ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................................... 6
ГЛАВА I. Метод больших рентгеноэмульсионных камер
1.1. Постановка задачи ........................................... 20
1.2. Конструкция камер и экспозиция .............................. 22
1.3. Принцип регистрации каскадов от адронов и гамма-
квантов ..................................................... 24
1.4. Связь числа каскадных электронов и потемнения пятна 27
1.5. Процедура отбора и формирования каскадов .................... 29
1.6. Процедура определения энергии отобранных каскадов ........... 31
1.7. Точность определения энергии гамма-квантов и функции искажения .................................................. 32
1.8. Точность определения энергии адронов и функции
искажения ................................................... 35
1.9. Переход от спектра энерговыделений к спектрам по
полной энергии адронов...................................... 38
1.10. Разделение каскадов на гамма-кванты и адроны ................ 39
ГЛАВА II. Развитие каскадов от гамма-квантов в свинце, эффект Л андау-Померанчу ка- Мигдала
2.1. Постановка задачи........................................... 42
2.2. Определение характеристик экспериментальных ЭФК.............. 45
2.3. Распределение экспериментальных событий по ширине
каскада ДТ1/2 ............................................... 48
2.4. Распределение экспериментальных каскадов по глубине
максимума развития .......................................... 50
ГЛАВА III. Развитие каскадов от адронов в воздухе, коэффициенты неупругости и сечения взаимодействия в р-воздух столкновениях
3.1. Постановка задачи............................................ 54
3.2. Выбор модели взаимодействия ................................. 55
3.3. Экспериментальные спектры одиночных адронов....................................... 57
3.4. Экспериментальные спектры гаммат-адронных семейств и
характеристики адронов в семействах .......................... 63
3.5. Коэффициенты неу пру гости и сечения взаимодействия в
р-воздух столкновениях ....................................... 73
ГЛАВА IV. Развитие каскадов от адронов в свинце, коэффициенты неупругости и сечения взаимодействия в рРЬ- и 7гРЬ-столкновениях
4.1. Постановка задачи............................................. 85
4.2. Математическая модель развития ЯЭК в глубоких
свинцовых камерах............................................. 87
4.3. Монте-Карло генераторы моделирования работы
установки..................................................... 92
4.4. Сравнение характеристик экспериментальных и искусственных событий по форме каскадных кривых ................... 95
4.5. Последовательные взаимодействия адронов в камере............. 102
4.6. Распределение каскадов от адронов по глубинам возник-
новения в камере ............................................ 104
4.7. А-зависимость и энергетическая зависимость коэффицрь
ентов неупругости ........................................... 116
4.8. А-зависимость и энергетическая зависимость сечений
взаимодействия .............................................. 122
ГЛАВА V. Исследование коэффициентов неупругости Кш и К1 по данным ускорительного эксперимента NA22 при импульсе 250 ГэВ/с
5.1. Постановка задачи............................................ 129
5.2. Эксперимент ИА22 и статистика используемых событий........... 131
5.3. Поведение лидирующих частиц в адрон-ядерных взаимодействиях.................................................. 133
5.4. Исследование парциального коэффициента
неупругости Ку............................................... 146
5.5. Ку по данным экспериментов в космических лучах................ 150
4
ГЛАВА VI. Аномальное поглощение каскадов от адронов с энергией 20-200 ТэВ на больших глубинах в свинце
6.1. Постановка задачи........................................... 156
6.2. Конструкция РЭК глубиной 110 см и методика обработки
данных ..................................................... 157
6.3. Распределение каскадов от адронов по глубинам зарож-
дения в свинце.............................................. 159
6.4. Анализ экспериментального распределения каскадов по
глубинам зарождения в свинце................................ 168
ГЛАВА VII. Источники избыточных каскадов на больших глубинах в свинце
7.1. Постановка задачи........................................... 173
7.2. Программа моделирования ЯЭК, инициированных адро-
нами сверхвысоких энергий в свинце и атмосфере Земли с учетом рождения чармированных частиц................ 177
7.3. Моделирование эксперимента по изучению поглощения
адронов на больших глубинах в свинце ....................... 181
7.4. Эксперимент по изучению рождения чармированных частиц с помощью камеры с большим воздушным зазором ........... 185
7.5. Моделирование спектров мюонов .............................. 187
7.6. Слабопоглощающиеся адроны как возможный источник
избыточных каскадов ........................................ 194
7.7. Другие гипотезы ............................................ 201
Основные результаты .............................................. 205
Литература........................................................ 208
5
ВВЕДЕНИЕ
Космические лучи как источник частиц сколь угодно больших энергий в течение полувека позволяют получать информацию о характеристиках взаимодействий адронов в области энергий, невоспроизводимых в лабораторных условиях. Уже в конце 40-ых годов, благодаря открытию ядерно-каскадного процесса в атмосфере Г.Т.Зацепиным и др. [1], [2], [3], [4], |5] сделан ряд заключений о таких характеристиках ядерного взаимодействия как коэффициент неупругости, множественность, сечение взаимодействия, состав вторичных частиц и об отсутствии или слабой зависимости этих характеристик от энергии. В этих работах было показано, что поглощение космических лучей в веществе характеризуется длиной поглощения
Labs — Lin/( 1— < uf >),
зависящей от доли энергии, уносимой сохранившимся нуклоном —
Ui = Ei/Eq, пробега на взаимодействие — Ltn (величиной обратной сечению взаимодействия (Jprod) и наклона интегрального энергетического спектра — /?, и было введено понятие коэффициента неупругости Ktot = 1 — U[. Именно изучению этих характеристик в области энергий десятки и сотни ТэВ и поглощению частиц космического излучения в воздухе и свинце посвящена настоящая работа.
Энергетический фронт, достижимый на ускорителях, смещался в сторону больших энергий за эту половину века с впечатляющей скоростью: энергия столкновения в системе центра масс сталкивающихся частиц удваг ивалась за 2-3 года [6]. Но к концу двадцатого века оказалось, что информация о свойствах неупругих взаимодействий адронов с ядрами при энергии десятки и сотни ТэВ в области самых быстрых вторичных рожденных частиц до сих может быть получена только из данных экспериментов в космических лучах. И это — несмотря на то, что в настоящее время на адронных коллайдерах (в лаборатории Ферми в США [7|) изучаются протон-антипротонные столкновения при энергии ~ 1015 эВ, и через несколько лет планируется запустить Большой адронный коллайдер LHC для исследования взаимодействий с энергией 1017 эВ. Хотя формально регистрирующие детекторы вторичных частиц на адронных коллайдерах перекрывают 99% телесного угла, значительная часть энергии, несомая самыми быстрыми вторичными частицами с псевдобыстротой 77 > 4.5 теряется (по оценкам, сделанным в [8] — до 60% на SppS коллайдере в ЦЕРНе, 80% на коллайдере Tevatron и около 95% на LHC). Напротив, благодаря крутопадающему
6
энергетическому спектру адронов и высоким порогам регистрации вторичных частиц, данные многих экспериментов в космических лучах оказываются наиболее чувствительны к области больших импульсов вторичных частиц (по феймановской переменной хр > 0.2) [8]. Кроме того, в ускорительных мишенных экспериментах при изучении взаимодействий с ядрами даже в настоящее время энергия частиц не превышает 1 ТэВ. что на 2 - 3 * порядка меньше энергий, исследуемых в настоящей работе.
Невозможность исследовать на коллайдерах самые энергичные вторичные частицы привела к тому, что из экспериментов на ускорителях поведение указанных выше и ряда других характеристик множественного рождения с увеличением энергии остается неясным.
С другой стороны, за это время создана и блестяще подтверждена теория сильных взаимодействий — квантовая хромодинамика (С^СЭ). Но она позволяет количественно описывать и точно предсказывать лишь жесткие процессы в диапазоне переданных импульсов, где работает теория возмущений. А для описания процессов множественного рождения, чувствительных к структуре адронов и вакуума, теория возмущений не может быть применена. Это приводит к тому, что описание множественных процессов проводится в рамках различных моделей с несколькими свободными параметрами, и поведение с увеличением энергии той или иной величины по сути плохо предсказуемо. В связи с этим экспериментальные данные при сверхвысоких энергиях, позволяющие уточнять свободные параметры модели, становятся особенно актуальными.
Конечно, по детальности получаемой информации данные космических лучей значительно уступают результатам ускорительной физики. Исторически космические лучи давали указания на появление новых частиц и процессов. Именно в космических лучах были обнаружены впервые позитрон и распад чармированной частицы, получены указания на рост сечения взаимодействия и рост поперечного импульса с энергий. И, наконец, самое яркое достижение последних лет — доказательство отличной от нуля массы нейтрино, впервые полученное на установке в Японии ЗирегКатюкапбе.
Как часто бывает в экспериментальной физике, прогресс в развитии детекторов для регистрации частиц космического излучения определяет круг решенных задач и ставит ряд ограничений. Настоящая работа опирается на возникший в 70-х годах и успешно развивающийся в последующие годы экспериментальный метод больших рентгеноэмульсионных камер (РЭК). Почему возникла необходимость развития этого метода?
Колоссальным достижением, на много лет вперед определившим лицо
7
экспериментальной физики элементарных частиц, было изобретение советскими учеными Н.Л.Григоровым, В.С.Мурзиным, И.Д.Раппопортом ионизационного калориметра [9), прибора, позволяющего с очень хорошей точностью определять энергию частиц и изучать развитие ядерно-каскадного процесса в тяжелом веществе. По оценкам В.С.Мурзина, Л.И.Сарычевой [10], начиная с 1957 в СССР было использовано около 25 ионизационных калориметров. Сначала это были калориметры небольшой площади [11,12] на Памире и г. Арагаце, затем был создан калориметр площадью 36 м2 в составе комплексной установки по изучению ШАЛ на Тянь-Шане под руководством С.И. Никольского. Множество значительных результатов получено с помощью этих установок. Изучаемый диапазон энергий частиц определялся площадью установок, так как падающая с увеличением энергии интенсивность излучения А(£') = Е“1-7, приводит к ограничению исследуемого диапазона из-за недостатка статистики высокоэнергичных событий. По сути все исследования на калориметрах ограничились изучением взаимодействий до 1-5 ТэВ. Калориметр на Тянь-Шане позволил продвинуться в область исследований несколько десятков ТэВ (благодаря большой площади) однако возникла проблема пространственного разрешения детекторов. Уже в области 1-5 ТэВ все свойства адронов начинают зависеть от ливневого сопровождения [12], и получение характеристик одиночных адронов, идущих при высоких энергиях в центре узкой группы частиц, затруднено. В области же несколько десятков ТэВ и выше вся картина оказывается значительно искажена групповым попаданием адронов в одну ионизационную камеру.
Эффективная энергия взаимодействия, изучаемая с помощью широких атмосферных ливней, относится к области > 1015 эВ, по "малым” ливням можно опуститься до энергии несколько сотен ТэВ [13]. "Пропущенный" энергетический диапазон 1013 эВ - 1015 эВ с начала 70-х годов начал интенсивно исследоваться рентгеноэмульсионной методикой, лидером которой в СССР можно по праву считать Ю.А.Смородина [14]. Основные особенности этого метода — очень хорошее пространственное разрешение рентгеновских пленок (300 мкм), и возможность создавать достаточно дешевые установки огромной площади (до 500 м2). Сначала работа велась, как правило, с камерами небольших размеров и короткой экспозицией. Впервые крупномасштабная установка под названием "Мюон" из глубоких свинцовых камер была собрана в туннеле Московского метрополитена в 1966-68 гг. группой МГУ под руководством Г.Т.Зацепина и И.В.Ракобольской [15].
Начиная с 1971 г., в горах Памира (и в рамках эксперимента "Памир"
8
/
под руководством С.А.Славатинского) на высоте 4360 м над уровнем моря начали собираться РЭК разной конструкции общей площадью 500 квадратных метров, с использованием 3 тысяч тонн свинца и 8 тысяч квадратных метров рентгеновских пленок в год [16]. Аналогичные эксперименты проводились сотрудничеством "Фуджип[17], Японо-Китайской коллаборацией в Тибете [18] и Японо-Бразильской коллаборацией в Андах [19].
В отличие от методики ШАЛ с помощью РЭК регистрируются лишь самые быстрые вторичные частицы, рожденные в актах ядерных взаимодействий адронов с веществом атмосферы, благодаря очень хорошему пространственному разрешению РЭК (300 мкм) и высокому порогу регистрации вторичных частиц — 4 ТэВ. Центральная часть ядерно-электромагнит-ного каскада (ЯЭК) в атмосфере регистрируется на пленках, как генетически связанная группа гамма-квантов и адронов на расстояниях до 30 см, и называется гамма-адронными семействами. Семейства являются основным объектом изучения в эксперименте "Памирп и отражают характеристики акта взаимодействия при энергиях более 1015 эВ. Метод РЭК позволял получать спектры адронов и гамма-квантов в глубине атмосферы до энергии несколько сотен ТэВ, не искаженные групповым попаданием частиц.
В эксперименте "Памир" [20] использовались в качестве основных установок так называемые С-РЭК, экспозиция которых составляла 500 м2год. С 1976 г. по инициативе группы НИИЯФ МГУ при активном участием автора было предложено проводить также экспонирование глубоких свинцовых многослойных камер для расширения крута решаемых задач и для проверки результатов, полученных по С-РЭК. Число регистрирующих слоев в свинцовых камерах колебалось от 30 до 60, что позволяло получать более детальную информацию на нескольких уровнях развития каскадов, но и приводило к увеличению трудоемкости обработки экспериментального материала и, как следствие, к уменьшению статистики. Экспозиция камер не превышала 30 м2год, но благодаря значительно более детальной информации позволила получить целый ряд ценных результатов [21, 22], которым и посвящена настоящая работа.
Теперь рассмотрим, какие вопросы оставались открытыми к началу 80-х годов, к началу проведения данного исследования?
Как уже говорилось, из первых опытов с космическими лучами следовало, что основные параметры ядерного взаимодействия не зависят от энергии налетающей частицы. К такому же выводу пришли в конце 60-х годов после получения первых результатов на ускорителях со встречными пучками. На основании этих результатов Р.Фейнманом была сформулиро-
9
вана гипотеза [23] о существовании скейлинга — масштабной инвариантности инклюзивных спектров вторичных частиц во всей области фейма-новской переменной хр. Это была очень удобная гипотеза, позволявшая просчитывать процессы множественного рождения при сколь угодно больших энергиях.
Действительно, целый ряд экспериментальных результатов укладывался в рамки этой модели — спектр адронов на уровне гор до энергии 1 ТэВ практически повторял спектр протонов первичного космического излучения, откуда делался вывод о независимости пробега поглощения, а следовательно коэффициента неупругости и сечения взаимодействия от энергии. Твердо установленным фактом [11] являлось постоянство (с точностью ~ 10%) коэффициента неупругости в рр и р-ядерных столкновениях в интервале энергий от 10 до 1000 ГэВ. Этот вывод согласовывался с независимостью спектров вторичных протонов от энергии и гипотезой скейлинга в области фрагментации. Нерешенной оставалась проблема о зависимости коэффициента неупругости от атомного номера ядра-мишени. В космических экспериментах с калориметрами на г. Арагаце [10| при энергиях несколько сот ГэВ исследовалось поведение спектров лидирующих частиц во взаимодействиях с ядрами железа и было получено, что Кш ~ 0.53 не только не зависит от энергии частицы, но и от массы ядра мишени в области энергий до 1 ТэВ. Этот результат требовал дополнительной интерпретации, так как на тяжелом ядре (благодаря каскадному процессу в ядре) энергия лидирующей частицы должна была уменьшаться. Отсюда был сделан вывод, что уже при энергиях порядка сотен ГэВ столкновение нуклона с ядром происходит так же, как столкновение со свободным нуклоном или, что проходящий сквозь ядро нуклон высокой энергии испытывает в нем лишь одно взаимодействие. Однако уже первые попытки интерпретации наших данных по пробегам поглощения в свинце привели к противоречиям с гипотезой о независимости коэффициента неупругости в свинце [27] от массы ядра-мишени. Указания на это появились в ряде ускорительных экспериментов уже в начале 70-х годов [24]. И только к середине 80-годов появились обобщающие работы, достоверно свидетельствующие о смягчении спектров вторичных частиц в р-ядерных взаимодействиях по сравнению с рр взаимодействиями во всей области переменных хр. Эти исследования относились к области энергий несколько десятков и сотен ГэВ [25].
Что касается исследований энергетического поведения полных сечений взаимодействий, то их можно разделить на три этапа [28]. Сначала было
ю
обнаружено падение полных сечений от 10 до 50 ГэВ [29, 30, 31]. Такое поведение казалось естественным с точки зрения реджевской модели, и ожидалось, что полное сечение будет стремиться к асимптотическому пределу сверху. Существенно изменили физическую картину результаты измерений на ускорителе в Серпухове, где было получено указание на рост К*р сечений в области энергий 50-70 ГэВ [32], и в ряде экспериментов в ЦЕРН и лаборатории Ферми [33, 34), подтверждающие рост сечений всех частиц (кроме антипротонов) в области энергий 100-2000 ГэВ.
В экспериментах с космическими лучами указание на рост сечения взаимодействия нуклонов в воздухе по мнению ряда авторов было получено до открытия этого роста на ускорителях. Так в работах Н.Л.Григорова и др. [35,36] измерено уменьшение с ростом энергии пробега поглощения адронов в воздухе, свидетельствующее о росте сечения взаимодействия. Указанием на рост сечения в р-воздух взаимодействиях можно считать [37] и результаты работы О.И. Довженко, Г.Т.Зацепина и др. [38], опубликованной в 1960 г. И все-таки твердая уверенность в том, что сечение рр-взаимодействий продолжает расти с энергией, появилась лишь в 70-х годах после указанных экспериментов на ускорителях. Его поведение в области энергий сотни ТэВ предсказать было достаточно трудно, предполагалось, что оно выйдет на асимптотическое поведение снизу. В настоящее время известно, что полное, упругое и дифракционное сечения взаимодействия антипротонов с протонами быстро растут вплоть до энергии у/в =1.8 ТэВ [7, 39, 40] и не выходят на асимптотическое поведение.
Гораздо более неопределенная ситуация сложилась с исследованиями иеупругих сечений в адрон-ядерных взаимодействиях. Экспериментально они изучены до энергий несколько сот ГэВ [41, 42], где не наблюдается рост адрон-ядерных сечений с увеличением энергии. По мнению авторов монографии [28] В.С.Мурзина и Л.И.Сарычевой такая тенденция должна продолжаться и в области энергии более 1 ТэВ, так как предположительно с ростом энергии будет увеличиваться вклад поправок на неупругое экранирование [43], компенсирующий рост элементарных сечений с энергией. Но, надо заметить, что в области сотен ГэВ сечения рр-взаимодействий растут очень слабо, быстрый рост измерен в области 1-1000 ТэВ, поэтому можно ожидать, что и в адрон-ядерных взаимодействиях при энергиях десятки и сотни ТэВ рост сечений будет обнаружен. Действительно, по-крайней мере во взаимодействиях адронов с воздухом в области 10-80 ТэВ этот результат был подтвержден в ряде космических экспериментов (например, в работе
В.И.Яковлева [37]). В наших работах было показано еще в конце 70-х годов,
11
что и во взаимодействиях с тяжелыми ядрами неупругое сечение при энергиях десятки ТэВ больше, чем полученные на ускорителях при ГэВ-ных энергиях [44). В настоящей работе этот вывод подтвержден и обоснован.
Развитие исследований ШАЛ в последующие годы позволило установить, что свойства ливней с энергией 1015 эВ и выше не описываются в рамках скейлинговых моделей, и характерной особенностью является их быстрое развитие в атмосфере [45, 46]. Для объяснения этих эффектов было предложено множество феноменологических моделей, обзор которых не входит в задачу автора. Как было показано в работах Т.Гайсера, А.Хилласа, И.П.Иваненко [47, 48, 49], по сути удовлетворительного согласия с экспериментальными данными можно добиться, если предположить рост сечения взаимодействия за счет нарушения масштабной инвариантности не во фрагментационной а только в центральной области рождения вторичных частиц. Такое изменение спектров вторичных частиц приводило лишь к очень слабому увеличение Ktot с энергией. Для объяснения данных ШАЛ в группе Г.Б.Христиансена H.H.Калмыковым [50] была создана модель, синтезирующая основные черты теории надкритического померона и аддитивной кварковой модели. В этой модели Ktot растет несколько быстрее с ростом энергии [79], чем в работах [47, 48, 49]. В экспериментах по изучению ШАЛ к коэффициенту неупругости и сечению взаимодействия чувствительна в основном одна характеристика — положение максимума развития ливня. Данные эксперимента "Памир" по спектрам адронов и потокам гамма-адронных семейств оказались гораздо более чувствительны к этим параметрам. Позднее анализ экспериментальных данных по гамма-семействам (зарегистрированным в С-камерах эксперимента "Памир"), проведенный А.М.Дунаевским [57], показал, что всю совокупность данных по гамма-семействам можно объяснить в рамках модели MQ, где заложен очень резкий рост с энергией коэффициента неупругости, вплоть до величины 0.75-0.85 при энергии 10 ПэВ. Однако не было проведено анализа, как Ktot выходит на такой режим роста в интервале энергий 10-1000 ТэВ, можно ли согласовать эти две энергетические области. В настоящей работе показано, что в области 10-1000 ТэВ такой сильный рост Ktot противоречит данным по спектрам адронов и мюонов, и указаны допустимые границы параметров модели при которых можно одновременно согласовать данные по спектрам адронов и гамма-адронных семейств.
С середины 80-х годов активно развивается целый ряд моделей адрон-ядерных взаимодействий, основанных на объединении дуально-топологического разложения в теории струн (т.е. представлений об образовании цве-
12
товых трубок или струн при соударениях адронов) и реджевской теории адронных взаимодействий [51, 52, 53, 54, 55, 56, 60] и др., в большинстве из которых предсказывается рост коэффициентов неупругости с энергией. Параллельно с развитием этих расчетов проводилось тестирование моделей кварк-глюонных струн при сверхвысоких энергиях [13, 58, 57, 59, 60]. Можно даже сказать, что успехи моделей кварк-глюонных струн, общепризнанные в настоящее время, в большой степени обязаны экспериментам с широкими атмосферными ливнями и рентгеноэмульсионным экспериментам, которые стимулировали поиск новых подходов к описанию процессов множественного рождения.
Однако, и в настоящее время продолжаются интенсивные поиски единой модели, удовлетворительно описывающей все компоненты космического излучения при сверхускорительных энергиях, и пока она не найдена [61].
О несовершенстве наших знаний в настоящее время свидетельствует целый ряд явлений, наблюдаемых в космических лучах, указывающих на , существование экзотических процессов, выходящих за рамки общепринятых представлений о процессах множественного рождения при сверхвысоких энергиях (достаточно подробное перечисление их можно найти в работе [62]), и, в частности, аномалий в поглощении ЯЭК от адронов на больших глубинах свинца, обнаруженные в нашем эксперименте. В настоящей работе вопросам доказательства, исследования и объяснения таких аномалий _ уделяется много места.
Впервые аномально медленное поглощение адронов стволов (центральной части) ШАЛ в свинце было обнаружено на Тянь-Шаньском ионизационном калориметре В.И.Яковлевым [63, 37]. Для объяснения наблюдаемого эффекта предложена гипотеза рождения во взаимодействиях адронов с ядрами свинца проникающих частиц, которые, распадаясь в глубине калориметра, создают избыточную ионизацию. Частицы с открытым чармом — очарованные или чармированные адроны подходили на роль таких проникающих частиц.
В работах, посвященных исследованию мюонов ШАЛ, также были отмечены события, свидетельствующие, по всей видимости, о значительной величине сечения рождения чармированных частиц [64, 65]. Чтобы объяснить наблюдаемые эффекты с помощью такой гипотезы, потребовалось считать величину полного сечения рождения чарма равной 3 мб/нукл при энергии Е ~ 150 ТэВ [66]. В эксперименте иМюон"[15], упоминавшемся ранее, было обнаружено [238] уположение спектров одиночных мюонов при энергии более 10 ТэВ, которое объяснялось авторами рождением чарми-
13
рованных частиц во взаимодействиях протонов с ядрами воздуха. Л.В. Волковой [251) показано, что требуемое для объяснения эффекта сечение рождения чарма составляет 1.2 мб/нуклон при эффективной энергии взаимодействия 100 ТэВ, а расчет Н.Н.Калмыкова [252), проведенный в рамках модели кварк-глюонных струн, дал оценку 1.8 мб/нуклон. Столь большие сечения рождения чарма плохо согласовывались с экстраполяцией ускорительных данных в изучаемую область энергий.
У Высказывалось также предположение, что источником аномалий, наблюдаемых в ливнях, инициированных мюонами, могут быть некие тяжелые (т > 10 ГэВ/с) долгоживущие (го > 10-8 — 10“6 сек) частицы, слабо поглощающиеся в атмосфере [67].
Каков бы ни был источник этих аномалий в поглощении адронов, они должны быть заметны в свинцовых рентгеноэмульсионных камерах. Для поисков аномалий в поглощении адронов потребовались РЭК значительно большей глубины, чем использовавшиеся ранее. Поэтому нами была поставлена задача проэкспонировать 110 сантиметровые РЬ-РЭК, проверить наличие подобных эффектов и детально их исследовать. Действительно, был обнаружен 30% избыток каскадов от адронов на больших глубинах свинца. Преимуществом проведенного исследования этого эффекта по сравнению с работой [37] является возможность изучения высокоэнергичной части ЯЭК от одиночных адронов, не искаженной групповым попаданием частиц, с пространственным и продольным разрешением, гораздо лучшим, чем в ионизационном калориметре. Позднее для уточнения природы длиннопро-бежной компоненты нами был предложен и осуществлен эксперимент, направленный на измерение сечения рождения чармированных частиц (как возможного источника избыточных каскадов) с помощью рентгеноэмульсионной камеры с большим воздушным зазором. Камера экспонировалась в 1992-1994 г., однако временно работы с этой установкой были приостановлены из-за экономических проблем. В работе обосновывается применение такой камеры для сформулированной выше задачи.
С появлением крупномасштабных рентгеноэмульсионных камер, позволивших продвинуться в область исследований энергий взаимодействий более десятков ТэВ, в начале 80-х годов остро встал вопрос о применимо-' сти электромагнитной каскадной теории в области столь высоких энергий. Еще в 50-х годах Ландау и Померанчук (68) впервые указали на то, что теория тормозного излучения и образования пар, развитая Бете и Гайтлером (ВГ). становится несправедливой в плотных средах при энергиях частиц более 1 ТэВ из-за влияния многократного рассеяния, которое приводит с ро-
14
:
стом энергии к уменьшению вероятности испускания гамма-квантов электроном и к уменьшению вероятности образования электрон-позитрон ной пары гамма-квантом. Поляризация среды также приводит к уменьшению вероятности испускания гамма-квантов низкой энергии [69]. Эти изменения основных электромагнитных процессов при сверхвысоких энергиях получили название эффекта Ландау-Померанчука-Мигдала (ЛПМ).
- Эффект ЛПМ должен приводить к сдвигу положения максимума электронно-фотонного каскада (ЭФК) в область больших глубин, уменьшению числа частиц в максимуме, уменьшению коэффициента затухания ЭФК после максимума [70].
Первые попытки экспериментального обнаружения эффекта ЛПМ были предприняты еще в 60-х годах (см. гл. II). Однако исследуемые энергии оказались недостаточно высокими (1011 — 1012 эВ) для однозначного подтверждения существования эффекта ЛПМ.
Так как глубокие свинцовые камеры предоставляют уникальную возможность анализа продольного развития каскадов от гамма-квантов, то нами была поставлена задача количественно оценить влияние эффекта ЛПМ на развитие электромагнитных каскадов в свинце.
Рентгеноэмульсионные эксперименты выявляют лишь основные, характерные черты процесса взаимодействия частиц с веществом из-за отсутствия информации об энергии частицы, инициировавшей взаимодействие, и в следствие того, что вторичные частицы являются продуктами не одного, а нескольких взаимодействий — ядерно-электромагнитного каскада (ЯЭК) в веществе. Поэтому для получения результатов необходима не только детальная разработка методики регистрации адронов, гамма-квантов, и гамма-адронных семейств в установке, но и развитие новых методологических подходов к анализу данных, основанных на полном моделировании эксперимента, чему в работе уделено значительное внимание.
АКТУАЛЬНОСТЬ. Исследования свойств неупругих взаимодействий адронов с ядрами являются одним из основных направлений в физике элементарных частиц. При энергии 20-1000 ТэВ экспериментальная информация о поведении самых быстрых рожденных частиц в акте ядерного взаимодействия (область фрагментации налетающей частицы, не изучаемая на ускорителях со встречными пучками) может быть получена только из экспериментов, в которых адроны космического излучения используются как источник частиц сверхвысоких энергий. Актуальным в таких экспериментах продолжает оставаться поиск новых явлений и новых частиц, не предсказываемых принятой в настоящее время теорией сильных взаимо-
15
действий. Знание поведения коэффициентов неупругости и сечений взаимодействия, определяющих скорость развития каскадов в веществе, с ростом энергии взаимодействия необходимо для ряда астрофизических задач, например, изучения массового состава и спектра первичного космического излучения непрямыми методами. При такой постановке задачи требуется точный выбор модели множественного рождения в области сверхускоритель ньгх энергий.
ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИИ является изучение свойств неупругих взаимодействий адронов при энергиях 20-1000 ТэВ по данным глубоких свинцовых рентгеноэмульсионных камер эксперимента "Памир". Для этого необходимо было разработать методику регистрации адронов, гамма-квантов и гамма-адронных семейств и соответствующие методы анализа данных; получить характеристики адронной компоненты космических лучей на уровне наблюдения в атмосфере 600 г/см2, в том числе характеристики адронов, сопровождающих гамма-семейства; получить характеристики поглощения ядерно-электромагнитных каскадов в свинце до глубины поглотителя 7\inti исследовать аномалии в поглощении адронов на больших глубинах свинца; провести моделирование эксперимента и по полученным экспериментальным данным сделать заключение о характеристиках адрон-воздух и адрон-свинец взаимодействий в области энергий 20-1000 ТэВ и исследовать природу аномалий.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ К ЗАЩИТЕ.
1. Результаты экспериментального исследования влияния эффекта Лан-дау-Померанчука-Мигдала (ЛПМ) на развитие электромагнитных каскадов в свинцовом поглотителе при энергии более 10 ТэВ, количественные оценки изменения положение максимума развития каскадов и скорости поглощения каскадов с ростом энергии.
2. Результаты исследования спектров и пробегов поглощения одиночных адронов в интервале энергий 20-300 ТэВ; спектров и пробегов поглощения гамма-адронных семейств в интервале энергий £ Е1 = 100-400ТэВ; энергетических и пространственных распределений адронов, идущих в составе гамма-адронных семейств. Значения коэффициентов неупругости и сечений во взаимодействиях протонов с ядрами атомов воздуха в области энергий 20-1000 ТэВ:
Кил = 0.63 ± 0.03, = 315 ± 15 мб при Е~ 50 ТэВ;
Кш = 0.67 ± 0.03, = 365 ± 20 мб при Е~ 1000 ТэВ.
3. Результаты исследования различных характеристик ядерно-электро-
16
магнитных каскадов от адронов с энергиями 20-300 ТэВ в свинце, коэффициенты неупругости и сечения во взаимодействиях протонов с ядрами атомов свинца:
Кил = 0-74 ± 0.03, а1^ = 2000 ± 120 мб при Е~ 50 ТэВ.
4. Результаты совместного анализа полученных данных при энергиях 20-1000 ТэВ с данными ускорительного эксперимента при энергиях 250 ГэВ, энергетическая зависимость коэффициентов неупругости и сечений взаимодействия.
о. Результаты исследования поглощения адронных каскадов с энергией Е = 20 - 300 ТэВ вплоть до глубин 7 пробегов взаимодействия адронов в свинце. Обнаружение аномально медленного поглощения каскадов на глубине более 3 пробегов взаимодействия.
6. Доказательство того, что аномально медленное поглощение адронных каскадов может быть описано количественно, если сечение рождения чармированных частиц почти линейно растет с увеличением энергии вплоть до 75 ТэВ, либо, если в потоке адронов космического излучения присутствуют слабопоглощающиеся частицы неизвестной природы. Обоснование проведения эксперимента по измерению сечений рождения чармированных частиц во взаимодействиях протонов с ядрами атомов свинца при энергии десятки ТэВ, который позволяет уточнить природу аномального поглощения адронов на больших глубинах свинца.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Новизна результатов определяется уникальными экспериментальными данными, полученными с помощью глубоких свинцовых рентгеноэмульсионных камер различной конструкции, которые позволили в области столь высоких энергий исследовать потоки адронов на уровне гор и высокоэнергичную часть ядерно-электромагнитных каскадов в свинце с пространственным разрешением 300 мкм вплоть до больших глубин поглотителя. Разработанная методика позволила впервые экспериментально наблюдать влияние эффекта Ландау-Померанчука-Мигдала на развитие электромагнитных каскадов в свинце при энергии более 10 ТэВ. Проведенное исследование дало возможность оценить энергетические зависимости и зависимости от ядра-мишени коэффициентов неупругости и сечений взаимодействия и показать, что коэффициент неупругости увеличивается с ростом энергии частицы и зависит от массы ядра мишени, что не следовало из экспериментов в физике космических лучей, проведенных с помощью калориметров.
Обнаружение аномально медленного поглощения одиночных адронных каскадов на больших глубинах свинца подтверждает полученное ранее в
17
эксперименте на Тянь-Шане изменение с ростом энергии скорости поглощения энергии стволов широких атмосферных ливней в свинце. Принципиальным достижением по сравнению с этим экспериментом явилась возможность исследования только высокоэнергичной части ядерно-элек-тромагнитных каскадов от адронов, не искаженных трудноучитываемыми низкоэнергичными процессами или групповым попаданием частиц в одну ионизационную камеру. Впервые предложен и проводится эксперимент по измерению сечений рождения чармированных частиц во взаимодействиях протонов с ядрами атомов свинца при энергии десятки ТэВ для выяснения природы указанных аномалий.
Экспериментальные результаты по характеристикам потоков космических лучей использовались ранее и могут быть использованы для тестирования новых моделей множественного рождения, развиваемых в физике высоких энергий и космических лучей. Полученные оценки сечений взаимодействия протонов и пионов с ядрами свинца необходимы при планировании новых экспериментов на ускорителях при ТэВ-ных энергиях. Развитая в диссертации методика регистрации частиц может быть использована при планировании комплексных установок по изучению широких атмосферных ливней, включающих рентгеноэмульсионную методику. Результаты по исследованию влияния ЛПМ эффекта, пробегам поглощения адронов в воздухе и свинце необходимы при планировании и расчетах новых установок для прямого измерения спектров первичного космического излучения вплоть до энергии 1 ПэВ. Обнаруженное и исследованное в работе замедление поглощения адронов на больших глубинах свинца возможно свидетельствует о появление новых частиц или процессов, требующих развития новых теоретических подходов.
Содержащиеся в диссертации материалы могут быть использованы в НИИЯФ МГУ, ФИАН РАН, ИЯИ РАН, Московском государственном инженерно-физическом институте, институте физики Грузии, Физико-техническом институте АН Узбекистана.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД.
Представляемая диссертация подводит итоги двадцатилетнего исследования свойств неупругих взаимодействий адронов с ядрами в области энергий 20-1000 ТэВ, проводимого в группе НИИЯФ в рамках сотрудничества "Памир”. Весь цикл работ по планированию, проведению этого эксперимента, обработке и анализу данных проводился при активном участии автора. Постановка задач, решаемых в диссертации, была сделана либо автором (оценки коэффициентов неупругости и сечений взаимодействия, их
18
энергетическое поведение и зависимость от ядра мишени, источники избыточных каскадов на больших глубинах свинца, проект установки для выяснения природы аномалий), либо в результате совместных обсуждений на рабочих совещаний сотрудничества "Памир" (эффект ЛПМ). Научные выводы, представленные на защиту, получены лично автором или под ее руководством и при непосредственном участии.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по космическим лучам (Киото, 1979; Бангалор, 1983; Москва, 1987; Аделаида, 1990; Дублин, 1991; Калгари, 1993; Рим, 1995; Дурбан, 1997; Солт Лэйк Сити, 1999); на международных симпозиумах по взаимодействиям космических лучей сверхвысоких энергий (Токио, 1984; Пекин, 1986; Лодзь, 1988; Тарб, 1990; Токио, 1991; Токио, 1994); на XV Краковской школе по космологии, 1996; юбилейной конференции эксперимента "Памир" в Лодзи, 1999; на многих всероссийских конференциях по космическим лучам, в том числе на XXVI всероссийской конференции в Дубне, в 2000г.; на научных семинарах в ФИ РАН, НИИЯФ, ИЯИ РАН.
ДОСТОВЕРНОСТЬ Во всех частях работы проведено полное моделирование эксперимента с учетом методических погрешностей измерения, результаты по потокам космических лучей подтверждены в более поздних работах других групп. Научные выводы, полученные автором, не противоречат данным других экспериментов в космических лучах (по исследованию спектров атмосферных мюонов, ШАЛ). Аномально медленное поглощение одиночных адронных каскадов на больших глубинах свинца качественно подтверждает эффект замедления поглощения энергии стволов ШАЛ, обнаруженный с помощью калориметра на Тянь-Шане, и не противоречит данным по спектрам мюонов.
ПУБЛИКАЦИИ. Диссертация написана по материалам 45-и работ, в том числе одной монографии и 16-и работ в реферируемых журналах.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из Введения, 7-и глав, Заключения, включает 225с., 71 рис., 32 табл., 271 наименования в списке литературы.
19
Глава I
МЕТОД БОЛЬШИХ РЕНТГЕНОЭМУЛЬСИОННЫХ КАМЕР
1.1. Введение
Основная техническая проблема использования космических лучей в качестве источника частиц сверхвысоких энергий для изучения ядерных взаимодействий связана с необходимостью создания установок очень большой площади, так как интенсивность первичного космического излучения (ПКИ) резко падает с увеличением энергии частиц. Поэтому для исследований в области энергий более 1014 эВ годятся только установки широких атмосферных ливней и рентгеноэмульсионные камеры; площадь экспозиции последних можно доводить до 1000 м2 в год, как показал опыт эксперимента "Памир". Интенсивность частиц космического излучения экспоненциально падает с приближением к Земле, ввиду того, что истинно первичные нуклоны и ядра взаимодействуют с ядрами атмосферы, теряют свою энергию на образование вторичных частиц: нуклонов, мезонов, мюонов, гамма-квантов и т.д., и в результате образуется ядерно-электромагнитный каскад (ЯЭК) [1|. Для увеличения статистики высокоэнергичных событий все рентгеноэмульсионные эксперименты проводятся высоко в горах. Наши камеры экспонировались в горах Памира недалеко от города Мургаб на высоте 4360 м (600 г/см2).
Если в экспериментах с широкими атмосферными ливнями регистрируются электроны ядерно-электромагнитного каскада па площади несколько сотен квадратных метров, то в рентгеноэмульсионных экспериментах регистрируются только самые быстрые частицы, идущие в центральной части каскада на расстоянии нескольких десятков сантиметров от оси ливня, поскольку порог регистрации частиц рентгеновскими пленками достигает очень большой величины: 2-4 ТэВ для фотонов и около 20 ТэВ для адронов. Пространственное разрешение составляет 300 мкм, что абсолютно недостижимо в экспериментах с ШАЛ. Эти группы генетически связанных частиц называют гамма-адронными семействами или просто семействами. Они являются основным объектом изучения в эксперименте "Памир”. Как было показано в расчетах [20], только, если первичная энергия взаимодействия превышает несколько сотен ТэВ. можно наблюдать с некоторой вероятностью семейство, в противном случае регистрируется только самая энергичная частица из каскада. Такие события формируют поток одиночных адронов. Если наблюдаемая суммарная энергия вторичных гамма-квантов
20
(£#7) в семействе превышает 500-1000 ТэВ, то такие объекты называются суперсемействами. Из расчетов следует, что семейства столь высокой энергии образуются протонами с энергией более 1016 эВ. Суперсемейства имеют ряд специфических особенностей, например, очень часто в центре таких семейств наблюдается область повышенного фона в рентгеновской пленке — гало, достигающая в диаметре нескольких сантиметров. Расчеты показывают, что гало образуется, как правило, при падении на РЭК из воздуха узкого пучка высокоэнергичных частиц, обеспечивающих необходимую плотность потока энергии (~ 20 ТэВ/мм2). Оно может быть результатом падений чисто электромагнитного каскада (с энергией более нескольких сот ТэВ), развивающегося в слое воздуха над камерой и в свинцовом поглотителе установки, или ядерно-электромагнитного каскада [20|. Схематически процесс образования в атмосфере гаммагсемейств и одиночных адронов изображен на рис. 1.1.
10
13
Ю14 Ш13 Ю.16
10
17
1018 ЭВ
Семейства с гало Э>100 мм
Семейства__________>
Семейства сс £Е >700ТэВ
Спектры ЕЕ^=<700Тэ|3______________________ >
адронов
Рис. 1.1. Схематическое изображение процесса образования в атмосфере гамма-семейств и одиночных гамма-квантов и адронов
Различные классы событий, регистрируемых в рентгеноэмульсионных камерах, несут информацию о взаимодействиях в существенно разных областях первичных энергий:
- одиночные адроны — Ео = 2 • 1013-г ~ 8 -1014 эВ;
21
- Київ+380960830922