книги из ГПНТБ / Григоров, Н. Л

где т — полное число у-квантов, зарегистрированных во всех событиях. При у я ; 3 эта величина оказалась равной 0,069 + 0,011. Средняя множественность у-квантов в отобранных событиях < ?гт> =

я°-мезонов в таких процессах, усредненная по всем взаимодейст­ виям, равна

а0 = W-(0,44 + 0,11) = 0,035 ± 0,015.

Процесс взаимодействий с большой передачей энергии л°- мезонам обеспечивает 0,035/0,042^85% всех генерируемых у- квантов высокой энергии. Вместе с процессом пионизации они дают

а0 = (0,035 ± 0,015) + 0,01 = 0,045 ± 0,015,

т. е. такое значение, какое было получено из наблюдаемого на раз­ ных высотах потока у-квантов (а0 = 0,042 + 0,003).

Таким образом, взаимодействия с Кпо > 0,5, характеризующи­ еся передачей одному я°-мезону в среднем около 40% энергии пер­ вичного нуклона и происходящие с вероятностью всего ^ 10%, вместе с процессом пионизации полностью исчерпывают основные механизмы генерации у-квантов (т. е. л°-мезонов) высокой энер­ гии. При этом первый процесс является абсолютно доминирую­ щим по вкладу в интенсивность генерируемых л°-мезонов.

Если наряду с рассмотренными взаимодействиями существуют взаимодействия с большой передачей энергии заряженным пионам и такие взаимодействия происходят вдвое чаще, то для них

а, = 2W-(0,44 ± 0,11) = 0,07 + 0,03.

Так как вклад пионизации в генерацию заряженных пионов со­ ставляет 0,016, то полная интенсивность генерации заряженных пионов в обоих процессах 0,09 ± 0,03. Из сравнения потока мюонов и потока нуклонов на границе атмосферы было получено, что ах = 0,095 + 0,010. Таким образом, процесс с большими поте­ рями энергии, когда одному яі-мезону передается в среднем около 40% энергии первичной частицы, вместе с пионизацией полностью обеспечивает наблюдаемую интенсивность пионов и, следователь­ но, мюонов высокой энергии (102 —103 Гэв).

По физической природе весьма близкими к процессу генера­ ции у-квантов являются ионизационные толчки, регистрируемые под тонкими фильтрами, и электромагнитные каскады, наблюдае­ мые в эмульсионных камерах. При изучении ионизационных толч-

ков и электромагнитных каскадов обычно эксперимент ставится так, что регистрируется фиксированная величина энергии 2Еп<>, передаваемой при взаимодействии я°-мезонам.

Если спектр адронов имеет вид F (Е) dE = BE''' dE, а вероят­ ность передачи в фильтрах установки всем я°-мезонам доли энер­

где у — вероятность взаимодействия адронов в установке.

Если слой вещества х0, в котором происходит передача энергии от первичного адрона я°-мезонам, соизмерим с пробегом для взаи­ модействия Яв з , то ( е ^ Ь > (Кіо1}, где Кл* — доля энергии, пе­ редаваемой я°-мезонам в одном взаимодействии адрона. Различие между єя о и Кло связано со вторичными взаимодействиями в тол­ стом слое вещества.

Если регистрируются толчки (каскады), возникающие в резуль­ тате взаимодействий адронов в тонком фильтре, так что вторичны­ ми взаимодействиями можно пренебречь, то ея3 = Кп° и

?гк (Е) dE = v < A V > F (Е) dE.

0,02. Таким образом, в результате взаимодействий с большой передачей энергии я°-мезонам генерируется около 70% всех реги­ стрируемых толчков (под тонкой мишенью).

Обратимся к экспериментальным данным. Долю толчков, воз­ никающих в результате взаимодействий с К„° !> 0,5, можно опре­ делить из результатов, полученных методом контролируемых фото­ эмульсий (см. гл. V ) . В этом эксперименте мишень была достаточ­ но тонка ( ^ 0,25 Яв з ), а отбор событийвелся по величине иониза­ ционного толчка (по энергии электромагнитного каскада). Доми­

5.3 и 5.9. Из 38 взаимодействий в тонкой мишени, отобранных по критерию, чтобы 22?„о ;> Enov, т. е. по величине электромагнитно­ го каскада, созданного всеми рожденными я°-мезонами, в 31 слу­

дит к возникновению в глубине атмосферы молодых атмосферных

взаимодействий с большой передачей энергии нескольким л°-ме- зонам. Во втором случае основные характеристики взаимодей­ ствий были выбраны в соответствии с экспериментальными дан­ ными, полученными методом контролируемых фотоэмульсий

(W < Я У > ж 0,05).

Результаты расчета вместе с экспериментальными данными при­ ведены на рис. 7.2. Как видно из рисунка, абсолютная интенсив­ ность и характер энергетического спектра молодых ливней, созда­ ваемых в процессах пионизации, расходятся с экспериментальными данными. В то же время из рис. 7.2 видно, что большая часть молодых ливней ( > : 60%) зарождаются во взаимодействиях с большими значениями Кл« и малой множественностью рождаю­ щихся п°-мезоиов.

Был проведен расчет сопровождения молодых ливней адронной компонентой в предположении, что оии генерируются во вза­ имодействиях с коэффициентами неупругости К = {К) = 1/2 и (КлоУ = 1/3К. При этом было определено распределение величи­ ны а, равной отношению энергии, которую адроны молодого лив­ ня передают я°-мезонам в фильтрах установки, показанной на рис. 4.5, к энергии электронно-фотонной компоненты самого ливня. Результаты расчета и полученные экспериментальные данные при­ ведены на рис. 7.3. Из этого рисунка также следует, что молодые ливни не могут образовываться в процессах пионизации.

Таким образом, можно утверждать, что и в генерации молодых атмосферных ливней процесс пионизации не играет сколько-ни­ будь существенной роли. Абсолютная интенсивность молодых лив­ ней и их характеристики в основном определяются взаимодейст­ виями с передачей большей части энергии первичной частицы ма­ лому числу л "-мезонов.

Из приведенных выше экспериментальных данных следует, что на высотах гор достаточно часто наблюдаются события, когда при взаимодействиях адронов с ядрами атомов воздуха образуются частицы электронно-фотонной компоненты высокой энергии. Заре­ гистрированы случаи, когда в результате взаимодействия обра­ зуются электронно-фотонные каскады с энергией 5 - Ю 1 3 эв. Та­ кие молодые ливни, зародившиеся в атмосфере на глубине 600— 700 г/см2 воздуха, на уровне моря будут находиться в районе мак­ симума своего развития и содержать более 5 - Ю 4 частиц. Таким об­ разом, на уровне моря они будут регистрироваться как широкие атмосферные ливни.

Большое количество экспериментальных данных, полученных за последнее время, указывает на то, что многие характеристики широких атмосферных ливней (ш.а.л.) сильно отличаются от случая к случаю. Сюда относятся: широкое распределение ливней

по возрастному параметру s [131, 138], большой разброс соотно­ шения энергии адроиной и электронно-фотонной компонент ливня [138, 139], флуктуации интенсивности черепковского излучения, сопровождающего ш. а. л. [140], и т. д. Все эти данные показы­ вают, что флуктуации играют существенную роль в развитии ливней.

Экспериментальные данные, полученные при изучении взаи­ модействий частиц с энергией 101 2 —101 3 эв, показали, что по край­ ней мере в этой области энергий существуют взаимодействия, ха­ рактеризующиеся большим значением коэффициента неупруго­ сти К. В связи с этим нам представляется, что во всех расчетах развитияш. а. л. необходимо учитывать флуктуации коэффициента иеупругости.

В 1958 г. была рассмотрена упрощенная модель развития ш. а. л. в предположении, что процессы с большой неупругостью существуют и при сверхвысоких энергиях [141]. Была рассмотрена упрощенная схема больших потерь энергии, когда вся энергия пер­ вичной частицы Е0 переходит к одному -у-кванту и далее ливень развивается как чистый электронно-фотонный каскад без участия адронов. Уже эти относительно грубые расчеты показали, что если ливии развиваются только от взаимодействий с большим коэффи­ циентом неупругости, то в нижней трети атмосферы они должны иметь такие же средние характеристики, как и наблюдаемые экс­ периментально. Это относится к таким параметрам ш. а. л., как пробег для поглощения, «возраст» ливня (параметр s), показатель спектра ливней по числу частиц, угловое распределение ш. а. л.

Для иллюстрации проведем сравнение рассчитанного распре­ деления ш. а. л. по возрастному параметру s с эксперименталь­ ным. На рис. 7.4 приведены экспериментальные данные о распре­ делении ш. а. л. с числом частиц N = 105 на уровне моря по пара­ метру s [122]. Сплошной линией показано распределение, рассчи­

тарные взаимодействия типа пионизации с коэффициентом неупру­ гости К = 0,5, как, например, в модели [142], то ш. а. л. на уровне моря имели бы распределение по параметру s, которое показано на рис. 7.4 пунктиром. Как видно из рисунка, экспе­ риментальные данные плохо согласуются с предположением, что

определяющим в механизме образования ш. а. л.

Экспериментальные данные, полученные при изучении взаимо­ действий с большой неупругостью в области энергий 101 2 —101 3 эв (вероятность таких взаимодействий, эффективная множествен­ ность рождающихся частиц, их энергетический спектр), позволили

провести расчеты развития ш. а. л. с целью выяснения роли флук­ туации коэффициента неупругости в ш. а. л.

Метод расчета. Исходя из экспериментальных данных, полу­ ченных методом контролируемых фотоэмульсий, мы предположи­ ли, что все взаимодействия частиц, в том числе и при энергиях свыше 101 3 эв, могут быть в первом приближении разделены на два типа: взаимодействия с коэффициентом неупругостн, равным еди­ нице [Кг = 1), которые назовем «катастрофическими» (так как

du/ds

при этом частица теряет всю свою энергию и в дальнейшем разви­ тии ливня не зг частвует), и взаимодействия обычные, т. е. процесс пионизации. Вероятность взаимодействий с большой передачей энергии л°-мезонам была принята равной 10 %. Кроме того мы пред­ положили, что наряду со взаимодействиями, когда почти вся энер­ гия первичной частицы передается я°-мезопам, с вероятностью вдвое большей (20%) осуществляются аналогичные события с пе­ редачей энергии заряженным я-мезонам. Таким образом, «ката­ строфические» взаимодействия реализуются с вероятностью W1 = == 0,3, а процесс пионизации — с вероятностью И7 2 = 0,7.

Чтобы среднее значение коэффициента неупругости было рав­ но 0,5, необходимо считать, что в процессе пионизации коэффици­ ент неупругости Кг = 0,29. Так как пробеги поглощения L„ и взаимодействия Квз адронов в воздухе связаны между собой через среднее значение коэффициента неупругости и показатель энерге­ тического спектра частиц у, то, принимая Яв з = 83 г/см2 ну — 1 = = 1,7, получим для пробега поглощения в воздухе значение L n ^

^120 г/см2.

Для определенности полагалось, что в «катастрофических» взаимодействиях 70% энергии первичной частицы передается трем я-мезонам, причем в одной трети случаев это только я°-ме- зоны, в остальных случаях — только заряженные. Остающаяся

энергия передается большому количеству мезонов таким же обра­ зом, как в процессе пионизации, для которого потерянная энер­ гия распределяется поровну между 10~г-Ео' я-мезонами, где Е0 выражено в эв.

На основе перечисленных предположений были рассчитаны электронно-ядерные каскадные кривые для катастрофических взаимодействий и для процесса пионизации [125]. При расчете учитывались флуктуации мест катастрофических взаимодействий и для упрощения вычислений считалось, что предшествующие им взаимодействия с К„ = 0,29 равномерно распределены в вышеле­ жащем слое атмосферы.

Более подробно все детали расчета и необходимые промежуточ­ ные результаты приведены в работах [125, 144].

Основные результаты расчетов и сравнение с экспериментом.

Рассмотрим, какая часть ливневых частиц возникает в резуль­ тате катастрофических взаимодействий. Если такие ливневые частицы составляют незначительную часть от полного числа частиц ш. а. л., то флуктуации коэффициента неупругости, повидимому, слабо сказываются на развитии ливней и в первом при­ ближении их можно не учитывать. Наоборот, если они составляют большую часть среди всех ливневых частиц, то флуктуации коэф­

частиц, возникших в результате катастрофического взаимодейст­ вия. Очевидно, что в ливнях, развивающихся только от катастро­

лице приведена также доля ш. а. л., в которых ливневые частицы от катастрофических взаимодействий составляют ;> 50% и ;> 70%