Трековые искровые камеры для изучения взаимодействий адронов космических лучей сверхвысоких энергий и исследования в области релятивистской ядерной физики с использованием стримерных камер в магнитных спектрометрах на синхрофазотроне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ



■ * ЯЬ.Хб.ОЬ. 9&-<4¥1/е,£

/

а

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

о* р л^ш На правах р*ко™си

УДК 539.1.27; 539.172-1

Срсш^хо - -Л' '¿с г и** х

/ '■{ г НУРГОЖИН

Ногербек Нурмуканович

ТРЕКОВЫЕ ИСКРОВЫЕ КАМЕРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ АДРОНОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ И ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТРИМЕРНЫХ КАМЕР В МАГНИТНЫХ СПЕКТРОМЕТРАХ НА СИНХРОФАЗОТРОНЕ

Специальности: 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц и 01.04.01 - техника Физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научные консультанты:

доктор физико-математических наук, МАЛАХОВ

старший научный сотрудник Александр Иванович

доктор технических наук, МАТЮШИН

старший научный сотрудник Александр Тарасович

Дубна 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .......................................................5

РАЗДЕЛ I- ТРЕКОВЫЕ ИСКРОВЫЕ КАМЕРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПИОНОВ И НУКЛОНОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ С ЛЕГКИМИ ЯДРАМИ..............10

ВВЕДЕНИЕ......................................................10

ГЛАВА Ы- ТРЕКОВЫЕ ИСКРОВЫЕ КАМЕРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ АДРОНОВ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГИИ

Ео>1 ТэВ........................................15

§1.1.1- Искровой спектрометр с регистрационной площадью

9 м2..................................................15

§1.1.2. Выбор оптимального варианта камер спектрометра ........15

«

§1.1.3. Высоковольтные генераторы наносекундных импульсов для питания трековых искровых и стримерных

камер -................................................17

§1.1.4. Наносекундные схемы управления ........................24

§1.1.5. Исследование камер....................................25

1.1.5.1. Трековая искровая камера с аргоновым наполнением......26

1.1.5.2. Трековая разрядная камера с неоновым наполнением......27

1.1.5.3. Трехэлектродная стримерная камера.....................29

§1.1.6. Искровой спектрометр полного поглощения для изучения ядерных взаимодействий адронов при энергиях ео^100 ГэВ ........................................32

ГЛАВА 1.2. ТРЕКОВЫЕ ИСКРОВЫЕ КАМЕРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПИОНОВ И НУКЛОНОВ С ЛЕГКИМИ ЯДРАМИ ПРИ

ЭНЕРГИЯХ ВЫШЕ 10 ТЭВ ................................37

§1.2.1. Основные требования к характеристикам камер установки Адрон-44 ....................................... 37

§1.2.2- Выбор оптимального варианта камер установки и их

запуска...............................................38

§1-2.3. Выбор материалов для изготовления камер установки .... 39

§1.2.4. Трехэлектродная трековая искровая камера площадью 2

II м с внутренними проволочными электродами.........40

1.2.4.1. Конструкция камеры •....................................41

1.2.4.2. Исследование камеры ....................................45

§1.2.5. Система газообеспечения больших трековых искровых и стримерных камер с тонкими стенками............49

§1.2.6. Система высоковольтного импульсного питания больших

трековых искровых камер установки "Адрон-44" ...... 51

§1.2:7. Система фотографирования больших трековых искровых камер установки Адрон-44..........................53

Заключение ....................................................56

РАЗДЕЛ II. ДВУХМЕТРОВЫЕ СТРИМЕРНЫЕ КАМЕРЫ ДЛЯ ИССЛЕДО- .

ВАНИЯ В ОБЛАСТИ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ - • 57

ВВЕДЕНИЕ.......................................................57

ГЛАВА 2.1. МАГНИТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР СКМ-200 ...................... 59

§2.1,1. Основные узлы и характеристики спектрометра

СКМ-200 ................................................59

§2.1.2. Повышение надежности работы высоковольтного генератора стримерной камеры ............................66

§2.1.3. Анализ динамики продува рабочим газом стримерной камеры ................. ...........................-69

§2.1.4. Измерение времени памяти стримерной камеры с помощью бесфильмовой искровой камеры .....................72

ГЛАВА 2.2. ДВУХМЕТРОВАЯ (ПРИМЕРНАЯ КАМЕРА МАГНИТНОГО

СПЕКТРОМЕТРА ГИБС ...................................78

§2.2.1- Спектрометр ГИБС .......................................78

§2.2.2- Стримерная камера магнитного спектрометра ГИБС.......80

§2.2.3. Система высоковольтного импульсного питания

стримерной камеры спектрометра ГИБС ....................84

§2.2.4. Исследование структуры и динамики развития стримерных следов ...........................................87

§2-2.5. Импульсная разрешающая способность магнитного

стримерного спектрометра ..............................95

Заключение ....................................................97

РАЗДЕЛ III. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУПРУГИХ И ЦЕНТРАЛЬНЫХ ЯДРО-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРИ ЭНЕРГИИ 3,66 А ГэВ ......99

ВВЕДЕНИЕ .......................................................99

ГЛАВА 3.1. МНОЖЕСТВЕННОЕ РОЖДЕНИЕ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ПИОНОВ В НЕУПРУГИХ И ЦЕНТРАЛЬНЫХ ЯДРО-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ .........................................102

§3.1.1. Экспериментальные данные .............................102

§3.1.2. Сечения неупругих и центральных взаимодействий

ядер Не, Си ос ядрами ..........................104

3.1.2.1 Методика измерения сечения • ..........................104

3.1.2.2 Результаты измерения сечений ...........................105

§3.1.3 Множественное рождение отрицательных пионов в

4

неупругих и центральных взаимодействиях ядер Не,

13- 16Л 19„ 20 24.. тпо

с, о, р, ы© и Мд с ядрами...................108

3.1.3.1 Представление результатов...............................108

3.1.3.2 Нормировка данных........................................110

3.1.3.3 Средние множественности я -мезонов.......................III

§3.1.4. Средние числа провзаимодействовавших протонов в

неупругих и центральных взаимодействиях ядер 4Не,

12_ 19„ 20.. 24.. тт. С, о, р, ие и Мд с ядрами.....................114

3.1.4.1 Процедура определения величин <0>, <Ор> и ...........114

3X4.2 Отношение 1?=<п_>/<0> ....................................120

§3.1.5. Размеры области испускания я~-мезонов в неупругих

_ 4„ 11

и центральных взаимодействиях ядер Не, с и о

с ядрами...............................................123

ГЛАВА 3.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ Л и К°-ЧАСТИЦ В НЕУПРУГИХ И ЦЕНТРАЛЬНЫХ ЯДРО-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ... 130

§3.2.1. Образование л и К°-частиц в неупругих и централь-

4„ 12_ 16л

ных взаимодействиях ядер Не, с, о с ядрами

при импульсе 4,5 А ГэВ/с...............................130

3.2.1.1 Идентификация и поправки..............................130

3.2.1.2 Относительные выходы л и к°-частиц и ассоциативные множественности п -мезонов.............................133

3.2.1.3 Кинематические характеристики л и к°-частиц ...........136

3.2.1.4 Поляризация л-гиперонов .................................142

§3.2.2 Рождение Л-частиц в центральных взаимодействиях

24

Мд+Мд при импульсе 4,3 А ГэВ/с.......................142

3.2.2.1 Идентификация и параметр отбора событий ................143

3.2.2.2 Вероятность регистрации распада л-гиперонов .............144

3.2.2.3 Импульсные и угловые распределения Л-гиперонов........145

3.2.2.4 Ассоциативное рождение Л-гиперонов и я -мезонов .........149

3.2.2.5 Исследование событий с двумя зарегистрированными Л-частицами............................................151

Заключение .....................................................152

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ...............................155

ЛИТЕРАТУРА ....................................................160

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время особый интерес приобретает детальное изучение элементарных актов взаимодействия адронов космических лучей с легкими ядрами при наиболее высоких энергиях, существенно превосходящих энергии, достижимые с помощью ускорителей. Продолжается эксперимент "Памир" и аналогичные эксперименты на высоких горах Чакал-тая с Боливия^, Фуджи с Япония^, Канбала сКитайЭ по исследованию ад-ронных взаимодействий энергией выше 100 ТэВ методом эмульсионных камер с 1,23. Имеющиеся на современном этапе экспериментальные данные по взаимодействиям пионов с ядрами были получены в космических лучах до энергии 3,5 ТэВ £33, а на ускорителях до 525 ГэВ с 43. Действующие и строящиеся коллайдеры пучков пионов высокой энергии дать не могут. В то же время на высотах гор имеется наряду с нуклонами заметный поток пионов, причем доля их растет с ростом энергий с 53, так как все меньшую роль играет их распад в атмосфере. Поэтому проблема изучения взаимодействий пионов и нуклонов космических лучей с легкими ядрами в области сверхвысоких энергий на высотах гор остается актуальной, поскольку сравнительные характеристики их взаимодействия представляют большой интерес для теории.

Исследования взаимодействий релятивистских ядер, начатые на синхрофазотроне ЛВЭ ОИЯИ, в настоящее время стали одним из бурно развивающихся направлений физики высоких энергий. Эксперименты по исследованию ядро-ядерных взаимодействий проводятся в Брукхейвене ССШАЭ на ускорителе а^б при энергии до 14,6 А ГэВ, в Церне на -^рб в интервале энергии 60-200 А ГэВ, и ведется интенсивная работа по созданию ядерных коллайдеров яню-БИЛ ссшаэ и ьнс-ЦЕРН с Швейцария^). В 1993 г. в Дубне ¿Россия^ введен в действие первый сверхпроводящий ускоритель ядер, рассчитанный на энергию 6 А ГэВ - Нук-лотрон.

Все возрастающий интерес, проявляемый к этому направлению, связан с возможностью получения информации о свойствах кварк-глю-онной структуры ядра £63 и об образовании нового состояния ядерной материи - кварк-глюонной плазмы Важной частью этой информации являются данные по множественному рождению частиц в неупругих и центральных ядро-ядерных взаимодействиях.

Развитие перечисленных актуальных направлений было бы невоз-

можно без своевременных методических разработок и без создания новых экспериментальных установок.

С развитием и усложнением экспериментов в физике частиц высоких энергий семейство классических трековых детекторов Скамера Вильсона, диффузионные и пузырьковые камеры^ пополнилось искровыми и стримерными камерами. При этом оказалось, что в космических лучах выгодно использовать трековые искровые камеры из-за возможности создания камер больших размеров, а на ускорителях - стример-ные камеры в магнитном поле, как управляемые детекторы с ^-геометрией. Поэтому разработка, исследование трековых искровых и стримерных камер, создание на их основе крупномасштабных комплексных установок для изучения ядерных взаимодействий пионов и нуклонов космических лучей при сверхвысоких энергиях на высоте гор, а также магнитных спектрометров для исследования в области релятивистской ядерной физики на ускорителе, на протяжении многих лет являлось и является актуальным направлением в экспериментальной физике частиц высоких энергий.

Цели настоящей диссертационной работы состояли в:

- разработке и создании комплекса больших трековых искровых камер для крупномасштабных установок, предназначенных для исследования ядерных взаимодействий пионов и нуклонов космических лучей в области сверхвысоких энергий на Тянь-Шаньской высокогорной станции С3340 м над уровнем моряЭ;

- разработке больших стримерных камер и создании на их основе магнитных спектрометров для исследования в области релятивистской ядерной физики и в проведении с их помощью экспериментов в пучках синхрофазотрона ЛВЭ ОИЯИ;

- исследовании характеристик множественного рождения пионов и образования ас Л- частиц в не упругих и центральных столкновениях ядвр с ядрами, измерении сечений этих взаимодействий при энергии 3,66 А'ГэВ и в анализе полученных данных.

Научная новизна и практическая ценность результатов работы. Впервые разработаны и созданы двух- и трехэлектродные трековые искровые камеры, имеющие большие рабочие площади - до II м^ и зазоры

2

- до 0,5 м. Трехэлектродная камера площадью II м с зазором 2x0,2 м, созданная для крупномасштабной установки, по изучению ядерных взаимодействий пионов и нуклонов в области сверхвысоких энергий, является самой большой камерой в мире с минимальным количеством

вещества на пути регистрируемых частиц. Она также может быть использована и для исследования широких атмосферных ливней. На основе трековых искровых и стримерных камер впервые построен искровой спектрометр полного поглощения площадью I м^ для исследования ядерных взаимодействий адронов при энергии ео> юо ГэВ, который являлся базовым модулем для реализации крупномасштабных установок.

Совместными усилиями ОИЯИ и ФТИ МН-АН РК СИФВЭ АН Каз ССРЭ с непосредственным участием автора разработаны, созданы и использованы в экспериментах магнитные спектрометры СКМ-200 и ГИБС, основу которых составляют двухметровые стримерные камеры, позволяющие регистрировать в 4я-геометрии всю сложную многотрековую картину взаимодействий релятивистских ядер с ядрами и, в то же время, отбирать редкие события. СКМ-200 один из первых в мире спектрометров со стримерными камерами, действовавших в пучках релятивистских ядер.

С помощью этих спектрометров получен богатый экспериментальный материал по неупругим и центральным взаимодействиям ядер гелия с Ьд. , С, Ые, А1 , Си, рь, ядер УГЛерода С Ие, С, 31, Си, 2г, РЬ, ядер кислорода с ие, рь, ядер фтора с м®. Мд, ядер неона с ие, 2г и ядер магния с Ме, Мд при энергии 3,66 А »ГэВ-

Эти данные позволили провести систематический анализ зависимостей основных характеристик множественного рождения отрицательных пионов и образования лск°:>-частиц в неупругих и центральных взаимодействиях, а также зависимостей сечений этих взаимодействий от атомных весов сталкивающихся ядер и от жесткости критериев отбора центральных взаимодействий. Полученные результаты позволили сделать определенные выводы о справедливости тех или иных теоретических моделей, а также о возможности существования общего равновесного источника вторичных частиц. Большинство результатов этих исследований получено и опубликовано впервые. С помощью спектрометра ГИБС также впервые получены достоверные данные по релятивистским гиперядрам и изучены реакции перезарядки релятивистских ядер на ядрах.

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы как при планировании новых экспериментов на нуклотроне и УНК-600, так и в смежных областях науки с в физике космических лучей, в радиационной Физике, биомедицинских исследованиях и т.д.}. Ряд разработок выполнен на уровне изобретений.

В основе диссертации - 58 опубликованных работ, в том числе 4 изобретения, список которых с индексом А приводится в конце диссертации.

Основные результаты и выводы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях по космическим лучам в Алма-Ате с 1966 г.э, в Новосибирске с 1967 г.э, в Ташкенте С1968 г.э, на Международном совещании по искровым камерам в Дубне с 1966 г.э, на Международном симпозиуме по наносе кун дной ядерной электронике в Дубне £1967 г.э, на Всесоюзной школе по неупругим взаимодействиям адронов и ядер высоких энергий в Алма-Ате с 1982 г.э, на научных семинарах ИЯФ и ИФВЭ НАН РК САН Каз ССРЭ, ФТИ МН-АН РК в Алматы, ФИАН СССР, на кафедре экспериментальной ядерной физики МИФИ в Москве, ЛВЭ и ЛВТА ОИЯИ в Дубне, на совещаниях международного сотрудничества по исследованиям на спектрометрах СКМ-200 и ГИБС в Алма-Ате с 1982, 1989 гг.э и в Дубне, а также представлялись на международные конференции в Дубне С1964 г.э, Будапеште с 1969, 1977 пО, в Ванкувере С1979 г.э, в Беркли С1980 г.э, в Версале с 1981 г.э, в Мичигане с 1982 г.э, в Брайтоне с 1982 г.э, в Балотонфюреде с 1983 г.э, в Аделаиде, Австралия с 1990 г.э.

Диссертация состоит из введения, трех разделов и заключения, списка публикаций и использованной литературы. Каждый из разделов, в свою очередь, состоит из введения, двух глав и заключения, содержащего результаты соответствующего раздела.

Раздел I посвящен разработке, исследованию и созданию комплексов больших трековых искровых камер для крупномасштабных установок, предназначенных для изучения ядерных взаимодействий пионов и нуклонов космических лучей в области сверхвысоких энергий на высокогорной станции. Во введении раздела кратко рассмотрены методы исследования взаимодействий частиц космических лучей высоких и сверхвысоких энергий и сформулированы основные требования, предъявляемые к установкам.

Первая глава раздела I посвящена разработке и созданию камер

2

искрового спектрометра регистрационной площадью 9 м , который предназначался для изучения ядерных взаимодействий адронов космических лучей в области энергий ео>1 ТэВ, а также комплексов аппаратуры для обеспечения их работы и управления. Здесь же описывается впервые созданный искровой спектрометр полного поглощения 2

площадью I м для изучения ядерных взаимодействий адронов при

энергиях Ео-0Д ТэВ, который являлся базовым модулем для реали-

2

зации установки площадью 9 м .

Вторая глава раздела I посвящена разработке и созданию больших трековых искровых камер для международного проекта СИФВЭ АН

Каз ССР, ФИАН СССР, Университет г.Лодзь и ИЯИ г.Краков РГР комп-

2

лексной установки регистрационной площадью 44 м САдрон-443, а также систем их высоковольтного импульсного питания, газообеспечения, фотографирования и управления. Установка была предназначена для исследования ядерных взаимодействий пионов и нуклонов космических лучей при энергиях выше 10 ТэВ.

Раздел и посвящен описанию двухметровых стримерных камер магнитных спектрометров СКМ-200 и ГИБС, разработанных и созданных совместными усилиями ОИЯИ и ФТИ МН-АН РК СИФВЭ АН Каз ССР:> для исследования в области релятивистской ядерной Физики. Во введении раздела указываются преимущества магнитных спектрометров со стри-мерными камерами по сравнению с установками других типов.

Первая глава раздела и посвящена описанию спектрометра СКМ--200, результатам разработок и исследований отдельных е