ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 16.10.2024
Просмотров: 101
Скачиваний: 0
Таким образом, хотя |
исключить возможность процесса с та |
||||
ким фундаментальным изменением характера ядерного |
взаимо |
||||
действия для |
объяснения |
формы спектров по iVe и |
в |
настоящее |
|
время невозможно, все же он представляется |
сомнительным, так |
||||
как весьма |
естественный |
его вариант с |
рождением |
мюонов |
|
высокой энергии, по-видимому, противоречит эксперименту. По этому в дальнейшем мы будем считать, что наблюдаемые изме нения формы спектров ливней по числу электронов и мюонов связаны с соответствующим изменением формы первичного энер гетического спектра 1 3 4 .
Вернемся к методам определения первичного спектра. Можно
предложить |
другой, более прямой экспериментальный |
способ |
|
определения |
первичного энергетического спектра, т. е. |
функции |
|
2фл (£())• Этот способ основан |
на использовании данных |
ш. а. л., |
|
А |
|
|
|
полученных |
на высоте гор. На |
высотах гор флуктуации |
в разви |
тии ливня играют незначительную роль. Кроме того, коэффици
енты пересчета для числа частиц Ne |
к первичной энергии Е0 |
отли |
||||
чаются |
для |
различных моделей |
значительно |
меньше, чем |
на |
|
уровне |
моря |
[227]. Наконец, коэффициенты пересчета от Ne |
к |
Е0 |
||
отличаются |
также незначительно |
для ш. а. л., |
создаваемых |
пер |
||
вичными нуклонами и тяжелыми ядрами. Все эти обстоятельства
определяют |
удобство |
выбора |
спектра ливней |
по Ne на высоте |
|
гор для получения |
первичного |
энергетического |
спектра. |
||
В работе |
[284, |
285] |
((Никольский и др.) был |
рассмотрен сред |
|
ний энергетический баланс ш. а. л. с числом частиц /Ve ^3,5-105 на
глубине 640 г/см2. |
На основании данных о черенковском излу |
|||
чении |
этих ливней |
была |
определена |
энергия, потерянная в сред |
нем на |
ионизацию |
в слое |
атмосферы |
над уровнем наблюдения /. |
Далее с помощью метода, близкого к методу ионизационного ка лориметра, была определена средняя энергия э.-ф. и я.-а. компо нент этих ш. а. л. Наконец, с помощью подземных измерений была сделана оценка энергии, несомой мюонной компонентой Фц.
Данные |
об этих |
величинах для |
х = 640 г/см2 |
приведены |
в |
табл. |
8. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
8 |
||
|
/ |
4>эф |
ф |
Ф |
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
я.=а. |
и |
V |
|
|
|
|
||
3-106 |
3 - Ю 1 4 |
6,6-101 3 |
3 -101 3 |
(7+7) - 10" |
2 - Ю 1 3 |
6-10" |
|
1,7-109 |
|||
± 0 , 8 - 1 0 1 * эв ± 0 , 7 эв ± 0 , 6 эв |
—3 эв |
|
|
эв |
|
± 0 , 5 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
эв/част |
|
Можно было бы предположить априори, |
что |
резкое |
изменение |
х е |
и |
свя |
|||||
зано |
не с изменением \ |
в парциальных |
спектрах, |
а |
с резким |
|
изменением |
||||
химического состава первичного излучения при неизменном у, однако в этом |
|||||||||||
случае х е и |
изменялись бы в |
противоположные |
стороны, что |
противоре |
|||||||
чит |
опыту. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
224
В таблице дается поток энергии, уносимый нейтрино, возникаю
щими при |
(я-э-ц) -распада. Согласно законам |
сохранения энергии |
и импульса |
Фу = 0,3 Фц. Энергия, теряемая |
я.-а. частицами на |
ядерные расщепления над уровнем наблюдения, достаточно мала.
Действительно, |
средняя |
энергия расщеплений |
~200 |
Мэв. |
Доля |
|||||
я.-а. частиц всех энергий по отношению к числу электронов |
|
|
||||||||
Пробег |
относительно ядерного |
взаимодействия |
~ 2 ^-единиц. |
По |
||||||
этому |
энергия, |
теряемая на |
ядерные |
расщепления |
на |
одной |
||||
^-единице, —200- У2- Ю - 2 |
Л/е Мэв, а ее доля по |
отношению к |
энер |
|||||||
гии, теряемой на ионизацию, составляет |
~1,2%. |
|
|
|
|
|||||
Из |
данных на высоте гор |
известно, |
каким |
образом величины |
||||||
/, ФЭф, Фя.-а., Фц |
меняются с числом частиц Ne |
при |
изменении |
Ne |
||||||
примерно на порядок. |
Однако зависимость /, |
ФЭф |
и |
т. д. от |
Ne |
|||||
определена |
с недостаточно хорошей точностью. |
Для определения |
зависимости |
коэффициента пересчета k от Е0 |
мы воспользуемся |
несколько |
другим подходом [227]. Из спектров ш. а. л. по числу |
|
частиц на различных глубинах в атмосфере были получены усред
ненные каскадные кривые [98], по |
которым можно найти значе |
ния iVemax-—максимального числа |
частиц, соответствующего |
каскадной кривой с заданной первичной энергией. По усреднен ным каскадным кривым можно найти также зависимость между
числом |
частиц |
Л/е на |
глубине, |
например |
х = 6А0 г/см2, |
и значе |
|||||||||
нием Nemax; |
Ne(6A0 |
г/см2)~Щтах, |
|
|
р=1,07±0,05 |
при |
5-105 < |
||||||||
< Л г е т а х < Ю 8 |
. |
Из электромагнитной |
каскадной |
теории |
известно, |
||||||||||
что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nemax^E0k(EQ), |
|
где |
k(E0)~ |
1/Kln |
£ 0 / р \ |
|
|||||||
В случае |
ш. а. л., |
развивающихся |
с |
учетом |
|
ядерно-каскадного |
|||||||||
процесса, k зависит от Е0 |
|
еще слабее 1 3 5 . Поэтому, |
принимая, что |
||||||||||||
Nemax~Е0 |
и что химический состав первичного |
излучения в иссле |
|||||||||||||
дуемом |
интервале Е0 |
не |
изменяется 1 3 6 , |
можно |
получить |
следую |
|||||||||
щую эмпирическую |
зависимость |
между |
Е0 |
и |
числом |
частиц в |
|||||||||
ливне на глубине х = 640 |
г\см2: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
£ о = |
1 , 7 . 1 0 8 _ £ ^ ( _ ^ _ у |
6 . Л / |
е , |
где |
6 = |
0 - 1 . |
||||||||
|
|
|
|
част. |
\ 6-1014 эв J |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Это отношение |
применимо |
при |
Е0 |
в |
интервале |
энергий 6-1014-f- |
|||||||||
Ч-101 7 эв. При более |
высоких энергиях |
данные |
об |
эмпирическом |
|||||||||||
соотношении |
|
между |
Ne |
и |
Nemax |
|
отсутствуют, |
|
и для |
получения |
|||||
первичного энергетического спектра необходимо использовать пер
вый подход — выбор |
оптимального |
варианта |
парциальных |
энер- |
|||||
1 3 5 |
Но |
даже при |
k-^ |
1/]Лп £ 0 / Р и при изменении Е0 |
от 1015 до 1017 эв |
k убы- |
|||
|
|
V |
f |1п108 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
г = 1,15 раз . |
|
|
|
|||
|
|
|
In 10' |
|
k от Е0 в рамках |
|
|
|
|
1 3 6 |
Из |
слабой зависимости |
гипотезы суперпозиции следует, что |
||||||
|
вывод остается верным и при изменении химического состава. |
|
|||||||
15х/4 |
Г. Б. Христиансен |
|
|
|
|
225 |
|||
гетических спектров, удовлетворяющих экспериментальным спект
рам по iVe и /V|x. В |
гл. 4 было |
показано, |
что в спектрах по /Ve |
и Nft, при больших |
Л/е (>107 ) и |
(>105 ) |
наблюдается умень |
шение показателей х е и Иц. Это изменение, поскольку оно наблю дается одновременно в спектрах по Ne и N^, связано с соответ ствующим уменьшением показателя у первичного энергетического спектра.
Для расчетов сректров по Л[ е |
и Nц на основе |
различных пред |
||||||
положений |
о |
парциальных |
энергетических |
спектрах |
разумно |
|||
использовать |
модель |
ядерных |
взаимодействий |
(НММ), |
справедли |
|||
вую при £ 0 |
< 1 0 1 7 эв |
( t t g ~ £ ' o ' / 2 |
при £ 0 ^ 1 0 1 3 |
эв) |
(рис. 86, а и б). |
|||
Ц13(>"е)( V/05 /'"./.см''к* |
'сюр |
|
|
|
|
|
||
I |
I |
I |
1_ |
-/5>1 |
. I |
I |
I |
L- |
6 |
7 |
8 |
9 |
4 , 5 |
6 |
|
7 . 8 |
|
Рис. 86. Сравнение экспериментальных данных о спектре: a — по iVe при боль
ших Ne [58, |
116, 234]; |
б — по N |
с расчетами |
по моделям СКР и НММ для |
/4=1, |
показатель |
энергетического спектра |
Y=l>6 при £ о > 2 - 1 0 1 7 эв |
|
На |
рис. 86 |
приведены |
также |
результаты |
расчета |
по модели |
|||
СКР. |
Расчеты |
по обеим |
моделям |
проведены |
в предположении |
||||
А — 1 |
(р). Значение у первичного |
спектра |
принималось |
равным 1,6 |
|||||
при £ 0 |
^ 2 - 1 0 1 7 |
эв. |
|
|
|
|
|
|
|
Согласие с |
моделью НММ |
при |
/4 = 1 |
(рис. 86,6) |
можно сде |
||||
лать еще лучше, если учесть |
что |
допустима некоторая вариация |
|||||||
энергии, начиная с которой спектр имеет снова показатель у=1,6 . При определении первичного энергетического спектра по дан
ным |
спектров |
по ijVe и |
В принципе представляется |
маловероят |
||||||||||
ным |
завысить |
абсолютное значение |
потока |
первичного |
излучения |
|||||||||
и занизить значение |
у. |
Дело |
в том, что |
числа |
Ne |
|
и iV^ опреде |
|||||||
ляются на основании измерений потоков |
частиц |
на |
периферии |
|||||||||||
ливня в предположении, |
что ре,ц (г) |
в центральной области |
ливня, |
|||||||||||
вносящей основной вклад в число частиц, |
известны |
и |
соответст |
|||||||||||
вуют |
функциям |
Ре,ц(г), |
измеренным при меньших Е0. |
С |
возра |
|||||||||
станием |
£ 0 р е ,ц (г), |
вероятно, |
становится |
круче. |
Тогда |
опреде |
||||||||
ляемые |
обычным |
способом iVe |
и |
окажутся |
заниженными. |
|||||||||
226
Другая возможная причина занижения Е0— неучет |
энергии, |
уходящей при наличии соответствующего гипотетического |
процес |
са на образование нейтрино, мюонов высокой энергии и |
пр. |
Несмотря на высказанные в гл. 4 замечания об отсутствии в литературе детального анализа методических погрешностей экспе римента при исследовании £ 0 > Ю 1 7 эв, учитывая результаты ра бот [58, 116, 235] и в особенности [234], мы принимаем, что пока
затель у первичного |
энергетического |
спектра |
уменьшается |
при |
|||
£ o > 3 - 1 0 1 7 |
эв. Прогрессирующее с |
Е0 |
занижение |
значений |
Е0, |
||
о котором говорилось |
выше, может |
привести |
только |
к у м е н ь |
|||
ш е н и ю |
показателя у- |
|
|
|
|
|
|
Приведем данные о первичном энергетическом спектре, с ко-, торыми хорошо согласуются результаты анализа как по первому
(рис. 85, 86), так и по второму способу: |
|
|
|
|
|
||||||
F ( > £ 0 ) = 1 , 7 . 1 0 _ 1 Y — У ' ' 6 |
см2-сек-стер |
£ 0 < 4 - Ю 1 5 э е , |
|
||||||||
|
|
|
|
\ 101 в |
у |
|
|
|
|
|
|
F(>E0)^ |
f |
V |
2 ' 4 • 7 • 10"1 0 |
— ! |
4 • 1 |
эв < |
Е0 |
< |
10" |
эв, |
|
|
\ |
101 8 |
/ |
|
см2-сек-стер |
|
|
|
(6.1.7) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
F ( > Е0) |
= |
1,2 • 1 0 - 1 5 |
( £ 0 /3 • 10" эв)'1 |
'7 |
Е0 |
> |
3 • 10" |
эв. |
|||
|
|
|
|
|
|
см2-сек-стер |
|
|
|
|
|
Абсолютное |
значение |
определено |
с точностью до |
фактора |
1,7. |
||||||
Точность показателей |
не хуже |
0,15. |
|
|
|
|
|
|
|||
Химический |
состав |
первичного излучения. |
Получение |
опреде |
|||||||
ленных сведений о ядерном составе первичного излучения сверх высоких энергий является трудной и до сих пор не разрешенной задачей. Эта задача в настоящее время решается в рамках гипо тезы суперпозиции и в предположении определенных моделей развития ш.а.л. от первичных протонов (которые удовлетворяют всей совокупности экспериментальных данных). При этом исполь
зуется относительная |
чувствительность некоторых |
характеристик |
|||
к атомному номеру А первичной частицы 1 3 7 . |
|
|
|
||
Первые |
попытки определения химического |
состава |
космического |
||
излучения |
сверхвысоких |
энергий были связаны с надеждой выделить |
|||
в кривой распределения |
Ne при фиксированном |
(или наоборот) |
|||
пики, связанные с ливнями от различных А. |
Согласно гипотезе |
су |
|||
перпозиции |
Ne~ A(E0/A)s |
и Л^й -~ А(Е0/А)а. |
При фиксированном |
Ny, |
|
имеем1 3 8 |
|
|
|
|
|
1 3 7
1 3 8
В настоящее время не обсуждается вопрос о наличии в составе первичного
излучения сверхвысоких |
энергий антипротонов и антиядер, хотя исключить |
||
их существенную |
роль не |
представляется |
возможным. |
Это справедливо, |
так как |
флуктуации |
при фиксированном Е0 малы. |
15V2 г. Б. Христиансен |
227 |
так как s/a |
= '0 7 8 lj_0 |
0 1 ) согласно |
экспериментальным данным |
на |
|
уровне моря |
(см. гл. |
IV). Отсюда следует, |
что, например, для А = 1 |
||
и А = 30 отношение |
Nep/NEA ^ 3. |
В то |
же время фиксация |
в |
|
рамках гипотезы суперпозиции означает подчеркивание среди регист
рируемых |
ливней |
ливней от ядер с большими А. |
Действительно, |
||||||||||||
Nll^Al~aEo. |
|
Поэтому энергия первичной частицы с атомным но |
|||||||||||||
мером |
А, |
ответственная |
за создание |
ш. а. л. |
с числом |
мюонов Na, |
|||||||||
|
|
|
|
-(l-g) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
есть |
Е0 |
~ |
N\[аА |
а |
. Парциальный |
энергетический |
спектр |
первич |
|||||||
ных ядер A BAEo~iy+i)dEQ |
|
превращается |
в |
спектр по |
вида |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П-а\У |
|
|
|
|
|
|
Таким образом, вклад ядер А в создании ш. а.л. с фиксирован |
|||||||||||||||
ным |
числом |
мюонов растет |
~ j^x~a)ylai.—-Л0,3 |
|
(если |
принять 1 3 9 |
|||||||||
а = 0,85 |
и |
у = 1 , 7 ) . Если |
роль |
тяжелых |
ядер |
в первичном |
излуче |
||||||||
нии |
мала |
сравнительно с протонами, то за |
счет |
этого |
эффекта |
||||||||||
(создание |
ш. а. л. с |
фиксированным |
N^) |
она |
становится |
сравни |
|||||||||
мой с ролью |
протонов. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
С |
другой |
стороны, как показывают |
|
многочисленные |
расчеты |
||||||||||
[245, 255, 268, 286], флуктуации в числе электронов JVe на уровне
моря при фиксированном |
Е0 |
(или |
Ыц) для первичных протонов |
|||||
весьма велики: VP (Ne)/Ne |
— 0,5 -~ 0,6 |
и слабо изменяются |
с |
Е0. |
||||
Приведенное |
значение ]/rD(Ne)/Ne |
практически |
означает, |
что в |
||||
статистическом ансамбле, |
например, из |
100 ливней встречаются |
||||||
значения Ne, |
различающиеся |
в 3—4 |
раза. Отсюда |
ясно, что |
при |
|||
наличии в первичном излучении сверхвысоких энергий протонов
трудно |
ожидать в кривой |
распределения |
' / ^ ( Л ^ ) |
|
сохранения |
||||||||
пиков, |
соответствующих |
вкладу |
различных |
А. |
Эксперимент |
на |
|||||||
уровне |
моря показывает [287], что, действительно, никаких |
пиков |
|||||||||||
не наблюдается и кривая распределения имеет гладкий вид. |
|
||||||||||||
Для |
уменьшения |
флуктуации |
в Ne |
при |
фиксированном |
Е0 |
|||||||
можно |
было бы производить измерения |
на |
высотах |
гор. Однако |
|||||||||
на высоте гор разделение пиков, соответствующих различным |
А, |
||||||||||||
уменьшается, так как |
Ne — A]~s/a |
и на |
высоте |
гор |
s ^ l . |
С дру |
|||||||
гой стороны, на высоте гор возрастают |
флуктуации в числе JVM |
||||||||||||
при фиксированном Е0, |
и они становятся |
сравнимыми |
с флуктуа- |
||||||||||
циями |
по Ne. Хотя изучение распределения |
/«-^(Л^) |
на |
высоте |
гор |
||||||||
и не проводилось, вряд ли можно рассчитывать |
и |
в |
этом |
случае |
|||||||||
на разделение пиков 1 4 °, соответствующих |
различным |
|
А. |
|
|
|
|||||||
1 3 9
1 4 0
При фиксированном Ne |
вклад ливней от первичных ядер ~ Л ' 1 — s ^ / s , т. е . |
уменьшается с А при s > |
1. |
Значительная трудность здесь возникает также из-за относительно больших ошибок в определении JV„ и Ne в каждом ливне.
228