Файл: Христиансен, Г. Б.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 16.10.2024

Просмотров: 113

Скачиваний: 0

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

руется в различные моменты времени ti на различные ФЭУ фо­

кальной плоскости. Зная времена ti и амплитуды

Vi

по

показа­

ниям каждого

ФЭУ

и используя

геометрические

соображения,

можно найти направление оси ливня в пространстве

(по

совокуп­

ности ti),

форму каскадной кривой

(по

U

и Vi)

и

полную энер­

гию ливня

(по сумме

Vi).

Точность

в определении

всех

этих ха­

рактеристик зависит от качества изготовления

линзы

 

Френеля,

которое должно исключать сферическую и хроматическую

аберра­

ции. Первые

результаты

[14] относятся

в

основном

к

случаям

регистрации черенковского излучения или по крайней мере смеси ионизационного свечения и черенковского излучения даже при

км и £ 0 = 1 0 1 9 эв.

Глава 4

Феноменологические характеристики широких атмосферных ливней (экспериментальные данные)

Как мы видели из предыдущих глав, для исследования ш. а. л. используется большой комплекс современных методических средств, существующих в арсенале ядерной физики, физики высо­ ких энергий и других областях современной физики. С помощью этих средств можно проводить исследование макроскопических характеристик лавины, возникающей в атмосфере. Такими харак­ теристиками являются: 1) изменение числа ливневых частиц с глубиной в атмосфере, т. е. продольное развитие лавины для час­ тиц различной природы; 2) пространственное распределение час­

тиц, т. е. поперечное развитие лавины частиц различной

природы;

3)

энергетические

спектры

частиц различной природы

и состав

ш. а.л. на разных

стадиях

продольного и поперечного

развития;

4)

спектр ливней по числу частиц.

 

§ 1. ПРОДОЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ

Каскадные кривые ш. а. л. Первые данные. Изучение продоль­ ного развития каскадных лавин в атмосфере началось вскоре по­ сле открытия самого явления ш. а. л. С помощью метода много­ кратных совпадений был изучен высотный ход интенсивности ш. а. л. в диапазоне высот в атмосфере от уровня моря до 12 км. Число совпадений, регистрируемых локальной установкой на раз­ личных высотах, не дает непосредственной зависимости спектра по числу частиц N от глубины х. Однако эта зависимость может быть получена путем пересчета, учитывающего изменения углового рас­ пределения регистрируемых ливней с высотой, увеличение с высо­ той длины лавинной единицы Х0 и изменение с высотой соотно­ шения между размерами установки и Хо [111]. Особенно велик эффект изменения углового распределения с высотой в верхней половине атмосферы в районе максимума и перед максимумом ла­ вины. На этих высотах вероятность регистрации лавин под боль­ шими углами к вертикали возрастает, так как эти лавины содер-

78

жат большее число частиц. Данные о высотном ходе интенсивно­

сти

вертикальных ш. а. л.

с числом частиц

больше

заданного

N

при

JV=105 , полученные

путем пересчета

из [93],

приведены

на

рис. 26. Область до максимума при этом получена наименее точно

(~100%) .

Это связано в первую очередь с тем, что кривая

C(>N, х)

определяется производной от высотного хода регистри-

 

N(x) при Я -90г/см2

 

С (>N,X

 

 

 

 

 

 

1000

 

 

500

1000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Х,г/смг

 

Рис.

26.

Высотный

ход

Рис.

27.

Форма

каскадной

ш.

а.

л.

C(N,

х),

получен­

кривой для ш. а. л. от ча­

ный

в

первых эксперимен­

стиц

с

первичной

энергией

тах

с

локальными

установ­

£ 0 ~ 1 0 1 5

эв [94]. Исключено

ками

Л / « 105 -M06 . Дается

влияние

пробега

относи­

схематическое

изображение

тельно

первого взаимодей­

результата.

По

оси

орди­

ствия первичной

частицы

нат

—

произвольные

едини­

 

 

 

 

цы

руемых ливней, которая при малой статистике находится

недоста­

точно точно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Действительно,

число

вертикальных

ливней

(с числом

частиц

больше

N

на

глубине

х) С (>N,

х, 0)

и полное число

ливней

(с

числом

частиц

больше

N

на

той же

глубине х)

R(>N,

х)

связаны соотношением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R(>N,

х) = 2л *\Z"C(N, - у ,

O^jdZ,

 

 

 

 

 

где Z =

cos0 и множитель

Zn

отражает зависимость

от Z

параметров

установки

и влияние геометрии ливня. Соотношение предполагает, что распадными процес­

сами в атмосфере можно

пренебречь и, таким образом,

 

 

 

C(N, x/Z,

0) =

C(N, х,

Z).

 

Из выражения для

R{N,

х) имеем

 

 

 

 

R (х)

= 2 я

Zn+l

Г х

M i . _ Г

Zn+l

L n - H

\ Z '

Ло

.)

X

 

 

л + 1

о

79

Выражение под интегоалом есть

д R

(х) . Таким образом, выражая С(х, 0)

через

R (х),

имеем

 

ах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R (х)

OR

 

 

 

 

 

2л

дх

 

 

Из

данных

[93] в [94] была

определена

форма

каскадной

кри­

вой ш. а. л. в

предположении,

что индивидуальные

лавины

отли­

чаются в первом приближении только флуктуациями в точке сво­

его зарождения в атмосфере. Функция высотного хода С

(>N,

х)

ш. а. л.

связана

в

этом

случае с каскадной

кривой

N(x)

следую­

щим

образом.

Пусть

первичный

энергетический

спектр

есть

F(E0)dE0

и

первичное

излучение,

генерирующее ш. а. л.,

имеет

пробег относительно взаимодействия К, тогда число

ш. а. л. с энер­

гией

Е0,

E0

+ dEo,

зародившихся на

высоте х0, xo + dxo,

есть

 

 

 

 

 

 

 

 

F(E0)dE0e-x^^.

 

 

 

 

 

(4.1.1)

Каскадная

кривая

зависит

от х0 и первичной

энергии

Е0,

N = N

(Е0,

х — х0).

Выразим Е0

через

./V и х — х0.

Тогда

 

 

 

 

 

 

F (Е0)dE0er'^

 

^

 

= F [Е0(N,

х -

*0 )]

* М * , ^ ~ * о )

х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X dNe~x°^

- ^ Ц

 

 

 

 

 

Интегрируя

по х0

от 0 до х и по N

от N до оо,

получаем

 

 

 

 

00 X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C(N)

= jf

F[E0{N,

 

х-х0)]

 

 

JML^Z^-dNer'^J^-,

 

 

 

N О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.1.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для решения этого интегрального уравнения [94] предполагалось,

что F(Eo)dE0

= AE0-<^dE0,

N~E0(N,

х—х0)

и Я = 80-^90 г/см2

(в соответствии с пробегом относительно взаимодействия

нукло­

нов в воздухе, полученном в области меньших

энергий).

 

Результат

определения

N(x) представлен

на рис. 27.

Однако

80

этот результат следует считать приближенным в силу приближен­

ного характера кривой 4 0 C(>N, х).

 

 

 

Высотный ход ш. а. л. в нижней

трети атмосферы. В нижней

трети

атмосферы

функция

C(>N,

х) определена

уже

вполне

точно.

Поэтому

именно эти

данные

обратили на

себя

внимание

в связи с вопросом о применимости теории чистых э.-ф. лавин к реальным ш. а. л. В нижней трети атмосферы функция С (>N, х) может быть представлена экспоненциальным законом с показате­ лем

 

 

д In С (N, х)

= uN =

1

 

,

-см+2

 

 

 

-

—

130

г - 1

 

 

 

дх

 

 

г

 

 

 

 

для

Л/ = 104 -е-105. Такое

значение

показателя

существенно

меньше

Иэ - Ф . = 1/60 г - 1

см2, ожидаемого

на основании

электромагнитной

каскадной теории ш. а. л. в предположении,

 

что ливни возникают

от электронов или фотонов сверхвысоких

энергий4 1 .

 

 

В приближении, игнорирующем флуктуации в развитии лави­

ны,

коэффициент

поглощения

ливней

с числом частиц

>N\IN

связан с коэффициентом поглощения числа частиц в ливне ц со­ отношением IIN = K\JL, где к — интегральный показатель спектра ливней по числу частиц. В случае чистых э.-ф. лавин флуктуация-

ми можно

пренебречь

и для

получения

UJV необходимы

точные

измерения

к

(проделанные

методом вариации площадей

счетчи­

ков [20]).

 

 

 

 

 

 

Данные

о

высотном

ходе

ш. а. л. в

сочетании с фактом

суще­

ствования достаточно большой доли я.-а. частиц и мюонов в со­ ставе ш. а. л. привели Г. Т. Зацепина [95] и позднее Коккони [96] к выводу о существенной роли ядерно-каскадного процесса, опре­ деляющего развитие ш. а. л. на протяжении всей атмосферы.

Спектр ливней по числу частиц и каскадные кривые. После соз­ дания целого ряда комплексных установок [34, 36—50, 97], рабо­

тающих на разных

высотах над

уровнем моря, появилась возмож­

ность детального

исследования

непосредственно

спектра ливней

по числу частиц в

широком диапазоне по N И на

различных

глу­

бинах X от 0

до 5 км над уровнем моря. С другой стороны,

для

более точного

исследования ш. а. л. в верхней половине атмосферы

были проведены измерения спектров по числу частиц с помощью самолетов на высотах от 5 до 12 км над уровнем моря, начатые Ю. А. Смородиным. Самолетные установки [99] позволяли опреде­ лять достаточно точно направление прихода и положение оси каждого регистрируемого ш. а. л., а также оценивать число частиц в нем (рис. 28).

0

Кроме того, неясно, следует ли брать

X, соответствующее

чисто

протонному

 

составу первичного излучения, или же

брать набор

Я, отвечающий

сложному

 

химическому

составу.

 

 

 

 

1

Для ливней с

большим числом частиц

расхождение

между

электромагнитной

каскадной теорией и экспериментом уменьшается.

6 Г. Б. Христиансен

81

Смотрите также файлы