ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.10.2024
Просмотров: 85
Скачиваний: 0
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 |
(ус |
= |
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 |
(у |
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