книги из ГПНТБ / Азимов С.А. Неупругие соударения частиц большой энергии с нуклонами и ядрами

Для отобранных 60 ливней получены следующие значения: Q, = 94,1 ± 1,19-6,

Q,, = 97,4 + 1,1%.

Измерения показали, что ливневая эффективность рассматри­ ваемых камер не изменялась в течение всего эксперимента.

Нами исследовалась также зависимость ливневой эффективно­ сти этих камер от множественности вторичных частиц. Приведем экспериментальные данные относительно этой характеристики для разных количеств ливневых частиц:

Ливневая эффективность системы двух камер Q оказалась рав­ ной 99,5± 0,5%, т. е. близкой к 100% при регистрации частиц в широком интервале множественностей.

Важной характеристикой камер является также зависимость ливневой эффективности от угла наклона частиц относительно на­ правления электрического поля. Для исследования этого вопроса проводились измерения ливневой эффективности для частиц, летя­ щих под различными углами к плоскости электродов камер. При­ ведем результаты измерений для различных интервалов углов:

Как видно, ливневая эффективность камер остается высокой вплоть до углов 35—40J к направлению электрического поля.

Измерения эффективности регистрации одиночных заряженных частиц искровыми камерами, расположенными над мишенью, да­ ли значение 0В= 98±2%. Полученные результаты находятся в хо­ рошем согласии с работой [34].

§ 4. 0 точности локализации треков в искровых камерах

При проведении различного рода измерений с помощью искровых камер важное значение приобретает вопрос о точности следования искрового разряда по направлению движения частицы. Существенное влияние на эту величину оказывает крутизна перед­ него фронта высоковольтного импульса и задержка в подаче его на электроды искровых камер.

С увеличением времени задержки происходит диффузия элект­ ронов трека из области ионизованного канала, приводящая к

39

ухудшению качества искр и снижению их яркости. Однако вплоть до задержек — 20 мксек ливневая эффективность использованных камер оставалась достаточно высокой, хотя треки уширялись, ста­ новились извилистыми и гораздо хуже, чем при малых задержках, следовали вдоль траектории частиц.

Установкой регистрировались также ливни при задержке, со­ ставляющей 22 мксек. В данном случае искровые камеры, работав­ шие совместно с ионизационным калориметром, служили лишь для выяснения наличия заряда у первичной частицы и определения места генерации ливня, а стволы ядерно-каскадных лавин в детек­ торе энергии выделялись с помощью ионизационных камер.

Рекомендуемая некоторыми авторами добавка паров спирта к рабочему газу камеры улучшает локализацию треков при относи­ тельно небольших (т3<2 мксек) задержках, но в области больших задержек (т3— 204-30 мксек) ливневая эффективность и точность следования искры в направлении движения частиц становятся ху­ же, чем у камер, наполненных неоном. К тому же эта добавка за­ метно сокращает срок службы искровых камер, используемых в установках без перенаполнения в течение длительного времени. Эти данные хорошо согласуются с результатами работ [36, 68].

В процессе развития разряда электроны трека смещаются под действием внешнего поля. Это смещение вызывается очищающим действием переднего фронта импульса, который до возникновения пробоя в искровом промежутке «сдувает» колонку первичных электронов, созданных заряженной частицей в газе камеры. Если электрическое поле камеры однородно, сдвиг треков сводится лишь к параллельному переносу их относительно истинной траектории частиц. В неоднородном поле происходит также поворот трека от­ носительно направления электрического поля. В связи с этим для улучшения локализации треков используются каскадные генера­ торы, формирующие импульсы с малым временем нарастания пе­ реднего фронта, а для обеспечения однородности электрического поля камера окружается распределенными сопротивлениями и емкостями.

Рассмотрим точность следования искровых разрядов по направ­ лению движения частиц в нижних искровых камерах установки, предназначенных для изучения углового распределения ливневых частиц. Задержка в подаче высоковольтного импульса на общий электрод параллельно соединенных камер составляла 1,2 мксек. Степень искажения траектории частиц можно характеризовать некоторым сдвигом d и углом поворота относительно траектории частиц Ф.

На рис. 7 величина d равна расстоянию между треками в плоскости среднего электрода; пунктиром обозначена истинная траектория частицы. Угол относительного поворота треков ср равен

-f = Ф, — Ф,,

где Ф, — угол поворота в первой камере, Ф2 — во второй.

40

В результате обработки фотографий ливней, зарегистриро­ ванных установкой, была получена зависимость среднего значе­

ния относительного угла поворота © и его среднеквадратичного отклонения а? от угла падения частиц к плоскости электродов

камер 0 в области 0 — 30°. Углы отсчитывались против часовой

стрелки. Приведем эти данные при различных интервалах углов падения частиц А 0:

Нами исследовался также вопрос о точности следования искро­ вого разряда по направлению движения первичных частиц в верх­ них искровых камерах. С этой целью были рассмотрены события, когда первичная заряженная частица проходила через все три ряда искровых камер без взаимодействия и генерировала ливень в фильтрах, расположенных между дном нижней камеры и тонкими черепковскими счетчиками, вызывая срабатывание системы управ­ ления установкой. Энергия таких ливней достаточно велика (5:100 Гэв), чтобы пренебречь многократным рассеянием частицы

41

в электродах и стенках искровых камер. На рис. 8 пунктирной линией изображена истинная траектория частицы, проходящей через верхнюю и одну из нижних камер; сплошными линиями — треки в камерах. Измерялись углы между треками в верхней и нижней камерах, а также разность между ними: а = оч—аг. В ре­ зультате получена величина, равная ~ 3,5Х10-2 при среднеквадра­ тичном отклонении оа =4,9ХІ0-2.

Таким образом, углы поворота треков относительно истинной траектории частиц оказались довольно большими, что могло при­ вести к заметным систематическим погрешностям в определении направления первичных частиц. Это, по-видимому, связано с боль­ шим (~16°) углом наклона верхних искровых камер к горизон­ тали. тогда как для нижних камер этот наклон составляет— 3°. Верхние камеры совместно с мишенью были развернуты в установ­ ке для того, чтобы на одном кадре фоторегистратора иметь воз­ можность одновременно регистрировать верхние и нижние камеры. Такое расположение камер в некоторых случаях придает треку до­ полнительный угол наклона к направлению электрического поля, ухудшая тем самым точность следования искры по траектории движения частицы в верхних камерах. С другой стороны, режим работы верхних искровых камер был подобран не с такой тща­ тельностью, как для нижних. Верхние камеры служили лишь для получения информации о наличии заряда у первичных частиц и характере их воздушного сопровождения. Оси ливней определя­ лись по вторичным частицам, регистрируемым нижними искровы­ ми камерами.

§5. Система обработки информации

сискровых камер

Проблема пространственного восстановления события по нескольким фотографиям, снятым в разных проекциях, возникала и при использовании камер Вильсона, диффузионных и пузырько­ вых камер. Основными методами обработки данных с этих камер являются аналитические; в некоторых случаях применяется также метод репроекции [37]. При аналитическом методе по определенной шкале считываются относительные координаты точек трека на каждой проекции в отдельности и затем по формулам определяют­ ся пространственные координаты.

В настоящее время обработка фотографий, получаемых на пузырьковых камерах, широко автоматизирована, а все вычисле­ ния, включая пространственное восстановление, осуществляемое аналитическим методом, производятся электронно-вычислительной машиной. Обработка события средней сложности (несколько сле­ дов) при готовых программах занимает всего несколько минут.

При обработке фотографий с камер может возникнуть пробле­ ма разномасштабности, когда соответствующие точки следов на

42

различных проекциях неизвестны. Поэтому приходится использо­ вать метод последовательного приближения, что существенно уве­ личивает объем работ по обработке информации.

Постановка экспериментов в космических лучах предполагает получение сведений о характере взаимодействий, происходящих при энергиях ІО11—ІО12 эв. Для получения достаточного статисти­ ческого материала в этой области энергий, естественно, вытекает необходимость работать с установками, имеющими большие эффек­ тивные площади. При этом ливни, регистрируемые в трековых приборах, насчитывают до 10—20 вторичных частиц.

При изучении ливней по снимкам с искровых камер возникает задача нахождения соответствующих треков на различных проек­ циях, т. е. проблема нумерации треков, так как отсутствуют ярко выраженные индивидуальности следов. Поэтому для однозначного определения пространственных характеристик ливня необходимо снимать как минимум три проекции, что значительно осложняет обработку информации.

В силу этих обстоятельств применение аналитических методов обработки к фотографиям с искровых камер крайне затруднено и требует или больших временных затрат, или использования доро­ гостоящих и сложных устройств для автоматизации обработки, которые не оправдывают себя на относительно малом статистиче­ ском материале, получаемом в экспериментах с космическими лучами.

Метод репроекции при обработке данных с трековых приборов больших площадей требует сложных и громоздких устройств, а в случае обработки ливней с большим числом частиц не позволяет производить нумерацию треков в ливне.

Таким образом, возникающие проблемы значительно затрудня­ ют применение аналитического метода или метода репроекции для обработки данных, получаемых с искровых камер больших пло­ щадей, работающих в экспериментах с энергиями в области ІО12 эв. В связи с этим в лаборатории был разработан и широко использо­ ван новый метод обработки экспериментальных данных с искро­ вых камер, получивший название «проекционно-графического»* и имеющий ряд преимуществ по сравнению с существующими [3].

В случае ливня с п частицами в результате проведенных по­ строений получим 2я прямых с п2 точками пересечений (узлами). Для того чтобы среди этих узлов выделить соответствующие рас­ положению следов ливня, необходимо использовать третью фото­ камеру, установленную на некотором расстоянии от одной из фото­ камер. Минимальное разрешимое расстояние между узлами (без учета масштаба фотографирования, ухудшения разрешения, обу­ словленного дифракцией на краю поля, глубины рассеяния плен­ ки и т. д.) пропорционально толщине трека.

* Идея восстановления пространственных углов при помощи графических построений принадлежит Р. Бейсембаеву.

43

§ 6. Система фотографирования

Для восстановления пространственной картины событии в искровых камерах с помощью проекционно-графического метода были созданы системы регистрации и обработки информации. При этом использовались серийные регистрирующие фотокамеры РФК-5 с любительскими объективами типа «Мир-1».

Для юстировки фотокамер и экранов, на которые проектируют­ ся изображения, служит система реперных отметок, образованная нитями, натянутыми в объеме установки.

Оптическая система состоит из четырех РФК-5, дополнительно оборудованных проекционными фонарями для освещения пленки. Световой поток создается лампой в 400 вт и проходит через систе­ му теплофильтров. Система зеркал (4 шт.) изготавливалась из 14-миллиметрового стекла марки СВВ с отражающими поверхно­ стями, нанесенными на переднюю стенку стекла.

Считывание информации производится не с пленки, а с экрана, на который проектируется изображение. При этом резко снижают­ ся требования к оптике и юстировке регистрирующих фотокамер. Применение для репроекции той же оптической системы, что и при фотографировании, позволяет упростить обработку информации, так как снимается проблема учета оптических искажений.

Основным требованием к оптической и измерительной системам при данном способе обработки является жесткость конструкции и

Восстановление пространственной картины события в искро­ вой камере начинается с графического совмещения стрелки с изо­ бражением трека на экране и снятия координат точек пересечения этой стрелки с расположенными известным образом шкалами на экране. Для удобства обработки считывание с пленки производит­ ся на фотобумагу, навешиваемую на экран; в результате информа­ ция с пленки приводится к форме, удобной для последующей об­ работки. Затем осуществляются графические преобразования информации и определяются параметры траекторий частиц в вы­ бранной системе отсчета. Использование графического метода позволяет легко находить искомые величины, для определения ко­ торых другими методами обычно требуется решение громоздких систем уравнений. При этом резко сокращается объем вычисли­ тельной работы.

Приведем экспериментальные результаты по определению точ­ ности восстановления пространственных углов проекционно-графи­ ческим методом при помощи сконструированных нами оптической и обработочной систем.

Точность восстановления пространственных углов определяется следующими факторами:

44

Г л а в а IV

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПУЧКА АДРОНОВ НА УРОВНЕ ГОР

В работе анализируется экспериментальный материал, полученный примерно за 1300 часов работы установки [5, б, 16—20].

Отбор событий производился по фотографиям ливней в искро­ вых камерах. Если на двух проекциях снимка наблюдались два и более трека, сходящихся в одну точку мишени, и направление оси ливня совпадало с энерговыделением в черенковских детекторах спектрометра, то такое событие включалось в дальнейшую обра­ ботку. Отбирались также ливни с небольшим воздушным сопро­ вождением, когда число частиц, регистрируемое верхними искро­ выми камерами, не превышало 5—6. Как правило, эти частицы, об­ ладая невысокой энергией, в основном поглощались, либо сильно рассеивались в мишени и стенках искровых камер.

К этому материалу добавлялись первые результаты, получен­ ные с помощью модифицированной установки (второй вариант) примерно за 400 часов работы с парафиновой мишенью. В этом варианте для срабатывания установки уже не требовалось наличия энерговыделения в тонких черенковских счетчиках, предназначен­ ных для измерения энергии я°-мезонов, генерированных в первич­ ном взаимодействии. Эксплуатация установки во втором варианте позволила уточнить ряд поправок, вводимых в прежние измерения. Энергетический порог срабатывания второго варианта установки составлял —-150 Гэв, поэтому для дальнейшего анализа включа­ лись только ливни с энергией выше 250 Гэв.

§1. Соотношение заряженных и нейтральных адронов

иих энергетическое распределение

Использование в установке искровых камер, расположен­ ных над мишенью, позволило надежно определять наличие заряда у первичных частиц. Первичная частица считалась нейтральной, если направление оси ливня, определяемое по вторичным частицам в верхних искровых камерах, проходило на расстоянии ^ 3 см от края камеры. Этот критерий отбора нейтронов, введенный исходя из оценки погрешности в определении оси ливня, приводит к

46

5—6%-ной потере нейтральных частиц, которые в этом случае от­ носятся к частицам с неопределенным зарядом.

Таким образом, отношение числа заряженных первичных частиц N c к числу нейтральных N n, зарегистрированных уста­

новкой в области энергий Д„;>200 Гэв, после введения поправки на потерю нейтральных частиц оказалось равным [5,20]

N.

—— 9 1-! 0 9

1 п

Из соотношения заряженных и нейтральных адронов можно оценить долю заряженных пионов относительно суммарного потока ядерно-активных частиц, падающих на установку:

Согласно нашим данным, эта доля составляет ■— 31 zfc3% отно­ сительно всех первичных частиц, регистрируемых установкой. Начиная с энергии £ 0^200 Гэв, т. е. с энергии, более чем в два раза превышающей энергетический порог срабатывания установ­ ки, энергетические распределения заряженных и нейтральных ча­ стиц оказалось возможным аппроксимировать степенным законом

При этом для показателя энергетических спектров получе­ ны следующие значения:

< т > л = — 1,8 ± 02 — для нейтронов,

< 7 >з —2,0 __ 0,2—для заряженных частиц, которые в пре­ делах ошибок измерений оказались близкими друг к другу;

Для величины абсолютной интенсивности ядерно-активных час­ тиц на высоте 3200 м над уровнем моря при энергиях Д0>300 Гэв получено, значение

У(До > 300 Гэв) = (12,6 ± 0,9) ІО-8 см~2 сек~1 стерад~х ,

что хорошо согласуется с результатами работы [54]. Таким обра­ зом, вводимое в установке ограничение на величину очень плотно­ го воздушного сопровождения, по-видимому, незначительно сни­

47

ченным в обработку оказалось 10—15% событий из-за большого воздушного сопровождения, регистрируемого верхними искровыми камерами.

§ 2. Пробег для поглощения Ln

Обычно пробеги для поглощения потока энергии ядериоактнвных частиц в калориметре определяют путем регистрации ионизации, создаваемой в газе камер релятивистскими частицами на различной глубине поглотителя.

В [55] показано, что электронно-ядерные каскады поглощаются по экспоненциальному закону

S \ x ) ^ E 0 e~XIL"

где л — толщина поглотителя, г/см2, Ln — пробег для погло­ щения.

Поскольку форма индивидуальных каскадов сильно флуктуи­ рует, то для нахождения Ln составляется каскадная кривая, усред­ ненная по многим лавинам, нормированным к одной энергии. За­ тем, аппроксимируя «хвост» суммарной ядерно-каскадной кривой экспоненциальным законом, можно определить Ь„.

Однако на измерения Ln оказывают существенное влияние сильноионизующие частицы, регистрируемые ионизационными ка­ мерами. Если учитывать энергию, передаваемую сильноионизующим частицам Ес.„, то поглощение потока энергии ядерно-актив- ной компоненты

S ( x ) ~ E 0 e -'1L" Дсп(X)

будет происходить быстрее.

Доля энергии rjслг, передаваемой на ядерные расщепления, уменьшается с ростом первичной энергии Е0, приводя к медленно­ му росту Ln, что, по-видимому, наблюдается в работе [44].

Методика определения Ьп в настоящей работе отличается от применяемых ранее. Так как черенковские детекторы регистрируют только релятивистские частицы, то измерения Lu будут свободны от влияния сильноионизующих частиц. При определении Ln черенковским спектрометром полного поглощения данной конструкции нами рассматривается изменение светового потока генерированных в радиаторе релятивистских частиц (т. е. их суммарного пробега в детекторе). В черенковских детекторах суммарный световой поток выражается в некотором числе проникающих частиц Nc. Измере­ ния числа релятивистских частиц, создающих ионизацию в газе камеры, эквивалентном по толщине •— 0,05 г/см2 на различных глубинах поглотителя, подвержены заметным флуктуациям. При измерениях черенковским детектором толщиной ~ 90 г/см2 эти флуктуации в значительной мере усреднены.

48