Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Методика эксперимента 13
1. Рентген-эмульсионные камеры, используемые в эксперименте "Памир" для регистрации гамма-семейств
2, Отбор экспериментальных событий, критерии отбора 15
3. Измерение углов,координат и энергий гамма-квантов, 19
ГЛАВА II. Банк данных о гамма-семействах # 31
1, Экспериментальный материал, используемый
в работе, статистика 31
2. Банк первичных данных о гамма-семействах 33
3. Банк "обработанных" данных о гамма-семействах 34
4, Программы, обеспечивающие работу с банком данных 35
ГЛАВА III. Методика обработки и анализа экспериментальных данных 40
1, Искажения характеристик гамма-семейств, обусловленные электромагнитными флуктуациями в развитии ЭФК и измерительными ошибками при регистрации гамма-семейств с помощью рентген-эмульсионных камер. 40
2. Влияние перекрывания близкорасположенных каскадов на характеристики гамма-семейств 50
3, Учет неразрешения близкорасположенных гамма-квантов в гамма-семействах (слипания) 55
4. Расчеты, используемые для анализа гамма-семейств
ГЛАВА ІV. Экспериментальные результаты 71
1. Порог регистрации гамма-квантов в гамма-семействах 71
2, Энергетические спектры гамма-семейств 74
3 Угловое распределение гамма-семейств и пробег их поглощения Л погл 79
4. Интенсивность гамма-семейств на "Памире" и в других экспериментах с использованием РЭК 84
5. Энергетический спектр гамма-квантов в гамма-семействах 86
6. Множественность гамма-квантов в гамма- семействах 90
7, Пространственные характеристики гамма-семейств 97
ГЛАВА V Совместный анализ энергетических и пространственных характеристик ганда-семейств. нарушение скейлинга в спектрах x роздащихся частиц в области 100
1. Оценка влияния возможного занижения наиболее энергичных гамма-квантов и эффективности регистрации на величины
2. Совместный анализ величин Нарушение скейлинга в спектрах X в области фрагментации Заключение 121
Литература
- Отбор экспериментальных событий, критерии отбора
- Банк первичных данных о гамма-семействах
- Влияние перекрывания близкорасположенных каскадов на характеристики гамма-семейств
- Интенсивность гамма-семейств на "Памире" и в других экспериментах с использованием РЭК
Введение к работе
Процессы множественного рождения частиц при сверхвысоких энергиях интенсивно изучаются как на ускорителях, так и в космических лучах. Однако космические лучи остаются пока единственным
источником частиц с энергией больше I0XU эВ. Исследование взаямо-
действий адронов при энергиях 10хо эВ и выше позволяет получить информацию о том, как ведут себя (изменяются или остаются постоянными) с ростом энергий налетающей частицы основные характеристики сильного взаимодействия, такие как: сечение взаимодействия
Apic , спектры рождения вторичных частиц ^-Фт и др.'
P-Aiz. &*
Для изучения взаимодействий при энергии Ва > 100 ТэВ практически существуют два метода - метод изучения широких атмосферных ливней (ШАЛ) и метод больших рентген-эмульсионных камер (РЭК), экспонируемых на высотах гор /I/.
Наиболее ранние указания на изменение характеристик сильного взаимодействия при сверхвысоких энергиях по сравнению с взаимодействиями при ускорительных энергиях были получены при изучении ШАЛ /2,3/, Это - данные об интенсивности ливней в верхней части атмосферы /2/ и различные характеристики ШАЛ, чувствительные к модели взаимодействия /3,4/,
Японо-Бразильской коллаборацией были получены с использованием РЭК экспериментальные данные /5/, которые, как считают авторы, указывают на то, что с ростом энергии характер ядерных взаимодействий становится иным, чем при ускорительных энергиях. За последние годы в экспериментах с космическими лучами зарегистрированы различного типа "экзотические события", среди которых есть события с аномально большой множественностью /6,7/, Интерпретация таких событий сложна и, возможно, не однозначна. Не исключено, что их появление связано с возникновением при сверхвы-
* 4 —
соких энергиях новых процессов /7/.
Однако данные, полученные в космических лучах,в разных работах не находят единой интерпретации. Часть авторов считает, что характеристики сильного взаимодействия изменяются скейлияго-вым образом с ростом энергии с первичных частиц,и полученные экспериментальные данные можно объяснить, предположив изменение химического состава первичных частиц /8-Ю/. Авторы других работ /1,4/ на основе полученных ими данных приходят к выводу о том, что спектр и состав первичных частиц, если и меняется, то не сильно, и, поэтому, к выводу об изменении характеристик взаимодействия с ростом EQt
Регистрация событий, вызванных взаимодействиями частиц сверхвысоких энергий на уровне гор, позволяет получить экспериментальные данные, которые чувствительны к характеристикам сильного взаимодействия и предположениям о первичном спектре. Анализ этих данных дает возможность сделать более однозначные выводы о характеристиках сильных взаимодействий при сверхвысоких энергиях.
Очень удобным прибором при проведении этих исследований оказались РЭК. Они просты в эксплуатации и дешевы. Это позволя-ет делать установки большой площади (десятки и сотни м ), чтобы ускорить набор событий большой энергии. В качестве детектора частиц в РЭК используется рентгеновская пленка большой чувствительности, которая остается практически постоянной в течение большого промежутка времени (~1-2 года). Это дает возможность длительной экспозиции РЭК. Кроме того, РЭК является одним из немногих приборов, позволяющих регистрировать частицы в области энергий ^ I ТэВ с хорошим пространственным разрешением (десятки мкм) и измерять с удовлетворительной точностью углы прихода ча-
стиц (~3) и их энергий ( с погрешностью ~ 30$) в широком интервале энергий. Поэтому РЭК нашли широкое применение как в нашей стране, так и за рубежом. В нашей стране исследование ядерных взаимодействий методом РЭК проводится сотрудничеством "Памир", в котором принимают участие 7 советских институтов и Университет г.Лодзь (ПНР). Экспериментальная установка сотрудничества "Пемир" /II/ расположена на Памире на высоте 4370 м над уровнем моря,что соответствует 600 т/онг вещества над установкой. Исследования с помощью РЭК проводятся также японо-бразильской коллаборацией (ЯБК) /5,12/ на г.Чакалтая (5200 м над уровнем моря, 540 г/см2 вещества) и сотрудничеством нескольких японских университетов на г.Фудзияма (сотрудничество "Фудзи")/13/ на высоте 3776 м над уровнем моря (650 г/см2 вещества). Недавно Японо-Китайским сотрудничеством создана аналогичная установка /14/ на г.Канбала(Тибет) на высоте 5500 м над уровнем моря (520 г/см2 вещества) и на ней получены первые результаты.
В данной работе для получения сведений о характеристиках
взаимодействия частиц с энергией ~ЮАи эВ проводится исследование семейств гамма-квантов, регистрируемых с помощью РЭК. Семейством гамма-квантов называют группу генетически связанных гамма-квантов и электронов (е* е~)*. Такие генетически связанные группы образуются в результате ряда взаимодействий с ядрами атомов воздуха частиц ядерно-электромагнитного каскада (ЯЭК), образованного первичной частицей (протоном Р или ядром) высокой энергии при ее прохождении через атмосферу. Гамма-кванты, образованные в процессе прохождения через атмосферу от одной и той же первичной частицы, имеют одинаковые углы О я f (зенитный и азиму-
*) Эти частицы не различаются экспериментально, поэтому они анализируются вместе и между ними не делается каких-либо различий и всех их ( v) <} е~) называют условно гамма-квантами.
тальный), что и позволяет объединить их в одно семейство.
Достигнув РЭК, гамма-кванты, имеющие энергию выше некоторого порога, проходя через свинец Рв , инициируют в нем мощные электронно-фотонные каскады(ЭФК), достигающие на глубине нескольких (8-10) каскадных единиц (к.е.) плотности числа электронов /7 g, 0,01 мкм . Такие ЭФК образуют в рентгеновской пленке пятна потемнения, видимые невооруженным глазом, так что поиск событий тоже сравнительно прост. Поскольку рентгеновская пленка имеет высокий порог обнаружения ЭФК (их энергия ^ I ТэБ), с помощью РЭК регистрируется наиболее высокоэнергичная часть ЯЭК, т.е. главным образом частицы из области фрагментации ( У ^- 0,05).Эта область пока недоступна и при меньших энергиях на имеющихся ускорителях ( ISR и SPS ) из-за малого угла между направлением вылета фрагментационных частиц и частиц пучка.
Методика определения энергии гамма-квантов с помощью рентгеновской пленки хорошо разработана. Потемнение Т> пятна, образованного ЭФК в рентгеновской пленке, измеряется денситометром и величина потемнения %)-&> ~т » гд-е Ж и (/ - интенсивности светового пучка, проходящего через измерительную диафрагму без объекта и с объектом фотометрирования, соответственно. Определение энергии гамма-квантов основано на сопоставлении измеренного потемнения <Ю с расчетами развития ЭФК по трехмерной каскадной теории. Возможность определения энергии с помощью рентгеновской пленки была показана еще в 1958-1959 в работах /15-16/. Способ определения энергии гамма-квантов, используемый в сотрудничестве "Памир" был разработан Ю.А.Смородиным и др./17,18,19/. Он основан на измерении потемнения *д пятна от ЭФК в круге определенного радиуса Яцщ и сопоставления измеренного потемнения с соответствующими расчетами, в которых используется функция пространственного распределения электронов, полученная с помо-
щыо осевого приближения каскадной теории. Возможность использования осевого приближения в теории ЭФК показана Пинкау К./20/. Осевое приближение состоит в том, что в ЭФК от частицы с энергией Ее число электронов с энергией больше в круге радиуса уРі/іа; » относительно оси ЭФК, такого, что Rui^^-% ( -0- значение каскадной единицы), не зависит от энергии каскадных электронов Е , а зависит только от произведения Е^'ЯцщЪ глубины развития ЭФК " , т.е. Ме - f~(E0'RulMii:\ Это существенно упрощает расчеты. Функция пространственного распределения числа электронов в ЭФК в осевом приближении получена в работах /21,22/. Для получения расчетной зависимости <д(Е^.> &изм/)в кРУге Р^"" диуса Rmn для гамма-кванта с энергией , и глубины развития ЭФК t в свинце необходимо также знание основных характеристик используемой рентгеновской пленки, т.е. зависимости потемнения 9) от плотности электронов П , прошедших через данный участок пленки, т.е. %>(я), так называемую кривую почернения или характеристическую кривую. Эта зависимость получена в /19,23,24/, В /19/ кривая почернения получена для пленки РТ-6М в виде ^=>«*/?- j при стандартном (принятом в сотрудничестве "Памир") способе проявления пленки, причем <2>~ получилось равным 4,0, a S = (3,26± 4 0,13) мкм2.
В процессе работы сотрудничества "Памир" методика измерения энергий гамма-квантов постоянно развивалась и совершенствовалась Так, в расчетах /25,26/ развития ЭФК в свинце при больших энергиях (^10 ТэВ) было учтено в сечениях рождения пар е+е и радиационного торможения влияние эффекта Ландау-Померанчука-Мигдала (Л-П-М). Сечение этих процессов в плотных средах уменьшается с ростом Во * из-за чего развитие ЭФК замедляется и ЭФК, в целом, изменяет форму: максимум развития ЭФК сдвигается в сторону больших глубин и понижается,каскад растягивается и цроникает глубже в Р%.
Всё это изменяет вид зависимости *& \f, ,") Зависимость ^(^tfR^) с учетом эффекта Л-П-М получена в работе / 25 / для первичного )f- кванта и для пары е+е". В ряде работ / 27-29 / было исследовано влияние флуктуации в развитии ЭФК и наличия измерительных ошибок при регистрации Y- квантов, имеющих крутопадающий (степенной) энергетический спектр, на точность определения энергии у- квантов. Необходимость учета этого была показана еще в / 30,31 /. Конкретно способ определения энергии будет описан в главе I.
При исследовании семейств Y- квантов с помощью РЭК получается информация не только об энергиях <Г- квантов, но и изучается структура ^-семейств, что возможно благодаря высокому (~ 50 мкм и даже несколько лучше) пространственному разрешению рентгеновских пленок.
С помощью РЭК регистрируются события, частицы которых образовались в результате нескольких взаимодействий в атмосфере,произошедших на разных высотах и испытавших электромагнитное разложение в атмосфере. Поэтому нельзя провести непосредственно прямое сравнение получаемых экспериментальных данных с характеристиками сильного взаимодействия. Попытка выделить и исследовать так называемые "чистые семейства", т.е. события, в которых большая часть частиц образовалась в каком-либо одном взаимодействии, не увенчалась успехом. Как показали расчеты / 32-34 /, доля таких Y -семейств среди всех регистрируемых составляет ^15% при %Є.>30 ТэВ и уменьшается с ростом ^:. . Поэтому для того, чтобы из получен-ных экспериментальных данных о д--семействах делать какие-либо выводы о характере сильных взаимодействий, ответственных за образование регистрируемых <Г-семейств, необходимы детальные расчеты процесса прохождения ЯЭК через атмосферу. В настоящее время имеет-
ся ряд расчетных работ, проведённых, в основном, методом Монте-Карло, и ориентированных на эксперименты с использованием РЭК на горах. Расчеты эти проводились как в сотрудничестве "Памир", так и в других сотрудничествах. Расчеты выполнены при различных предположениях о составе и спектре первичного излучения и о параметрах сильного взаимодействия при высоких энергиях. Многие из этих моделей носят методический характер из-за использования в них экстремальных предположений о взаимодействиях при Е ~ 10^*10^ эВ, и далеки от того, чтобы описать полную картину взаимодействия при энергиях ~> 10 -I0ib эВ. Однако они полезны для понимания того, как изменение тех или иных характеристик взаимодействия влияет на величины, получаемые в эксперименте, и для анализа чувствительности экспериментальных характеристик к параметрам взаимодействия. Одной из характеристик, чувствительной к изменению спектра рождающи ся вторичных частиц является множественность ^flS f- квантов, имеющих относительную энергию ^ =^/^ ^<К большую некоторого значения -f мін. Использование этой величины было предложено в сотрудничестве "Памир" / 35 /.
Актуальность работы определяется тем, что исследование у-семейств в настоящее время дает информацию о взаимодействиях адро-нов в области энергий 10 -Ю16 эВ, недоступных еще для ускорителей. Кроме того, используемая методика дает возможность исследования спектров рождения фрагментационных частиц, что пока весьма сложно сделать на ускорителях даже и при меньших энергиях.
Новизна работы. В работе впервые на основе большого массива полученных и обработанных в сотрудничестве "Памир" ^-семейств создан банк данных о <Г-семействах; созданы программы, обслуживающие банк данных и программы для обработки у-семейств, в том числе программа определения энергии; поставлена программа (" ftlSTR. «»)
позволяющая производить различные выборки из банка данных и строить распределения различных величин и их корреляции; произведен учет различных методических особенностей эксперимента.
В работе получены следующие основные характеристики гамма-семейств: интенсивность гамма-семейств, наклоны энергетических спектров частиц, пробег поглощения гамма-семейств, средний радиус семейств <Я^ъ и средняя множественность ^#j> гамма-семейств; проведен анализ полученных данных и сравнение их с аналогичными величинами, полученными в других экспериментах с использованием РЭК и в расчетах по различным моделям. Соотношение экспериментальных данных о средней множественности 4h1 > и сред-нем радиусе ^, > 6 О гамма-семейств с 2ЕГЕ. ?/ 100 ТэВ сви-
детельствует о нарушении скейлинга спектров лЩ. в области
о/к
фрагментации.
Практическая ценность работы состоит в том, что: создан банк данных о гамма-семействах и программы, обслуживающие банк; создана программа определения энергии гамма-квантов в семействах и поставлена программа, которая позволяет получать распределения различных величин и их корреляции. Банк данных и программы используются многими участниками сотрудничества "Памир" при исследовании различных характеристик гамма-семейств и при подготовке публикаций по гамма-семейитвам.
Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения.
Во введении обсуждается актуальность данной работы, а также проблемы, связанные с регистрацией гамма-семейств с помощью РЭК и получения из них информации о взаимодействиях при сверхвысоких энергиях.
В главе I описывается используемая в эксперименте методика
- II -
РЭК для регистрации ^-семейств. Затем описываются критерии, при которых производился отбор экспериментального материала. Далее описывается программа определения энергии fr- квантов в семействах,
В главе П описывается банк данных о ^-семействах и програмы-мы, обеспечивающие работу с банком данных.
В главе Ш обсуждаются различные методические эффекты, имеющие место при регистрации
В главе ІУ приводятся основные экспериментальные характеристики ^-семейств и дается сравнение их с модельными расчетами и с аналогичными характеристиками, полученными в других работах.
В главе У проводится совместный анализ полученных энергетических и пространственных характеристик <}"-семейств и обсуждается проблема нарушения скейлинга в инклюзивном спектре пионов *^Г в области фрагментации в адрон-ядерных взаимодействиях.
В заключении даны основные результаты, полученные в работе.
В приложении приведены системы записи данных в банке, а также список распределений, построение которых сейчас возможно. В конце приведен список цитируемой литературы.
Основные результаты, представляемые к защите:
Создание банка стандартизованных экспериментальных данных о гамма-семействах, полученных сотрудничеством "Памир" и программ- , обеспечивающих работу с банком данных, а также программы определения энергии гамма-квантов;
Получение поправок в характеристики и спектры гамма-семейств, связанных с используемой методикой РЭК;
Получение средних характеристик гамма-семейств, а именно; интенсивности гамма-семейств
К^Ё^ ^ 100 ТэВ) = (0,56±0Д5) м^год^ср"1 при Ер** 4 ТэВ; и Я = 15 см; пробега поглощения гамма-семейств
Лпо (Ю2±16) г/см2 средней множественности ^h'> при относительном пороге f^/h = 0,04 и среднего радиуса гамма-семейств в энергетических интервалах 2 ^ = 1004-200 ТэВ и XFt = 200г400 ТэВ:
^Еу , ТэВ
i2t>
10.3 ± 0,2
10,8 А 0,4
***>
Г' 9 мм
24,9 ± 1,4
24,5 ± 2,2
4. Заключение об отсутствии скейлинга спектров —д~^ в области фрагментации при энергиях , ~ I016 эВ, которое следует из соотношения экспериментальных значений средней множественности ^hL? й среднего радиуса гамма-семейств ^l> ( ^^р") гамма-семейств с JE*\ Z- ЮО ТэВ.
- ІЗ -
Отбор экспериментальных событий, критерии отбора
В каждом институте производился просмотр пленки и отбор событий для различных физических задач. Для изучения гамма-семейств события отбирались при следующих критериях (имеются ввиду сначала более "мягкие" критерии отбора при поиске событий, так как потом при машинной обработке накладывались более "жесткие" критерии отбора, о чем будет сказано позже): 1) число гамма-квантов в J-- семействе /у. 3; 2) углы прихода гамма-квантов В і и у не. различаются в пределах двукратной ошибки измерения этих углов, а именно: АЩ б , / 30; 3) дШ отбирались в круге радиуса R =15 см (часть материала получена при отборе всех ЭШК в круге радиуса R = 30 см); 4) суммарная энергия гамма-квантов в гамма-семействе 5Г 30 ТэВ; начиная с камер 1975-1976 гг., сотрудничество "Памир" перешло к исследованию гамма-семейств с 2Г ЮО ТэВ; для отбора событий с -- ЮО ТэВ использовался критерий /т 10. Как показала обработка, при отборе семейств с числом гамма-квантов отбирается 90% всех гамма-семейств с ЖЕ 100 ТэЩ Для того чтобы отбирать все гамма-семейства, имеющие 2 Ю0ТэВ, в сотрудничестве при отборе -семейств с2і 100 ТэВ включаются в обработку и -семейства, имеющие хотя бы один энергичный ЭФК с \ 30 ТэВ, независимо от величины п , .
Для анализа гамма-семейств и сравнения с расчетами обычно используется средний радиус --квантов в семействах R и средний радиус -семейств где А/" - число ft- семейств; Пк- число ft - квантов в к семействе; RYK.1- радиус і -го ft- кванта в к-ом ft - семействе. Величины Ry и зависят от того, какова величина радиуса Я отбора и"-семейств. В свое время эта величина была выбрана равной 15 см, исходя из модельных расчетов, из которых следовало, что доля гамма-квантов, расположенных на расстоянии более 15 см от энергетически взвешенного центра ft- семейства, менее 3 %. Не исключено, однако, что существуют классы событий, в которых гамма-кванты имеют более широкое распределение по Rf , например, бинокулярные события, события с большими Pi и т.п. Чтобы иметь возможность анализировать без какой-либо дискриминации по Rp все экспериментальные данные, был изменен критерий отбора по R и стали отбирать гамма-кванты в семейства в круге радиуса = 30 см. При этом возрастает вероятность включения в гамма-семейство случайного гамма-кванта, имеющего углы 01 и 41 , в пределах и У совпадающие с углами гамма-семейства. Как указано в этой работе, эти цифры занижены в 1,5-2,0 раза, так как при углах О меньших 10 точность измерения углов резко падает, а угловое распределение - квантов достаточно крутое ( С Н 0) Даже в этом случае при отборе }f -квантов в семейство с R = 15см ,— hop и при tzy = 4 ТэВ количество случайных ЭФК на одно jf - семейство невелико ( 0,14) и изменение fy за счет включения в -семейство случайных ЭФК незначительно, менее 5 %, Это происходит из-за того, что величину могут изменить лишь ЭФК, попадающие на периферию (Г- семейства. Оценка влияния случайных ЭФК на характеристики гамма-семейств исследовалась на искусственных -семействах в работе / 38 /, где получено, что средние характеристики If -семейств при отборе ЭФК в семейства в радиусе R = 15 см не изменились в пределах ошибок их измерения в результате включения в каждое -семейство одного случайного ЭФК с энергией В 2 ТэВ по спектру By при а& = 2,0. При отборе ЭФК в радиусе R = = 30 см доля случайных ЭФК увеличивается в 4 раза. Чтобы уменьшить присчет случайных ЭФК, для определения принадлежности ЭФК к данному семейству использовался метод наложения рентгеновских пленок, разделенных одним или двумя см свинца. При этом совмещается центральная часть гамма-семейства и определяется, насколько отклоняется ЭФК при переходе от одного слоя к другому. Если при этом ЭФК откдоняется более, чем на 300 мкм, он считался не принадлежащим к данному семейству и из обработки исключался. Величина 300 мкм определяется неравномерностью усадки пленки при проявке. Угловое разрешение метода наложения пленок вЗ раза лучше ( 4 0 1 при расстоянии между рядами 2 см), чем угловое разрешение метода прямого измерения углов. Это позволило нам использовать критерий отбора R = 30 см, исключив влияние случайных ЭФК.
Банк первичных данных о гамма-семействах
Вся проэкспонированная и проявленная пленка распределяется между институтами сотрудничества, в которых и осуществляется ее первичная обработка. Пленка просматривается, и отбираются события по принятым в сотрудничестве критериям. В отобранных событиях измеряются углы О і и У7 . , координаты Х и У і, потемнения 3D 48 84 140 на кажДыи ЭФК и общая для данного события информация: %,, Яу и т.п., т.е. проводится первичная обработка отобранных событий. Институты сотрудничества "Памир" обмениваются полученными первичными данными. Данные из секций РЭК (секция - часть РЭК р площадью 20-24 м ), прошедшие полностью первичную обработку, посылаются в другие институты сотрудничества, которые участвуют в исследованиях по данной теме. Обмен информацией между институтами в основном производится в виде распечаток событий на бумаге. Обмен информацией с помощью перфокарт, перфолент и магнитных лент до сих пор не удался из-за того, что в институтах сотрудничества для обработки данных используются ЭВМ разных типов.
В настоящее время в результате такого обмена в ФИАНе имеется более 1200 { -семейств с суммарной энергией 21 30 ТэВ. Большинство из них зарегистрировано в РЭК, расположенных на высоте 4370 м над уровнем моря. Однако часть статистики получена с каїлер, которые экспонировались на высоте 4880 м над уровнем моря. Доля таких событий 10%. При обработке РЭК, экспонировавшихся в 1972-1975 годах, отбирались события с суммарной энергией Г- квантов 2Г, 30 ТэВ, а затем стали отбирать -семейства с LJ I00 ТэВ.
Изменялись также и пространственные критерии отбора гамма-семейств: как уже отмечалось, в первые годы работы сотрудничества семейства отбирались в круге радиуса R = 15 см, затем этот критерий был изменен на R = 30 см. Изменение критериев поиска и отбора гамма-семейств, а также способов обработки их, связано с тем, что углубило( наше понимание процессов, ответственных за образование Y- семейств.
Работа с большим статистическим материалом (более 20 тысяч ЪШ), а также желание достаточно быстро производить различные выборки из имеющегося экспериментального материала и анализировать их, привели к необходимости систематизации экспериментального материала по гамма-семействам и к созданию банка данных и программ, позволяющих оперировать с этими данными.
Банк данных сделан в ФИАНе на базе ЭВМ РДР 11/70. Наличие в этой машине дисков и возможность работы с дисплея обеспечили оперативность получения информации из банка данных. Наличие банка данных и программ, его обслуживающих, позволяет выполнять следующие операции: 1) распечатывать любые события из банка данных с номера № К по № V и основную информацию о каждом событии; 2) отбирать гамма-семейства, удовлетворяющие заданным критериям отбора; 3) строить распределения различных величин, например, распределения по радиусу R г -семейств или , f- квантов в семействах, по суммарной энергии ЭФК в гамма-семействах - по числу -квантов /?. в семействах и т.п. и корреляции этих величин. Распределения и корреляции можно строить для семейств и частиц, удовлетворяющих определенным, заданным, критериям отбора.
Информацию, содержащуюся в банке данных о }--семействах можно разделить на три части: 1) банк первичных данных о -семействах; 2) банк обработанных данных о семействах после определения энергий гамма-квантов; 3)программы, обеспечивающие возможность работы с банком данных и получения из него информации.
В банк отбираются У-семейства из секций РЭК, обработанных по площади полностью. Если в секции часть пленки испорчена, то обработанная площадь пленки оценивается и величина ее сообщается при посылке в банк.
Первичные данные о -семействах вводятся в память машины (возможен ввод с перфокарт, перфолент и с терминала) в определенном формате. На каждое -семейство набивается заголовок из 20 чисел, в котором содержится основная общая информация о -семействе: год закладки данной секции РЭК - год ее разборки, номер пленки, на которой найдено -семейство, институт, который обрабатывал данное Г-семейство, потемнение фона пленки Х р, потемнение метки Юм и т.п. (детали этой информации - в приложении № I). Затем вводятся данные о каждом ЭшК -семейства: его номер на пленке, координаты Х, Уь, значения потемнений, полученные при фотоме-трировании этого пятна диафрагмами радиусом Р " мкм (и иногда R = 290 мкм).
Влияние перекрывания близкорасположенных каскадов на характеристики гамма-семейств
При регистрации гамма-семейств на горах в качестве мишени взаимодействия используется атмосфера над установкой и точка взаимодействия в большинстве случаев находится достаточно высоко над РЭК (сотни и даже тысячи метров). Поэтому частицы, образовавшиеся на во взаимодействиях, происходящиху таких высотах, успевают разойтись на уровне регистрации достаточно широко. Среднее расстояние Х- квантов от энергетически взвешенного центра в гамма-семействах на горах 2,5 см. Однако в части у -семейств имеются узкие груп пы ЭШК, в которых расстояние между -квантами измеряется сотнями и десятками мкм. Число таких групп растет с ростом суммарной энергии частиц 5Г" в -семействах. Пространственное расхождение электронов в ЭШК, развивающегося в Рв , соизмеримо с расстояниями между ЭШК в узких группах. В таких событиях при фотометри-ровании ЭШК в круг диафрагмы радиуса R с центром на оси данного ЭШК помимо каскадных электронов от данного ЭШК попадают электроны и от других ЭШК, расположенных на небольших расстояниях от данного. В результате такой "подпитки" измеренное потемнение пятна ЧЭизм получается большим, чем истинное потемнениие 9 ист , создаваемое ЭШК данной энергии Еу. Влияние соседних ЭШК друг на друга зависит от энергий -квантов, расстояний между ними, стадии развития каскадов.
Изучению взаимного влияния близкорасположенных ЭШК в -семействах посвящен цикл расчетных работ / 50,51 /, в котором рассмотрены прямая и обратная задачи, и создана программа, позволяющая расшифровать сложную картину перекрьгоающихся ЭШК в узких группах и получить истинные энергии у -квантов в у -семействах.
С помощью этой программы нами на экспериментальных -семействах были получены функции искажения энергетических спектров из-за перекрывания ЭШК в -семействах и исследовано влияние перекрывания близких ЭШК на средние характеристики -семейств / 52,83/. Для этого были использованы 535 экспериментальных -семейств, в которых координаты X/, У -квантов были измерены с точностью 10 мкм. Для определения эффекта перекрывания использовалась следующая процедура:
I) энергии - квантов в -семействах определялись не по каскадным кривым, учитывающим эффект Л-П-М, а по кривым )(Ej#}tJ в которых использовалось пространственное распределение Бете-Гайт лера, так как в программе расшифровки перекрывающихся дШ используется именно это пространственное распределение;
2) полученные % -семейства обработали по программе расшифровки перекрывающихся дШ, в результате чего получили истинные энергии - квантов Еист;
3) далее, чтобы учесть эффект Л-П-М от Вист переходили к ло тем же кривым (Е Л , а от этих значений по кривым /= ( g &.) J в которых учтен эффект Л-П-М и влияние электромагнитных флуктуации и измерительных ошибок при крутопада-ющем спектре J -квантов (приф= 2,0), переходили к Efr.
Таким образом были получены энергии /. в tf- семействах с учетом влияния перекрывания fr- квантов. 4) Кроме того, были определены энергии -квантов в —се мействах по тем же кривым Ef(% j R,tf ч&) , что и в п.З), но без предварительного учета перекрывания дШ,
Из сравнения характеристик -семейств без учета влияния перекрывания с характеристиками -семейств после учета влияния перекрывания были получены функции искажения спектров в ., Bj. и BJ. и оценено влияние перекрывания близких ЭШК на характеристики --семейств.
Учет эффекта перекрывания приводит к некоторому уменьшению энергии перекрывающихся ЭФК. Соответственно уменьшается и суммарная энергия #- квантов в семействах - -. В результате учета эффекта перекрывания интенсивность fr -семейств с 2Г 100 ТэВ при Вур = 4 ТэВ уменьшилась на 13%.
Интенсивность гамма-семейств на "Памире" и в других экспериментах с использованием РЭК
Увеличение степени диссипации энергий может быть достигнуто несколькими способами: I) увеличением сечения взаимодействия с ростом энергии Е0 ; 2) изменением спектра и состава первичных частиц, а именно, увеличением доли тяжелых ядер и уменьшением доли Р в составе первичных частиц с ростом Е0 ; 3) изменением спектра рождающихся частиц в области пионизации (увеличение инклюзивного сечения в области / 0); 4) изменением спектров щ в области фрагментации (уменьшение доли частиц с X? 0,2) с ростом ?с Использование любого из этих предположений приводит к сближению расчетной и экспериментальной интенсивности гамма-семейств и их \r\cu, . Следует отметить, что из работ /38,56,67/ следует, что предположение о росте ё р-м . необходимо для согласования расчетных и экспериментальных величин Л ксгл Для получения более определенных представлений о величинах этих параметровТбыл проведен /53,79-82,37/ совместный анализ -no энергетических и пространственных характеристик гамма-семейств, /7/ и Rj. . (ИЛИ )
Поскольку набор реалистических моделей (это #s -модели и модели со слабым нарушением скейлинга в области фрагментации) довольно ограничен, при исследовании зависимости [ » от различных параметров модели приходится привлекать к анализу и совершенно нереалистические модели, противоречащие при низких (ускорительных) энергиях ускорительным экспериментальным данным ( S -модели, s -модели и различные СКР -модели, а также модели с сильным нарушением скейлинга в области фрагментации: Р:МНМу №РН$ ).
Анализ чувствительности величин &J. , к изменению перечисленных параметров модели сильного взаимодействия показал, что изменение величины роста сечения б , , химического состава первичных космических лучей и спектров рождения вторичных частиц в области пионизаций приводит к одновременному изменению величин и п и п Это накладывает ограничения на величины параметров взаимодействия, в пределах изменения которых можно одновременно согласовать с экспериментом получаемые при соответствующих модельных предположениях величины & ( Я
Для сравнения с экспериментом в качестве основной модели использовалась квазискейлинговая модель /61/, На рис.26 приведена зависимость ?#J , для s - и Фі -моделей для гамма-се-мейств с 2"v. =200-400 ТэВ при tj. г =2 ТэВ. Эти модели отличаются шириной области пионизаций, в которой происходит нарушение скейлинга (обозначения приведены в подписи к рис,26). Из рис.26 видно, что с изменением ширины области пионизаций, в которой происходит нарушение скейлинга, величины / , гЯ изменяются так, что одновременно согласовать их с экспериментом в рамках S и #s -моделей нельзя. Аналогичная ситуация, т.е. одновременное уменьшение или увеличение Chj и . » происходит при варьировании и таких параметров взаимодействия, как /53/: 1) степень роста сечения йД. с увеличением энергии " = ; 2) химический состав первичного излучения и его спектр; 3) модель взаимодействия ядро-ядро;
На ряс.27 а,б показана зависимость h[ , с для S -модели ( T :MMG ) и QS -модели {Ъ:ММ4 ) для различного состава первичных и разных значений г . Из рис.27 видно, что в обоих моделях нельзя добиться одновременно согласования расчетных величин h! , & с экспериментальным. . изменением химического состава первичных. Аналогичные зависимости получаются и в расчетах S : .../56/. На рис.276 нанесены значения Н± 60 ( "f) для той же модели (Ф ММУ ), но для варианта рождения всех вторичных частиц с рх в 4 раза большим, чем в ):ммЧ . Как видно из этого рисунка, изменение Рх. в сильных взаимодействиях влияет лишь на величину / . Поэтому в модели й ммч согласования расчетных величин с экспериментом можно было бы достигнуть,одновременно увеличив долю ядер в первичном спектре и уменьшив рх в сильном взаимодействии в 1,8 раза при о 100 ТэВ, как это оценено в /79/. Однако предположение об уменьшении величины RL при В» 100 ТэВ противоречит данным, недавно полученным на ускорителе CERfJ s ( , 150 ТэВ), о росте Ш. с ростом с .
