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

В работе исследовалась зависимость L„, определенная указан­ ным выше способом, от природы первичных частиц. Если коэффи­ циенты неупругости нуклон-нуклонных и пион-нуклонных соударе­ ний заметно отличаются друг от друга, то это может привести к различному поглощению потока энергии в веществе спектрометра.

Для определения Ln были отобраны ливни, генерированные в мишени частицами с идентифицированным зарядом и энергией, лежащей в интервале 270< £о<600 Гэв (средняя энергия этих час­

тиц Е0 равна 400 Гэв). В результате получены следующие значе­ ния пробегов поглощения (а/слг2) в четыреххлористом углероде [20]:

< Ln > л = 253 ± 23 — для нейтронов,

< Гп > зар =197 + 10 — для заряженных частиц,

< /• „ > . = 165 ± 23 — для первичных пионов.

Каскады, берущие начало от пионов, поглощаются быстрее, чем каскады от нуклонов. Это связано, по-видимому, с большей вели­ чиной коэффициента неупругости К.0 пион-нуклонных взаимодей­

ствий, так что первичные пионы создают большое число короткопробежных лавин в спектрометре.

ионизационным калориметром измеряется 60% этой величины, то черенковские детекторы не чувствительны к продуктам ядерных расщеплений. В связи с этим появляется возможность эксперимен­ тального определения Цс.и путем сопоставления результатов изме­ рения энергии двумя независимыми методами. Экспериментальное определение т)с.и имеет важное значение для оценки точности из­ мерения первичной энергии калориметрическим методом.

поглощения из сцинтилляционных счетчиков и газового черенковского счетчика. При этом оказалось, что ~55% энергии передает­ ся сильноионизующим частицам. В области более высоких (Ео>1011 эв) энергий калибровки ионизационного калориметра проводились путем определения масс известных первичных час­ тиц [29].

В экспериментах с космическими лучами поправка на величину т|с.ІГ обычно вводится расчетным путем. Вычисления т]с.и проводи­ лись в работах [40, 73]. Однако расчеты с учетом флуктуаций в элементарных актах и в развитии каскадов были проведены сравнительно недавно в работе [21].

В настоящей работе доля энергии г|с.и, затраченная на ядерные расщепления в ССЦ толщиной 5 LB3, была получена эксперимен­

тальным путем. Энергия первичной частицы Е0 в веществе спектро­ метра в конечном итоге передается электронно-фотонной компо­ ненте и расходуется на ядерные расщепления:

+ Eh,

где Е — суммарная энергия электронно-фотонной компоненты,

Eh — энергия, затрачиваемая на ядерные расщепления.

Так как не вся энергия Eh измеряется ионизационным кало­ риметром, то

Е = Е 4- Е

где Eh — регистрируемая энергия, Eh — нерегистрируемая, причем

Eh =Q,QEh.

Энергия, измеряемая черенковским спектрометром, Ес ,—рав­ на суммарной энергии электронно-фотонной компоненты' Е , так как энергия Ен черенковским детектором не регистрируется.

С другой стороны, энергия, измеряемая ионизационным ка­ лориметром,—Я"3“, равна

к — k"

(в этом случае переходный эффект СС14 — Fe влияет только на лавинные частицы).

Пусть

Ек = k Е Г

— энергия, измеряемая ионизационным калориметром с учетом переходного эффекта.

Тогда

За 200 часов работы черенковского спектрометра с иониза­ ционным калориметром в режиме больших задержек было отоб­

50

Г л а в а V

МНОЖЕСТВЕННОСТЬ ВТОРИЧНЫХ ЧАСТИЦ

§ 1. Краткий обзор теоретических и экспериментальных работ

вокруг среднего значения < ns^> представляет большой интерес для проверки различных теоретических моделей сильных взаимодей­ ствий.

В теории периферических и мультипериферических взаимодей­ ствий предсказывается логарифмический рост средней множест­ венности от энергии цервичных частиц типа

< ns > = a \ g E 0.

Логарифмическая зависимость множественности от энергии взаимодействия следует также из гипотезы Фейнмана о скейлинге.

С другой стороны, статистические теории множественного рож­ дения частиц дают степенную зависимость ns от Е0:

< ns > = с Ebb ,

причем характер этой зависимости может меняться в различной области энергий налетающих частиц Е0.

Например, в области энергий £ 0<50 Гэв, когда число вторичных частиц невелико ( < 10), возникают условия применимости стати­ стической теории в варианте, разработанном И. Я- Померанчуком [79], согласно которому

< Hs > = 0,86 É^.

При энергиях £ 0> 100 Гэв становится справедливой гидроди­ намическая теория Ландау, которая предсказывает более слабую зависимость множественности от энергии:

< >h > ~ £ о‘-

Однако экспериментальные данные о множественности вторич­ ных частиц, полученные на ускорителях при энергиях Е < 7 0 Гэв, удовлетворительно описываются как степенной, так и логарифми­

52

ческой зависимостью. Очевидно, для однозначного выбора между различными теоретическими зависимостями ns от Е0 необходимо проведение исследований в области более высоких энергий, где различие между указанными зависимостями проявляется гораздо отчетливее.

Экспериментальные данные, накопленные до настоящего вре­ мени в космических лучах при энергиях ІО11—ІО12 эв, носят весь­ ма отрывочный характер и во многом противоречивы. При этом основной материал был получен фотоэмульсионным методом со всеми присущими ему недостатками, связанными со сложным со­ ставом и ненадежным определением первичной энергии.

Применение установок, содержащих ионизационные калори­ метры в сочетании с трековыми приборами и мишенями из легких веществ, позволяет получить более надежные сведения о зависи­ мости множественности< n s> от энергии. Сотрудниками ФИАН

СССР было зарегистрировано 102 взаимодействия адронов с лег­ кими ядрами LiH в области энергий 1011—ІО12 эв. Однако этих данных оказалось недостаточно для однозначного выбора между

но довольно большое число ливней, образованных адронами кос­ мических лучей с энергией 90—800' Гэв в жидководородной мише­ ни [113]. Экспериментальные результаты о множественности, по­ лученные в [113], совместно с ускорительными данными при энер­ гиях —20 Гэв хорошо описываются логарифмической зависимостью.

< nch > = 1 >41 ln Ес + 2,04,

где nch — полное число всех вторичных заряженных частиц.

С помощью указанной установки авторами [104] были получе­ ны экспериментальные данные для взаимодействий космических частиц с ядрами углерода. Абсолютные значения множественности <ns>, приводимые в [113], оказались значительно меньше, чем во всех работах, выполненных в экспериментах с космическими лу­ чами в той же области энергий. Эти результаты не согласуются' также и с ускорительными данными. Например, значение множе­ ственности, приводимое в [113] для энергии 115 Гэв, оказалось даже ниже величины неполученной на Серпуховском ускорителе при энергии 70 Гэв.

При помощи ускорителя на встречных пучках в ЦЕРНе полу­ чены данные о средней множественности при эквивалентных энер­ гиях 500, 1000, 1500 Гэв [65], которые значительно превышают по абсолютной величине результаты работы Джонса. Однако ошибки измерения <пр> на встречных пучках еще довольно велики (15— 30%), к тому же распределение величины ns остается пока проб­ лематичным.

53

§2. Экспериментальные данные

Внастоящей работе анализируются 518 ливней, образо­

ванных в парафиновой мишени адронами с энергией £ о>160 Гэв, оси которых пересекали боковую поверхность спектрометра ниже

и 124 — нейтральными, в 129 взаимодействиях заряд первичной частицы не был установлен, так как не весь телесный угол уста­ новки был перекрыт искровыми камерами.

При измерении множественности происходит некоторое завы­ шение величины <ns^> вследствие конверсии у-квантов от распа­ да я°-мезонов, вторичных взаимодействий ливневых частиц в ми­ шени и образования 6-электронов. С другой стороны, возможна некоторая потеря частиц, вылетающих под очень большими угла­ ми к «аправлению первичной частицы. К дополнительным потерям частиц (преимущественно в области малых углов) может приво­ дить перекрывание треков на одной из ортогональных проекций изображения ливня. Поправка на перекрытие треков, найденная по событиям, для которых восстанавливалась пространственная картина, составляет ~ 0,3 частицы на ливень со средней энергией £0 = 300 Гэв и слабо возрастает с увеличением энергии взаимодей­ ствия. Для получения данных о множественности вновь образо­ ванных частиц, очевидно, необходимо исключать из общего числа релятивистских следов сохранившуюся первичную частицу. В дан­ ном случае сохранившаяся частица исключалась из суммарного числа заряженных частиц с учетом коэффициента перезарядки.

Суммарная поправка к регистрируемому числу треков, соглас­ но полученным в работе оценкам, оказалась равной 18±7% и практически не зависящей от энергии первичных частиц.

Возможность определения заряда у первичной частицы в уста­ новке позволила исследовать зависимость ns от природы взаимо­ действующих частиц. С этой целью были построены распределе­ ния числа регистрируемых частиц пТр в ливнях, вызванных заря­ женными (рис. 9 а) и нейтральными (рис. 9 б) адронами с энер­ гией £ о = 200—600 Гэв. Распределение числа ливневых частиц для пион-ядерных соударений дается разностью этих двух распределе­ ний (рис. 9). При этом оказалось, что распределения птр для соу­ дарений нейтронов и пионов с легкими ядрами парафина имеют

— дисперсия распределения, </гтр> — среднее число регистрируе­ мых следов.

54

Для средней множественности вторичных частиц, генерирован­ ных во взаимодействиях нейтронов с ядрами СН2 при энергиях 200—600 Гэв (£0 = 330 Гэв), после введения указанных выше по­ правок получено значение

< ns > Л, = 8,6 ± 0,6.

Рис. 9.

Эта величина для пион-ядерных столкновений составляет

<С ns > я = 8,8 + 0,6.

Таким образом, средние множественности вновь рожденных частиц во взаимодействиях первичных нейтронов и пионов с ядра­ ми парафина в пределах ошибок эксперимента совпадают друг с другом [6, 16, 19, 20].

55

В работе исследовалось поведение вероятности W образова­

ния ливней с различным числом лучей п в зависимости от энергии взаимодействия Е0 [20]. Все экспериментальные данные были раз­

полученные из этих распределений, при использовании нормиров­

средней множественности происходит вследствие уменьшения доли малолучевых событий и возрастания вероятности образования многолучевых. Следует отметить, что такое поведение топологи­ ческих сечений не согласуется с предсказанием модели предельной фрагментации [101].

На рис. 11 приведено распределение nsi, построенное по 145 ливням с энергией 180—700 Гэв, для которых была восстановлена пространственная картина и, таким образом, выделены частицы

56

от вторичных взаимодействий и ö-электроны. Указанное распреде­ ление сопоставлялось с распределением множественности, полу­ ченным для взаимодействий я_-мезонов с импульсом 40 Гэв/с в

пропановой пузырьковой камере [7]. Выбор [7] объясняется тем, что в данной работе и в нашем исследовании парафиновая и пропа­ новая мишени имеют одинаковый состав. При этом отбирались

же треки от конверсии у-квантов в веществе, эквивалентном по­ ловине парафиновой мишени, причем электронно-позитронная па­ ра принималась за одну частицу, как и в искровых камерах вслед­ ствие очень малого угла разлета пар. Такая обработка ускори­ тельных данных позволяет сравнивать распределения ns для Е0 = 40 Гэв и £'о= 350 Гэв (табл. 2).

Результаты сравнения согласуются с поведением топологичес­ ких сечений, представленных в табл. !.

57