книги из ГПНТБ / Григоров, Н. Л

пионов рождаться и другие частицы. Значения Мтаъ приведены в таблице. Среднее значение

<Л/тах> = 2 , 4 ± 0 , 3 Гэв.

Рассмотренные экспериментальные данные дают принципиаль­ ную возможность вылепить, можно ли б'-систему отождествлять с изобарой. Если тяжелая изобара существует реально, то в резуль­ тате ее распада должен появляться нуклон. При этом необходимо,

ЧТОбы В Ы П О Л Н Я Л О С Ь уСЛОВИе Д М 3 = Мщах — Mmln > Л/N, где M JV ~ т 1 Гэв — масса нуклона. Как видно из табл. 5.7, где приведены значения AMS, это неравенство выполняется только в двух случаях из шести (в среднем по шести случаям <AJV/S> = 0,8 ± 0,2 Гэв). Из этого экспериментального факта следует, что генерация высокоэнергпчных у-квантов в ядерных взаимодействиях, как правило, идет не через образование тяжелых изобар. Это утверждение спра­ ведливо, если формально определенная S-система (система, в ко­ торой сумма продольных импульсов л°-мезонов равна нулю) соответствует изобаре, изотропно распадающейся в собственной

на установках «А» и «Б» также сотрудниками Ереванского физиче­ ского института [33] и Краковского института ядерных исследо­ ваний [112]. Эти измерения проводились в основном при помощи методики, описанной выше, и примерно по одной и той же прог­ рамме. Поэтому для этих работ можно провести полное сравнение всех характеристик зарегистрированных событий.

В работе [112] опубликовано 18 событий с известной первич­ ной энергией, зарегистрированных установкой «А» и обработан­ ных в Кракове и Москве. Пять событий были обработаны в Москве. Четыре из них включены в табл. I Приложения и обсуждались при предыдущем анализе (события № 1 , 2 , 4, 6). Диапазон энергии первичных адронов, энергии, переданной у-квантам, и среднее зна­ чение величины <А'я о> для 13 событий, обработанных в Кракове, представлены в табл. 5.8. Более половины из этих 13 ливней — ре­ зультат взаимодействия в свинцовых фильтрах.

В работе [33] опубликованы характеристики 11 ливней, заре­ гистрированных в установке «Б» и обработанных в Ереване. Одно из них обработано также и в Москве и приведено в табл. I Прило­ жения (событие № 15). Характеристики остальных 10 событий, об­ работанных в Ереване, приведены в табл. 5.8. В работе [33] стро­ гий отбор взаимодействий в графите не проводился. Поэтому среди 10 событий, по-видимому, есть взаимодействия в свинцовых фильт­ рах и не исключена возможность примеси ливней, приходящих из воздуха.

вичной частицы и, следовательно, нельзя определить коэффициент неупругости Кло. Поэтому можно сравнивать только некоторые характеристики взаимодействий, зарегистрированных методом контролируемых эмульсий и в указанных выше работах. В первую очередь — это множественность у-квантов и их угловое и энергети­ ческое (в масштабе ЕУ1ЪЕ^) распределения.

В табл. 5.10 приведены результаты сравнения некоторых ха­ рактеристик для взаимодействий с примерно одинаковой суммар­ ной энергией родившихся у-кван­ тов, зарегистрированных методом контролируемых эмульсий и в ра­ ботах [ИЗ, 114, 115] (данных, по­ лученных на горе Чакалтая, в таб­ лице нет, так как в работе [67] не приводятся характеристики инди­ видуальных событий).

Во всех работах минимальная детектируемая энергия отдельного у-кванта -Ё^ппп примерно одинако­ ва и составляет ~5> 101 0 эв. Исклю­ чение составляет лишь работа [115],

оних не всегда публикуются.

Поэтому основное сравнение экспериментальных данных прове­ дено для ливней с Пу ^> 2. Для ливней с ?zv ^> 2 в таблице приве­ дены <,p±f}, <wY> и величина (Еугпа-и/^ЕуУ, которая характеризует спектр генерации у-квантов (Еутах — энергия самого энергичного у-кванта в ливне). Как видно из таблицы, эти величины, экспери­ ментально измеренные во всех работах, весьма близки. Исключе­ ние составляет лишь то, что у нас (,р±уУ получилось несколько меньшее, чем в остальных работах. По-видимому, это обстоятель­ ство связано с дискриминацией в работах [ИЗ—115] событий с ма­ лыми углами вылета у-квантов (в неразделенных стволах).

Для иллюстрации на рис. 5.8 приведены спектры генерации у-квантов i V ( > Еу/ИЕу), полученные методом контролируемых

фотоэмульсий и в работах [113, 114], а также в работе [116], вы­ полненной на горе Норикура. В работе [116] анализировались ливни с НЕ у ! > 5 - 1 0 1 2 эв, возникшие в результате взаимодействия адронов в воздухе. Минимальная измеримая энергия у-квантов в этой работе составляла 5 - Ю 1 1 эв, так что EyfZEy было такое же, как ц в других экспериментах. Как видно из рисунка, во всех работах наблюдается одинаковый спектр генерации у-квантов с показателем экспоненты 0,14—0,18. В работе группы ФИАН полу­ чен показатель экспоненты 0,17+0,02 [117].

Во всех рассмотренных эмульсионных работах первичная час­ тица не ндентифицнровалась, и с этой точки зрения ответить на вопрос, какова природа частиц, ответственных за взаимодействия с А"я о ]> 0,5, не представляется возможным. Но в области мень­ ших энергий (Е0 ^> 101 1 эв) такой ответ получить можно, если об­ ратиться к экспериментам, выполненным с камерой Вильсона, объединенной с ионизационным калориметром [108, 29]. В этих экспериментах можно было разделить первичные частицы по при­ знаку наличия или отсутствия у них электрического заряда.

Если использовать первичные данные [108] и Отобрать взаимо­ действия частиц с Е0 ]> 100 Гэв, то окажется, что на 14 взаимодей­ ствий нейтральных частиц в графитовой мишени наблюдалось 7 с

ментальные данные работы [29], то окажется, что на 13 взаимодей­ ствий нейтральных частиц в графитовой мишени, находившейся в

Таким образом, прямые наблюдения с помощью камеры Виль­ сона, совмещенной с ионизационным калориметром, показывают, что вероятность взаимодействия с ядрами углерода частиц с энер­ гиями Е0^Ю0Гэв, при которых К„» ;> 0,5, для нейтральных и за­ ряженных частиц в пределах ошибок измерений (правда, весьма больших) одинакова.

действий первичной частицы в мишени, т. е. они являются харак­ теристикой одного акта взаимодействия. Кроме того, наличие ка­ меры Вильсона позволило бы установить, что наблюдаемый ливень состоит из групп частиц, сходящихся в разные точки мишени.

Из этих (к сожалению, немногочисленных) экспериментальных данных следует, что по крайней мере при энергиях в несколько сотен Гэв нейтральные частицы (нейтроны) испытывают взаимо­ действия с большим значением Кло ^ 0,5 с той же вероятностью, что и заряженные частицы (протоны + пионы). А так как пионы составляют в потоке адронов только та 25%, то очевидно, что на-

блюдаемые в нижней части атмосферы взаимодействия с Кпа

я°-мезонов, играют определяющую роль такие процессы, в кото­ рых я°-мезонам передается доля энергии, существенно большая, чем в среднем, пришли и авторы работы [71]. Эти измерения про­ водились на высотах, где давление атмосферы 197 г/см2 и доля пио­ нов в потоке адронов мала 10%). В работе [71] получены сле­ дующие результаты: эффективная доля энергии (ДЭ ф), передавае­ мая всем я°-мезонам при регистрации ионизационного толчка, равна 0,22, а один я°-мезон во взаимодействии нуклона с ядром

ей Е ^> ЕкйСК, a W — вероятность взаимодействия адронов в уста­ новке. В § 5.2 отмечалось, что авторы [71] принимали поток ад­ ронов на глубине 197 г/см2 почти в 2 раза большим, чем истинный. Поэтому и величина < Дэф) в этой работе занижена в 2 раза. Следо­ вательно, в 21 '1 '' т 1,5 раза занижены значения < ДЭ ф> и энергия, получаемая энергичным я°-мезоном. С учетом сказанного, из ра­ боты [71] следует, что <Д|£> = 2,0-(0,08+0,02)•= 0,16+0,04 =

=(0,34±0,05)1 '7 , т. е. эффективная доля энергии, передаваемой

при взаимодействии всем я°-мезонам,

< Д э ф > = 0,34 + 0,05,

а один я°-мезон получает в среднем 0,14' 1,5 = 2 1 % энергии пер­ вичного нуклона. В предыдущей главе было показано, что при вза­ имодействии в графитовом фильтре толщиной 60 г/см2 я°-мезонам

больше или значительно меньше этой величины. При регистра­

гистрации толчков в основном отбираются взаимодействия, в ко­ торых я°-мезоны получают энергию большую, чем в среднем. Из­ ложенные выше экспериментальные данные показывают, что при регистрации ионизационных толчков <А"яо> = 0,63+0,05, т. е. примерно в 2 раза больше, чем величина < ДЭ ф> = 0,34+0,05,

которая получается из работы [71]. Это связано с тем, что авторы работы [71] считают, что каждое взаимодействие в равной мере эффективно с точки зрения создания детектируемого ионизацион­ ного толчка. Различие <Кл о} и < АЭф> в два раза означает, что толь­ ко около половины всех взаимодействий эффективны при генера­ ции толчков, что, собственно, и видно из рис. 4.15.

Поскольку при регистрации ионизационных толчков отбирают­ ся взаимодействия, в которых все я°-мезоны получают энергию

каждом взаимодействии нуклонов противоречит реальному меха­ низму образования я°-мезонов высокой энергии.

Таким образом, основные характеристики взаимодействий, в которых рождаются я°-мезоны высоких энергий (Ело Ю 1 2 эв), полученные во всех работах, выполненных на высотах гор и вбли­ зи границы атмосферы, практически совпадают. Это дает основа­ ние утверждать, что по всей толще атмосферы генерация у-кван­ тов высокой энергии происходит в результате взаимодействия нуклонов с э н е р г и е й Е 0 ^10 1 2 эв с легкими ядрами атмосферы. При

Следует отметить, что эти выводы не противоречат данным о генерации у-квантов в р-р-взаимодействиях при энергиях — 1 0 1 2 эв в экспериментах на встречных пучках [120].

Глава VI

«Молодые» атмосферные ливни

Экспериментальные данные, полученные методом контролируе­ мых фотоэмульсий, показали, что при энергиях <—- 5 - Ю 1 2 эв с ве­ роятностью — 1 0 % нуклоны в результате взаимодействия более половины своей энергии передают я°-мезонам. Возникает естест­ венный вопрос: сохраняется ли такой механизм взаимодействия нуклонов с легкими ядрами и при более высоких энергиях? В пер­ вую очередь представляет интерес диапазон энергий 101 3 — 101 4 эв, так как он является переходным от области высоких энергий к сверхвысоким энергиям, ответственным за образование широких атмосферных ливней.

Из-за малой интенсивности частиц с энергией свыше 101 3 эв регистрировать их прямыми, визуальными методами (например, методом контролируемых ядерных фотоэмульсий) в глубине ат­ мосферы практически невозможно. Авторами был предложен следующий метод изучения взаимодействий частиц с энергиями ^ 101 3 эв [85]. Если взаимодействия происходят достаточно близко над установкой, то возникающие в результате взаимодействия электромагнитные каскады не успеют развиться и будут иметь ма­ лые поперечные размеры. При этом все ливневые частицы высокой энергии будут падать на установку и энергию всего каскада мож­ но определить по показаниям ионизационных камер, расположен­ ных под свинцовым фильтром. Если ниже поместить ионизацион­ ный калориметр или установку для регистрации ионизационных толчков, то можно измерить суммарную энергию адронов, остав­ шихся после взаимодействия. Таким образом, появляется возмож­ ность оценить долю энергии, которую нуклоны высокой энергии передают в результате взаимодействия в мягкую компоненту, т. е. величину Кло.

Предложенный метод позволяет существенно повысить (по сравнению с методом контролируемых фотоэмульсий) наблюдае­ мую частоту событий с большой передачей энергии я°-мезонам. Из последующего будет видно, что отобранные события происходят в слое воздуха толщиной ~ 100 г/см2. Это впять раз больше тол­ щины графитовой мишени, примененной в методе контролируемых фотоэмульсий. Только за счет этого частота событий с большой передачей энергии я°-мезонам возрастает примерно в 5 раз. Кроме то­ го, взаимодействия будут происходить на высоте — ХВз над установ-

кой, где поток нуклонов в 2—3 раза больше, чем на уровне наблю­ дения. В результате частота отбираемых событий возрастет в 10—15 раз по сравнению с частотой таких же событий, зарегистри­ рованных методом контролируемых фотоэмульсий.

Рассматриваемый метод — это, в принципе, метод регистрации ионизационных толчков, с той разницей, что изучаемые взаимо­ действия происходят не в фильтрах установки, а в слое воздуха над ней. Толщина этого слоя достаточно велика (2—3 каскадные единицы), поэтому уже в нем (в атмосфере) начинает развиваться электромагнитный ливень. Хотя на ранних стадиях развития он характеризуется резкой пространственной концентрацией энер­ гии, но из-за малой плотности воздуха ливень все же имеет по­ перечные размеры, измеряемые десятками сантиметров. Поэтому, отбирая атмосферные лнвни с большой пространственной концент­ рацией потока энергии, мы будем регистрировать ливни, находя­ щиеся на ранней стадии своего развития, с малым значением воз­ растного параметра s («молодые» атмосферные ливни, м.а.л.).

Некоторой вариацией этого метода являются работы японской группы, применяющей для изучения «молодых» электронно-фотон­

Первые измерения, в которых регистрировались взаимодейст­ вия адропов с энергиями i>10 1 2 эв с ядрами атомов воздуха, были проведены в 1959 г. на уровне моря (в Москве) [85]. Использован­ ная установка, схема которой приведена на рис. 6.1, состояла нз

Рис. 6.1. Схема установки, работавшей на уровне моря [85].

четырех рядов импульсных ионизационных камер, расположен­ ных во взаимно перпендикулярных направлениях. В каждом ря­ ду находилось 33 камеры длиной 330 см и диаметром 10 см. Полез­ ная площадь установки составляла 10 м2. Каждая из 132 камер была соединена со своим усилителем, измеряющим импульсы в 300—400-кратном диапазоне амплитуд. Регистрация импульсов в камерах происходила каждый раз, когда в любых двух или бо­ лее рядах камер величина ионизации превышала заданную вели­ чину. Часть времени установка работала с годоскопом из 250 счет­ чиков, расположенных на разных расстояниях от установки.

Во время работы установки в I и I I рядах камер наблюдались ионизационные толчки, при которых почти вся ионизация была со­ средоточена в круге радиусом -г 20 см. При последующей обра­ ботке были отобраны случаи, когда больше 60% всей ионизации

абсцисс — номер камеры данного ряда, по оси ординат — величина иониза ­ ции, выраженная в числе частиц.

было сосредоточено не более чем в четырех камерах (в круге радиу­ сом 20 см), а величина суммарного по ряду ионизационного толч­ ка превышала 1,5-10'* частиц. Распределение ионизации в одном из таких толчков приведено на рис. 6.2. За 1900 часов работы уста­ новки было зарегистрировано 52 таких случая.

Анализ переходной кривой, созданной частицами электронно-

Регистрация молодых ливней на высотах гор проводилась при помощи установки с рабочей площадью 10 м2, которая содержала шесть рядов ионизационных камер и комбинированные фильтры из свинца и графита (рис. 4.5, стр. 99). В течение некоторого вре­ мени совместно с установкой работали счетчики, включенные в