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

§ 4. Обзор экспериментальных работ

Рассмотрим экспериментальные данные, полученные при помощи ускорителей. В [87] исследовались распределения парных азимутальных углов г.. между вторичными частицами, образо­

Экспериментальное распределение углов ву оказалось в хорошем

согласии с изотропным распределением.

В [89] анализировались протон-нуклонные и протон-ядерные взаимодействия при энергии 24 Гэв. Приведем результаты иссле­

дования азимутальных корреляций при помощи критерия рА:

Р-ядерные взаимодейст­ вия,

Как видно из этих данных, величина ß2 лежит внутри довери­ тельного интервала, что свидетельствует об отсутствии ази­ мутальной анизотропии при £0 = 24 Гэв. Отрицательное значение Рі указывает на влияние закона сохранения импульса, приводя­ щего к уменьшению величины ßi и практически не влияющего на ß2 (при наличии корреляции асимметричного типа величина ßi принимала бы положительные значения).

До настоящего времени основной статистический материал в космических лучах был получен при помощи эмульсий в области энергий £'о<1011 эв, причем первичная энергия определялась из углового распределения ливневых частиц по формуле Кастаньолн. Поэтому на результатах измерений могли сказываться такие ме­ тодические факторы, как систематическая переоценка энергии и связанная с этим выборка определенного класса событий, при­ месь соударений с тяжелыми ядрами эмульсии и т. д.

В работе [1] было проанализировано 85 ливней, образованных в фотоэмульсии частицами космических лучей с энергией в нес­ колько десятков гигаэлектронвольт, удовлетворяющих критерию

79

Значение J ßft|lAV дает отличие величины ß^ от ее математи­

ческого ожидания в единицах стандартного отклонения, характе­ ризуя статистическую обеспеченность эффекта. Эти данные также указывают на отсутствие азимутальных корреляций в угловом распределении вторичных частиц.

Интересные сведения о механизме внутриядерных соударении ■можно получить при изучении азимутальных корреляции углов вылета вторичных частиц, образованных в случае столкновений адронов с тяжелыми ядрами. В работе [II] с помощью критериев ßi и ß2 анализировались ливни, генерированные во взаимодейст­ виях космических лучей с тяжелыми ядрами эмульсин. Средняя энергия ливней составляла ~50 Гэв. Результаты измерений при­ ведены ниже:

Полученное значение ßi свидетельствует о наличии четких ази­ мутальных корреляций в угловом распределении вторичных час­ тиц, не объяснимых влиянием закона сохранения импульса. По­

скольку величина ßi положительна и выходит за пределы довери­ тельного интервала (статистическая обеспеченность эффекта со­

ставляет 4,2 стандартных отклонений), а ß2 близка к нулю, то можно сделать вывод о том, что в данном случае имеют место ази­ мутальные корреляции асимметричного типа.

Авторами [11] было показано, что азимутальный эффект на­ блюдается для частиц широкого конуса (ливневых и серых сле­ дов), а для быстрых частиц узкого конуса эффект отсутствует. Причиной такого эффекта, по-видимому, является развитие вну­ триядерного каскадного процесса при так называемых нецентраль­ ных соударениях с тяжелыми ядрами, при которых центр ядра не лежит на продолжении траектории первичной частицы.

А. П. Мишаковой и Б. А. Никольским [70] при исследовании азимутальных корреляций в ливнях, образованных в эмульсии частицами космических луней, была применена методика анализа

ления ливневых частиц изотропны для ливней, вызванных первич­ ными частицами, и анизотропны для ливней, вызванных вторич­ ными частицами, большинство из которых должны составлять за­ ряженные пионы. Причем азимутальные корреляции обнаружены для 38 вторичных ливней с энергией 10м—ІО12 эв, тогда как для ливней с энергиями £,0<10и эв и Тці^ІО12 эв азимутальных эффек­ тов не обнаружено. Экспериментальное значение величины R, тш-

80

лученное по 38 ливням с энергией 10м —10'- эв, оказалось равным

0,105 + 0.024.

Однако, на наш взгляд, существование азимутального эффек­ та по этим данным нельзя считать окончательно доказанным по ряду методических причин. Методика определения энергии лнвнегенерирующих частиц по формуле Кастаньоли может приводить к выборке некоторого класса ливней с узким угловым распределе­ нием.

В [72] В. С. Мурзиным было показано, что ошибки в методике определения Е0 по угловому распределению ливневых частиц в со­ четании с падающим энергетическим спектром приводят к суще­ ственным искажениям многих характеристик взаимодействия. Со­ гласно данным [70], азимутальный эффект обнаруживается глав­

чем ливни с малой множественностью. В ливнях, отбираемых по критерию Я/,^5 и ns^ 13, содержится значительная примесь со­ бытий, вызванных пион-ядерными соударениями, поскольку сред­

Таким образом, при рассмотрении экспериментальных резуль­ татов можно сделать вывод о том, что во взаимодействиях адро­

до сих пор открытым, поскольку для окончательного его решения необходимо было исследовать угловое распределение ливней, ге­ нерированных в нуклон-нуклонных и пион-нуклонных соударени­ ях с надежно измеренными энергиями.

§ 5. Результаты измерений

Первоначально нами были проанализированы экспери­ ментальные данные, полученные группой ФИАН СССР и опубли­ кованные в [46]. Всего было отобрано 59 ливней с энергией выше 60 Гэв, для которых приводятся азимутальные углы вылета вто­ ричных частиц. Поскольку в [46] мишенью служило очень легкое вещество LiH, то большинство из указанных ливней было образо­ вано во взаимодействиях с отдельными нуклонами. Из общего числа частиц ns в каждом ливне была исключена энергетически выделенная частица и протон отдачи. При этом для усредненной по

Рг= + 0,40, что свидетельствует о наличии азимутальной анизотро­ пии в .угловом распределении ливневых частиц. Статистическая

обеспеченность эффекта при этом составляет|Р2|]/ ^= 3,1 стандарт­ ного отклонения. Интересно отметить, что для 18 ливней с энерги­

ей £ 0^200 Гэв азимутальный эффект отсутствует (р2 = —0,015), в то время как для 41 ливня с £ 0)>200 Гэв наблюдается заметный

эффект (ß2= + 0,6).

Однако на результаты этих измерений могли оказать влияние некоторые методические эффекты, связанные с геометрией камеры Вильсона. Дело в том, что камера Вильсона, использованная в этом эксперименте, имела вытянутую конструкцию с малой глу­ биной и большой шириной. В связи е этим ливневые частицы ши­ рокого конуса могли теряться неодинаковым образом в направле­ нии осей X и у, имитируя тем самым ложный азимутальный эффект.

Действительно, суммарное азимутальное угловое распределе­ ние, построенное по всем ливням, как 'будто указывало на такую возможность. Однако в [12] нами было показано, что наблюдаемый азимутальный эффект не мог быть целиком обусловлен геометри­ ей камеры Вильсона.

В дальнейшем для исследования азимутальных эффектов ис­ пользовался экспериментальный материал, полученный с помощью данной установки, в которой геометрические условия были более благоприятными для изучения азимутальных корреляций.

!с

Как видно из этих данных, усредненная по всем ливням вели­

чина ß2 оказалась равной +0,32, что указывает на существование четких азимутальных корреляций в угловом распределении лив­ невых частиц (статистическая обеспеченность эффекта равна 3,7 стандартных отклонений).

По-видимому, азимутальные эффекты чаще возникают в NN- соударениях, чем при взаимодействии пионов с нуклонами. В то

время как для AW-соударений ß2=+0,49 и |ß2| V ^ = 4,7, для яіѴвзаимодействий эффект отсутствует.

Однако для асимметричных «вперед» ливней (большая доля

которых вызвана пионами) величина ß2 равна 0,53 и выходит за пределы доверительного интервала на 2,5 стандартных отклонений.

С целью исследования зависимости азимутального эффекта от множественности вторичных частиц ns к рассмотренным ливням с

82

ns^ 4 были добавлены также ливни, полученные группой ФИАН

СССР.

Зависимость [12 от п s имеет следующий вид:

может быть связано с примесью взаимодействий с ядрами, кото­ рые могут «размазывать» эффект.

Для проверки влияния метода определения оси ливня на ази­ мутальные эффекты нами были проведены расчеты по методу Монте-Карло, которые показали, что нахождение оси по центру симметрии (как это давалось н данной работе) не вносит искаже­

ний в величину ß2, тогда как определение по центру тяжести мо­ жет приводить к ложным эффектам [4].

Таким образом, для ЛОѴ-столкновенпй обнаруживается замет­ ная азимутальная анизотропия углового распределения ливневых частиц при энергиях выше 2 - 10м эв (статистическая обеспечен­ ность эффекта — 4,7 стандартных отклонений, причем основной эффект наблюдается для событий с энергией 300—500 Гэв. Этот результат'согласуется с моделью образования файрбола с боль­ шим собственным моментом, при распаде которого на вторичные пионы возникают азимутальные корреляции симметричного типа.

Азимутальные корреляции асимметричного типа не наблюда­ ются, так как для величины ßi получены отрицательные значения.

Положительное значение ß2, выходящее за пределы доверитель­ ного интервала, полущенное для асимметричных «вперед» ливней, можно понять как результат образования вращающегося файр­ бола, движущегося вперед в Ц-системе. К сожалению, из-за не­ большого материала относительно асимметричных «назад» лив­ ней и трудностей отделения их от нуклон-ядерных взаимодействий оказалось невозможным проведение для них подобного анализа.

Полученные результаты можно также интерпретировать с точ­ ки зрения образования тяжелых резонансов, расположенных на линейной траектории Редже, при .компланарных распадах которых возникают четкие азимутальные корреляции [12, 15].

Если предположение о бесконечном линейном росте траекто­ рии Редже справедливо, то ей будет соответствовать бесконечное семейство резонансов, спин и масса которых возрастают неограни­ ченно. Рассмотрим семейство многопионных резонансов, располо­ женных на линейном участке траектории Редже, спин у которых связан с квадратом массы М2 как

J = а М 2 -V а — 1 Гэв~х I Ь | < 1.

83

При некоторых естественных предположениях в [12] показана возможность существования предельной массы семейства резо­ нансов Мпр. Если под радиусом распада резонанса понимать ради­ ус сферы, содержащей свободные вторичные частицы в момент распада, когда взаимодействие между ними прекращается, то для

резонанса равен суммарному классическому моменту вторичных

частиц J — 2 г,Р. где Р. и —- импульс і-того пиона и его

радиус-вектор относительно центра сферы в момент распада соответственно.

моменты г' ГРі пионов параллельны друг другу, а их импульсы

Р. перпендикулярны вектору У1гіРі (полная компланарность) и

касаются окружности радиуса R в точках расположения пионов. Функция

неограниченно возрастая с увеличением М, при некотором значе­ нии Мпр становится равной единице. Это означает, что Мпр будет предельной массой семейства резонансов, поскольку для резонан­ сов с М >М Пр будет нарушаться неравенство J^CRM. Резонансы с массой М = МПр будут распадаться компланарно.

Таким образом, наблюдаемые азимутальные корреляции в уг­ ловом распределении вторичных частиц могут быть обусловлены образованием во взаимодействиях с Е0> 2- 10й эв тяжелых многопионных резонансов с массой М, близкой к предельной Мпр. При распаде таких резонансов будет наблюдаться тенденция мезонов

ккомпланарности, порождающая угловые корреляции.

Вработе [100] В. М. Чудаковым был сделан количественный расчет модели распада неполяризованного «вращающегося» ре­

зонанса и показано, что при усреднении по различным ориента-

84

Г л а в а VII

ПАРЦИАЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ НЕУПРУГОСТИ

§ 1 . 0 коэффициенте неупругости взаимодействия адронов с ядрами

Важной энергетической характеристикой взаимодейст­ вия пионов и 'нуклонов с ядрами является коэффициент неупру­ гости К.1 или доля энергии, передаваемой во взаимодействиях вновь рожденным частицам, определяемая как

где Е £ \— суммарная энергия генерированных частиц. Изучение

распределения этой величины, зависимости ее от природы и энер­ гии налетающих частиц, множественности ns, атомного веса ядрамишени А может дать интересные сведения о механизме взаимо­ действия адронов при высоких энергиях. Впервые в космических лучах было установлено, что столкновения нуклонов с нуклонами и легкими ядрами характеризуются сравнительно высокой сте­ пенью упругости, т. е. налетающая частица после соударения уно­ сит значительную долю первичной энергии [41].

Замечательным свойством коэффициента неупругости является постоянство среднего значения Кл в широком диапазоне энергий

Е0. Большинство измерений Кл, проведенных различными метода­ ми, для соударений нуклонов с нуклонами и легкими ядрами при

измерения первичной энергии кинематическими методами, приво­ дящими к систематическому завышению первичной энергии.

Однако индивидуальные значения Кл подвержены значитель­ ным флуктуациям, которые, по-видимому, отражают важные сто­ роны механизма взаимодействия элементарных частиц. Например, столкновения с большими коэффициентами неупрутости Кл и вы­ сокими значениями множественности пх отождествляют иногда с так называемыми центральными, или лобовыми, соударениями, к которым обосновано применение статистических теорий. С другой стороны, взаимодействия с небольшими значениями К.-,, при кото-

М6

рых нуклоны сохраняют значительную долю первичной энергии, связывают с периферическими взаимодействиями, сопровождаю­ щимися обменом малым числом мезонов.

Распределения величины Кл при энергии £ 0> 2 -1 0 п эв еще мало изучены, что связано с трудностями измерения энергии вто­ ричных частиц. В установках, содержащих камеры Вильсона, по­ мещаемые в магнитное поле, максимально измеримый импульс не превышает ~25 Гэв, что не дает возможности измерять импульсы всех частиц. При этом информация об импульсах вторичных час­ тиц уменьшается с ростом первичной энергии. В установках без магнитного поля делается существенное предположение о посто­ янстве среднего значения поперечного импульса и независимости ■его от углов вылета вторичных частиц. При этом частицы, выле­ тающие под самыми малыми углами к направлению первичной, считают сохранившимися. Все это вносит заметные искажения в измеряемые значения Кл- В [60] для 72-х ливней с энергией Е0 = = 150—550 Гэв, в которых удалось измерить импульсы большин­ ства вторичных частиц, получено распределение Кл-

Величина Кл определялась как

тогда как обычно энергию, затрачиваемую на образование я°-ме-

301-I0B, учитывают фактором 1,5. При этом среднее значение Кл Для столкновения адронов с нуклонами оказалось равным 0,38±0,03 с максимумом при величине 0,3. В этой же работе получена заметная зависимость поперечного импульса от угла вылета вторичных час­ тиц в области малых углов.

Непосредственно измеряемой при самых высоких энергиях Е0 величиной является парциальный коэффициент неупругости Кт», определяемый как доля энергии, передаваемой фотонам, возни­ кающим от распада я°-мезонов, генерированных во взаимодействии

Если исходить из изотопической инвариантности

К - = 2 К“о » то полный коэффициент неупругости будет

* л = 3 ^ 0 .

Измерение парциального коэффициента иеупрутости Кж0 мо­

жет представлять интерес также с точки зрения исследования воз­ можности появления новых каналов передачи энергии у-квантам

87

помимо распада л°-мезоиов. Исследование в космических

лучах уже содержится в довольно большом числе эксперименталь­ ных работ. Однако многие из имеющихся в настоящее время ре­

тиц, впервые обнаруженная в космических лучах В. С. .Мурзиным и его сотрудниками [57].

По данным работы [57], в которой имелась возможность выде­

ядрами может различаться более чем в 2 раза. В остальных рабо­ тах, выполненных до настоящего времени, отсутствовала информа­ ция о наличии заряда у первичных частиц при измерении К.» .

Полученные результаты относились ко всему потоку ядерно-актпв- ных частиц, падающих на установку. Однако различная примесь первичных пионов, регистрируемая установками, п неодинаковая эффективность отбора событий с большими и малыми энергиями, переданными в электронно-фотонную компоненту, могли вызвать значительный разброс в измеряемых значениях /<_„. К тому же

различный подход к отбору первичных адронов, идущих в сопро­ вождении других частиц, в указанных выше работах также мог приводить к неодинаковой доле регистрируемых пион-ядерных взаимодействий.

В [57] наличие заряда у первичных частиц определялось по трем рядам годоскопических счетчиков, расположенных между свинцовыми фильтрами, что позволило снизить фон от частиц воз­ душного сопровождения. Однако годоскопические счетчики не дают наглядной пространственной картины воздушного сопровож­ дения. Часто при этом остается неизвестным направление движе­ ния частиц, сопровождающих первичную. Гейгеровские счетчики

содинаковой эффективностью срабатывают от высокоэнергичных

имедленных частиц; возможны случайные срабатывания.

Надежную информацию о воздушном сопровождении первич­ ных частиц можно получить при помощи таких трековых прибо­ ров, как искровые камеры. При этом легко оценить плотность воз­ душного сопровождения, направление движения частиц, а по рас­ сеянию и поглощению сопровождающих частиц в мишени и стен­ ках искровых камер — их энергию. Таким образом, отсутствие в установках трековых приборов для идентификации заряда пер­ вичных частиц затрудняло до сих пор получение надежной инфор­ мации о К.О-

Другой причиной расхождения в абсолютных значениях АТ.

является, по-видимому, сложность учета таких фоновых эффектов,, возникающих при измерении К.„, как последующие взаимодей­

88