книги из ГПНТБ / Мурзин В.С. Множественные процессы при высоких энергиях

почти выполняются условия применимости точного решения Ва­ вилова (£ — 1,184, см. рис. 2.6, б).

Были поставлены специальные эксперименты для проверки рас­ пределений, предсказываемых точным решением. Для этой цели в работе [53] использовались кремниевые детекторы различной тол­ щины, так что перекрывались значения х в диапазоне от 0,0029 до 2,23. Счетчики облучались быстрыми протонами, пионами и иона­ ми гелия. Найдено хорошее согласие между экспериментальными результатами и теоретическими вычислениями Вавилова. Это хорошо видно из рис. 2.7, где показано отношение вероятных потерь энер­ гии к средним (характеризующее степень асимметрии функции рас­ пределения) от параметра х.

Из рис. 2.7 виден плавный переход от распределения Гаусса, для которого Авер = Дср, к распределению Вавилова (Авер < Аср) при разных значениях х.

2.3.6. Повышение точности измерения ионизационных потерь энергии релятивистских частиц

Очевидно, что флюктуации ионизационных потерь определяют точность их измерения. При измерении удельной первичной иониза­ ции (в приборах визуального наблюдения) можно достигнуть хоро­ шей точности, так как функция распределения первичной ионизации есть закон Пуассона и, таким образом, погрешность измерения опре­

деляется величиной iJ/7/V, где N — число измерений, которое мо­ жет быть увеличено по желанию экспериментатора. Такой прием был использован в работах В. А. Давиденко и др. [54] со стримерными камерами.

В работе [55] регистрировалась ионизация, ограниченнаяпо величине передаваемой энергии на следах заряженных частиц в ка­ мере Вильсона. Погрешность в измерении ионизации определяется величиной ov'J/TV, где а — полуширина распределения «ограничен­ ных» потерь, а N — число отрезков, на которые разбивался след частицы при измерении ионизации, т. е. число измерений.

Чтобы повысить точность измерения ионизации в сцинтиллято­ рах- и газовых пропорциональных счетчиках, прибегают к анало­ гичному приему — увеличивают число измерений. Так, если вместо однослойного пропорционального счетчика построить я-слойный счетчик, то точность измерения ионизации таким образом увеличится

и погрешность будет определяться величиной пьст/]/"я, где о — полу­ ширина соответствующей функции распределения ионизации для одного слоя.

На такую возможность повышения точности измерений впервые было указано в работах [56, 57]. В последнее время интерес к этому способу увеличения точности измерений снова возрос в связи с воз­ можностью использовать логарифмическое возрастание потерь энергии релятивистскими частицами для их идентификации. Были

выполнены работы [58, 59] с газовыми пропорциональными счетчи­ ками, показывающие возможности этого способа.

Как указывалось уже в ранних работах [56, 57], особое значение имеет способ обработки зарегистрированных значений ионизации. Так, оказалось, что среднее значение ионизации, полученное из п вероятных значений, измеренных в тонких детекторах, флюктуирует очень сильно. Были проверены разные способы обработки. Распре­ деление і-го по величине значения ионизации из п зарегистрирован­ ных для одной частицы имеет минимальную величину при некотором эффективном значении і, зависящем от числа п. В табл. 2.5 показана полуширина распределения при п --- 28 для разных і [60]. При об­ работке этих же данных методом максимального правдоподобия распределение наиболее вероятных значений имеет полуширину

13,5%.

Т а б л и ц а 2.5

Другой способ состоит в обрезании «хвоста» распределения Лан­ дау. В этом случае при вычислении среднего из п значений отбра­ сываются т максимальных значений. Флюктуации таких «усечен­ ных» средних оказываются меньше, чем средних из я значений [61].

Рассматривался также способ, при котором по крайней мере k значений из п имеют величину меньше выбранной. Наименьшую по­ луширину имеет распределение величин, найденных методом макси­ мального правдоподобия [59, 60].

При измерениях с газовыми пропорциональными счетчиками появляются новые физические эффекты, приводящие к уширению кривой распределения и не учитываемые ни в одной из рассматривае­ мых теорий. Это явления, связанные с образованием 6-электронов в газе и стенках счетчика. Такие 6-электроны могут выносить энер­ гию из регистрирующего промежутка, могут создавать корреляцию между слоями. Эти эффекты должны быть учтены в каждом конкрет­ ном эксперименте.

Кроме того, следует учитывать, что в пропорциональных счетчи­ ках и ионизационных камерах измеряется только ионизация, в то время как во всех теоретических рассмотрениях оперируют с иони­ зационными потерями энергии, которые, как известно, складывают­ ся из ионизации и возбуждения атомов вещества.

Как показано в работах [22,30 и 62], для многих трековых детек­ торов (пузырьковые камеры, ядерные фотоэмульсии, газовые де­ текторы первичной ионизации) существенно то, что измеряемая плотность следа, вообще говоря, не пропорциональна потерям знер-

68

гии. Это связано с тем, что вероятность образования элемента струк­ туры следа (пузырька, зерна или стримера) нелинейно зависит от передаваемой в акте ионизации энергии, которая к тому же должна превышать некоторое пороговое значение Тмин.

§ 2.4. ПЕРЕХОДНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

2.4.1. Основные свойства переходного излучения

Заряженная частица, двигающаяся равномерно с любой ско­ ростью, пересекая границу раздела двух сред с различными диэлек­ трическими свойствами, испускает излучение, названное пере­ ходным.

В. Л. Гинзбург и И. М. Франк [63] предсказали этот эффект еще в 1946 г. С тех пор появилось огромное количество работ, главным образом теоретических, в которых исследовалось поведение переход­ ного излучения в самых разнообразных условиях [64—67 и др.J. Здесь мы обращаемся к этому вопросу в связи с практическим ис­ пользованием его в физике высоких энергий для идентификации частиц.

В теоретических работах было показано, что переходное излуче­ ние имеет спектр, начинающийся в оптической области частот и про­ стирающийся в область рентгеновского излучения. Интенсивность переходного излучения невелика и сосредоточена в направлении дви­ жения излучающей частицы, в угле 0 ~ 1/у, где у —лоренц-фактор частицы. Было установлено также, что интенсивность переходного излучения в оптической области частот логарифмически растет с энер­ гией, а в рентгеновском диапазоне должно быть линейное воз­ растание.

Экспериментальное исследование переходного излучения реля­ тивистских частиц проводилось во многих работах [68—76], которые подтвердили основные предсказания теоретических построений и сти­ мулировали работы по созданию детекторов переходного излучения.

Очень скоро стало очевидным, что использование переходного излучения в оптической области для идентификации частиц встре­ чает много трудностей из-за слабой логарифмической зависимости интенсивности от энергии частицы. Тем не менее в некоторых рабо­ тах [69] было предложено регистрировать излучение, испущенное только под углами Ѳ-< 1/у, где, как оказалось, наблюдается степен­ ное возрастание интенсивности с энергией (~ у 4). Однако такая уг­ ловая дискриминация снижает абсолютную интенсивность излучения еще на порядок величины.

Более перспективным представляется использование переходно­ го излучения в рентгеновском диапазоне, где его интенсивность линейно возрастает с ростом энергии частицы. Здесь и проводятся сейчас основные исследования.

Низкая абсолютная интенсивность переходного излучения, воз­ никающего на границе раздела двух сред, привела к необходимости

69

использовать многослойные системы, состоящие из тонких слоев плотного вещества вперемежку с воздушными промежутками или вакуумом. При этом существует определенное минимальное рас­ стояние как внутри плотного вещества, так и в воздухе (или в ва-

!

1

Рис. 2.8. Теоретическая зависимость зоны формирования от лоренц-фактора частицы и энергии испущенного рент­ геновского излучения в алюминии и в майларе.

где с — скорость света; ß — скорость частицы; со — частота излу­ чения; Шр — плазменная частота среды (например, для AJ ар = = 32 эв), а в вакууме

где Ѳ— угол между волновым вектором в вакууме и направлением движения частицы (ось z).

На рис. 2.8 показана теоретическая зависимость зоны формиро­ вания в алюминии и майларе от лоренц-фактора частицы и энергии испущенного рентгеновского излучения. На рис. 2.9 представлена измеренная в той же работе [72] зависимость интенсивности рентге­ новского переходного излучения от толщины алюминиевой фольги и воздушного промежутка.

Наблюдавшийся вначале рост интенсивности излучения с увели­ чением толщины слоя очень скоро прекращается и наступает насыще­ ние. Увеличение интенсивности излучения с ростом энергии электро-

70

нов от 6 до 10 Гэв было интерпретировано авторами работы [72] как свидетельство в пользу отсутствия каких-либо интерференционных явлений, предсказываемых в некоторых теоретических работах

[65, 66].

Рис. 2.9. Зависимость интенсивности рентгеновского переходного из­ лучения (произв. ед.) от толщины алюминиевой фольги (а) и воз­ душного промежутка (б).

Более детальные исследования зависимости интенсивности излу­ чения от лоренц-фактора частицы были выполнены в работах [71, 73], результаты которых показаны на рис. 2.10. Плавными кривыми

Рис. 2.10. Зависимость интенсивности переходного излучения от ло­ ренц-фактора у (а) (О — данные работы [71] и X — [73]) и схема эксперимента в работе [73] (б).

показаны ожидаемые по теории зависимости интенсивности от ло­ ренц-фактора с учетом интерференционных эффектов [65, 66], пунк­ тирными — пересчет этих зависимостей к условиям соответствую­ щих экспериментов. Кружками показаны результаты измерений, проведенные в работе [71], в которой максимальное значение ло­

7J

ренц-фактора было 4000. Крестиками представлены измерения ин­ тенсивности переходного излучения при двух значениях лоренцфакторов: у = 103 и у = 6 • ІО4 [73]. Последнее значение ложится на теоретическую зависимость, учитывающую интерференцию излу­ чения.

Отмеченное обстоятельство весьма существенно с точки зрения перспектив использования переходного излучения для идентифика­ ции ультрарелятивистских частиц. Необходимо дальнейшее иссле­ дование этого вопроса.

2.4.2. Детекторы переходного излучения

Создание подходящего детектора для регистрации переходного излучения, имеющего очень низкую интенсивность, весьма актуально и является сложным делом.

Первые детекторы переходного излучения, предложенные и ис­ пользованные в работах [70—72, 79, 80], представляли собой ус­ тройства, состоящие из слоистой среды, в которой частицы образуют переходное излучение, и детекторов рентгеновского излучения. Та­ кими детекторами были кристаллические сцинтилляционные счет­ чики [71], расположенные по краям слоистой среды. При этом пере­ ходное излучение можно было регистрировать, удалив частицу, его испускающую, с помощью магнитного поля. Фон у-квантов от тор­ мозного излучения и других эффектов определялся в контрольном эксперименте со сплошным радиатором той же толщины.

В работе [71] было предложено в качестве детектора использо­ вать стримерную камеру с добавкой ксенона для повышения эффек­ тивности регистрации рентгеновских квантов. Преимущество этого метода перед другими в том, что здесь не требуется удалять частицу, испускающую излучение. То и другое регистрируется одновремен­ но. На фотографиях камеры видны трек частицы и фотоэлектроны от поглощения в газе камеры рентгеновских квантов переходного излучения. По плотности этих фотоэлектронов можно судить о при­ роде частицы. На рис. 2.10, б показана установка аналогичного типа, использованная в работе [73], в которой было выполнено измерение зависимости интенсивности переходного излучения от лоренц-фак- тора частицы.

Юань с сотр. [75] недавно предложили для регистрации переход­ ного излучения, возникающего в слоистой среде, использовать многонитный пропорциональный счетчик. Эффективность регистрации может быть повышена, если расположить вперемежку несколько слоистых сред и многонитных счетчиков. В осуществленной ими ра­ боте было десять слоистых радиаторов переходного излучения и де­ сять многонитных счетчиков. В таком устройстве авторам работы удалось выделить переходное излучение на фоне ионизации, созда­ ваемой упавшей частицей, осуществив определение среднего геомет­ рического значения ионизации от десяти имеющихся детекторов. В работе показано, что вычисление среднего геометрического значе­

72

ния эффективнее позволяет выделить фон от упавшей частицы, чем среднее арифметическое из тех же десяти показаний многонитных счетчиков.

Аналогичные измерения с 11 многонитными пропорциональными счетчиками и таким же числом слоистых радиаторов были осуществ­ лены в работе [76], авторы которой приходят к заключению, что про­ порциональные счетчики — прекрасные детекторы переходного из­ лучения, особенно если они заполнены газом с большим Z, таким, как у криптона или ксенона. Хорошее пространственное разрешение таких счетчиков (см. гл. 3) позволяет надеяться проводить измере­ ния переходного излучения для отдельных частиц, проходящих одно­ временно через счетчик.

Вработе [77] был предложен детектор тороидальной формы, че­ рез центральное отверстие которого проходили частицы, испускаю­ щие переходное излучение. Излучение регистрировалось тороидаль­ ным кристаллическим сцинтиллятором Csl (Т1). Эффективность регистрации излучения в таком счетчике невелика и составляет около 0,1.

Вдругой работе [78] для регистрации переходного излучения использовался ксеноновый сцинтилляционный счетчик. Было пока­ зано, что амплитуды импульсов от такого счетчика в присутствии переходного излучения заметно превышают фон, связанный с иони­ зацией частицы и тормозным излучением в радиаторе.

Развитие методики регистрации переходного излучения и изу­ чение его свойств позволяют сделать вывод о том, что переходное излучение может быть использовано для идентификации частиц вплоть до лоренц-факторов у ~ ІО4.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Методы определения основных характеристик атомных ядер и элементарныХдЧастиц. Под ред. Ц. By. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1965.

2.Методы измерения основных величин ядерной физики. Под ред. Ц. By. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1967, гл. 3, § 1; 1964, § 2.

3.Григоров Н. Л., Мурзин В. С., Рапопорт И. Д. «Ж- эксперим. и теор. физ.», 1958, т. 34, с. 506.

4.Ramana Murthy R. е. a. Nucl. Instr. Meth., 1963, v. 23, p. 245.

5.Duteil P. e. a. Rev. Scient. Instrum., 1964, v. 35, p. 1523.

6.Алиханян А. И. В кн.: Труды международной конференции по аппарату­ ре в физике высоких энергий. Дубна, Т. 2. 1971, с. 491.

7.Долгошеин Б. А. В кн.: Труды международной конференции по аппара­ туре в физике высоких энергий. Дубна, Т. 2. 1971, с. 852.

8.Горин К). П. и др. Приборы и техн. эксперим., 1970, № 3, с. 117.

9.Зрелое В. П. Излучение Вавилова—Черенкова и его применение в физике высоких энергий. Ч. 1, 2. М., Атомиздат, 1968.

10.Денисов С. П. В кн.: Труды международной конференции по аппаратуре в физике высоких энергий. Дубна, Т. 2. 1971, с. 453.

11.Zrelov V. Р. е. a. Nucl. Instr. Meth., 1972, v. 103, p. 261.

12.Agrawal N. C. e. a. Proc. Int. Conf. on Cosmic Rays, London, v. I, 1965, p. 453.

13.Григоров H. Л. и др. Вест. Моек, ун-та. Сер. астрономия, физика, 1970,

№ 5, с. 549.

73

14. Lai S. e. a. J. Phys. Soc. Japan, Suppl., Ill, 1962, v. 17, p. 390.

15.Sternheimer R. M. В кн.: Принципы и методы регистрации элементарных частиц. Под. ред. By. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1963, с. 9.

16.Росси Б. Частицы больших энергий. Пер с англ. М., «Наука», 1965.

17.Fermi Е. Phys. Rev., 1940, v. 57, р. 485.

19.Crispin A., Fowler G. Rev. Mod. Phys., 1970, v. 42, p. 290.

20.Sternheimer R. M., Peierls R. F. Phys. Rev., 1971, v. 3B, p. 368.

21.Ермилова В. К., Котенко Л. П., Мерзон Г. И. Приборы и техн. эксперим., 1969, № 3, с. 44.

Вкн.: Труды международной конференции по аппаратуре в физике вы­ соких энергий. Дубна. Т. 2. 1971, с. 664.

22.Kotenko L. Р., MersonG. I., Yermilova V. С. Nucl. Instr. Meth., 1972, v. 98, р. 577.

23.Kepler R. F. e. a. Nuovo cimento, 1958, v. 7, p. 71.

24.Rousset A. e. a. Nuovo cimento, 1959, v. 14, p. 365.

25.Ramana Murthy P. V. Nucl. Instr. Meth., 1968, v. 63, p. 77.

26.Мерзон Г. И. «Ядерная физика», 1972, т. 15, с. 278.

27. Котенко Л. Л., Мерзон Г. И., Чечин А. А. «Ядерная физика», 1967, т. 5, с. 815.

28.Пучков В. С. Диссертация, ФИАН, 1973.

29.Гарибян Г. М., Испирян К- А. «Письма ЖЭТФ», 1972, т. 16, с. 585.

30.Ермилова В. К. и др. «Ж- эксперим. и теор. физ.», 1969, т. 56, с. 1608.

31.Ермилова В. К- и др. Препринт № 152, ФИАН, М., 1969.

32.Давиденко В. А. и др. «Ж. эксперим. и теор. физ.», 1968, т. 55, с. 426.

33.Давиденко В. А. и др. В кн.: Труды международной конференции по ап­ паратуре в физике высоких энергий. Т.1. Дубна, 1971, с. 339.

34.Василевский И. М. и др. «Ядерная физика», 1969, т. 9, с. 997; 1969, т. 75, 13.

35.Weiss Y., Bernstein W. Phys. Rev., 1956, т. 103, с. 1253.

36.Jesse К. P-, Sadanski S. J. Phys. Rev., 1955, t . 97, c. 1668.

37.Бор H. Прохождение атомных частиц через вещество. Пер. с англ. М., Изд-во иностр. лит., 1948.

38.Ландау Л. Д. J. Phys. USSR, 1944, т. 8, р. 201. Собрание трудов Т. I. М., «Наука», 1969, с. 482.

39.Maccabee Н. D., Papworth D. G. Phys. Lett., 1969, v. 30A, p. 241.

40.Bradley E. F. Proc. Phys. Soc. 1955, v, A 68, p. 549.

41.Cranshow P. Progr. Nucl. Phys., 1952, v. 2, p. 271.

42. Kupperian M. e. a. Phys. Rev., 1953, v. 91, p. 118.

43.McClure R. Phys. Rev., 1952, v. 87, p. 680.

44.Palmatiere S. e. a. Phys. Rev., 1955, v. 97, p. 486.

45.Parry F. e. a. Proc. Phys. Soc. LA, 1953, v. 66, p. 541.

46.Rotwell K- Proc. Phys. Soc., L. B., 1951, v. 64, p. 911.

47.Snodgrass M. Цитируется no [39].

48.West L. Proc. Phys. Soc. LA, 1953, v. 66, p. 306.

49.Fano U. Phys. Rev., 1953, v. 92, p. 328.

50.Blunck O., Leisegang S. Z. Physik, 1950, v. 128, p. 500.

51.Blunck O., Westphal K- Z. Physik, 1951, v. 130, p. 64.

52.Вавилов П. В. «Ж- эксперим. и теор. физ.», 1957, т. 32, с. 920.

53.Maccabee Н. D., Raju М. R., Tobias С. A. Phys. Rev., 1968, v. 165, р. 469.

54.Давиденко В. А. и др. «Письма ЖЭТФ», 1971, т. 13; «Ж- эксперим. и теор. физ.», 1968, т. 55, с. 426.

55.Ким В. М., Котельников К- А. Пучков В. С. «Изв. АН СССР. Сер. физ.», 1971, т. 35, с. 2180.

56.Елисеев Г. П., Космачевский А. К., Любимов В. А. «Докл. АН СССР», 1953 т 93 с 995

57.Харитонов В. М. «Изв. АН СССР. Сер. физ.», 1953, т. 17, в. 1.

58.Ramana Murthy Р. V., De Meester G. D. Nucl. Instr. Meth., 1967, t . 56, p. 93.

59.Bashindzhagyan G. L. e. a. Acta Phys. Acad. Scient Hungaricae, 1970, t . 29,

Suppl. 4, p. 487.

74

Глава 3

НЕКОТОРЫЕ НОВЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ЧАСТИЦ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

§ 3.1. ВВЕДЕНИЕ

Среди большого многообразия методов исследования в физике вңсоких энергий большое развитие в последние годы получили элект­ ронные методы, оттесняя на второй план методы визуального наблю­ дения. Это связано в первую очередь с несомненным преимущест­ вом электронных методов, которые позволяют получать огромную статистическую точность, работать в линию с электронно-вычисли­ тельными машинами и, таким образом, сократить время между про­ ведением измерения и получением физического результата. Немало­ важную роль играет и то обстоятельство, что электронные методы развиваются и совершенствуются так, что становятся способными «видеть» исследуемый процесс, приближаясь в этом отношении к ме­ тодам визуального наблюдения.

Особого внимания среди работ, связанных с развитием электрон­ ных методов, заслуживают работы по исследованию и дальнейшему усовершенствованию пропорциональных счетчиков, которые, как отмечено в статье [1], получают сейчас свое второе рождение. К их достоинствам: малому мертвому времени, хорошему энергетичес­ кому разрешению, большой амплитуде выходного сигнала, непре­ рывному режиму работы и широкому выбору газов, добавилось еще одно качество — возможность измерения с хорошей точностью коор­ динат места пролета заряженной частицы [2, 3].

В планирующихся экспериментах на встречных пучках на уско­ рителе в ЦЕРНе предусмотрено создание установки, состоящей из большого числа таких многонитяных пропорциональных счетчиков, расположенных в зазоре большого магнита [4]. В следующих пара­ графах мы подробно рассмотрим основные особенности этого чрез­ вычайно перспективного прибора.

Растет число работ, в которых предлагаются новые конструкции детекторов для эффективной регистрации переходного излучения, открывающего широкие возможности для идентификации частиц высоких энергий [5—7].

В космических лучах для регистрации частиц сверхвысоких энергий недавно предложен новый метод, основанный на измерении диэлектрических свойств твердого тела, изменяющихся при про­ хождении через него ливня из большого числа заряженных частиц

[8].

76