книги из ГПНТБ / Азимов С.А. Неупругие соударения частиц большой энергии с нуклонами и ядрами

искровых камер и черенковскнх детекторов. Рассмотрены такие характеристики взаимодействий, как множественность вновь рожденных частиц, их угловое распределение и коэффициент неупругостн.

Книга рассчитана па специалистов, работающих в области физики высоких энергий и космических лучей, а также на преподавателей и студентов соответ­ ствующих специальностей.

0237— 138 А 355(ов)—74

Издательство «Фан» УзССР, 1974 г.

ВВЕДЕНИЕ

Доминирующим процессом сильных взаимодействий ад­ ронов при высоких и сверхвысоких энергиях является множествен­ ное рождение частиц. Для описания таких процессов существует несколько теоретических схем и моделей. Наибольшее развитие получили два направления: статистическая теория в различных ва­ риантах [66, 79, 106] и теория периферических взаимодействий [52, 84, 98]. Предметом оживленных дискуссий в течение ряда лет яв­ ляется модель файрболов [121], а в последнее время выдвинуты оригинальные гипотезы масштабной инвариантности [105] и пре­ дельной фрагментации [101]. Однако ни одна из рассматриваемых теоретических схем не может претендовать на роль строгой теории сильных взаимодействий, описывающей все стороны этого явления. Многие модели имеют характерные области применения, справед­ ливые только для определенного класса взаимодействий и интер вала энергий. Для однозначного выбора между различными трак­ товками механизма множественной генерации частиц, очевидно, необходимо детальное сравнение теоретических предсказаний с экспериментом. Важное значение в связи с этим приобретает полу­ чение достаточно полной информации о различного рода характе­ ристиках неупругих взаимодействий частиц в возможно широком диапазоне энергий.

До последнего времени вся информация о сильных взаимодей­ ствиях при энергиях выше ІО11 эв получалась только в космиче­ ских лучах. Недавно введенный в действие ускоритель на встреч­ ных пучках протонов позволяет продвинуться до эквивалентных в лабораторной системе энергий ~ ІО12 эв. Однако ввиду специфиче­ ских условий эксперимента на встречных пучках не все характе­ ристики взаимодействий могут быть получены в ближайшие годы. С другой стороны, при помощи такого ускорителя могут исследо­ ваться лишь протон-протонные столкновения, а изучать взаимодей­ ствия адронов с различными ядрами не представляется воз­ можным.

Поэтому экспериментальные данные о взаимодействиях адро­ нов с нуклонами и ядрами, получаемые в космических лучах для

3

Г л а в а I

УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛЬНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРИ ЭНЕРГИЯХ 10м —1012 эб

§ 1. Обзор установок, применяемых для изучения сильных взаимодействий при высоких энергиях

Специфические трудности, возникающие при постановке экспериментов с космическими лучами,—■малая интенсивность и неопределенность энергии налетающих частиц—приводят к необхо­ димости создания установок большой светосилы. Разработанный Н. Л. Григоровым, И. Д. Раппопортом и В. С. Мурзиным [38] метод ионизационного калориметра позволил решить проблему соз­ дания надежного детектора энергии с большой эффективной пло­ щадью. Однако для изучения индивидуальных характеристик взаи­ модействия необходимо сочетание детектора энергии с трековым прибором. В качестве трекового прибора длительное время исполь­ зовалась камера Вильсона и, таким образом, с начала 60-х гг. наиболее распространенным инструментом исследования сильных взаимодействий в космических лучах стала установка, в которой энергия первичных частиц измерялась ионизационным калоримет­ ром, а для изучения вторичных частиц применялась камера Виль­ сона. помещаемая иногда в магнитное поле [26, 28, 82, 124].

Первая установка такого типа была создана в 1957 г. группой сотрудников ФИАН СССР и НИИЯФ МГУ [39] на Памире, а позднее более усовершенствованный ее вариант был построен на Тянь-Шане [43]. При этом для индивидуального взаимодействия могли быть определены следующие параметры:

1)энергия первичной частицы с точностью 20-—30%;

2)пространственные углы вылета вторичных частиц из мишени;

3)суммарная энергия я-мезонов, генерированных во взаимо­

действии;

4)ионизация вторичных частиц в газе камеры;

5)импульсы вторичных частиц при максимальном измеримом

значении, составляющем 25 Гэв/с.

Анализ полученного экспериментального материала позволил группе Н. А. Добротина и С. А. Славатинского открыть асиммет­ ричные в Ц-системе ливни и установить ряд интересных особен­ ностей сильных взаимодействий при энергиях ~ 200 Гэв.

Однако главный недостаток указанных установок заключается в их небольшой светосиле, что связано с применением камер Виль-

5

сома в качестве трекового прибора. Изготовление камер Вильсона большого размера представляет довольно трудную техническую задачу. К тому же размеры этих камер ограничиваются зазором электромагнита. Мертвое время таких приборов велико: оно состав­ ляет 10—20 мин. Все это затрудняет получение значительного статистического материала о сильных взаимодействиях при энер­ гиях выше сотен гигаэлектронвольт. Например, иа Тянь-Шаньской

Епервые показано В. С. Мурзиным, при наличии такой информации появляется возможность исследования ппон-ядерных соударений статистическим путем при сопоставлении характеристик взаимо­ действия нейтральных и заряженных первичных частиц [52]. В работе [52], где использовался ионизационный калориметр и ка­ мера Вильсона размером 60X60X15 см3, наличие заряда у пер­ вичной частицы определялось при помощи трех рядов годоскопи­ ческих счетчиков, расположенных между толстыми свинцовыми фильтрами. В результате исследований авторы работы [52] пришли к выводу о существовании большого различия в характере взаимо­ действия пионов и нуклонов с ядрами в области энергий ~ 2 0 0 Гэв. Однако полученный статистический материал был относительно невелик из-за небольшой величины светосилы установки; к тому же годоскопические счетчики не давали хорошего пространствен­ ного разрешения.

С разработкой широкозазорных искровых камер появились благоприятные возможности для создания трековых приборов с большой эффективной площадью для изучения индивидуальных характеристик взаимодействия при энергиях > ІО12 эв. Искровые камеры из-за ряда преимуществ: простоты конструкции, хороше­ го пространственного разрешения, малого мертвого времени и т. д., находят широкое применение в физике высоких энергий. При по­ мощи искровых камер с большим межэлектродным промежутком получена высокая точность (~-3-10-3 рад) определения направле­ ния заряженной частицы при 100%-ной ливневой эффективности [34]. Размеры таких камер могут быть довольно большими, что делает их незаменимыми в экспериментах с космическими лучами Однако до последнего времени этот новый трековый прибор редко применялся в установках, предназначенных для изучения сильных взаимодействий космических частиц с ядрами. Это объясняется несколькими причинами.

Во-первых, широкому применению искровых камер должен был предшествовать целый период исследования различных свойств самих искровых детекторов. Прежде всего, необходимо было выяс­ нить такие характеристики искровых камер, как точность следо­

6

вания искры по треку, ливневую эффективность и зависимость этих параметров от угла падения частиц, время жизни ка­ мер и т. д.

Во-вторых, не существовало адекватных методов обработки ин­ формации, получаемой при помощи искровых камер, позволяющих восстанавливать с необходимой точностью пространственную кар­ тину фиксируемого события при энергиях выше сотен гнгаэлектронвольт. Дело в том, что отсутствие характерных индивидуаль­ ных особенностей треков в искровых камерах делает невозмож­ ной их визуальную «нумерацию» (т. е. нахождение соответствия между следами на различных проекциях изображения). Задача осложняется также из-за большой множественности и малых углов вылета вторичных частиц относительно направления первич­ ных. Поэтому стандартная методика обработки ливней, применя­ емая в экспериментах на ускорителях, была малопригодной для указанных целей, что потребовало создания новых методов обработки.

Следует также отметить, что осуществление совместной работы искровых камер с ионизационным калориметром в одной установ­ ке наталкивается на большие трудности, связанные с необходи­ мостью регистрации импульсов от ионизационных камер, имеющих малую амплитуду и пологий фронт нарастания ( ~ 15 мксек) в ус­ ловиях высоковольтных помех, возникающих при срабатывании искровых камер. Создание системы экранирования установок с большой эффективной площадью является довольно трудной тех­ нической задачей. В связи с этим возникла необходимость разра­ ботки быстрых детекторов энергии, позволяющих в течение корот­ кого промежутка времени ( — 1 мксек) осуществить разделение регистрации сигнала п последующей подачи высоковольтного им­ пульса на электроды искровых камер без ухудшения качества треков.

Впервые широкозазорные искровые камеры были применены группой сотрудников лаборатории элементарных частиц ФИАН

СССР [22] для измерения сечения неупругого взаимодействия ней­ тронов и пионов космического излучения с ядрами углерода, желе­ за и свинца при энергии 10" эв. Использование нового трекового прибора позволило существенно снизить систематические ошибки измерения. Для определения первичной энергии авторами [23] раз­ работан искровой калориметр (искрометр), в котором в качестве детекторов ионизации применены искровые камеры, расположен­ ные между фильтрами из железа. В дальнейшем эта установка использовалась для изучения множественности вторичных частиц, генерированных в алюминиевой мишени при энергии -—200 Гэв [24, 25]. Однако небольшая светосила установки и применение искро­ метра, основным недостатком которого является ограниченность энергетического диапазона (несколько сотен гигаэлектронвольт), не позволили авторам продвинуться в область больших энергий.

Большой интерес вызвали экспериментальные результаты, по-

/

лученные в США группой Джонса при помощи установки с искро­ выми камерами [112]. Энергия первичных частиц в [112] измеря­ лась калориметром площадью 6,25 м2, в котором детекторами ионизации служили сцинтилляционные счетчики. Широкозазорные искровые камеры с эффективной площадью 4 м2 были расположе­ ны над и под жидководородной мишенью. Часть эксперименталь­ ного материала была получена с углеродной мишенью. Геометриче­ ский фактор установки составлял 0,7 м2-стерад. Анализировались лишь события, вызванные заряженными первичными частицами. В результате получен значительный статистический материал о сечении неупругих протон-протонных соударений и множественно­ сти вторичных частиц в интервале энергий 1011 —ІО12 эв.

Фотографирование искровых камер производилось фотокамера­ ми, оптические оси которых располагались под углом 90° друг к другу. Так как изображение трека на одной из проекций не могло быть связано с изображением трека на другой (т. е. невозможна «нумерация»), авторам не удалось восстановить пространственную картину ливня [112]. Этот недостаток установки не позволил ис­ следовать угловые распределения ливневых частиц в индивидуаль­ ных событиях, так как была потеряна информация о полярных п азимутальных пространственных углах вылета этих частиц. В рабо­ те [112] получено лишь суммарное для всех ливней распределение проекционных углов вылета вторичных частиц.

Другим, на наш взгляд, недостатком этой установки является отсутствие возможности измерения такой важной энергетической

званных только заряженными частицами, не дает возможности ис­ следовать свойства пнон-нуклонных столкновений путем сопостав­ ления характеристик взаимодействия нейтральных и заряженных первичных частиц.

Таким образом, становится очевидным, что для перехода к ис­ следованию сильных взаимодействий пионов и нуклонов в области энергий от сотен до нескольких тысяч гигаэлектронвольт необходи­ мо создание установок нового типа, в которых «быстрый» детек­ тор энергии сочетается с искровыми камерами, покрывающими площадь до десятка квадратных метров. С этой целью в 1963 г. на высокогорной станции «Кум-Бель» нами были начаты работы по созданию установки, предназначенной для изучения характери­ стик неупругого взаимодействия адронов космического излучения при энергиях 2-10п—2-1012 эв и возможного механизма прямой генерации мюонов в области энергий ІО12—ІО13 эв.

Проект установки и программа экспериментов изложены в ра­ ботах [95—97]. В создании установки, введенной в действие в 1969 г., принимали участие авторы настоящей работы и научные сотрудники лаборатории космических лучей ИЯФ АН УзССР

8