ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 85

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

число взаимодействий. Следовательно, потоки нейтронов F n и вто­

ричных протонов

уже не

будут удовлетворять равенству

F n та Fp™, а будут

существенно

зависеть от вероятности пере­

зарядки и реального числа неупругпх столкновений, в резуль­ тате которых возникает то или иное ливневое сопровождение нуклона данной энергии. Кроме того, величина б будет суще­ ственно зависеть от состава первичных космических лучей.

Насколько существенно может изменяться величина б в зави­

симости от критериев отбора адронов,

видно

 

пз рассмотрения

двух крайних случаев.

 

 

 

а) Отбираются одиночные адроны с Е

10

1 3

эв без ливневого

сопровождения.

 

 

 

При столь высоких энергиях частиц, регистрируемых на высо­ тах гор, можно ожидать, что каждое их взаимодействие в атмо­ сфере будет создавать ливень, детектируемый установкой. Поэтому критерий «одиночные частицы» практически означает отбор час­

тиц, прошедших

всю

атмосферу

(над установкой) без взапмодей-

 

 

 

2

ствия в ней. В

таком

случае

= Ьа и б = 1 +

Если химический состав первичных частиц космических лучей не зависит от Е и при фрагментации ядер не возникают ливни,

которые

могут

быть зарегистрированы установкой

(т. е. х ~ 1),

то 6 ^

1 + ^

= 6.

 

Если

же в рассматриваемой области энергий 6 -»- 0 (спектры

протонов и ядер существенно различаются) или %

О (при фраг­

ментации всегда возникает ливень, который детектируется уста­ новкой), то б —>- оо, т. е. в потоке одиночных частиц имеются только протоны и отсутствуют нейтроны.

б) Регистрируются все нуклоны без ограничения ливневого сопровождения. В этом случае б та 1,2.

Итак, в зависимости от «жесткости» отбора адронов (с точки зрения мощности ливневого сопровождения), в зависимости от химического состава первичных частиц космических лучей и ха­ рактера фрагментации ядер при энергиях Е >, 101 3 эв величи­ на б может принимать значения от оо до — 1.

Очевидно, что в этих условиях для определения потока пионов потребуется достаточно точное знание вероятности перезарядки, Ав з , химического состава первичных частиц, характеристик фраг­ ментации и характеристик взаимодействия нуклонов при энер­ гиях 101 3 эв и выше, чтобы провести точные расчеты ливневого сопровождения нуклонов данной энергии и вероятности реги­ страции этих ливней конкретной установкой. Наиболее вероятно, что эти характеристики в ближайшие годы для частиц сверх­ высоких энергий не будут известны с необходимыми точностями. Следовательно, поток пионов определен быть не может, если на регистрируемый поток адронов накладывать какие-либо огра­ ничения.

10 П. Л. ГрЖоров п др.

273


Таким образом, чтобы не создавать трудностей, носящих принципиальный характер, придется работать со всем потоком адронов, пе отбрасывая частицы, идущие в мощном ливневом сопровождении и в сопровождении другими адронами.

Такой путь требует разработки принципиально новых методов регистрации ионизации в ионизационном калориметре, который, с одной стороны, позволял бы использовать детекторы с попереч­ ными размерами меньше 1 елі, а с другой стороны позволил бы

применять их в количествах ~ 104 штук в установках

площадью

в десятки квадратных метров.

 

По-видимому, правильным выводом из проведенного

рассмотре­

ния будет заключение,что статпетическийметодразделения взаимо­ действий частиц разной природы (нуклонов и пионов) настолько неэффективен, что неприменим для исследований в области энер­ гий частиц космических лучей с энергией — 101 3 эв на высотах гор, где потоки адронов такой энергии малы.

Кроме того, сложность состава и большое сопровождение адро­ нов высокой энергии другими частицами резко снижают эффек­ тивность и однозначность изучения индивидуальных взаимодейст­ вий адронов с энергией — 10 1 3 эв на высотах гор. Область более высоких энергий, порядка 101 * эв, представляется совершенно не­ доступной для исследований методами непосредственных наблю­ дений взаимодействий таких частиц на высотах гор в установке, в которой регистрируется энергия частицы, вызвавшей наблюда­ емое взаимодействие, и определяется ее природа.

2.2. Возможности применения косвенных методов исследования взаимодействий

:Одним из косвенных методов изучения взаимодействия адро­

нов с энергией •— 101 4 эв на высотах гор является изучение ливней из атмосферы с помощью больших эмульсионных камер. В этом методе, разработанном японскими физиками [67], одновременно регистрируются каскады, созданные в верхней части эмульсион­ ной камеры у-квантами высокой энергии (или электронами), при­ шедшими из атмосферы, а в нижней части, являющейся своеобраз­ ным ионизационным калориметром, в котором детекторами служат фотоматериалы (рентгеновские пленки или ядерные фотоэмульсии), регистрируются каскады, созданные адронами высокой энергии. Эта методика, сходная с методом изучения молодых атмосферных ливней с применением фотоматериалов (см. гл. V I , § 3), обладает определенными положительными качествами.

Регистрация ливней, генерированных в атмосфере над уста­ новкой в пределах одного ядерного пробега, увеличивает частоту

регистрируемых взаимодействий частиц

высокой энергии

в 2—

3 раза.

 

 

Несомненными достоинствами этой методики являются

очень

высокое пространственное разрешение

частиц высокой энергии


(позволяющее, в принципе, определять энергию каждого адрона группы) и возможность создания установок очень большой площа­ ди, весьма простых в эксплуатации. Возможность создания очень больших установок (см., например, проект «Памир» [199]) на зна­ чительных горных высотах открывает перспективы наблюдения взаимодействий частиц с энергиями 101 5 эв и выше.

Однако у этой методики имеются и свои недостатки, вносящие большой элемент неопределенности при интерпретации материала наблюдений:

а)

В тех случаях, когда

удается

сгруппировать

у-кванты,

регистрируемые

верхней частью эмульсионной камеры, в еди­

ное

«семейство»,

рожденное в

одном

взаимодействии,

остается

открытым вопрос, частица какой энергии и какой природы их по­ родила.

б) При изучении взаимодействий, которые происходят в ат­ мосфере над установкой, высота места взаимодействия неизвест­ на и рассчитывается на основе модельных представлений. Если

такой расчет может быть

более или менее однозначен для у-кваи-

тов (из-за

относительно

малого значения лавинной единицы по

сравнению

с Кт в

воздухе), то для адронов такая однозначность

теряется.

Поэтому

появляется большая неоднозначность в отде­

лении адронов, возникших в атмосфере в том же взаимодействии, что и регистрируемые у-кванты, от вторичных адронов, генериро­ ванных в предшествовавшем взаимодействии.

в) Высокий энергетический порог детекторов ионизации (рент­ геновские пленки). Они имеют порог регистрации электромагнит­ ного ливня на уровне 101 2 эв. Это значит, что адрон с энергией

101 2

эв с большой степенью вероятности может быть

вообще

не

зарегистрирован в эмульсионной камере. Энергия

адронов

101 3

эв будет регистрироваться далеко не полностью и с боль­

шими

флуктуациями.

 

 

Такой высокий энергетический порог регистрации у-квантов

и адронов приводит к тому, что большая часть частиц, рожденных в изучаемом взаимодействии, ие регистрируется установкой рас­ сматриваемого типа. і

Для того чтобы проиллюстрировать это утверждение, рас­

смотрим модель двух файерболов, которые движутся в

С-системе

с лоренц-фактором

у ~ yj*

в двух противоположных

направле­

ниях вдоль линии

движения

сталкивающихся нуклонов.

В этом случае, если энергия у-кванта в системе файербола равна є, то в лабораторной системе координат его энергия будет равна

Я = е т с т ( 1 ± Р І ) ( 1 + Рсо8ф),

где ф — угол вылета у-кванта в системе файербола, р — скорость файербола в С-системе, а В — его скорость в лабораторной сис­ теме (при скорости света с = 1). Знак « + » — для файербола,

275

10*


движущегося в С-спстеме вперед, знак «—» — для файербола, движущегося в С-снстеме назад.

Полагая, что все у-кванты данной энергии е разлетаются изо­ тропно в системе файербола, получим, что для них энергетическое

распределение в лабораторной системе координат будет

иметь

вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dn

 

 

const

 

 

 

const

так

как

Emax^>E„

 

 

 

 

 

dE

 

 

Emax

Emin

 

^max

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

Етях

=

єус у (1 ± т

(1 +

Р), Ет1л

=

єГсТ (1 ±

РсР) (1 -

Р).

 

 

 

Регистрироваться установкой будут только те у-кванты, энер­

гия которых не меньше порогового значения

Епор

т

103

Гэв.

Доля

таких

у-квантов

равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е т ах

 

 

Е т а х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

 

 

 

Л

 

 

 

 

 

IlJdA.

 

 

 

Полагая,

что

у —

у1/',

п

приняв, что

при

у а

200

с

=

10)

у = 1.12,

получим:

у

=

0,35уог .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В рассматриваемой модели для файербола, летящего в С-сис-

теме

назад,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дтах =

2 s T c T (1 -

РсР) =

S у

~

3 ^ . .

 

 

 

 

 

Чтобы Z?m a x ^

Епор

 

~

103 Гэв,

необходимо

выполнение

усло­

вия

ЗеуЧ> >

103 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приняв

 

среднюю

энергию

у-кваитов

 

в

системе

файербола

є ^

0,35

Гэв, получим,

что

у^1

^

103 ,

т. е. ус

^

106 и у 0 ~>> 101 2 .

 

Иными словами, ни при каких

разумных энергиях

первичных

частиц подавляющая

часть у-квантов от файербола, движущегося

назад в С-системе, не

будет иметь в лабораторной

системе энергию

101 2 эв, т. е. практически

все у-кванты и адроны

которых

энергетический порог

регистрации существенно выше, чем у у-кван­

тов) из этого файербола не

будут

регистрироваться

установкой

рассматриваемого

типа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для файербола, движущегося вперед в С-системе,

ситуация

будет

следующая:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Яшах =

еТ с у"(1 +

РсР) (1 +

Р) «

4 Є Г с у ,

 

 

 

 

и доля у-квантов, обладающих

энергией

є

в

системе

файербола,

у которых

 

в лабораторной

системе энергия

превосходит

 

і?Пор»

будет

равна:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W(E>Eaop)

 

=

l

-

^

^ .

 

 

 

 

 

Поэтому, чтобы получить долю всех у-квантов, возникающих от распада этого файербола, нужно W проинтегрировать по спектру


у-квантов в системе файербола:

Е тах

Ч

Е тах

о

оI £*•

В качестве спектра у-квантов в системе файербола мы взяли

распределение,

представленное

на рис.

 

5.7.

 

 

 

 

 

В результате

проведенных

расчетов

получено,

что

при

Е0=

= Ю 1 4

эв < И О ~ 25% , а при Е0 = 101 5 эв величина < W >

ж

 

70% .

С учетом того, что все частицы от

файербола,

движущегося

назад

в

С-системе, не

регистрируются

установкой,

получим,

что при

Е0 = 101 4 эв будет в среднем

регистрироваться

только

13%

 

всех

у-кваитов,

рожденных во

 

взаимодействии,

а

при

энергии

Е0

=

101 5 эв эта

доля

возрастет

до ^

35% .

 

суще­

Так

 

как

у

адронов энергетический порог

регистрации

ственно выше, то доля адронов, регистрируемых установкой, может быть значительно меньше доли регистрируемых у-квантов.

Естественно, что с помощью рассматриваемых установок изу­ чать средние характеристики взаимодействия частиц сверх­

высоких энергий не представляется возможным.

 

 

Аналогичная

ситуация

будет иметь

место и в том случае,

если

справедлива

модель

скейлинга. В

этом случае

даже

при

Е0 = 101 5 эв не

будет регистрироваться

по меньшей

мере

50%

всех

у-квантов и

адропов,

рожденных

во взаимодействии.

Этот

недостаток метода не может быть устранен увеличением размеров

установки. Единственный

путь ослабить его влияние — суще­

ственно понизить

Enov.

 

 

Таким образом, этот метод еще далек от того, чтобы можно

было, пользуясь им, получать количественные

характеристики

взаимодействия адронов

сверхвысоких энергий

без существен­

ного влияния на пих условий выборки регистрируемых «семейств». Кроме рассмотренных возможностей остаются еще методы ана­ лиза прохождения адронов через атмосферу, применение которых

к области

1 0 й — 1 0 1 3

эв позволило получить важные физические

результаты.

Нам представляется этот путь перспективным, так

как

он апробирован с методической точки

зрения и может опирать­

ся

на твердую базу,

если будет хорошо

известен состав и спектр

первичных космических лучей в области энергий 101 4 —101 5 эв. Особенно важным остается измерение абсолютного потока и

вида спектра одиночных адронов в области энергий 101 3 —101 4 эв в условиях, исключающих влияние частиц обратного тока на от­ бор одиночных частиц.

§ Я. Перспективы

изучения

частиц

сверхвысоких

энергии

на больших

высотах

Можно ли считать, что с запуском ускорителей на 500—1000 Гэв ядерный аспект космических лучей все-таки не потеряет свою ак­ туальность? Нам представляется, что положительный ответ может