ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 84
Скачиваний: 0
Оценим, каковы возможности изучения характеристик взаимо действия частиц с энергией Е !> 101 3 в такой установке. Примем, что установка может работать 20 часов в сутки (остальное время уходит на проверки и профилактику).
В течение года на установку упадет 1700 частиц с Е ;> 101 3 эв. Почти все эти частицы будут идти в сильном сопровождении элек тронов воздушного ливня. Поэтому, чтобы убрать это ливневое сопровождение, над установкой при дется поставить поглощающий слой свинца толщиной примерно 15 см.
Следовательно, только половина всех частиц с Е ;> 101 3 эв пройдут этот свинец без взаимодействий в нем и могут быть использованы для изуче ния взаимодействий. Таких частин будет (V2 )-1700 = 850.
Если взять мишень толщиной в 1/10 пробега для взаимодействия, то в течение года произойдет 85 взаимо действий в мишени.
Однако далеко не все из этих взаимодействий будут пригодны для последующего анализа. Дело заклю чается в следующем. Как было пока зано в гл. I V , адроны высокой энер гии в нижней части атмосферы, как правило, входят в состав групп, при чем расстояние между наиболее энер гичными частицами группы умень шается с ростом энергии всей группы частиц и, соответственно, с ростом энергии отдельных частиц группы.
Имизац.
калориметр
/ООсн
Рис. 9.1. Схематическое изоб ражение возможной установки для изучения характеристик взаимодействия адронов с энергиями ~ 1 0 1 3 эв на высотах
г о р . |
1 — искровые |
камеры, |
2 — |
эмульсионные |
камеры, |
|
3 — мишень. |
|
Так, в измерениях, выполненных с ионизационными камерами диаметром 10 см (гл. I V , § 2), при суммарной энергии группы ча стиц ~ 101 3 эв среднее расстояние между двумя наиболее энергич ными частицами с энергиями, отличающимися менее чем в два раза, •составляло I ^ 35 см. При этом надо отметить, что по условиям эксперимента расстояния меньше 20 см вообще не могли быть за регистрированы, поэтому значение I ^ 35 см является верхней границей. Если в ионизационном калориметре будут использова ны детекторы ионизации с поперечным размером примерно 10 см, то в большом числе случаев малое взаимное удаление частиц груп пы не позволит определить энергию каждой частицы, т. е. не поз
волит |
отнести наблюдаемое взаимодействие |
в мишени к |
части |
це с |
однозначно определенной энергией. |
Очевидно, |
такие |
случаи будут непригодны для изучения характеристик взаимо действий.
Авторы одного из проектов создания большой установки для изучения взаимодействий адронов с энергией ^ 101 3 эв на высотах гор [193] предполагают, что пригодными для анализа будут 25—
30% всех взаимодействий |
частиц |
с энергиями ^ 10 1 3 |
эв в графи |
|
товой мишени. В таком |
случае |
в установке |
типа |
изображен |
ной на рис. 9.1 за год будет регистрироваться |
(0,25 ~ |
0,3)-85 ^ |
||
я^ 20 —г- 30 взаимодействий, поддающихся анализу.
Какие же характеристики можно изучать в экспериментах, проводимых на установке, подобной изображенной на рис. 9.1?
Чтобы изучать характеристики взаимодействия нуклонов с ве ществом мишени, нужно из смешанного потока частиц (нуклоны и мезоны) выделить нуклоны. Это можно сделать, отбирая нейтраль ные «первичные» частицы — нейтроны. Если при энергии 101 3 эв соотношение между пионами и нуклонами сохранится тем же, какое
наблюдается |
прп энергиях частиц космических лучей |
~ 1 0 1 1 эе, |
|
т. е. I J I ^ |
zzz 1/3, то число взаимодействий от нейтронов |
составит |
|
примерно |
1/3 |
от всех взаимодействий. |
|
Определение средней множественности генерируемых вторичных частиц (даже при условии наличия искровых камер, позволяющих надежно «разрешить» все вторичные частицы) невозможно по сле
дующим |
причинам. |
При |
энергии |
взаимодействующей |
|
частицы |
|
Е = 101 3 |
эв ожидаемая |
средняя |
множественность |
</zs> = 8 х |
|||
X (101 3 /10n )''* т 20. |
Прп |
толщине мишени х0 /Я,в з = |
0,1 |
с |
вероят |
||
ностью 1 — ехр ( — -т— • —М ^ 0 , 6 в той же мишени будет про
'вз
исходить взаимодействие одной (или более) вторичных частиц. И так как< ns > очень слабо зависит от Е, то каждое вторичное взаимо
действие будет |
добавлять |
в |
среднем |
8 частиц. Выделить |
слу |
||||||
чаи, когда |
в мишени не |
произошло |
взаимодействия |
вторичной |
|||||||
частицы, |
не |
представляется |
возможным |
в |
аппаратуре |
ти |
|||||
па |
изображенной |
на рис. 9.1, так |
как |
для |
этого |
пришлось |
|||||
бы |
измерять углы разлета регистрируемых вторичных частиц |
||||||||||
по |
меньшей мере с точностью Ю - 4 радиана. Такие точности не |
||||||||||
достижимы |
ни |
в |
искровых |
камерах, ни |
в |
больших камерах |
|||||
Вильсона. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, вторичные взаимодействия в среднем добавят |
||||||||||
kns |
= 8 частиц, т. е. увеличат </г5> на ^ 4 0 % . Ввести |
корректно |
|||||||||
поправку на вторичные взаимодействия трудно, так как неизвест но, какие частицы и с какой энергией вызвали эти дополнительныевзаимодействия в мишени. Систематическая ошибка в определе
нии <?г5>, равная 4 0 % , исключает |
возможность отличить зависи |
||
мость <?г5> ~ E0!i |
от зависимости |
<ns > -~ In Е0 |
в интервале |
энергий 101 2 —101 3 |
эв. |
|
|
Если трудно определить абсолютное значение </г3>, то может быть возможно провести относительное сравнение средней множе ственности и характера распределения по ns взаимодействий, выз ванных нуклонами и пионами?
Так как при энергиях частиц — 101 3 эв прямых методов иден тификации пионов нет, то различие в характеристиках взаимодей ствия пионов и нуклонов можно изучать, сравнивая характери стики взаимодействия нейтронов высокой энергии и заряженных частиц (протонов -f- пионов). Допустим, что в потоке заряженных частиц доля протонов равна а, а доля пионов Ь, т. е. Nv = aN3 и N7l=bN3, и средние множественности от протонов и пионов, соот ветственно, < ? 1 Р > и </г„>. Считая, что нейтроны и протоны взаимо действуют одинаково и зная среднюю множественность рождаемых частиц от нейтронов <ип > = <?гр> и от заряженных частиц <?г3>,.
можно |
определить </гя ) = |
< V ~ t t |
< и п> _ щ и э т о м 0Шкбка в <га„> |
|
|
|
|
b |
|
будет |
равна: |
|
У |
|
|
А < « Я > |
_ |
+**{*№п) |
|
|
<пп> |
~ |
<«з> |
— а < / г п > |
где а 3 и о*п — дисперсии распределений по множественности отпервичных заряженных и нейтральных частиц, a.N3MNn — полноечисло зарегистрированных взаимодействий от заряженных и ней тральных частиц. Для оценок примем те значения а, Ь, аа и стп>. которые были получены при изучении частиц космических лучей с энергией — 101 1 эв. Получим:
|
|
|
|
|
Д <w_> _ |
|
1,7 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
<я_> |
yw0 |
» |
|
|
|
|
||
где |
N0 — полное |
число |
зарегистрированных |
частиц |
с |
энергией |
||||||||
!> 101 3 эв, |
провзаимодействовавших |
в мишени. Для |
получения |
|||||||||||
|
|
Д <пп > |
0,1 при |
энергии |
частиц |
101 3 эв, |
когда п = |
|||||||
точности |
^ = |
|||||||||||||
= |
20, потребуется регистрация около |
300 «чистых» |
взаимодейст |
|||||||||||
вий, а на это понадобится около |
10 лет набора |
статистики. |
||||||||||||
|
Если допустить, что <пп > |
= V 2 |
<гап>, то |
|
|
|
|
|||||||
|
|
<гс3> = |
0,6 < i O + |
0,4-0,5 <лп> = |
0,8 <пп >, |
о3 да 0,33 <пп >. |
||||||||
В |
этом случае |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Д <л_> _ |
2,9 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
^ |
> |
|
УЯ~0 ' |
|
|
|
|
||
И чтобы с точностью 10% |
установить, что <ил > — V 2 <тгп>, не |
|||||||||||||
обходимо N0 да 900 частиц и время измерений около |
30 лет. |
|||||||||||||
|
Изучать |
угловые |
характеристики |
разлета |
вторичных |
частиц |
||||||||
при |
энергии > 101 3 |
эв |
в |
условиях, когда |
толщина |
мишени |
||||||||
х0/квз |
да 0,1, весьма |
сложно, так |
как |
это угловое |
распределение |
|||||||||
в 60% наблюдаемых взаимодействий будет сильно искажено вто ричными взаимодействиями в мишени. В этих условиях интерпре тация наблюдаемых угловых распределений потеряет однознач ность.
27І
Определить долю энергии, передаваемой я.°-мезонам нуклона ми и пионами, с необходимой точностью, статистически разделяя пионпые и нуклонные взаимодействия, также будет весьма сложно. Для оценок примем значения и дисперсии (,Ккъ) во взаимодействи ях заряженных и нейтральных частиц такими, какие могут быть получены из работы [180] при энергиях частиц — 101 1 эв:
0з ^ 0,6 < / ^ > 3 , ап = 0,6 <Кх°)п,
<ЛГя.)з = 0,39 ± |
0,03, |
<^я о>п = |
0,37 ± 0,035 |
и <Кп°>* |
= |
|
|
|
|
|
|
= |
0,45 |
+ |
0,09. |
Считая, что |
(К„°}3 |
^ |
получим: |
|
|
|
|
|
|
А |
2,4_ |
|
|
|
|
|
|
<*«о>„ /Ко' |
|
|
|
|
|
Если при энергии частиц 101 3 эв сохранится то |
же |
соотношение |
|||||
менаду (К„°)п и <isTno>n, то, чтобы такое различие |
установить |
хотя |
|||||
бы с превышением разности (К^Уг. — (Кп°уп = |
0,10 над двойной |
||||||
ошибкой, ошибка этой разности должна быть не более 0,05. Из
этого условия получаем, что N0 > 350 и время измерений |
12 |
.лет.
Помимо отмеченных выше трудностей технического характера имеются трудности принципиального характера, на которые мы
считаем |
целесообразным |
обратить внимание. |
|
|
|
|
||||||
При высоких энергиях частиц космических лучей выделение |
||||||||||||
пионов |
из |
всего |
потока |
частиц носит |
статистический |
характер |
||||||
и базируется |
на |
знании |
отношения |
потоков протонов |
Fv и |
ней |
||||||
тронов |
Fn |
данной энергии |
(см. гл. |
I V , § 5). |
|
|
|
|
||||
Величина |
б = |
Fp/Fn |
в |
глубине |
|
атмосферы |
при |
х/Хю |
^> 1 |
|||
равна: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( і + Р н ) в х р ( - ^ - |
|
|
|
|
||||
где L n — пробег поглощения нуклонной компоненты |
космических |
|||||||||||
лучей; |
1/В — отношение |
потока протонов к потоку нуклонов |
||||||||||
той же |
энергии, |
упакованных в ядрах первичных |
космических |
|||||||||
лучей; к — доля |
нуклонов, |
сохраняющих свою |
первоначальную |
|||||||||
энергию |
при |
фрагментации |
сложных |
ядер. |
|
|
|
|
||||
Приведенное выражение для б справедливо при регистрации всех нуклонов вне зависимости от сопровождения их другими частицами.
Когда по условиям эксперимента из всего потока частиц высо кой энергии отбираются частицы с малым ливневым сопровожде нием, тогда написанное соотношение становится несправедливым. В этом случае в регистрируемом потоке адронов будут домини ровать нуклоны, испытавшие в атмосфере над установкой малое