Энергетический пороговый эффект в рентген-эмульсионных камерах и его влияние на результаты исследований космических лучей в стратосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Физический институт имени П.Н.Лебедева РАН Физика высоких энергий и космических лучей Лаборатория космических лучей

На правах рукописи

УДК. 539.1.03

КОНОВАЛОВА Нина Сергеевна

Энергетический пороговый эффект в рентген-эмульсионных камерах и его влияние на результаты исследований космических лучей в стратосфере

(01.01.16 - физика атомного ядра и элементарных' частиц)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

Москва 1996

Работа выполнена в ордена Ленина Физическом институте имени П.Н.Лебедева РАН

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук К. А.Котельников

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.И.Зацепин

кандидат физико-математических наук Р.А.Мухамедшин

Ведущее предприятие: Московский Инженерно-физический институт

Защита состоится "/£" ^¿/^¿¿Ъ/ЭсЯ в " ¡О" часов на заседании специализированного ученого совета К.002.39.04 ордена Ленина Физического института им, П.Н.Лебедева РАН по адресу: Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН. Автореферат разослан " " 1996 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физ.-мат. наук

В. Д. Скаржинский

1 Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Стратосферные рентген-эмульсионные камеры на протяжении нескольких десятков лет являются одним из основных инструментов для изучения свойств первичного космического излучения. Эксперименты с использо-ванием рентген-эмульсионных камер осуществляются в настоящее время с целью решения ядернофизических и космофизических задач. Заметную роль в этих исследованиях занимают эксперименты по изучению энергетических спектров первичного космического излучения.

Однако характеристики рентген-эмульсионных камер как детекторов излучения до сих пор недостаточно изучены. В частности, до настоящего времени не анализировались характеристики пороговых энергепгческих областей измерений рештсн-эмулъсионных камер, где эффективность регистрации взаимодействий частиц первичного космического излучения с атомными ядрами мишени ниже 100%. Физические характеристики падающего излучения, измеренные в пороговой области, могут существенно отличаться от средних величин для соответствующих энергии взаимодействия. Поэтому существует необходимость определения параметров пороговых энергетических областей измерений ренттен-эмульсионных камер в каждом конкретном эксперименте по изучению характеристик первичного космического излучения. В силу актуальности и важности физических задач, решаемых с помощью рентген-эмульсионных камер, исследование энергетических характеристик этих приборов имеет принципиальное значение.

Цель работы.

• Моделирование методом Монте-Карло экспериментов по определению энергетических спектров ядерных компонент первичного космического излучения на основе рентген-эмульсионных камер двух различных конструкций, с углеродной и со свинцовой мишенями, с точки зрения изучение влияния особенностей конструкций рентген-эмульсионных камер на результаты научных измерений.

• Определение для моделированных экспериментов параметров пороговых энергетических областей, в которых возможны существенные искажения экспериментальных результатов.

• Сопоставление ожидаемых на основе моделирования спектров ядерных компонент первичного космического излучения с экспериментальными данными, полученными на современных установках соответствующих конструкций.

Новизна работы.

1. Впервые поставлен и исследован вопрос о роли конструкции рентген-эмульсионных камер в физическом эксперименте по изучению космических лучей высоких энергий. Показан возможный методический характер расхождения в результатах двух ведущих экспериментов по изучению энергетических спектров первичного космического излучения, МиВЕЕ и МСЕЕ.

2. На основе Лундовской модели адрон-ядерных .и ядро-ядерных взаимодействий при высоких энергиях, впервые применяемой для моделирования эксперимента в области космических лучей, разработана методика моделирования прохождения и регистрации потоков ядер с энергиями 10,2-5 1014 эВ рентген-эмульсионными камерами.

3. Впервые подробно исследована зависимость эффективности регистрации стратосферных рентген-эмульсионных камер от величины энергии падающих частиц.

4. Разработан алгоритм определения энергетических пороговых областей, примешшый для рентген-эмульсионных камер произвольных конструкций. Определены параметры энергетических пороговых областей, в которых возможно существенное искажение экспериментальных результатов, в частности, при определении показателей энергетических спектров частиц первичного космического излучения, для двух основных модификаций рентген-эмульсионных камер, применяемых в современных стратосферных экспериментах.

Научная значимость и практическая ценность работы состоят в том, что:

1. Компьютерный банк взаимодействий космических частиц в мишенях рентген-эмульсионных камер, созданный на основе Лундовской модели, содеожит 25000 событий, вызванных первичными протонами, 20000 взаимодействий ядер 4Не, 11000 взаимодействий ядер 12С, 9500 взаимодействий ядер :,23 и 7400 взаимодействий ядер 61Си с атомными ядрами углеродной мишени и аналогичную статистику для свинцовой мишени. Такая статистика моделированных событий позволила получить расчетные характеристики релттен-эмульсионных камер рассматриваемых конструкций с малыми статистическими ошибками.

2. Разработана схема расчета ожидаемого в установакх искажения измеренного энергетического спектра падающих частиц, применимая для моделирования экспериментов с использованием рентген-эмульсионных камер любых конструкций, а также различных установок с тонкими ионизационными калориметрами. Это позволяет при планировании экспериментов с рентген-эмульсионными камерами проектировать их конструкции таким образом, чтобы свести к минимуму влияние порогового эффекта на результаты измерений.

3. Проанализирована зависимость эффективности регистрации рентген-эмульсионных камер от энергии падающих космических частиц и от зенитного угла их прихода. Эти характеристики стратосферных рентген-эмульсионных камер, не подвергавшиеся до сих пор самостоятельному изучению, дополняют представления о них как о детекторах космического излучения при высоких энергиях.

Автор защищает:

1. Методику моделирования прохождения и регистрации ядерноактивных частиц первичного космического излучения стратосферными рентген-эмульсионными камерами, разработанную с использованием Лундовской модели адрон-ядерньгх л ядро-ядерных взаимодействий при высоких энергиях.

2. Методику определения на основе модельных расчетов энергетических областей и характера искажения спектров ядерных компонент первичного космического излучения, ожидаемых в стратосферных рентген-эмульсионных камерах различных конструкций.

3. Определенные на основе моделирования численные параметры энергетических пороговых областей возможных искажений результатов измерений для рентген-эмульсионных камер двух различных конструкций - с углеродной и со свинцовой мишенями.

4. Ожидаемые в рентген-эмульсионных камерах двух типов энергетические спектры пяти ядерных компонент первичного космического излучения.

Апробация работа.

Результаты, изложенные в диссертации, обсуждались на XIV Европейском симпозиуме по космическим лучам (Балатон, 1994), на XXIV Международной конференции по космическим лучам (Рим, 1995), где были включены в обзорный доклад по материалам конференции, и на XXVIII Международной конференции по физике высоких энергий (Варшава, 1996). Основные результаты диссертации изложены в публикациях [11, [2], [3], [4], [5], [6], 17], [8].

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 106 страниц и состоит из введашя, четырех глав, заключения, списка из 84 наименований цитируемой литературы и приложения. В диссертации приведены 18 рисунков и 28 таблиц.

2 Содержание работы.

Во введении покакзна роль энергетического спектра протонов первичного космического излучения в изучении механизмов проис-хождепня и ускорения космических лучей в Галактике. Дан краткий обзор состояния экспериментов по изучению энергетического спектра протонов с помощью стратосферных рентген-эмульсионных камер в

области энергии от 1012 до 5-1014 эВ. Сформулированы постановка задачи и основные положения, вынесенные на защиту. Показана актуальность работы, отмечена ее новизна и практическая ценность.

Первая глава посвящена особенностям проведения экспериментов с рентген-эмульсионными камерами по изучению потоков частиц первичного космического излучения в верхних слоях атмосферы. Дана сравнительная характеристика двух крупнейших экспериментов по изучению энергетических спектров частиц первичного космического излучения в стратосфере, MUBEE (Moscow University Balloon Emulsion Experiment) и JACEE (Japanese-American Cooperative Emulsion Experiment), на основе анализа статистики полученных экспериментальных данных, условий проведения экспериментов и конструкций используемых рентген-эмульсионных камер. Выводы экспериментов MUBEE и JACEE расходятся в определении энергетической области нерегулярности в энергетическом спектре протонов первичного космического излучения. Согласно данным эксперимента MUBEE, показатель [i дифференциального спектра протонов, описываемого степенной зависимостью меняет значение от 2.6-2.7 до 3.1-3.2 при энергии падающих протонов Ео<10 ТэВ. Данные JACEE свидетельствуют об изменении показателя энергетического спектра протонов при Etj=40 ТэВ. В качестве возможной причины столь существенного расхождения в определении энергии, при которой может происходить изменение показателя спектра протонов, в диссертации названо различие в конструкциях применяемых ренттен-эмульсионных камер.

Установка MUBEE представляет собой свинцовых блок, прослоенный фотоматериалами, ядерной фотоэмульсией и рентгеновской пленкой, поиск событий ведется в рентгеновской пленке по всей глубине установки. Установка JACEE включает достаточно толстую мишень из углеродсодержащего вещества, отделенную от свинцового калориметра воздушным зазором. Визуальный поиск событий ведется в рентгеновской пленке в свинцовой части установки (рис.1). Вследствие конструктивных различий расстояние от точки взаимодействия до

уровня регистрации в установке МСЕЕ всегда больше, чем в установе МШЕЕ. В результате в установке типа МСЕЕ с легкой мишеиью возрастает вероятность потери событий при регистрации вследствие пространственного разлета образовавшихся в результате взаимодействия у-квантов, когда плотность энергии электромагнитной компоненты, выделившейся на уровне наблюдения, может стать недостаточной для создания видимого пятна почернения в рентгеновской пленке.

н*а ■ * . л Л — блюдено я .) ,<* ......... ,„..,

а)

I

и

ми ш с и ь

:/ ! КГ-

I

Г

1

/И

Ц-

з д у ш » у й

/¡¡¡\ з а з

Ж

■дат"1

:». и •

г ■

уровеньнаблюдения

б)

Рнс. 1 Схемы конструкций рентген-эмульсионных камер:

а) со свшщовой мишенью,

б) с углеродной мишенью.

В диссертации определено понятие пороговой энергетической области измерений рентген-эмульсионных камер как области, где эффективность регистрации взаимодействий частиц падающего излучения с атомными ядрами мишени ниже 100%. В первой главе обсуждается зависимость эффективности регистрации событий от различных параметров, и в частности от высоты точки взимодействия над уровнем

регистрации. На примере события, имеющего средние значения кинематических характеристик для указанных энергий, показано, что зависимость вероятности регистрации события от высоты Ь точки взаимодействия над уровнем наблюдения определяет протяженность пороговой области, в которой вероятность регистрации событий оказывается зависящей от индивидуальных характеристик образовавшейся системы вторичных частиц, в частности, от распределения величин продольного и поперечного импульсов в системе.

Утверждается, что поскольку пороговая область измерений установки МСЕЕ в силу ее конструктивных особенностей захватывает более широкую энергетическую область, чем в случае МЦВЕЕ, то расхождение между этими экспериментами в определении области излома спектра космических протонов может быть объяснено влиянием порогового эффекта. Для определения численных параметров энергетических пороговых областей установок типа МЦВЕЕ и МСЕЕ было проведено моделирование процесса прохождения и регистрации частиц первичного космического излучения такими установками. Моделирование было осуществлено на основе Лундовской модели адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий 1"КП'ТОР, отвечающей современным представлениям о природе взаимодействий на кварковом уровне.

Во второй главе дается обоснование применения Лундовской модели для описания акта взаимодействия в условиях рассматриваемых экспериментов, приводятся основные характеристш<и модели в сравнении с экспериментальными данными, полученными на ускорителях и в космических лучах, дается краткое описание динамики взаимодействия на кварковом уровне в рамках модели. Показано хорошее согласие предсказаний модели с экспериментальными данными в области высоких энергий на примере распределений по множественности и но величине поперечного импульса вторичных частиц и их инклюзивных спектров. На статистике Ю4 событий для каждого типа взаимодействий получены распределения продуктов р-С и р-РЬ взаимодействий по величине к^ГЕ/Ео доли энергии, переданной в результате взаимо-

действия вторичным у-квантам; распределения аппроксимированы функциями вида ЦЦ)= 10**(-С,к72+С2).

В качестве причин, по которым для моделирования стратосферных экспериментов с ренттсн-эмульсионными камерами была использована Лундовская модель, указаны следующие:

1. Условия проведения экспериментов и применяемые конструкции рентген-эмульсионных камер позволяют использовать модель, дающую индивидуальные расчетные события, полученные на основе кварк-глюонной динамики взаимодействия.

2. Предсказания модели хорошо согласуются с экспериментальными данными в рассматриваемом диапазоне энергий.

3. Существует подробно разработанная компьютерная версия Лундовской модели для адрои-ядериых и ядро-ядерных взаимодействий, РЯШОР, удобная для включения в схему расчетов детектора методом Монте-Карло.

4. Быстродействие компьютерной версии модели позволяет обеспечить достаточную статистику расчетов на ЭВМ среднего класса.

Третья глава посвящена моделированию процессов прохождения и регистрации протонов рентген-эмульсионными камерами двух типов - с толстой мишенью из легкого вещества (рис. 16) и со свинцовой мишенью (рис. 1а). Первым этапом расчетов стало составление компьютерного банка моделированных р-С и р-РЬ взаимодействий, получашых с помощью модели РШТЮБ для различных значений энергии налетающих протонов: 5, 10, 20, 100, 200 и 500 ТэВ. Статистика событий, формирующих банк, составила 25000 взаимодействий. Чтобы учесть, зависимость эффективности регистрации от величины зенитного угла 0 падения первичной частицы были рассмотрены четыре случая падения первичной частицы - под углами 0, тс/6, л/4 и л/3.

При обработке банка анализировались следующие характеристики каждого из взаимодействий и образовавшихся систем вторичных частиц: расстояние от верхней границы установки до точки взаимодействия, величина е=ХЕу энергии, переданной в электромагнитную компоненту, число образовавшихся во взаимодействии у-квантон, а также энергия и зенитный и азимутальный углы вылета каждого кванта. Эти данные позволяли воссоздать структуру события на уровне регистрации, а именно получить пространственные распределения сигналов от у-квангов различных энергий в рентгеновской пленке.

На основе данных по обработке экспериментов МЦВЕЕ и МСЕН, а также с использованием опыта эмульсионного эксперимента ФИЛИ был разработан формальный критерий, согласно которому событие считалось найденным, если суммарная энергия у-квантов, попавших на уровне наблюдения в круг 11<100 мкм, превышает значение е0=1 ТэВ. Соответствующий алгоритм обработки событий включал

• определение координат каждого у-кванта на уровне наблюдения с учетом зенитного угла 0 падения первичной частицы;

• выделение плотных групп у-квантов и определение координат (хс, ус) "центра тяжести" каждой группы;

• суммирование энергий у-квантов группы, попавших в различимую невооруженным глазом геометрическую область с центром в "центре тяжести" группы и сравнение полученного результата с е0.

На основе этого критерия отбора были обработаны все события банка моделированных взаимодействий. Отношение числа зарегистрированных событий к полному числу событий с с>1 ТэВ соответствует величине эффективности регистрации \*/„?(Ео,0) для фиксированных значений Ео и 6. Вид функций \\'„,8(Е0) для трех значений угла 0 показаны на рис.2. Кривые на рис.2а получены в результате обработки банка моделированных событий для условий регистрации в установке'с углеродной мишенью, а на рис.26 - для установки со свинцовой мишенью.

П 6=0.

л е=л/4. о е=я/з.

10

1-1 I II И !]--

100 Е, ТсУ

б)

Рис.2 Функции \*/гс„(Е,в) эффективности регистрации падающих протонов установками а) с углеродной мишенью и 6) со свинцовой мишенью, полученные для значения е0=1 ТэВ.

I ми!

п

В энергетической области измерений, где \*/ге(,( Е0)=соп51, спектр толчков 1га(е), измеренный в установке, повторяет характер падающего степенного спектра Де). В области, где эффективность регистрации зависит от энергии падающих частиц, полученный в процессе измерений спектр отличается от падающего согласно соотношению:

J eos0 -dCl)-ггг-

IJe) = J{e)F(c) = J(£) J cosí? -rfílj-

0 o < K'r >

Вид ожидаемых в рентген-эмульсиониых камерах спектров 1ш(с), полученный путем численного интегрирования с использованием аналитического вида функций WrefI(E0,0) и f(k,), показан на рис.3 в сравнении с ходом падающего степенного спектра с показателем {$=3.1. Измеренный спектр 1ш(с) отражает ход падающего спектра J(s) без искажений при энергиях e>Cth- Для установки с углеродной мишенью еЛ=10-13 ТэВ, что соответствует энергии первичной частицы Е(¡-40-50 ТэВ (рис.За). Для установки со свинцовой мишенью вЛ=4-5 ТэВ, т.е. Ео=15-20 ТэВ. Сопоставление результатов моделирования с данными экспериментов JACEE и MUBEE показывает, что измерения JACEE на установке с углеродной мишенью проводятся в основном в пороговой области, где результата измерений могут быть существенно искажены, в то время как рабочий диапазон установок MUBEE со свинцовой мишенью практически не перекрывается с областью влияния порогового эффекта.

Таким образом продемонстрировало, что наблюдаемый в эксперименте JACEE излом в энергетическом спектре протонов при энергии Ео=40 ТэВ может быть вызван методическими причинами, а именно влиянием прогового эффекта, обусловленного констукцией применяемых рентген-эмульсионных камер. Энергетическая область, в которой спектр протонов предположительно становится круче, недоступна для измерений с помощью стратосферных рентген-эмульсионных- камер известных конструкций, поскольку находится либо в пороговой области измерений, либо вне области чувствительности аппаратуры.

Рис.3 Дифференциальные спектры первичных протонов, ожидаемые на основе моделирования в установках а) с углеродной мишенью и 6) со свинцовой мишенью (сплошные линии) в сравнении со степенным спектром с показателем (3=3.1 (штриховые линии) и с экспериментальными данными.

В диссертации проанализирована зависимость результатов моделирования ожидаемых спектров от величины плотности энергии, необходимой для регистрации события на уровне наблюдения, от наличия воздушного зазора в установке с углеродной мишенью и от вероятности повторных взаимодействий в мишени. Показано, что полученные поправки не меняют выводов диссертации.

В четвертой главе приведены результаты моделирования ожидаемых энергетических спектров тяжелых компонент первичною космического излучения, 4Не, 12С, з:8 и ^Си. Показаны некоторые характеристики взаимодействий этих ядер с ядрами !;С и 207РЬ при высоких энергиях, полученные на основе модели ПиПСЖ

На рис.4 даны энергеэтгческие спектры ядер 12С, ожидаемые в установках двух различных конструкций. Там же приведены данные, полученные для ядер ,2С в экспериментах 1АСЕЕ и М1ГВЕЕ. Кривые иллюстрируют отклонение ожидаемых на основе расчетов спектров ог спектра падающих частиц с показателем [3=2.7. Анализ показывает, что подавляющая часть экспериментального статистического материала МСЕЕ получена в пороговой области измерений. Аналогичный результат получен для ядер других компонент первичного космического излучения. В результате в процессе измерений энергетические спектры падающих частиц воспроизводятся в установке с большими искажениями. Области искажения спектров в установке со свинцовой мишенью, напротив, незначительно перекрываются с диапазоном энергий, в котором ведутся измерения. Абсолютная величина искажений при этом незначительна.

Таким образом показано преимущество рентген-эмульсионной камеры со свинцовой мишенью по сравнению с рентген-эмульсионной камерой с толстой мишенью из легкого вещества при измерении лнер! етических спектров всех компонент первичного космического излучения.

В заключении сформулированы основнные результаты и выводы диссертации.

Рис.4 Дифференциальные спектры ядер 12С, ожидаемые на основе моделирования в установках а) с углеродной мишенью и б) со свинцовой мишенью (сплошные линии) в сравнении со степенным спектром с показателем р=2.7 (штриховые линии) и с экспериментальными данными.

3 Основные результаты диссертации.

1. На основе Лундовской модели ядро-ядерных взаимодействий, отвечающей современным представлениям физики высоких энергий о механизме взаимодействий на кварковом уровне, сотавлен банк моделированных взаимодействий ядер компонент первичного космического излучения (р, 4Не, 12С, 328 и б4Си) с ядрами 12С и 207РЬ, включающий в общей сложности 105 событий.

2. Формализован критерий регистрации событий в стратосферных рентген-эмульсионных камерах, разработан соответ-ствуюннш алгоритм и составлен пакет программ обработки событий, включенных в банк.

3. По результатам обработки банка моделированных событий, для ядер пяти компонент первичного космического излучения и четырех значений зенитных углов 0 получены зависимости У/^СЕ) эффективности регистрации этих ядер рентген-эмульсионными камерами от величины первичной энергии Е. Зависимости получены в диапазоне энергий от 5 до 50 ТэВ/нуклон.

4. Для взаимодействий ядер первичного космического излучения с ядрами |2С и 207РЬ получены функции распределения Г(Ц.) по величине ку=е/Ео доли энергии, переданной образовавшимся в результате взаимодействия 7-квантам. На основе этих распределений и функций \*/К1,(Е) построены операторы Р(е) преобразования энергетических спектров падающих частиц в спектры, ожидаемые в установках.

5. Получены энергетические спектры частиц,' ожидаемые в рентген-эмульсионных камерах с углеродной и со свинцовой мишенями, как результат преобразования падающих на установки спектров частиц операторами Р(е).

6. Определены параметры энергетических пороговых областей, в которых возможно существенное искажение результатов измерений, полученных с помощью стратосферных рентген-эмульсионных камер двух указанных типов. Проведено сопоставление расчетных пороговых областей с энергетическими областями измерений современных экспериментов (МЦВЕЕ и ДАСЕЕ) но изучению спектров частиц

первичного космического излучения в стратосфере с использованием рентген-эмульсионных камер.

7. Показано, что современные эмульсионные эксперименты в стратосфере не позволяют безусловно судить о положении излома в спектре протонов первичного космического излучения, поскольку предполагаемый излом находится либо в пороговой области измерений, либо вне области чувствительности аппаратуры.

8. Обоснована необходимость исследования величины и положения энергетической пороговой области измерений в экспериментах по изучению характеристик потоков частиц с помощью рентген-эмульсионных камер во избежание искаженного представления о характере наблюдаемого излучения.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. A.V.Apanasenko ,..., N.S.Konovalova, K.A.Kotelnikov, ... Characteristics of individual nuclear interactions in superaccclerator energy region // Proc. 20th ICRC, v.5,1987, p.202-205.

2. A.V.Apanasenko, N.A.Dobrotin,..., N.S.Konovalova, K.A.Kotclnikov, ... Stratospheric investigations of primary cosmic rays and their interactions at high energy // Materials of Very High Energy Cosmic Ray Interactions, Lodz, Poland, 1988, p.264-269.

3. А.В.Апаиасенко, Н.А.Добротин,..., Н.С.Коновалова, К. А. Котельников, ... Аэростатные исследования первичных космических лучей и их взаимодействий с веществом при высоких

' энергиях // Изв. АН СССР, сер. физ., т.53, 1989, с.250-252.

4. А.В.Апаиасенко,..., Н.С.Коновалова, К. А. Котельников,... Аэростатные исследования нуклон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий при энергиях > 1 ТэВ/нуклон // Краткие сообщения по физике, ФИАН, Москва, 1989, с.15-19.

5. A.V.Apanasenko, ..., N.S.Konovalova, K.A.Kotclnikov,... Analysis of hadron-nucleus and nucleus-nucleus interactions of high multiplicity // Proc. 21th ICRC, v.8,1990, p. 112-115.

6. L.A.Goncharova, N.A.Dobrotin, N.S.Konovalova, K.A.Kotelnikov,... The unique nuclear interaction of ultra high energy registered by the stratospheric emulsion chamber // Proc. 22th ICRC, v.4, 1993, p.21-24.

7. N.S.Konovalova, Possible reasons of the proton spectrum distortion in emulsion chambers // Preprint FLAN No.46, Moscow, 1994,16 p.

8. N.S.Konovalova, The emulsion chamber threshold cfFect in cosmic particle spectra determination // Preprint FLAN No.22, Moscow, 1995,9 p.