Вся современная физика элементарных частиц выросла из физики космических лучей. На мощных ускорителях в начале 50-х годов научились создавать пучки p – мезонов, после чего физика элементарных частиц получила мощный импульс развития, благодаря огромной статистике событий, получаемых в столкновениях p – мезонных пучков с мишенями.
ПКЛ служат предметом физических исследований в двух аспектах: астрофизическом и ядернофизическом. В первом ПКЛ рассматриваются как важный астрофизический объект, роль которого в космологических процессах очень велика и стала предметом исследований новой отрасли науки-астрофизики космических лучей [1]. Действительно, такие характеристики ПКЛ, как состав частиц, их энергетические спектры, пространственная анизотропия их прихода и т.д., рассматриваемые в широком интервале энергий от 1010 эВ до ~ 1020 эВ, несут информацию о процессах их ускорения, распространения и взаимодействия в галактическом и межгалактическом пространстве.
Для второго направления ПКЛ являются источником частиц высоких энергий для изучения их взаимодействий. В последнее время этот интерес в значительной степени возродился в связи с тем, что при энергиях (1015-1016) эВ, недоступных пока современным ускорителям, наблюдается целый ряд новых явлений, не получивших объяснения с точки зрения современных теоретических моделей. Заметим, что строгого деления экспериментальных исследований на астрофизические и ядерно-физические нет, т.к. для интерпретации взаимодействий необходимо знать астрофизические характеристики потока ПКЛ (массовый состав, энергию), а для астрофизических исследований необходимо знать характеристики взаимодействий в указанной области энергий. Прогресс в развитии ускорительной техники существенно сместил акцент в исследовании космических лучей в сторону астрофизики ПКЛ.
Существуют несколько методов регистрации космических лучей, а именно гамма излучение. Наиболее распространенными являются рентген-эмульсионная камера и ионизационный калориметр.
Эксперименты, нацеленные на изучение адронных взаимодействий в космических лучах, должны учитывать две особенности космического излучения: низкую интенсивность и широкий энергетический спектр адронов.
Низкая интенсивность ограничивает выбор детекторов излучений и служит причиной популярности рентгеноэмульсионных камер: рентгеновская пленка специального изготовления допускает годичные экспозиции и относительно экономична для использования на больших (до 1000 м2) площадях.
Широкий энергетический спектр падающих адронов заставляет предусматривать измерения энергии взаимодействующей частицы. Наилучший метод определения энергии первичных частиц, вызвавших взаимодействие в мишени или атмосфере,— калориметрический с помощью ионизационных и сцинтилляционных калориметров и по черенковскому излучению широких атмосферных ливней в воздухе над уровнем измерения. Другие методы отбора взаимодействий по энергии первичных частиц содержат больше априорных предположений и менее точны.
Первые исследования взаимодействия частиц космического излучения высокой энергии с использованием методик ионизационного калориметра и рентгеноэмульсионных камер в Казахстане проводились на Тянь-Шанской Высокогорной научной станции (ТШВНС, Космостанция), которая располагается в горах Заилийского Алатау на перевале Джусалы-Кезень на высоте 3340 метров над уровнем моря.
Основной упор в этих исследованиях сосредоточен на изучении взаимодействий космических лучей с атомными ядрами плотной мишени, которая расположена на строго фиксированной высоте над РЭК. Наличие плотной мишени дает возможность избавиться от многих неоднозначностей в экспериментах, изучающих атмосферные взаимодействия: неизвестная природа ядра-мишени, высота взаимодействия, и соответственно неопределенность в измерении угловых характеристик и т.д.
Ионизационный калориметр собран из железного и свинцового поглотителя, прослоенного шестью рядами ионизационных камер. Площадь калориметра равна 44 м2, высота составляет 1.75 м. В тело калориметра уложено 425 т железа и 30 т свинца. Общая толщина поглотителя с учетом стенок ионизационных камер составляет 1033 г/см2 или 7.33 пробега для взаимодействия нуклонов. Ионизационные камеры наполнялись аргоном до давления 4 атм. Общее число камер в калориметре 672. Ряды ионизационных камер располагались во взаимно-перпендикулярных направлениях. На центральные электроды всех камер подавалось постоянное напряжение 600 В. Схема установки приведена на рисунке 1.
а- РЭК, б- ионизационные камеры, в- Pb толщиной 1,5 см, г- Pb толщиной 0,5 см, д- Fe толщиной 24 см, е- Fe толщиной по 32 см.
Рисунок 1. Схема установки «Адрон-44»
Используемая в данной экспериментальной установке рентгеноэмульсионная камера (РЭК) состоит из 2-х слоев свинцового поглотителя толщиной 2 см каждый слой, проложенных фоточувствительными слоями. В качестве фотоматериала использовались листы ядерной фотоэмульсии Р-2Т, сверху и снизу которых размещались листы двусторонней рентгеновской пленки РТ-6.
РЭК укладывалась по всей площади калориметра. Срок экспозиции на разных стадиях эксперимента составляет от 6-месяцев до 1 года. Общая толщина свинца в РЭК составляет 4 см или около 8t-единиц.
Основные назначение рентгеноэмульсионной камеры – измерение энергии гамма-квантов, их координат и пространственного направления. Известно, что при прохождении электронно-фотонного каскада (ЭФК) через слои свинца и рентгеновских пленок в пленке после её проявки образуются пятна потемнения, видимые невооруженным глазом, если плотность заряженных частиц превосходит некоторое пороговое значение (в нашем случае – 300 частиц в круге R=100 мкм). Степень почернения пятен определяется плотностью электронов в ЭФК, т. е., энергией гамма-квантов или электронов, вызвавших данный каскад.
Результаты показывают, что масса p0 –мезона не домеряется в 1,3±0,2 раза, по-видимому, из-за наличия зазора – 700 мкм между слоями пленки и поглотителя. При определение энергии гамма-квантов данный фактор учитывался. Ошибки в измерении Еγ, составляют по рентгеновской пленке – 30%, по ядерной эмульсии – 27 %, прослеживание ЭФК на нескольких уровнях снижает ошибку до 20%. Энергетический порог регистрации гамма-квантов в ядерной эмульсии равен- 0,5 ТэВ.
Было уже сказано, что РЭК регистрирует тоько те взаимодействия космических лучей, в которых рождаются гамма-кванты с энергией выше пороговой – Епор. Энергетический порог регистрации гамма квантов зависит от многих факторов: условии и длительности экспозиции РЭК, качества и сорта применяемых фотоматериалов, условии и качества проявки и даже от такой субъективной причины, как квалификация операторов.
В различных экспериментах величина Епор в рентгеновской пленке меняется от Епор=1,5 ТэВ до 4 ТэВ.
Ионизационный калориметр регистрирует практически все неупругие взаимодействия адронов космического излучения. Порог срабатывания калориметра задается экспериментатором, он может быть равен и 100 ГэВ и 1 ТэВ. В то же время , для регистрации того же взаимодействия в РЭК, необходимо, чтобы в акте столкновения образовался хотя бы один гамма-квант с Еγ= 1,5 ТэВ.
При изучении взаимодействий космических лучей на высоте 3340 метров над уровнем моря с ядрами углерода использовался калориметр «АДРОН-44», при этом пороговая энергия срабатывания ионизационных калориметров составляла от 3 ТэВ до 10 ТэВ. В процессе накопления статистического материала было зарегистрировано 1348 взаимодействии с Е0≥ 3ТэВ, произошедших в мишени.
Здесь важно отметить, что общее количество срабатываний калориметра с порогом Е ≥ 3ТэВ значительно выше и составляет порядка 6000, но большая часть из них является продуктом взаимодействия в атмосфере на большой высоте, поэтому электронно-ядерные лавины в калориметре от этих событий занимают большую площадь и в т о же время энергия сопровождающих частиц составляет от 10 % до 70 %. Поэтому, для отбора взаимодействий, произошедших в районе мишени отбирались события, в которых в верхных рядах калориметра срабатывало не более одной ионизационной камеры и вся электронно-ядерная лавина, занимая три камеры, свидетельствовала о прохождении одиночного адрона. При этом вклад сопровождающей компоненты не должен был превышать 10 % от Е0.
Отобранные таким образом 1348 электронно-ядерных лавин сопоставлялись с гамма-квантами, зафиксированными в рентгеноэмульсионной камере. Выяснилось, что только 23 % от всех взаимодействий адронов космических лучей, имеющих энергии в диапозоне Е=3-50 ТэВ образуются гамма-кванты с энергией Еγ ≥ 1,5 ТэВ. Следовательно, большая часть взаимодействий пионов и нуклонов с атомными ядрами мишени не регистрируется в РЭК, особенно в области малых энергий Е0~ 3-10 ТэВ. Наглядно данный факт демонстрирует рисунок 2, на котором приведен интегральный энергетический спектр адронов, зарегистрированных в калориметре и интегральный спектр сопоставленных в РЭК.
-
События, зарегистрированные в калориметре.
-
События, зарегистрированные РЭК.
Рисунок 2- Интегральные энергетические спектры
В заключение можно сказать, что в данной работе был рассмотрен вопрос об особенностях регистрации событий высокой энергии методом рентгеноэмульсионных камер (РЭК) и ионизационных камер. Использование ионизационных камер оказалось более эффективнее, чем РЭК, так как при использовании РЭК мы теряем некоторые информации. В данный момент на ТШВНС полностью перешли на ионизационные камеры.
Огромное благодарность хотелось бы выразит сотрудникам ТШВНС и Физико-техническому институту, а именно Садыкову Т.Х. за предоставленные возможности написать эту статью. А также коллегам и руководителям в физико-техническом факультете КазНУ им. Аль-Фараби: Оскомову В.В. и Юшкову А.В.
Библиографический список
-
Мурзин В.С., Сарычева Л.И. Космические лучи и их взаимодействие. – Москва: Атомиздат, 1968.- 389 с.
-
Садыков Т.Х., Байгубеков А.С., Новолодская О.А. Угловые характеристики фотонов из адрон-ядерных взаимодействий в области энергий больше 1013 эВ //Вестник Евразийского национального университета им. Гумилева. -2004.-№ 2.- С.56-58.
-
Новолодская О.А. Экспериментальная комплексная установка для исследования семейств гамма-квантов в области энергий 1012 -1015 эВ // Сборник трудов Второй Международной Конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы физики»,18-19 ноября.- 2004.- Ташкент, Узбекистан.-С.41-42.
-
Baygubekov A.S., Chubenko A.P., Mukhamedshin R.A., Novolodskaya O.A., Sadykov T.Kh. A nev complex installation Athlet for the investigation of interactions in ultrarays on Tien-Shan mountain // Nucl. Instr. & Methods in Phys.Res.A. – 2004.- V 527.- P. 648-651.