книги из ГПНТБ / Григоров, Н. Л

ной компоненты был пронормирован так, чтобы получить экс­ периментально наблюдаемый вклад их в число толчков I I I и I V ря­

ненты, полученный после такой нормировки, приведен на рис. 4.9 (кривая 2). Ошибки включают в себя неопределенность в норми­ ровочном коэффициенте и статистические ошибки в спектре толч­ ков от электронно-фотонной ком­

свои экспериментальные резуль­ таты трактует как спектр с резким перегибом [58, 59].

Наличие резкого перегиба в спектре частиц безусловно долж­ но быть связано либо с появлением новых процессов во взаимо­ действии частиц при соответствующих энергиях [58], либо с ха­ рактерными изменениями в спектре первичных частиц высокой энергии космических лучей [62]. Каждая из этих причин имеет принципиальное значение, поэтому перегиб в спектре, даже на­ блюдаемый только одной группой экспериментаторов, нельзя игнорировать.

Ниже (§ 4.2) мы попытаемся выяснить методические причины, которые в чисто степенном спектре могут создавать видимость перегибов.

по результатам измерения ионизационных толчков были пред­ приняты в работах [51] и [60]. В этих работах переход от величины

Первые измерения абсолютного потока адронов высокой энер­ гии с помощью ионизационного калориметра были выполнены в 1962 г. на высокогорной станции Арагац [49] (3200 м над уров­ нем моря). Эти измерения проводились ионизационным калори­ метром, изображенным на рис. 3.1. Так как в этом приборе (пло­ щадью я=: 1 м2) применялись цилиндрические ионизационные камеры диаметром 6 см, то случаи одновременного падения на прибор двух адронов на расстояниях 30 см и более друг от друга могли быть хорошо видны и в таких случаях определялась энер-

гия каждой частицы в отдельности. В результате этих измерений было получено, что поток частиц с энергией Е0 ;> 101 2 эв состав­ ляет ^ 0,5 м-2час~1стер-~1.

Измерение энергетического спектра адронов при помощи иони­ зационного калориметра в области энергий свыше 101 2 эв встре­ чает определенные трудности. При малых энергиях на установку падают в основном одиночные частицы и их энергия измеряется правильно. При больших энергиях калориметр будет измерять суммарную энергию всех одновременно упавших частиц. Раз­ делить каскады, созданные в установке отдельными частицами, при этом затруднительно, а в ряде случаев вообще невозможно. Иными словами, повторяется такая же ситуация, как и при ре­ гистрации ионизационных толчков установками большой площа­ ди. Более того, при работе с ионизационным калориметром труд­ но предложить объективный метод обработки экспериментальных данных, аналогичный построению спектра толчков в отдельных камерах.

Попытки измерения ионизации в отдельных камерах авто­ матически сведутся к измерению спектра ионизационных толч­ ков и, таким образом, к потере основных преимуществ калориме­ трического метода.

Тем не менее в некоторых работах, например [23], энергети­ ческий спектр адронов строится путем выделения в «структур­ ных» событиях каскадов от отдельных частиц. Выше уже было показано, что такая операция не может полностью учесть эффект группового падения адронов на установку. Кроме того, она явля­

ие может разделить каскады от отдельных частпц. При суммарной энергии частиц, упавших на установку, свыше 5 - Ю 1 2 эв такие события составляют свыше 30% . Естественно, что все эти эффек­ ты должны сказываться на результатах измерений.

Эти трудности можно обойти, воспользовавшись выражением (4.14). В самом деле, это выражение показывает, что спектр ад­

лютным значениям потоков адронов той же энергии Е.

Поэтому прежде всего перейдем от спектра ионизационных толчков к спектру электромагнитных каскадов. Мы это сделаем для толчков, измеренных отдельными камерами установки, изоб­ раженной на рис. 4.5. Каждый ионизационный толчок вызывается электромагнитным каскадом, развивающимся в свинцовом фильтре и пересекающим оба ряда ионизационных камер ( I I I и I V ) . Вели­ чина толчков прямо пропорциональна числу частиц в каскаде, ко­ торое в свою очередь определяется энергией каскада. Поэтому от измеренного спектра ионизационных толчков можно перейти к энергетическому спектру электромагнитных каскадов.

дов, построенный по измерениям толчков в отдельных камерах,

в верхнем (графитовом) фильтре я°-мезопам (по величине толчка,

ионизационным калориметром суммарная энергия, оставшаяся после взаимодействия у всех адронов.

Из всех зарегистрированных событий были отобраны только случаи падения на установку ОДРГНОЧНЫХ адронов, проходящих в пределах телесного угла установки, т. е. .требовалось наличие в ионизационном калориметре одного «ствола», не пересекающего' боковую поверхность установки. Кроме того, чтобы исключить из последующего анализа случаи взаимодействия в верхнем свии-

цовом фильтре и атмосферные ливни, требовалось отсутствие ио­ низации на продолжении ствола в камерах X I и X I I рядов, хотя суммарная ионизация в этих рядах могла достигать 2000 частиц.

Во время одного из периодов работы установки (612 часов) были зарегистрированы 642 одиночные частицы с энергией Е0

У777УУУУ/>УУУУУУУУУУУУ/УУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУУ

ЇУУШУШШШШУШУ^^ І ;;

xyywyyyy)yyyy/yyy^/y/yyyyyyyyyyyyyyyyyyyy/yyyyyyyyyyyyyyyy у/у//// w~yy

У7?УУУУУУ,'УУУ/УУУУУУУУУУУУУ/УУУУУУУУ/УУУУУУУУ/У/УУУУУУУУУУ//У/УУЛ

їм

І

Рис. 4.13. Схема комбинированной установки для измерения WB3 и <u„71>-

!> 8 • 101 1 эв. Отбор событий в это время велся по величине энергии, выделенной частицей во всей установке. Значительная часть этих адронов создала ионизационные толчки под графитовым фильтром (413 событий). Для частиц, испытавших взаимодействия в верх­ нем (графитовом) фильтре установки, были построены их энер­ гетический спектр и спектр ионизационных толчков (спектр элек­ тромагнитных каскадов). Они приведены на рис. 4.14. В пределах точности измерений оба спектра оказались параллельными. Их показатели у — 1 равны соответственно 2,3 ± 0,1 и 2,3 ± 0,2. Отсюда следует, что по крайней мере в рассмотренном диапазоне энергий адронов (8 - Ю 1 1 — 5 - Ю 1 2 эв) спектр ионизационных толч­ ков действительно повторяет энергетический спектр адронов, т. е. <и^х > = const.

глощается в верхних слоях фильтра и практически не регистри­ руется ионизационными камерами. Сами адроны при этом выбы­ вают из полного потока адронов заданной энергии. Исходя из этого, можно ожидать, что вероятность создания адронами иони­ зационных толчков данной величины в установке, изображенной на рис. 4 . 5 (И^вз), составляет 0 , 8 от соответствующей величины для

Рабочая формула для определения энергетического спектра,

Второй множитель определяется угловым распределением адронов,. т — показатель степени углового распределения, которое ап­ проксимируется функцией вида Ф (0) dQ — cos m 0d9 . Для опре­ деления величины т было построено угловое распределение оди­ ночных адронов. При этом получено, что т = 7 . Таким образом,.

(в работе [ 6 4 ] приводится спектр протонов, для получения потока, нуклонов ординаты этого спектра были увеличены в два раза)..

Прежде чем перейти к обсуждению приведенных результатов,.. нужно сделать два замечания. Во-первых, при построении спект­

тальных данных будет показано, что эта величина одинакова для одиночных адронов и для адронов, идущих в составе групп. Сле­ довательно, ее можно использовать для определения полного по ­ тока адронов.

Во-вторых, при построении энергетического спектра каскадов не учитывалась зависимость коэффициента, служащего для пере­ хода от ионизационного толчка к энергии каскада, от величины толчка (энергии). Учет этой зависимости приведет к тому, что спектр каскадов будет несколько положе приведенного на рис. 4.12

\

!01 \

\

\\

\\

J

J-

•

ЯГ

І 9

10'

Рис. 4.16. Интегральный энергетический спектр адронов на высоте 3200 м над у р о в н е м моря; % — результаты авторов, Х и 4 — результаты работ [66] и [23] . [Пунктир — аппроксимационная формула из [64] .

(величина у — 1 уменьшится на 4%) . С другой стороны, при по­ строении спектра адронов не учитывалось, что показатель у — 1 увеличивается с ростом энергии. Соответственно и величина <ui^> будет разная для разных участков спектра. Расчеты пока­ зали, что отмеченные факторы действуют в разные стороны и прак­ тически компенсируют друг друга.

Как видно из рис. 4.16, полученный энергетический спектр адронов нельзя описать единым степенным законом. Показатель степени у плавно увеличивается с ростом энергии адронов. При

Сравним полученный спектр с результатами других работ. На рис. 4.16 приведены спектры адропов, измеренные при помощи ионизационных калориметров в работах [23, 66]. Абсолютные по­ токи, полученные в работе [23], приведены к высоте 3200 м (по пробегу для поглощения L n = 110 г/см?). Следует отметить, что эти данные, хотя они и получены на калориметрах, не являются «прямыми». В обеих работах в первичные экспериментальные данные вводятся значительные поправки. Поскольку не ясно, на­ сколько полученный в этих работах результат искажен групповым падением частиц на установки и насколько объективно проведено разделение в этих случаях каскадов от отдельных адронов, мы сравним абсолютные интенсивности при энергии частиц 101 2 эв, при которой эффект групп частиц еще невелик. Из рис. 4.16 видно, что в области энергий — 1 0 1 2 эв все полученные результаты достаточно хороню согласуются друг с другом. Абсолютные по­ токи адронов с Е !> 101 2 эв, измеренные в работах [23, 66] и в на­ стоящей работе, равны, соответственно,

(7,9+1,8) • 10-*, (8,0+0,4) • Ю-1 , (7,2+1,6) • 10"1 мГ2 час-1 стер-1.

Такое хорошее совпадение результатов трех работ дает уверен­ ность в том, что полученный результат близок к истинному. Таким образом, вопрос о потоке адронов с энергией Е ~ 101 2 эв на вы­ сотах гор в настоящее время можно считать решенным (расхож­ дение при энергии ~ 5 - 1 0 1 2 , полученное в работе [23], обсуждает­

Для того чтобы проиллюстрировать имевшуюся до последнеговремени неопределенность в абсолютном потоке адронов с энергией Е > 101 2 эв, мы свели все данные в одну таблицу 4.5. При этом результаты измерений, выполненных на разных высотах, мы пе­ ресчитали к одной высоте 3200 м над уровнем моря, считая, что пробег поглощения частиц L n равен 110 г/см2. В скобках во вто­ ром столбце указан метод измерений: (Т) — ионизационные толч­ ки, (К) — ионизационный калориметр. Из таблицы наглядновидно, что хотя измерения с ионизационным калориметром и дают некоторый разброс данных, однако он во много раз меньше, чем разброс абсолютных интенсивностей адронов по измерениям тол­ чков, если соответствующие установки не прокалиброваны эк­ спериментально .