных особен­ ностей сильных взаимодействий при энергиях ~ 200 Гэв.

Однако главный недостаток указанных установок заключается в их небольшой светосиле, что связано с применением камер Виль-

5

сома в качестве трекового прибора. Изготовление камер Вильсона большого размера представляет довольно трудную техническую задачу. К тому же размеры этих камер ограничиваются зазором электромагнита. Мертвое время таких приборов велико: оно состав­ ляет 10—20 мин. Все это затрудняет получение значительного статистического материала о сильных взаимодействиях при энер­ гиях выше сотен гигаэлектронвольт. Например, иа Тянь-Шаньской

Епервые показано В. С. Мурзиным, при наличии такой информации появляется возможность исследования ппон-ядерных соударений статистическим путем при сопоставлении характеристик взаимо­ действия нейтральных и заряженных первичных частиц [52]. В работе [52], где использовался ионизационный калориметр и ка­ мера Вильсона размером 60X60X15 см3, наличие заряда у пер­ вичной частицы определялось при помощи трех рядов годоскопи­ ческих счетчиков, расположенных между толстыми свинцовыми фильтрами. В результате исследований авторы работы [52] пришли к выводу о существовании большого различия в характере взаимо­ действия пионов и нуклонов с ядрами в области энергий ~ 2 0 0 Гэв. Однако полученный статистический материал был относительно невелик из-за небольшой величины светосилы установки; к тому же годоскопические счетчики не давали хорошего пространствен­ ного разрешения.

С разработкой широкозазорных искровых камер появились благоприятные возможности для создания трековых приборов с большой эффективной площадью для изучения индивидуальных характеристик взаимодействия при энергиях > ІО12 эв. Искровые камеры из-за ряда преимуществ: простоты конструкции, хороше­ го пространственного разрешения, малого мертвого времени и т. д., находят широкое применение в физике высоких энергий. При по­ мощи искровых камер с большим межэлектродным промежутком получена высокая точность (~-3-10-3 рад) определения направле­ ния заряженной частицы при 100%-ной ливневой эффективности [34]. Размеры таких камер могут быть довольно большими, что делает их незаменимыми в экспериментах с космическими лучами Однако до последнего времени этот новый трековый прибор редко применялся в установках, предназначенных для изучения сильных взаимодействий космических частиц с ядрами. Это объясняется несколькими причинами.

Во-первых, широкому применению искровых камер должен был предшествовать целый период исследования различных свойств самих искровых детекторов. Прежде всего, необходимо было выяс­ нить такие характеристики искровых камер, как точность следо­

6

вания искры по треку, ливневую эффективность и зависимость этих параметров от угла падения частиц, время жизни ка­ мер и т. д.

Во-вторых, не существовало адекватных методов обработки ин­ формации, получаемой при помощи искровых камер, позволяющих восстанавливать с необходимой точностью пространственную кар­ тину фиксируемого события при энергиях выше сотен гнгаэлектронвольт. Дело в том, что отсутствие характерных индивидуаль­ ных особенностей треков в искровых камерах делает невозмож­ ной их визуальную «нумерацию» (т. е. нахождение соответствия между следами на различных проекциях изображения). Задача осложняется также из-за большой множественности и малых углов вылета вторичных частиц относительно направления первич­ ных. Поэтому стандартная методика обработки ливней, применя­ емая в экспериментах на ускорителях, была малопригодной для указанных целей, что потребовало создания новых методов обработки.

Следует также отметить, что осуществление совместной работы искровых камер с ионизационным калориметром в одной установ­ ке наталкивается на большие трудности, связанные с необходи­ мостью регистрации импульсов от ионизационных камер, имеющих малую амплитуду и пологий фронт нарастания ( ~ 15 мксек) в ус­ ловиях высоковольтных помех, возникающих при срабатывании искровых камер. Создание системы экранирования установок с большой эффективной площадью является довольно трудной тех­ нической задачей. В связи с этим возникла необходимость разра­ ботки быстрых детекторов энергии, позволяющих в течение корот­ кого промежутка времени ( — 1 мксек) осуществить разделение регистрации сигнала п последующей подачи высоковольтного им­ пульса на электроды искровых камер без ухудшения качества треков.

Впервые широкозазорные искровые камеры были применены группой сотрудников лаборатории элементарных частиц ФИАН

СССР [22] для измерения сечения неупругого взаимодействия ней­ тронов и пионов космического излучения с ядрами углерода, желе­ за и свинца при энергии 10" эв. Использование нового трекового прибора позволило существенно снизить систематические ошибки измерения. Для определения первичной энергии авторами [23] раз­ работан искровой калориметр (искрометр), в котором в качестве детекторов ионизации применены искровые камеры, расположен­ ные между фильтрами из железа. В дальнейшем эта установка использовалась для изучения множественности вторичных частиц, генерированных в алюминиевой мишени при энергии -—200 Гэв [24, 25]. Однако небольшая светосила установки и применение искро­ метра, основным недостатком которого является ограниченность энергетического диапазона (несколько сотен гигаэлектронвольт), не позволили авторам продвинуться в область больших энергий.

Большой интерес вызвали экспериментальные результаты, по-

/