Файл: Григоров, Н. Л.pdf

поиск новых явлений не только но качественным, но и по коли­ чественным признакам.

Практически для всех работ, выполненных в минувшее деся­ тилетие с использованием ионизационных калориметров, харак­ терным является получение различных количественных характе­ ристик взаимодействия адронов с атомными ядрами в разных энер­ гетических интервалах.

2. Изучение характеристик взаимодействия частиц космических лучей известной энергии с легкими атомными ядрами путем совме­ щения ионизационного калориметра с камерой Вильсона позволи­ ло определить средние значения множественности рождаемых частиц <rcs> и коэффициента неупругости (К) при энергиях нук­ лонов 1Q1 1 —101 2 эв и совместно с данными, полученными на уско­

лях вплоть до Е0 ~ 101 2 эв.

Эти же исследования показали, что в указанном интервале энергий частиц величина {К} не изменяется более чем па ~ 10% . При этом прямыми методами была измерена как доля энергии, ко­ торую нуклоны при взаимодействии передают я°-мезонам (КП«), так и полный коэффициент неупругости <ІГ>- Оказалось, что </t'> т ^ 3 <iv-o>. Такое соотношение этих величии не является тривиаль­ ным и указывает на то, что рождение пионов, которые уносят зна­ чительную часть энергии, теряемой нуклоном при столкновении, происходит в процессах, не противоречащих изотопической инвари­ антности пионов по крайней мере в области энергий 101 1 —101 2 эв.

Был определен с достаточно высокой методической точностью коэффициент неупругости взаимодействия нуклонов по изменению потока нуклонов данной энергии с высотой места наблюдения в

рений. Это совпадение позволяет сделать заключение, что при

нуклона.

( 3. Рассмотренные методы изучения космических лучей поз­ волили установить, что практически все исследованные характе­ ристики взаимодействия нуклонов подвержены очень большим флуктуациям.

Было выяснено, что большие флуктуации углового распределе­ ния вторичных частиц приводят к значительным ошибкам (дости­ гающим порядка величины) в оценке энергии первичной частицы

Е0, если ее определять из углового распределения рожденных частиц. Ошибки в определении Е0 были главной причиной невер­ ных зависимостей ns от Е0 и К(Е0), полученных эмульсионным методом.

Было выяснено, что угловые распределения ливневых частиц, имеют такой характер, который может быть интерпретирован как рождение частиц из некоторого общего центра, относительно кото­ рого частицы разлетаются квазиизотропно. Флуктуации углово­ го распределения могут быть интерпретированы как движение этого центра, который во многих работах ассоциируется с файерболом. Однако оказалось, что при достаточно естественных пред­ положениях о виде энергетического распределения рождаемых частиц наблюдаемую картину углового распределения можно объ­ яснить без привлечения модели файерболов, используя установлен­

Тем не менее, несмотря на то, что в космических лучах при­ менение новых методов исследования не принесло решающих доказательств реальности файерболов, эвристическая привле­ кательность этой гипотезы и полученные экспериментальные дан­ ные существенно стимулировали разработку теоретических пред­ ставлений о взаимодействиях нуклонов при высоких энергиях.

По-видимому, вопрос о существовании файерболов будет ре ­ шен в ближайшем будущем на современных ускорителях. В слу ­ чае его положительного решения возникнет проблема изучения рождения этих образований при существенно больших энергиях. В этом случае космические лучи могут оказаться важным, если неединственным средством решения этой проблемы.

4. Использование метода контролируемых ядерных фотоэмуль­ сий совместно с ионизационным калориметром привело к обнару­ жению процесса, ответственного за наблюдаемые в космических лучах у-кванты высокой энергии. Изучение механизма генерации я°-мезонов высокой энергии во взаимодействиях адронов извест­ ной энергии в области (2—10) • 101 2 эв с легкими ядрами привело к выводу, что высокоэнергичные пионы преимущественно рождаются

образование большей части наблюдаемых явлений: у-квантов вы­ сокой энергии, мюонов высокой энергии (образующихся от распа­ да пионов), молодых атмосферных ливней, ионизационных толч­ ков. Такого типа взаимодействия могут вносить существенный вклад в полный поток частиц широких атмосферных ливней.

Большие флуктуации величины Кпо, сопровождающиеся малой множественностью п^о, приводят к тому, что при отборе частин.

высокой энергии по признаку большой энергии, переданной я0 -ме­ зонам, как правило, будут изучаться не типичные характери­ стики взаимодействия (наиболее вероятные или средние), а исклю­

энергий.

Аналпз вида энергетического спектра я°-мезонов, рождающихся

.во взаимодействиях с К-0 ;> 0,5, привел к выводу, что при высоких энергиях изобара 3 / 2 — 8 / 2 «вымирает» (этот вывод был сделан за­ долго до аналогичного заключения, полученного при ускоритель­ ных энергиях). Было показано, что если основным источником вы­ сокоэнергичных пионов все же являются изобары, то их масса должна быть не менее 2,5—3 масс нуклона. Из сравнения иитеисивностей генерации заряженных пионов (по потоку мюонов высо­ кой энергии) и нейтральных пионов (по потоку у-квантов высокой энергии) был сделан вывод о том, что aQ/ax ^ V 2 . Этот факт лзместе с характерным спектром рождающихся у-кваитов накла­ дывает на свойства гипотетических изобар определенные ограничелия. Несмотря на существенное продвижение в выяснении меха­ низма образования высокоэнергичных вторичных частиц, этот

.вопрос нельзя считать решенным до конца. Его решение требует дальнейших теоретических п экспериментальных исследований. Возможно, он получит свое решение в работах на современных ускорителях, либо в космических лучах при изучении процесса об­ разования высокоэнергичных пионов тяжелыми ядрами первичных частиц космических лучей или же при взаимодействии нуклонов с энергией 1 0 1 3 — 1 0 й эв, при которой должно наблюдаться разде­ ление пионов «изобарных» и «файербольных».

5. Применение ионизационного калориметра позволило изу­ чить вид энергетического спектра адронов в нижней части атмосфе­

Знание абсолютных потоков нуклонов на границе атмосферы и на высотах гор с точностью 10—20 % дало возможность получить надежные значения Ьа при разных энергиях нуклонов. При этом •было выяснено, что ранее господствовавшее мнение о постоянстве Ьп в очень широком диапазоне энергий требует уточнения: L n сла­

рифмическим ростом эффективного сечения неупругого взаимодей­ ствия до энергий ~ 101 2 эв и с измеренным на космических стан- ;циях «Протон» видом спектра протонов и ядер в предположении

постоянства коэффициента неупругости взаимодействия нуклонов в интервале энергии 10 1 0 —101 3 эв. Для объяснения эксперимен­ тальной величины Ьп необходимо считать, что (К) = 0,55.

Исследование поведения L a и, соответственно, <ІГ> в области энергий нуклонов выше 101 3 эв требует получения однозначной ин­ формации о виде спектров нуклонов в глубине атмосферы и на

еегранице в области энергий выше 101 3 эв.

Внастоящее время наде?кные данные о виде энергетического спектра адронов в атмосфере в области энергий частиц ^> 101 3 эв отсутствуют и для их получения необходимо применение иони­ зационных калориметров большой площади с пространственным

и измерений протонов первичных космических лучей позволило разработать метод определения нижней границы эффективного сечения неупругого взаимодействия протоиов высокой и сверх­ высокой энергии с ядрами атомов воздуха.

Этот метод, апробированный прямыми измерениями а1рС па ИСЗ «Протон» [184], приводит к выводу, что при энергии про­

спектра протонов первичных космических лучей. Поэтому рас­ пространение метода на энергетическую область 101 3 — 101 4 эв требует хорошего знания спектра первичных протонов в этой области энергий.

7. Изучение спектра адронов высокой энергии в широких ат­ мосферных ливнях с применением ионизационного калориметра позволило получить верхнюю оценку вероятности присутствия нуклонов с энергией 101 3 эв в стволе ш.а.л. с числом частиц ~ 106 . Эта вероятность оказалась в —10 раз меньше ожидаемой в предположении, что за такие ливни ответственны протоны первич­ ных космических лучей, взаимодействие которых с ядрами атомов атмосферы не отличается от взаимодействия нуклонов при энер­ гиях 1 0 " — 1 0 м эв.

Это несоответствие может быть устранено, если дальнейшее изучение первичных космических лучей покажет, что при энер­ гиях частиц 101 4 —101 5 эв протоны составляют 5—10% от потока всех частиц той же энергии либо изменяются характеристики взаимодействия нуклонов при очень высоких энергиях.

Очевидно, что ответы на эти вопросы могут быть получены как путем непосредственного изучения состава первичных космиче­ ских лучей сверхвысокой энергии и характеристик их взаимодей­ ствия с веществом, так и путем изучения частиц сверхвысоких энергий в атмосфере.

В настоящее время энергетическая область исследований ха ­ рактеристик взаимодействия нуклонов на ускорителях простира­ ется примерно до 1500 Гэв. При этом, очевидно, результаты, полу­ ченные ранее в космических лучах в пределах этих энергий, будут существенно уточнены и встанет вопрос: как ведут себя ха­ рактеристики взаимодействий частиц при дальнейшем возра­ стании энергии? Естественно, что опять возникнет необходи­ мость обратиться к космическим лучам в поисках ответа на эти вопросы.

Имея в виду сложность современных установок, предназначен­ ных для изучения частиц космических лучей высокой энергии, и длительные сроки их создания, целесообразно уже сейчас обсудить возможные пути решения проблем изучения взаимодействий час­ тиц ультравысоких энергий космических лучей с веществом.

Прежде всего следует оценить ту область энергий, о которой может итти речь. Допустим, что максимальная энергия, при ко­ торой на ускорителях будут изучаться взаимодействия частиц, рав­

изменении энергии частиц в 10 раз. В этих условиях энергия космических лучей 2?ь-.л., при которой необходимо проводить измерения, чтобы надежно обнаружить изменение измеряемого параметра, должна быть не менее 10 EY. Если на ускорителях по­ лучена энергия 103 Гэв, то в космических лучах нужно будет ра­ ботать с частицами, энергия которых не менее 104 Гэв.

Рассмотрим, каковы перспективы такой работы на высоко­ горных станциях космических лучей и на больших высотах.

2.1. Возможности применения методов непосредственного исследования взаимодействий

ственная возможность обеспечить регистрацию большого числа частиц за приемлемое время — создание установок большой пло­ щади. Поэтому рассмотрим гипотетический эксперимент с установ­ кой большой площади, оснащенной той экспериментальной тех­ никой, какая применялась при изучении частиц меньших энергий: большим ионизационным калориметром (типа описанного в гл. I V ) , трековыми искровыми камерами и ядерными фотоэмульсиями. Возможный вариант такой установки изображен па рис. 9.1. Допустим, что ее геометрический фактор 30 м2стер.