Введение к работе
Актуальность темы. Исследование свойств адрон-ядернкх взаимодействий является одним из основных направлений в физике частиц. При энергиях 1-100 ПэВ, недоступных современным ускорителяї- > -ггтл задача может решаться только в экспериментах с космическими лучами. В настоящее время основная информация о таких взаимодействиях при энергиях до 100 ПэВ извлекается из результатов экспериментов с рентген-эмульсионными камерами (РЭК) или при энергиях до 20-40 ПэВ - из гибридных экспериментов типа РЭК + ШАЛ. Однако/из-за того, что в таких экспериментах толщина мишени, которой является атмосфера Земли, велика, в них регистрируются продукты не одного взаимодействия, а всего ядерно-электромагнитного каскада в атмосфере. Вследствие этого, интерпретация экспериментальных результатов основана на их сравнении с результатами расчетов, выполняемых в рамках какой-либо модели взаимодействия и первичного космического излучения.
Результаты, получаемые таким образом из данных различных экспериментов, зачастую противоречат друг другу. Это происходит яз-за (хо-нечно, кроме возможных погрешностей экспериментов) отсутствия учета методики эксперимента при расчетах, либо из-за такого неболь лого количества рассматриваемых характеристик зарегистрированных частиц, что они могут быть описаны в рамках нескольких моделей, из которых рассматриваются лишь некоторые. Вследствие этого, извлечение надежной информации о адрон-ядерных взаимодействиях и первичных космических лучах при энергиях 1-100 ПэВ из данных экспериментов с космическими лучами представляется актуальным.
Целью работы является исследование свойств неупругих взаимодействий адронов с ядрами атомов воздуха при энергиях 1-100 ПэВ и состава первичного космического излучения при энергии около 10 ПэВ по данным нескольких экспериментов с космическими лучами: эксперимента ПАМИР [1 ], проводимого методом рентген-эмульсионных камер, эксперимента АДРОН [2-5], совмещающего рентген-эмульсионную методику и эксперимента с широкими атмосферными ливнями (ТШВНС) [6 ].
Для этого, во-першх, произведено описание результатов этих разнотипных экспериментов при учете их методики в рамках единой модели, что значительно повышает надежность гыводов и, во-вторых, получены некоторые модедьяо-независимые оценки характеристик взаимодействия н первичного космического излучения при энергии около 10 ПэВ.
Ко$из№4 основных результатов. В диссертации впервые
-
Создан комплекс программ для ЭВМ, позволяющий проводить полное моделирование семейств у-квантов, адронов, мюоков и/или электронной., адронтой и мюонной компонент ШАЛ, а также потемнений на рентгеновской пленке рентген-эмульсионной камеры, создаваемых семействами частиц.
-
Получено выражение для вычисления статистической ошибки при генерации событий методом Монте-Карло с неединичными весами. Применение этого метода значительно уменьшает необходимое процессорное время (как минимум на порядок).
-
Теоретически исследован процесс регистрации семейств частиц рентген-эмульсионной камерой и получены величины искажения различных наблюдаемых характеристик семейств частиц при их регистрации.
-
Произведено детальное сравнение различных характеристик атмосферных каскадов (при учете их искажений за счет регистрации частиц установкой), рассчитанных в рамках единой модели с данными нескольких экспериментов (ПАМИР, АДРОН, ТШВНС) и получено их согласие.
-
Исследовано вчияние изменения многих параметров модели ад-рон-ядерного взаимодействия и состава ПКИ на характеристики событий, наблюдаемых в экспериментах с РЭК.
-
Произведена модельно-независимая оценка нижней границы полного коэффициента неупругости в р14К-взаимодействиях при энергии порядка 10 ПэВ.
-
Показано, что данные РЭК чувствительны к процессу рождения струй с большим р,, произведено сравнение таких данных с предсказаниями КХД и произведена оценка нижней границы вероятности рождения струй с большими р, во фрагментационной области в р14М-взаимодействи-ях при энергии порядка 10 ПэВ.
8. Получена модельно-независимая оценка верхней границы доли ядер железа в первичном космическом излучении по данным РЭК при энергии, большей 10 ПэВ. Для этого впервые в задачах, связанных то статистическим анализом данных ШАЛ и РЭК, применены методы теории распознавания образов в многомерном пространстве переменных.
Научная и практическая ценность работы. В диссертации проведено исследование чувствительности многочисленных характеристик семейств у-квантов и адронов к изменению многих характеристик модели адрон-ядерных взаимодействий и состава первичных космических лучей. Проведено последовательное сравнение результатов расчетов с данными трех экспериментов и получены оценки некоторых характеристик указанных выше моделей. Существенно, что при этом исследованы и учтены искажения, возникающие во время регистрации частиц семейств. Показано, что модель кварк-глюонных струн хорошо описывает экспериментальные данные вплоть до энергай 100 ПэВ, и проверено, что предсказания КХД по рождению струн с большими рх во фрагментационной области согласуются с экспериментальными данными о р14Ы-взаимодействиях вплоть до 10 ПэВ. В частности, из полученных результатов следует, что предсказания глюонных моделей, согласно которым полный коэффициент нсупругости уменьшается с ростом энергай, противоречат экспериментальным данным.
Созданный комплекс программ и алгоритмов для моделирования семейств и ШАЛ в атмосфере может быть применен при астрофизических исследованиях, исследованиях редких и зіхзотичєских процессов, в том числе предложенные генераторы адрон-вдерных взаимодействий - для описания фена космических лучен при моделировании таких процессов. Отдельные программы комплекса, разработанные алгоритмы, а также методы расчетов и анализа экспериментальных данных используются группой ПАМИР (рук. В.С.Пучков) в ОКИ ФИАН, в лаборатории здроиных взаимодействий ОКИ ФИАН (А.Д.Ерлыкин), в ОИВМ НИИЯФ МГУ (Л.Г.Свешникова и др.), в Ереванском Физическом институте (А.А.Чи-лингарян), эти программы использовались при выполнении расчетов в Институте Энрико Ферми Чикагского Университета для установки CASA
(рук. J.W.Cronin) и используются в совместных работах с Лабораторией Теоретической физики Университета г.Бордо (J.N.Capdevielle).
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты. 1. Создание математического обеспечения для моделирования ядерно-электромагнитных каскадов в атмосфере при энергиях до 1000 ПэВ (семейства у-квантов, адронов, мюонов и/или электронная, адронная и мю-онная компоненты ШАЛ) и в веществе рентген-эмульсионной камеры.
-
Метод и результаты исследования работы рентген-эмульсионной камеры при регистрации гамма-адронных семейств.
-
Метод генерации событий с неединичными весами, значительно ускоряющий моделирование каскадов при вариации параметров модели.
-
Результаты сравнения различных расчетных характеристик (при учете их искажений за счет регистрации частиц установкой) с данными экспериментов ПАМИР, АДРОН, с характеристиками электронной компоненты ШАЛ (ТШВНС) и следующий из сравнения вывод о согласии со всеми рассмотренными характеристиками предсказаний модели кварк-глюонных струн.
-
Заключение о степени нарушения скейлинга во фрагментационной области во взаимодействиях адронов с азотом при энергии 10 ПэВ по данным эксперимента ПАМИР.
-
Оценка нижней границы полного коэффициента неупругости в р14М-взаимодействиях при энергии порядка 10 ПэВ.
-
Результаты исследования чувствительности данных эксперимента ПАМИР к процессу рождения струй с большим pv сравнение этих данных с предсказаниями КХД и оценка нижней границы вероятности рождения струй с большими р, во фрагментационной области в р14К-взаимодействи-ях при энергии порядка 10 ПэВ.
-
Модельно-независимая оценка верхней границы доли ядер железа в первичном космическом излучении по данным РЭК при энергии, большей 10 ПэВ.
Личный вклад автора. Постановка задач, решаемых в диссертации, была сделана либо автором (оценка коэффициента неупругости, доля ядер железа в ПКИ, выделение периферии суперсемейств, влияние малости
статистики на результаты и все предложенные методы и алгоритмы расчета) , либо вытекала из нужд эксперимента ПАМИР и была сформулирована коллективно при обсуждении экспериментальных данных (моделирование процесса регистрации семейств рентген-эмульсионной камерой, исследование чувствительности характеристик семейств к составу ПКИ, некоторые из проблем, касающихся исследования структуры атмосферных каскадов, проблема нарушения скейлинга и анализ бинокулярных событий). Автор не имеет отношения к получению и обработке экспериментального материала, использованного в настоящей работе. Все рассмотренные в диссертации проблемы были решены либо автором, либо под его руководством и при его непосредственном участии .
Апробация и публикация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международных конференциях по космическим лучам (Пловдив, 1977; Киото, 1979; Париж, 1981; Бангалор, 1983; Москва, 1987; Аделаида, 1989; Дублин, 1991) в том числе на одной - автором диссертации, на Международных симпозиумах по взаимодействиям космических лучей высоких энергий (София, 19S0; Токио, 1984; Пекин, 1986; Лодзь, 1988; Гарбс, 1990; Энн Арбор, 1992) в том числе на пяти -автором диссертации, а также автором диссертации - на Всесоюзных конференциях по космическим лучам, на научных семинарах ФКАН, ИЯИ, ЕрФИ, в университетах Лодзи, Бордо, Чикаго. шт.Мичиган (Энн Арбор) и шт.Висконсин (Мэдисон). Основное содержание диссертация опубликовано в 29ти научных статьях (ссылки [7-35 J).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, трех приложений и списка литературы.
Во введении кратко описано состояние исследуемой проблемы.
В Главе 1 излагаются результаты расчетов, выполненных на начальной стадии исследования (до 1980 года), когда структура каскадов, приводящих к семействам частиц (группам частиц, рожденных в одном и том же ядерно-электромагнитном каскаде з атмосфере) и основные шэйствау-се-мейств еще были неизвестны. В этой глазе опиаты генераторы адрон- и ядро-ядерных взаимодействий, предложенные автором и используемые при моделировании каскадов, кратко изложена схема моделирования эле-
ктромзгнитных каскадов высокой энергии в атмосфере, а также рассматриваются основные свойства каскадов, полученные при моделировании семейств частиц.
В Главе 2 описывается следующее поколение генераторов адрон- и ядро-ядерных взаимодействий. Эти генераторы, в частности, включают в себя рождение струй с большими pt (генераторы MJ и MJE) и дают характеристики вторичных частиц, близкие к предсказаниям модели кварк-глюонных струн (генераторы MQ). Кратко описаны также генераторы ад-рон-адерных взаимодействий (MSF, МСР), созданные другими авторами к использующиеся в настоящей работе.
Г»Ш8«* 3 досзящеза исследованию процесса регистрации семейств углеродной рентген-эмульсионной камерой эксперимента ПАМИР [1 ] на основе его моделирования на ЭВМ и сравнению рассчитанных характеристик yh- семейств с данными эксперимента ПАМИР. Пятна потемнения, создаваемые частицами семейств в рентгеновской пленке камеры моделировались на ЭВМ, причем при моделировании учитывалось, что близко расположенные пятна могут перекрываться или даже сливаться в одно (слипаться!^ а также отличие положения центра пятна на пленке от центра измерительной диафрагмы. Это различие связано с асимметрией формы пятен. При моделировании использовались зависимости полного числа электронов и их пространственного распределения в электромагнитном каскаде в свинце и резине от энергии и пути, пройденного каскадом, рассчитанные Пляшепшиковым и др. [36 J. Подробно исследованы зависимости "измеренных" значений характеристик семейств от их истинных значений и проанализированы причины различий. Результаты, полученные в этой главе, используются при дальнейшем изложении.
В Главе 4 описан алгоритм генерации электронной компоненты ШАЛ и результаты расчета (пространственные распределения, полное число Ne электронов). При генерации использовались средние зависимости полного числа электронов и их пространственного распределения в электромагнитном каскаде от энергии и высоты рождения каскада, рассчитанные с помощью программы [37 J. Исследована точность реконструкции параметров электронной компоненты ШАЛ и получены ограничения на модель
первичного космического излучения из сравнения рассчитанных величин с экспериментальными данными ТШВНС [6,38-40 ].
В Главе 5 при использовании результатов предыдущих глав и дайны х эксперимента ПАМИР получены оценки коэффициента неупругости, вероятности рождения струй с большими р, и рассмотрен вопрос о нарушени и фейнмановского скейлинга во фрагментационной области при взаимодействиях адронов с ядрами атомов воздуха при энергиях до 10 ПзВ. Предсказания модели кварк-глюонных струн сравниваются с данными эксперимента ПАМИР о yn-семействах с ТЕ » 100-400 ТэВ, что ссютветствует энергии ПКИ до 1-10 ПэВ.
В Главе б исследованы характеристики супсрсемейств эксперимента ПАМИР, т.е. семейств с Т.Е., > 400 ТэВ. Многие такие семейства содержат вблизи центра так называемое гало, представляющее собой темное пятно размером до 1 см, что гораздо больше размеров пятен создаваем ых отдельными частицами. Происхождение таких пятен исследовано коллабораци-ей ПАМИР и связано с созданием коллективного пятна большим количеством частиц с малыми энергиями (меньшими 2 ТэЗ). Иногда на фоне гало наблюдаются более темные пятна, создаваемые частицей высокой энергии. Так как моделирование гало не производилось, для исключения из экспериментального материала и искусственных семейств области, в которой может быть расположено гало, предложен метод выделения только периферических частиц семейства. Характеристики полученной таким образом периферии семейств (энергия ПКИ до 100-200 ПэВ) сравниваются с результатами расчетов, проведенных клк и в предыдущей главе, с моделью кварк-глюонных струн.
В Главе 7 различные энергетические характеристики у-семейств, сопровождаемых ШАЛ (данные эксперимента АДРОН (2-5]), сравниваются с рассчитанными в рамках той же модели, что и выше (энергия ПКИ до 40 ПэВ). Как и в предыдущих главах, для искусственных семейств моделировался и процесс их регистрации камерой.
В Главе 8 на основе методов теории распознавания образов, данных эксперимента ПАМИР и баз данных с искусственными семействами получена оценка верхней границы доли, ядер железа в ПКИ при энергии, боль-
шей 10 ПэВ. Математический аппарат, применяющийся при этом, был адаптирован к рассматриваемой задаче Чилингаряном [41). В этой главе кратко изложен и используемый математический аппарат теории распознавания.
В заключении суммированы основные результаты, полученные в диссертацки. Методические вопросы рассматриваются в приложениях. В Приложении 1 получены выражения для распределений, первого, второго моментов и для статистической ошибки в событиях, генерированных методом Монте-Карло с неединичными весами. Рассмотрено несколько примеров, поясняющих работу с такими событиями. В Приложении 2 описана схема моделирования процесса регистрации семейств частиц РЭК. В Приложении 3 рассмотрен алгоритм генерации частиц, рождающихся в сильном взаимодействии, когорый разумно применять, если нужно генерировать вторичные частицы только переднего конуса.
