книги из ГПНТБ / Григоров, Н. Л

роиов <iV>, одновременно падающих на установку (среднее число отдельных «структур»). Как следует из таблицы, при регистра­ ции на площади 10 м2 «структурных» толчков с амплитудой ~ 103 частиц каждый на установку падают в среднем две первичные частицы, в то время как при толчках с амплитудой^ 3• 104 — четыре частицы.

С ростом величины «структурного» толчка, т. е. с ростом сум­ марной энергии группы адронов, одновременно падающих на ус­ тановку, уменьшается расстояние I между наиболее энергичными частицами этой группы, что наблюдалось и ранее [16]. Этот вы­ вод подтверждается данными, приведенными в табл. 4.2, где представлены результаты измерения расстояния между теми ка­ мерами, которые в данном «структурном» толчке зарегистрировали наибольшую ионизацию. При этом требовалось, чтобы величины толчков в этих максимумах (т. е. величины толчков от отдельных адронов) отличались менее чем в два раза. Однако при этом сле­ дует отметить, что, поскольку на определяемую величину (Z> влияют размеры установки (см., например, [52]), то приведенные в таблице значения </> не носят абсолютного характера.

Приведенные данные показывают, что при регистрации адроиов установкой с большой рабочей площадью значительная часть ионизационных толчков вызывается одновременным падением на

Результаты изучения разными авторами вида спектра иониза­ ционных толчков на высотах гор приводят к выводу, что спектр ионизационных толчков у большинства авторов в изучаемом диа­ пазоне величины толчков I является степенным (/ — величина ионизации, выраженная в эквивалентном числе релятивистских частиц). Исторически сложилось так, что спектры ионизационных толчков (и полученные из них спектры адронов) в большинстве работ представляются не в дифференциальном, а в интегральном виде Я ( > I) ~ /-С*-».

Значения показателя степени у — 1 по различным работам, выполненным к 1962 г., приведены в табл. 4.3. (В этих работах измерялись спектры толчков, созданных всеми адронами. В пос­ ледующие годы при помощи ионизационных калориметров изме­ рялись спектры адронов, как правило, идущпх с ограниченным ливневым сопровождением. Поэтому эти результаты в таблице не приводятся.) Как видно, разброс значений (у — 1) существенно превосходит ошибки измерений. Очевидно, что в основе этого разброса лежат методические эффекты, влияние которых в раз­ личных установках могло быть разным.

Мы рассмотрим ионизационные толчки, созданные частицами высокой энергии при взаимодействиях в установке, показанной на

рис. 4.5, т. е. толчки в камерах рядов I I I — V I . Приводимые ниже экспериментальные данные получены примерно за 1000 часов ра­ боты установки. Благодаря значительной площади установки за это время были зарегистрированы ионизационные толчки, соответ­ ствующие прохождению более чем 2 - Ю 5 частиц. Суммарная энер­ гия зт0-мезонов, генерированных в фильтре установки, в этих случаях достигала величины ^ 2-101 3 эв.

Система регистрации ионизационных толчков (для срабаты­ вания установки требовалось совпадение ионизационных импуль­ сов, как минимум, в двух рядах камер) практически исключала регистрацию толчков от ядерных расщеплений. Поэтому толчки, регистрируемые в камерах рядов I I I — V I , могли создаваться только каскадными ливнями, развивающимися в фильтрах уста­ новки. Такие ливни возникают, в основном, при взаимодействиях адронов высокой энергии с ядрами атомов фильтра, но могут, в принципе, вызываться также электронами и фотонами высокой энергии, падающими из воздуха на установку, и электромагнит­ ными взаимодействиями р,-мезонов.

Анализ экспериментальных данных показывает, что на высотах

чем эта величина уменьшается с ростом величины толчка. Вклад в регистрируемые толчки электронно-фотонной компоненты, па­ дающей на установку из воздуха и проходящей через фильтры установки, также мал, так как количество вещества, находяще­ гося над рядом I I I , составляет около 20 лавинных единиц (над другими рядами еще больше). Полученные нами и другими авто­ рами [52, 60, 61] экспериментальные данные показывают, что •такое количество вещества достаточно для поглощения практичес-

ки всей электронно-фотонной компоненты, падающей из воздуха на установку. В то же время частицы электронно-фотонной ком­ поненты, идущие под углом к вертикали и пересекающие боковую поверхность установки, в некоторых случаях могли создавать регистрируемые ионизационные толчки в нижних рядах камер ( I I I - V I ) .

В связи с тем, что частицы высокой энергии имеют довольно крутое угловое распределение с максимумом в вертикальном нап­ равлении, можно ожидать, что ионизационные толчки, вызванные

электронно-фотонной компонентой, падающей из воздуха на бо­ ковую поверхность установки, будут наблюдаться только в край­ них камерах каждого ряда. Для оценки этого эффекта было опре­ делено число толчков величиной более 1,5-103 частиц, зарегистри­ рованных каждой камерой данного ряда, и построена зависимость числа толчков, зарегистрированных камерами, от расстояния меж­ ду камерой и краем установки. Для увеличения методической точ­ ности в каждом ряду были объединены камеры, находящиеся на

крайними камерами, наблюдается в обоих распределениях, но в рядах I I I и I V (сплошная линия на рис. 4.6) этот эффект наблю­ дается только в трех-четырех крайних камерах, в то время как в рядах V и V I (пунктир на рис. 4.6) повышенное число толчков наблюдается в пяти-восьми камерах. Из рис. 4.6 можно сделать вывод, что около 15% всех толчков, зарегистрированных в каме­ рах рядов I I I — I V , вызывается электронно-фотонной компонентой, приходящей из воздуха. Для рядов V и V I эта величина вдвое больше. Поэтому в дальнейшем для определения спектра толч-

ков, вызванных адронами, будут использоваться толчки, заре­ гистрированные только в рядах I I I — I V ионизационных камер.

Для построения спектра ионизационных толчков, зарегистри­ рованных всей площадью установки, величина ионизационного

ограничиться только значениями у — 1 от 1,50 до 1,67 и взять средневзвешенное из результатов измерений разных авторов [16, 56—59], то мы получим {у — 1> = 1,62 ± 0,04. Различие в у — 1 между 1,62 и 1,40 составляет Ау = 0,22 ± 0,07, т. е. примерно в три раза превосходит статистическую ошибку измерений. Сле­ довательно, разница обусловлена методическими эффектами.

Основным методическим эффектом является падение на уста­

созданных в одном детекторе большой площади (10 м2), тогда ионизация, созданная группой частиц, приписывается как бы од­ ной частице. Естественно, что такой спектр не соответствует спек­ тру ионизационных толчков, которые создают отдельные адроны (только такой спектр толчков можно было бы отождествлять с энергетическим спектром адронов).

Для того чтобы в какой-то степени выделить толчки от от­ дельных частиц, одновременно падающих на установку, экспери­ ментальные данные были обработаны следующим образом. В зна­ чительном числе случаев распределение ионизации по камерам в «структурных» толчках таково, что можно определить ионизацию в каждой из отдельных «структурпых» единиц, т. е. величины толчков от отдельных адронов. Если предположить, что аппара­ тура позволяет пространственно разделять все частицы, падаю­ щие на установку, то после разбиения «структурных» толчков на толчки от отдельных частиц мы получили бы истинный спектр толч­ ков, адекватный спектру адронов.

Полученный после такой обработки интегральный спектр толч­

столбец). Поскольку выделить толчки от отдельных адронов в «структурных» толчках можно только в том случае, если рас­ стояние между частицами превышает 30—40 см (иногда и боль­ ше), проведенная обработка экспериментальных данных экви­ валентна регистрации толчков установкой с размерами порядка 40 X 330 см2 т 1 м2. Как видно из табл. 4.4, показатель степени в этом случае больше, чем показатель спектра при регистрации толчков всей площадью установки (10 м2), причем это различие выходит за пределы статистических ошибок.

В то же время из приведенных в табл. 4.2 данных следует, что чем выше энергия частиц (чем больше величины создаваемых ими толчков), тем, в среднем, на меньшем расстоянии друг от друга идут эти частицы в «структурных» толчках. Так, измеренное сред­ нее расстояние между частицами наиболее высокой энергии в «структурных» толчках величиной ~ 104 частиц составляет 40— 50 см. Действительное расстояние между этими частицами меньше измеренного, так как минимальное измеримое расстояние в при-

мененной установке порядка 20—30 см. Частицы, идущие на расстоянии менее 20 см друг от друга, установка вообще разделить не может. Поэтому не исключено, что некоторые «структуры» в структурных толчках и, возможно, некоторые толчки, вошедшие в категорию одиночных, вызываются не одной, а несколькими час­ тицами, идущими на расстояниях друг от друга меньше 20—30 см.

Для того чтобы улучшить разрешающую способность аппара­ туры и, следовательно, уменьшить вероятность регистрации групп частиц, были построены спектры толчков, зарегистрированных отдельными камерами с размерами 10 х 330 см2 каждая. Для увеличения точности полученные данные были затем просумми­ рованы по всем камерам данного ряда. Результаты такой обра­

площадью установки.

Как следует из табл. 4.4, вид спектра толчков существенно зависит от площади измеряющей аппаратуры, от ее способности пространственно разделять отдельные частицы в группах. Чтобы проверить этот вывод, были обработаны аналогичным образом экспериментальные результаты, полученные на установке пло­ щадью 0,6 мг [16] (рис. 4.3). Спектр толчков, регистрируемых всей площадью этой установки, а также спектр толчков, заре­ гистрированных в отдельных камерах, также приведены на рис. 4.7 (кривые а' и <?'). При построении спектров числа толчков оди­ наковой величины, зарегистрированных обоими рядами камер, формально складывались її результат делился на 2. Как видно из рис. 4.7, в этом случае спектры толчков, полученные в резуль­ тате различной обработки, существенно отличаются друг от друга. Если спектр толчков, регистрируемых всей площадью установки (0,6 м2), имеет показатель у — 1 = 1,58 ± 0,12, то спектр толч­ ков, регистрируемых отдельными камерами диаметром 4 см, ха­ рактеризуется показателем 7 — 1 = 1,85 + 0,13.

Таким образом, при достаточно больших размерах детекторов ионизации отличие спектра толчков от спектра отдельных частиц может быть очень велико. Отметим, что все эти данные о спектрах толчков, регистрируемых установками разной площади, получены лри работе одной и той же установки и отличаются лишь способом обработки экспериментальных данных. Конфигурация установки, система отбора событий, время работы, высота уровня наблюде­ ния, наконец, неконтролируемые изменения параметров установки (если они существовали) во всех случаях были одинаковые.

Вернемся к табл. 4.3, где в последнем столбце приведены пло­ щади установок, применявшихся в соответствующих работах. Обращает на себя внимание тот факт, что с увеличением площади установки уменьшается значение показателя у — 1, в то время как результаты, полученные на установках примерно одинаковой

площади, находятся в удовлетворительном согласии друг с дру­ гом. Поэтому данные, приведенные в табл. 4.3, можно рассмат­

вероятность падения на ионизационную камеру групп адронов. Это приводит к тому, что величина ионизационного толчка явля­ ется мерой энергии группы частиц, а не отдельной частицы. Естественно, что при таких условиях спектр толчков не соответст­ вует энергетическому спектру адронов на данном уровне наблю­ дения. При этом влияпие групп частиц на вид спектра регистри­ руемых ионизационных толчков существенно зависит от разме­ ров регистрирующей аппаратуры, а при данной аппаратуре — от плотности атмосферы, т. е. от высоты уровня наблюдения. Имен­ но поэтому следует ожидать, что спектры толчков, измеренные в работах [51, 16, 56—59], где не было учтено групповое падение частиц, не соответствуют спектру адронов на высотах гор.

Из всего сказанного следует, что для правильного измерения энергетического спектра адронов в области высоких энергий при помощи ионизационных камер необходимо применять установки с детекторами ионизации малых размеров, так как при этом умень­ шается вероятность одновременного падения на один детектор нескольких частиц и спектр измеряемых толчков приближается к энергетическому спектру адронов. По этой причине спектр толч­

Зависимость показателя спектра толчков от площади аппаратуры в принципе может вызываться и какими-либо другими методичес­ кими эффектами. Например, при увеличении энергии каскада может сильно меняться угловое распределение ливневых частиц, выходящих из фильтра. В этом случае распределение ионизации по камерам будет зависеть от величины толчка и спектр толчков по отдельным камерам может отличаться от спектра на всей пло­ щади установки. В частности, такое различие должно прояв­ ляться и при регистрации одиночных частиц.

Чтобы убедиться в отсутствии подобных методических эффек­ тов, был проведен следующий анализ. Для одиночных толчков были построены спектры толчков в отдельных камерах и на всей площади установки. Они приведены на рис. 4.8. Спектры имеют одинаковый вид, их показатели у — 1 в пределах ошибок ( + 0,1) совпадают. Отсюда следует, что при регистрации толчков отдель­ ной камерой получается такой же спектр, какой был бы получен при измерении всей ионизации, созданной каскадом.

Чтобы спектр толчков охватывал максимально широкий диа­ пазон величин толчков, необходимо данные, полученные разными установками, в разных диапазонах значений / , «сшить» между собой. Очевидно, что при этом необходимо воспользоваться

10

I

§ кг'

такими измерениями, в которых наименьшим образом сказыва­ лось бы влияние групп частиц.

рядам спектр приведен на рис. 4.9. Усреднение велось так же, как и для установки площадью 0,6 .и2.

Абсолютная частота толчков в отдельных камерах установки площадью 0,6 м2, показанной на рис. 4.3, в 2,4 раза меньше, чем в установке площадью 10 м2 (это видно из рис. 4.7). Проведенные оценки показали, что из-за различной толщины фильтров в этих установках частота толчков должна отличаться в 2,2 раза. По­ этому спектр толчков, зарегистрированный отдельными камерами

Спектр толчков, зарегистрированных в работе [54] иониза­ ционной камерой площадью 0,1 м2, как по абсолютной интенсив­ ности, так и по наклону практически совпадает со спектром толч­

«2-Ю2 частиц). Эти данные тоже нанесены на рис. 4.9.

Как видно из рис. 4.9, спектры толчков, зарегистрированных установками разной площади (0,1 м2; 0,6 м2 и 10 м2), но имеющими хорошую разрешающую способность (детекторы малых размеров), характеризуются близкими показателями степени у — 1 и хоро­ шо «сшиваются» друг с другом.

Для получения спектра ионизационных толчков, обусловлен­ ных только адронами, в спектр толчков, полученный с помощью отдельных ионизационных камер, необходимо внести поправки, связанные с генерацией толчков мюонами высокой энергии и с регистрацией электронно-фотонной компоненты центральных об­ ластей широких атмосферных ливней (последнее относится, в основном, к результатам, полученным на установке, изображенной на рис. 4.5). Эти поправки вводились следующим образом. Спектр-

Таким образом, чтобы определить спектр ионизационных толчков, созданных в установке адронами, помимо спектра всех толчков необходимо знать спектр толчков, созданных в установке (х-мезо- нами, и спектр толчков от частиц электронно-фотонной компо­ ненты, падающих на боковые поверхности.

[49], исходя из следующих соображений.

Мюоны создают только неструктурные толчки. Так как нас интересуют толчки с / > 1,5-103 частиц, то такие толчки могут создавать мюоны с Е[Х > 2-1011 эв. У таких мюонов распадный пробег больше 103 км. Следовательно, интенсивность толчков от мюонов на высоте гор (3,2 км) и на уровне моря будет практически одинаковой.

Авторы [49] измеряли спектры ионизационных толчков в камерах I I I и I V рядов (см. рис. 4.5) на уровне моря и на высоте гор. Поэтому был известен высотный ход интенсивности одиноч­ ных толчков разной величины I . Следовательно, можно написать:

хг/см2.

Имея в виду, что поток адронов поглощается по экспонен­ циальному закону, можно написать:

Поэтому из двух уравнений (4.15) и (4.16), используя соотношение (4.17), имеем:

Для этого строились распределения числа сработавших камер (подобные изображенным на рис. 4.6) для разных значений ве­ личин толчков / . Из-за больших ошибок, получающихся при вычитании спектров, построить таким способом спектр удалось только в диапазоне 1 , 5 - 1 0 3 ^ 1,5-104 частиц. В области боль­ ших толчков были использованы экспериментальные данные, по­ лученные при помощи двух верхних рядов (I и И) установки, изображенной на рис. 4.5, регистрирующих частицы электроннофотонной компоненты. Установка срабатывала, когда в каждом