книги из ГПНТБ / Григоров, Н. Л

начинающимся в эмульсии или в первых рядах ионизационного калориметра.

3)Оценка энергий вторичных заряженных частиц по каскадам

вионизационном калориметре.

4)Оценка энергии «ведущего» (наиболее энергичного) адропа.

5)Точное определение заряда первичной частицы. (Очень важ­ ная характеристика первичной частицы при изучении взаимо­ действий частиц с различным Z н химического состава космиче­ ских лучей высокой энергии.)

6)Определение мест взаимодействия первичной частицы в ио­

низационном калориметре и определение пробега взаимодействия

всвище (точнее — в веществе ионизационного калориметра). Этот вариант метода контролируемых ядерных фотоэмульсий,

по-видимому, дает наиболее полную информацию о различных характеристиках взаимодействия частиц с энергиями — 10 1 3 эе . Повидимому, он может оказаться одним из немногих надежных мето­ дов изучения характеристик взаимодействия мпогозарядиых час­ тиц сверхвысокой энергии с атомными ядрами с целью выяснения

в стопке, составит 80—100. Хотя число наблюдаемых взаимо­ действий и невелико, однако некоторые характеристики взаимо­ действий можно будет получить с удовлетворительной точностью.

надежно установить различие между </гх> и<?г2 >, ошибка в опреде­

ностью, достаточной для обнаружения различия между логариф­ мической и степенной зависимостью <?г5> от Е.

Поскольку первичное взаимодействие в ядерной эмульсии од­ нозначно отделяется от всех вторичных и регистрируется каждая вторичная частица, то в экспериментах с большой эмульсионной стопкой,- объединенной с ионизационным калориметром, воз­ можно определение не только зависимости <ns > от Е, но и изуче­ ние угловых распределений вторичных частиц, т. е. возможно изу­ чение образования файерболов при энергии частиц ~ 101 3 эв. Особенно перспективно применение описываемого метода для изу­ чения характеристик взаимодействия с атомными ядрами сложных ядер первичных космических лучей при энергиях 101 3 эв, т. е. ис­ следования в совершенно повой области физики — релятивистской ядерной физики [177].

Так как для энергетического спектра ядер показатель степени у — 1 остается неизменным в широком интервале энергий, то мож­ но ожидать регистрацию 250 ядер с энергией > 101 3 эв. Причем практически все они провзаимодействуют в эмульсионной стопке.

В таких экспериментах может быть решен вопрос о механизме

энергия, с которой могут генерироваться пионы (в частности и я°- мезоны), і?п°іпах< є 0 = Е01А. Если же имеет место (хотя бы изред­ ка) процесс коллективного взаимодействия нуклонов с ядроммшпеныо, то в принципе могут возникать ПИОНЫ С Епотах ^> є 0 .

Так как в ядерной эмульсии при релятивистских энергиях за­ ряд первичной частицы может быть определен с большой точностью, то этот вариант исследований представляется весьма перспектив­ ным и для изучения химического состава (с большой детализацией)

эмульсий для детального изучения взаимодействий частиц сверх­ высоких энергий с мишенью определенного атомного номера.

Время экспозпцип в первом варианте лимитируется плотностью фона, создаваемого релятивистскими частицами космических лу­ чей. Если эта плотность достигает —• 10° частиц/ш2 , то на таком фо­ не становится трудно прослеживать одну и ту же частицу в разных слоях эмульсионной стопки, т. е. трудно проводить измерения различных параметров взаимодействия частицы высокой энергии. Для изучения частиц с энергиями — 101 4 эв, интенсивность которых в — 100 раз меньше интенсивности частиц с энергиями 101 3 эв, необходимо найти пути увеличения времени экспозиции ядерной фотоэмульсии в десятки раз по сравнению с предельно допусти­ мым, без значительного увеличения фона.

В принципе это можно осуществить, если создать условия пе­ риодического уничтожения скрытого изображения в эмульсии, на­ ходящейся в аппаратуре, при длительном сохранении чувствитель­ ности эмульсий к релятивистским однозарядным частицам. Если при регистрации взаимодействия частицы высокойэиергинкаким-то эмульсионным слоем (или несколькими слоями) тотчас (или спустя короткое время) эти эмульсионные слои будут вынуты из установ­ ки и помещены в консервирующий раствор, в котором эмульсии сохраняют скрытое изображение, но теряют способность к после­ дующей регистрации заряженных частиц, то задача увеличения времени экспозиции без увеличения фона может быть решена. На место вынутых фотоэмульсий закладываются новые слои, находя­ щиеся в тех же условиях периодического снятия фона [28].

техническими возможностями эксперимента, то, чтобы такой метод дал существенное увеличение экспозиции, необходимо, чтобы

Изложенный метод работы с ядерными эмульсиями непригоден в экспериментах с большими эмульсионными стопками, в которых стопка представляет собой единое целое в течение всего экспери­ мента.

Рассмотрим один из вариантов эксперимента по изучению взаимодействий частиц космических лучей сверхвысокой энергии.

Принцип возможного устройства установки виден из рис. 9.3. Ионизационный калориметр из свинца площадью 1 м2 и толщиной в 5—6 ядерных пробегов прослоен ядерными эмульсиями и рент­ геновскими пленками (подвижными и неподвижными). Над иони­ зационным калориметром находится трековая искровая камера № 2, предназначенная для регистрации заряженных вторичных частиц малых энергий (у которых угол вылета 6 ;> 2 •10~3 радиана) и для указания места прохождения рожденного в мишени ливня

через верхние слои ионизационного калориметра, в которых про­ изводится измерение энергии отдельных у-квантов.

Мишень выполнена в виде нескольких тонких пластин толщи­ ной 1—2 см, между которыми помещены ядерные эмульсии типа «Р». В этих эмульсиях регистрируются в одном поле зрения микро­ скопа практически все заряженные вторичные частицы с углами

3— рентгеновские пленки, 4 — т р е к о в ы е искровые камеры, 5 — черепковские счетчики, 6 — ионизационный калориметр, 7 — детекторы ионизации.

разлета 0 <^ 3 - Ю - 3 радиана, т. е. имеющие энергии от 0 , 1 % до десятков процентов от энергии первичной частицы с Е0 > 101 3 эв. Таким образом, эмульсиями и искровой камерой № 2 регистриру­ ются все заряженные вторичные частицы, рожденные в одном из слоев мишени.

Верхняя искровая камера № 1 служит для наблюдения пер­ вичной частицы и уточнения места нахождения ливня в ядерных эмульсиях, лежащих между слоями мишени. Над всей установкой располагаются тонкие черепковские счетчики для определения заряда первичной частицы.

Между мишенью и ионизационным калориметром расстояние примерно 150 см, достаточное, чтобы у-кваиты с энергией — 101 3 эв отошли друг от друга на десятки микрон и не давали единого кас­ када (у-кванты меньших энергий тем более будут детектироваться раздельно). Каскады, созданные в свинцовых пластинах иониза­ ционного калориметра, детектируются ядерными эмульсиями

типа «Р» (что позволяет по числу частиц в круге заданного радиу­ са определять энергию каждого каскада), а также рентгеновскими пленками типа РТ-6.

Несомненным преимуществом экспериментов на больших вы­ сотах перед работами на горах является использование сравни­ тельно небольших по габаритам установок. Благодаря этому в принципе возможно создание с помощью сверхпроводящих соле­ ноидов достаточно сильного магнитного поля в промежутке между мишенью п искровой камерой № 2. Так как координаты следа заряженной частицы в ядерной эмульсии можно измерять с точ­ ностью в 1 мкм, то применение магнитного поля позволит изме­ рять импульсы всех рожденных заряженных частиц вплоть до энергий ~ 101 3 эв.

При этом ядерные эмульсии придется расположить не только между слоями мишени, но и на нескольких уровнях между ис­ кровой камерой № 2 и мишенями (см. рис. 9.3).

Если допустить, что точность определения координат траекто­ рии заряженной частицы в ядерной эмульсии порядка 1 мкм, то при поле Н т 104 гс импульс 101 2 эв/с будет измеряться с точностью

~1 % .

Следует отметить, что при регистрации эмульсиями ливня из нескольких частиц, наблюдаемых в пределах нескольких полей зрения микроскопа, требования к точности установки эмульсии в аппаратуре (для измерения импульса по отклонению в магпптном поле) существенно снижаются по сравнению с аналогичными тре­ бованиями при регистрации одной частицы: при регистрации лив­ ня появляется возможность измерения координат частиц отно­ сительно наиболее энергичной частицы ливня.

В табл. 9.1 приведены данные о том, какое число взаимодейст­ вий частиц разной природы и энергии можно будет зарегистриро­ вать при геометрическом факторе установки Г = 104 см2стер, времени измерений 100 суток и при толщине мишени £ 0 А П З = = 0,2. В этих экспериментах, несмотря на относительно толстую мишеиь (х0/КВЛ = 0,2), можно будет надежно выделять первичные

статистической точностью подробную информацию о характеристи­ ках взаимодействия с легкими атомными ядрами протонов в об­ ласти энергий 101 3 — 3 - Ю 1 3 эв и сложных ядер в области энергии до 101 4 — 3 - Ю 1 4 эв. Для продвижения в область еще более высоких энергий потребуется искать новый метод регистрации частиц.

Рассмотрение возможностей экспериментального изучения вза­ имодействий космических лучей сверхвысокой энергии с вещест­ вом показывает, что в экспериментах на больших высотах можно получить наиболее полную и однозначную информацию. Конечно,

Изучение частиц космических лучей известной энергии, ко­ торое в прошедшее десятилетие проводилось в основном в энерге­ тической области 1 0 а — 1 0 1 2 эв, позволило, по меньшей мере, опи­ сать основные процессы формирования потоков вторичных час­ тиц космических лучей высокой энергии, вскрыть ряд основных характеристик взаимодействия нуклонов с атомными ядрами, по­ лучивших подтверждение на современных мощных ускорителях.

На повестке дня — область более высоких энергий, исследова­ ния в которой могут ответить па вопросы, поставленные предше­ ствовавшими исследованиями.

Проведенные исследования подсказывают программу изуче­ ния частиц космических лучей на ближайшие годы.

Прямыми методами возможно измерить эффективное сечение неупругого взаимодействия протонов первичных частиц космиче­ ских лучей в интервале энергий 101 2 — 3 - Ю 1 3 эв с точностью в несколько процентов.

Измерения абсолютных потоков одиночных адронов на высотах гор и первичных протонов в области энергий 101 3 —101 4 эе дадут величину нижней границы а і п в этой области энергий. Этот метод, в принципе, может быть использован в области еще более высоких энергий.

Изучение вида энергетического спектра адронов с энергиями 101 3 — 101 5 эв в глубине атмосферы совместйо со спектром и сос­ тавом первичных частиц космических лучей в том же энергетиче­ ском интервале даст зависимость L^(E). При известной зависи­ мости о1 '1 от Е можно будет получить зависимость среднего коэф­ фициента неупругости взаимодействия нуклонов (К} от Е в обла­ сти энергий 101 3 — 101 5 эе.

Изучение прямыми методами характеристик взаимодействия протонов первичных космических лучей с энергиями 101 3 — 101 4 эв даст зависимость <м5> от Е и средние угловые распределения рожденных частиц, которые в этой области энергий существенно различны для разных моделей множественной генерации частиц.

нии -^g могут появиться несколько максимумов, либо будет рас­ пределение с двумя максимумами с увеличивающейся полушири­

ной каждого максимума при увеличении Е0.

Знание состава первичных космических лучей в области энер­ гий 1 0 й — 101 6 эв, знание a i n и <Z> при энергиях до 101 4 эв позво­ лит создать количественную теорию прохождения через вещество частиц сверхвысоких энергий, базирующуюся на твердом экспе­ риментальном фундаменте.

Изучение непосредственными методами взаимодействий слож­ ных ядер первичных космических лучей сверхвысоких энергий с атомными ядрами может выявить специфические особенности, присущие коллективным взаимодействиям нуклонов при очень высоких энергиях.

При этом, какие бы формы ни приняли конкретные установки для изучения космических лучей сверхвысоких энергий, в них, по-видимому, будет сохранен основной принцип, привнесенный ионизационным калориметром в изучение космических лучей,— отбор частиц по энергиям с последующим изучением их взаимо­ действий с атомными ядрами.

Нам представляется, что достигнуть успеха в изучении взаимо­ действий с веществом космических лучей с энергиями 101 3 —101 5 эв в течение короткого отрезка времени, «отпущенного» этой области физики до вторжения в нее ускорителей близкого будущего, воз­ можно только при условии согласованного и одновременного на­ ступления на эту энергетическую область с двух сторон: со сторо­ ны изучения первичных частиц космических лучей очень высокой энергии и достаточно детального изучения элементарных процес­ сов их взаимодействия с атомными ядрами и со стороны исследова­ ния вторичных явлений, вызываемых в атмосфере частицами сверх­ высоких энергий.

Работы в этой новой энергетической области, по-видимому, приведут к дальнейшему развитию экспериментальных методов изучения частиц фиксированной энергии и к созданию новых организационных форм реализации широкого комплекса сплани­ рованных исследований, которые неизбежно диктуются сложно­ стью предстоящих исследований.

Первичные данные о характеристиках взаимодействий адронов с энергиями (2 — 10) 10!г эв в мишени из углерода

та у-кванта относительно осп всего ливня, проходящей через его «центр тяжести» . В пятом <pY — азимутальный угол у-кванта, отсчитанный относи ­ тельно произвольного направления в плоскости, перпендикулярной к осп

случаях № № 1—5, когда экспонировалось лишь два ряда ядерных фотоэмуль ­

при определении энергии у-квантов вводился поправочный коэффициент 1,3,

ранее энергия к а ж д о г о у-кванта определялась по одному ряду фотоэмульсий,