книги из ГПНТБ / Христиансен, Г. Б

учетом флуктуации величины ns. Когерентная дифракционная ге­ нерация пионов7 2 , для которой свойственны малые р\_, как пока­ зывает расчет [161], вряд ли сможет объяснить наблюдаемую ча­

F (т) dm — m-Wv+v dm, а угловое распределение пучков с заданным т Fm(®)~secV<*$. Полагая а ^ 0 , 8 и у = 1,6, имеем Fm (•&) = sec2 т>.

Когерентной дифракционной генерацией называется генерация вторичных ча­

120

Согласно данным [160] зависимость от г> значительно слабее. Является ли этот факт аргументом в пользу быстрой генерации мюонов или же расхождение эксперимента и расчета — следствие необходимости учитывать конечный размер установки — покажут дополнительные исследования.

Интерпретация функции пространственного распределения мюо­ нов. Вернемся теперь к вопросу об интерпретации эксперимен­ тальных данных о функциях пространственного распределения Ри(г). Основными причинами пространственного расхождения мюонов являются: 1) поперечные импульсы, приобретаемые их «родителями» пионами и каонами, в актах рождения; 2) кулоновское рассеяние мюонов; 3) отклонение мюонов в магнитном поле Земли. Относительная роль каждого из этих факторов зависит от высоты генерации мюонов.

Среднеквадратичное отклонение мюонов за счет поперечных им­ пульсов, приобретаемых пионами в процессе рождения, есть

г2 - f t a _ £ l ,

' СГ — « £ 2 •

Среднеквадратичное отклонение мюонов за счет кулоновского рас­ сеяния при вертикальном направлении оси ливня

h

s

0

где t = — толщина атмосферы в ^-единицах. Наконец, отклонение за счет магнитного поля Земли в случае вертикального направления

Во всех вышеприведенных выражениях принималось, что на про­ тяжении пути h мюон теряет энергию значительно меньшую, чем Е. Для вертикального направления оси ш. а. л. при обычных предполо­

121

— 10^-15 км. При больших углах оси ш. а. л. с вертикалью возмо­ жен, однако, такой случай, когда в силу более сильной зависимости "|/7| и ги от h, чем для Vr\T, магнитное отклонение и кулоновское рассеяние станут превалирующими.

Для проверки возможности объяснения экспериментального пространственного распределения мюонов хотя бы качественно, за счет рассмотренных выше причин интересно получить незави­ симым путем распределение высот зарождения мюонов.

В работе [164] была предпринята попытка найти высоты гене­ рации мюонов различных энергий от 1 до 10 Гэв, попадающих на расстояния порядка сотен метров от оси ливня. С помощью уста­ новки [143] находилось расстояние г от оси ливня до магнитного спектрометра, а также направление оси ливня. По данным верх­

в плоскости наблюдения изменяются при изменении высоты гене­ рации h. Средние значения п, получаемые обоими методами, ока­

Это выражение предполагает, что роль углового отклонения за счет кулоновского рассеяния несущественна, и поэтому оно справедливо с той точностью, с какой это предположение реализуется.

122

от числа частиц в ливне при изменении iV=10 5 - M0 7 и мало изме­ няется при переходе от уровня гор к уровню моря;

2) в этом же интервале пороговых энергий мюонов простран­ ственное распределение коррелирует с параметром s ливня;

3) как показывает эффект пучков мюонов, распределение тра­ екторий мюонов нельзя считать полностью пауссоновым;

4)для качественного объяснения пространственного расхож­ дения мюонов и его зависимости от значения пороговой энергии, достаточно учесть поперечные импульсы, приобретаемые в эле­ ментарных актах ядерного взаимодействия родителями мюонов — пионами и каонами;

5)наибольший интерес представляет детальное исследование

кими энергиями приходится увеличивать значения поперечных им­ пульсов по сравнению с общепринятыми.

существования ядерно-каскадного процесса, так как число я.-а.

мюонов производится с использованием, с одной стороны, их боль­ шей проникающей способности по сравнению с электронами и фотонами, а с другой стороны, их значительно большей ливнеобразующей способности сравнительно с мюонами7 6 .

нитных взаимодействий электронов и мюонов с образованием лив­

я.-а. компоненты выгодно использовать детекторы, состоящие из комбинированного фильтра: сначала тяжелого вещества (для по­ глощения э.-ф. компоненты и понижения роли взаимодействия я.-а.

Если не учитывать ливни от б-электронов, создаваемых мюонами.

123

частиц) и затем легкого (для повышения относительной роли взаимодействия я.-а. частиц). Если рассматривать образование ливней с достаточно большим знерговыделением порядка и более 100 Гэв, то роль мюонов в таком детекторе несущественна из-за уже упомянутой выше малости сечения взаимодействия мюонов. При меньших энерговыделениях могут играть роль небольшие ливни, создаваемые в тяжелом веществе мюонами за счет б-элек- тронов. В этом случае можно использовать ту особенность я.-а. ча­ стиц, что они создают электронно-ядерные ливни, т. е. ливни, содержащие не только э.-ф. компоненту, но и проникающие час­ тицы.

Пространственное распределение я.-а. частиц низких энергий.

Первые детекторы я.-а. частиц, основанные на использовании спо­

лять энерговыделение в ливень, создаваемый я.-а. частицами, хотя

ность я.-а. частиц определялась из соотношения числа событий без я.-а. частиц и с я.-а. частицами с учетом вероятности регистрации. Пространственное распределение я.-а. частиц, регистрируемых та­ кими детекторами, было измерено в работах (165, 166].

Уже на первых стадиях исследования я.-а. компоненты были предприняты попытки регистрации я.-а. частиц с помощью камер Вильсона большого размера, содержащих пластинки тяжелого вещества (железо, свинец) для наблюдения развития з.-ф. лавин и проникающей способности вторичных частиц, генерируемых в пластинах я.-а. частицами {167, 168]7 7 . С помощью этого метода оценка энергии я.-а. частиц могла проводиться более точно путем

сти. Несмотря на значительную неопределенность в оценке энер­ гии (фактор —2) метод камер Вильсона можно считать более со-

Э.-ф. компонента ш. а. л. дает ливни уже в верхней пластине вещества и благодаря этому ее роль может быть исключена.

124

вершенным, во-первых, как визуальный, и, во-вторых, потому, что в этом методе известна степень неопределенности в оценке энергии.

В связи с широким применением при изучении вариаций кос­

произошло в работе [170], где получены спектры нейтронных крат-

7 8 Т. е. число случаев регистрации одного, двух, трех и т. д. нейтронов.

125

ботах [139, 193]. Энергетический порог я.-а. частиц, регистрируе­

по результатам цитированных выше работ. Обращает на себя вни­ мание широкое пространственное распределение я.-а. частиц ма­ лых энергий, близкий характер их распределения на разных высо­ тах и его независимость от N.

С точки зрения исследования характеристик ядерно-каскадно­ го процесса наибольший интерес представляло бы, конечно, изуче­ ние я.-а. частиц более высоких энергий7 9 .

Пространственное распределение я.-а. частиц высоких энергий.

Для этих исследований в принципе можно было бы использовать многопластинчатые камеры Вильсона больших размеров. До энер­ говыделений ~100 Гэв в э.-ф. каскад энергию каскада можно определить по сумме числа треков, наблюдаемых под пластинами (как уже отмечалось выше). При более высоких энергиях, когда

этом случае можно дать оценку энергии лавины, если рассматри­ вать ширину области насыщения (т. е. области, где плотность треков превосходит предельную) под каждой пластиной как функ­ цию номера пластины [171].

Аналогичные зависимости можно получить методом МонтеКарло для различных первичных энергий и, таким образом, путем сравнения расчета и эксперимента найти энерговыделение.

Несмотря на косвенный подход к оценке энергии, метод много­ пластинчатой камеры Вильсона является привлекательным благо­ даря тому, что это визуальный метод. Кроме того, он в принципе позволяет определять заряд я.-а. частицы.

В настоящее время на ряде установок созданы большие каме­ ры Вильсона с пластинами для исследования структуры ствола ливня и изучения я.-а. компоненты. Так, в работе [171] упоминает­ ся о создании на установке института Тэта (Индия) уникальной

Мы здесь не останавливаемся на ряде работ по исследованию нейтронной компоненты ш.. а. л. при энергии менее 100 Мэв. При этих энергиях роль протонов ничтожна, так как они теряют всю свою энергию за счет иони­ зационных потерь на пути менее одного пробега относительно ядерного взаимодействия.

126

камеры Вильсона размером 2X1,5X1 м3 с 21 пластиной железа, составляющим около 2-х ядерных пробегов. Аналогичная камера

Рис. 51. а — разрез детектора я.-а. частиц, высокой энергии (видны два ряда цилиндри­ ческих и прямоугольных ионизационных ка­ мер); б — распределение возможных значе­ ний энергии я.-а. частиц, ответственных за создание ионизационных толчков величиной п в установке [174]. Распределения даны для случая падения на установку нуклонов и пио­ нов. Расчет проведен с заданием параметров элементарного акта в соответствии с данными, полученными на ускорителях; в — разрез спектрометра полного поглощения [176]; г —

несколько меньших размеров 1,3X2,0X0,7 м3 уже используется в работах японских физиков [130] (см. также [172]).

127

Значительно большее распространение в последнее время полу­ чил более простой и более светосильный метод — регистрация с помощью ионизационных камер или сцинтилляционных счетчиков энерговыделений я.-а. частиц в достаточно толстых слоях веще­ ства (см. стр. 141). Логическим развитием этого метода можно считать использование для изучения я.-а. частиц ионизационного калориметра или спектрометра полного поглощения [8].

значений энергии Е я.-а. -частицы при заданной величине иониза­ ционного толчка п и в различных предположениях о природе я.-а.

Таким образом, при анализе результатов, например по про­ странственному распределению, полученных как методом камеры Вильсона, так и методом ионизационных толчков, необходимо учитывать возрастающую с расстоянием от оси г вероятность соз­ дания наблюдаемого толчка я.-а. частицами все меньших и мень­ ших энергий.

На рис. 52 дано сравнение пространственного распределения я.-а. частиц высоких энергий от 50 до нескольких тысяч Гэв, со-

128

гласно данным различных работ, упоминавшихся выше. Прямые представляют собой усредненные распределения для различных энергий я.-а. частиц. Здесь же приведены данные работы 076], в которой для регистрации я.-а. частиц высокой энергии исполь­ зовался спектрометр полного поглощения, а также данные работы [196], в которой метод сцинтилляционных толчков сочетался с одновременной регистрацией ливней с помощью рентгеновских пленок, что существенно улучшает пространственную разрешаю­ щую способность.

В работе [176] спектрометр полного поглощения представлял собой детектор, состоящий из 5 слоев сцинтилляторов с фильтром из железа между этими рядами. Общая толщина фильтра состав­ ляла 5 ядерных пробегов. Детектор был достаточно хорошо экра­ нирован сверху и сбоков от проникновения э.-ф. компоненты ш. а. л. (см. рис. 51, в).

В работе [196] использовалось 24 детектора площадью 0,25 м2 каждый (рис. 51,г). Каждый детектор представлял собой систему, состоящую из 10 рядов рентгеновских пленок с 1 см РЬ между рядами, экранированными сверху 6 см РЬ и снабженную располо­ женным внизу сцинтиллятором, с помощью которого отбирались события, соответствующие большому энерговыделению. Если энерговыделение было более 101 2 эв, то проявлялись рентгенов­ ские пленки, расположенные в блоке над сцинтиллятором. Если почернение и направление лавины, наблюдаемое в рентгеновских пленках, соответствовали толчку в сцинтилляторе и направлению оси регистрируемого ш. а. л., то такие события далее анализирова­ лись. Для уточнения положения ливня в сцинтилляторе авторы применяли также электронно-оптические преобразователи.

Сравнение результатов работ, выполненных методом регистра­ ции толчков и методом камеры Вильсона, с результатами, полу­ ченными методом спектрометра полного поглощения, показывают

результат получается и методом спектрометра полного поглощения, неточность в определении Е, зависящая от г, не может его объяс­ нить. Возможно, что этот результат является следствием плохой пространственной разрешающей способности детекторов, что мо­ жет приводить к имитации частиц высоких энергий за счет частиц меньших энергий. Роль этого эффекта могла бы возрасти при больших Е из-за уменьшения среднего расстояния между части­ цами.

Наконец, возможен значительный эффект ошибки в определе­ нии расстояния до оси ливня. Однако в работе [196] исключаются как тот, так и другой эффекты, первый — благодаря высокому про­ странственному разрешению (—-100 микрон), второй — благодаря использованию для определения положения оси системы из искро-