Файл: Григоров, Н. Л.pdf

Метод измерения энергии отдельной частицы для практиче­ ского использования в космических лучах должен удовлетворять следующим условиям.

1. Установки, созданные на основе этого метода, должны быть достаточно «светосильными».

Это требование обусловлено малым потоком частиц высоких энергий.

2. Метод должен быть применим в широком диапазоне энер­ гий частиц и должен давать достаточно хорошую точность изме­ рения энергии независимо от ее величины.

Это требование обусловлено стремлением исследовать приро­ ду частиц космических лучей все более высоких энергий и изучать основные характеристики пх взаимодействия с веществом. Осо­ бенно отчетливо вырисовывается значение этого требования в на­ стоящее время, когда развитие космической техники предостав­ ляет возможность регистрировать частицы первичных космиче­ ских лучей с энергиями 101 4 —101 5 96.

3. Метод должен быть совместим с основными эксперимен­ тальными средствами наблюдения элементарных частиц.

Это требование обусловлено необходимостью наблюдать и изу­

роды, вне зависимости от величины электрического заряда н ве­ личины массы покоя.

Это требование обусловлено стремлением изучать состав и энергетическое распределение различных компонент космических лучей высокой энергии. Для получения истипных соотношений потоков частиц данной энергии, но разной природы необходимо определять энергию частиц с одинаковой мерой точности, вне зависимости от природы частиц. Это требование к методу приобре­ тает особое значение в настоящее время, когда наступает новый этап изучения химического состава частиц первичных космиче­

частицы вне зависимости от того, наблюдается ли ее взаимодейст­ вие в мишени или она прошла мишень без взаимодействия в ней.

Это требование определяется стремлением измерять абсолют­ ные потоки частиц космических лучей высокой энергии данной природы, измерять эффективные сечения отдельных процессов.

6. Наконец, метод должен позволять измерять энергию каж­ дой частицы, входящей в состав группы частиц, если такая груп­ па падает на измерительный прибор.

Это требование диктуется специфическими особенностями кос­ мических лучей высокой энергии, наблюдаемыми в нижней части

делении вторичных частиц, не удовлетворяют большинству сфор­ мулированных выше требований.

Так, метод отклонения частиц в магнитном поле не позволяет создать светосильную аппаратуру; точность определения энер­ гии частицы падает с ростом энергии, метод не приложим к час­ тицам без электрического заряда.

Метод Кастаньоли, основанный на кинематике разлета вто­ ричных частиц, рожденных при взаимодействии (в основном в эмульсионной стопке), также не удовлетворяет большинству требований.

Метод, основанный на угловом распределении вторичных час­ тиц, в котором энергия первичной частицы определяется из ра­ венства

г

где 0j — угол вылета і-й вторичной частицы по отношению к пер­ вичной, тоже пока что был применим только к взаимодействиям, наблюдаемым в ядерной эмульсии. Поэтому он не удовлетворяет пунктам 1, 3, 5 перечисленных выше требований. Кроме того, методы, основанные на использовании угловых распределений вторичных частиц, обладают большой ошибкой измерения энер­ гии первичной частицы в индивидуальных взаимодействиях.

Единственным пока что методом, удовлетворяющим всем пе­ речисленным условиям, является метод ионизационного калори­ метра, предложенный и впервые осуществленный в работе [1].

В ядерной физике широко применяется метод измерения энер­ гии отдельной тяжелой частицы по полной ионизации, создавае­ мой ею в ионизационной камере при своем торможении. Этот ме­ тод основан на том, что тяжелая частица, двигаясь в веществе, тратит всю свою энергию на ионизацию этого вещества. Условием применимости метода является выполнение требования, чтобы пробег частицы в ионизационной камере был меньше размеров камеры.

Можно ли распространить этот метод на частицы с энергиями 101 1 —101 Б эв? Чтобы ответить на этот вопрос, надо хотя бы кратко рассмотреть механизм потерь энергии частицами столь высокой энергии.

Мы с самого начала исключим из рассмотрения [х-мезоны: ji-мезон высокой энергии обладает столь большим пробегом в плот­ ном веществе, что практически исключается возможность его полного торможения в не очень толстом слое вещества.

Электроны и у-кванты в не слишком толстом слое вещества всю свою энергию расходуют на ионизацию атомов вещества.

Об адронах высокой энергии в космических лучах известно, что их поток J(p) сильно поглощается в атмосфере, убывая с глубиной по закону

в атмосфере означает интенсивную потерю энергии этими части­ цами в веществе. На какие процессы расходуется их энергия?

Известно, что эффективное сечение взаимодействия частиц высокой энергии с атомными ядрами близко к геометрическому сечению ядра. В результате взаимодействия с атомным ядром часть энергии первичной частицы расходуется на образование новых частиц (преимущественно я-мезонов), небольшая часть энергии расходуется на расщепление ядра, с которым произошло столкновеипе. Иногда часть энергии остается у первичной час­ тицы, которая при следующем взаимодействии снова потеряет

у-кванта практически в точке своего образования, то в конечном итоге энергия первичной сильно взаимодействующей частицы перейдет в энергию электромагнитного излучения (у-кванты) и в энергию сильно ионизующих частиц — продуктов расщепле­ ния ядер. Энергия у-квантов в веществе быстро растрачивается на ионизацию атомов вещества, так же как и энергия сильио ионизующих частиц.

Если взять блок из плотного вещества достаточно большой тол­ щины и достаточных поперечных размеров, чтобы все вторичные частицы не вышли за пределы этого блока через боковые поверх­ ности, то сильно взаимодействующая частица высокой энергии, упав на такой блок, поглотится в нем. При этом практически вся ее энергия будет растрачена на ионизацию и возбуждение атомов вещества и в конечном итоге перейдет в тепло. Если бы мы измерили количество тепла, выделившееся в блоке в резуль­ тате падения на него частицы, то мы получили бы точное значе­ ние ее энергии Е0. Однако тепловой эффект от торможения от­ дельной частицы ничтожно мал и вдобавок растянут во времени,

няя величина энергии, затрачиваемой на образование одной пары ионов в веществе блока.

Из-за сходства измерения энергии отдельной частицы Е0 по полному ионизационному эффекту с калориметрическими изме­ рениями прибор, при помощи которого реализуется этот метод определения Ей, назван ионизационным калориметром [1].

Полный ионизационный эффект, или величину / 0 , можно оп­ ределить, зная распределение ионизации 1(х) по глубине в пог­ лотителе ионизационного калориметра. В самом деле, если на глу­ бине х (отсчитанной от верхнего основания ионизационного ка­ лориметра) в слое толщиной dx в момент падения на ионизацион­ ный калориметр первичной частицы образовано 1{х) dx пар попов, то величина 10 может быть определена из очевидного равенства:

где х0 — толщина поглотителя ионизационного калориметра. Следовательно,

(1.1)

о

Для правильного определения Ей толщина х0 должна быть взя­ та такой, чтобы все вторичные частицы затормозились в иони­

дельной частицы на поглотитель, т. е. должно быть измерено мгновенное распределение ионизации по всему объему поглоти­ теля. Ионизационный калориметр и является прибором, в кото­

Строго говоря, для точного расчета перехода энергии в ве­ ществе ионизационного калориметра от первичного адрона к элек­ тронно-фотонной компоненте необходимо знать состав и спектр частиц, рождаемых при взаимодействии частицы данного сорта и известной энергии с атомным ядром. Кроме того, необходимо знать эффективные сечения а1 п неупругого взаимодействия частиц данного сорта (нуклонов, пионов, каонов) с атомными ядрами вещества ионизационного калориметра и зависимость а і п от энергии частиц; нужно знать законы флуктуации энергетического распределения и состава генерируемых частиц. В действительности большинство сведений, необходимых для точного расчета, отсут-

ствуют. Поэтому все расчеты носят приближенный характер и как правило основываются на конкретных модельных представлениях об элементарном акте взаимодействия адронов с веществом. Тем же~недостатком обладают и расчеты, выполняемые методом Мон­ те-Карло на ЭВМ.

Ниже мы рассмотрим процесс передачи энергии вторичным

Но помимо я°-мезонов из точки Ох в направлении движения первичной частицы будут двигаться вторичные частицы (в том