Исследование спектра ливней, генерированных проникающей компонентой космических лучей на глубине 40 М.В.Э. под землей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Обзор мировых данных по изучению энергетического спектра космических мюонов.

ГЛАВА П. Описание установки.

§ I. Сцинтилляционные детекторы.

§ 2. Искровые камеры.

§ 3 а) Кассетный анализатор. б) Цифровой вольтметр.

ГЛАВА Ш. Результаты эксперимента.

§ I. Контрольные измерения а) Стабильность работы сцинтилляционных детекторов. б) Изучение переходного эффекта.

§ 2. Спектры ливней для разных критериев отбора.

ГЛАВА 1У. Обсуждение результатов

§ I. Расчет ожидаемых спектров и других параметров ливней.

§ 2. Сравнение полученных результатов с расчетами и их интерпретация.

Важным разделом физики космических лучей является исследование мюонов высокой энергии. Такие характеристики, как энергетический спектр космических йюонов,их угловое распределение и зарядовое отношение несут информацию как о спектре первичного космического излучения и его химическом составе, так и об особенностях элементарного акта взаимодействия космических лучей с ядрами атомов воздуха, тем самым и о происхождении мюонов.

Изучение энергетического спектра космических мюонов проводится как прямым методом с помощью магнитных спектрометров, так и косвенными - по изучению спектра ливней (энерговыделений)^ генерированных мюонами в веществе, или по глубинному ходу проникающей компоненты.

В последние 20 лет исследования спектра мюонов сосредоточились в области энергий 10^ эВ с Е*<10^ эВ. Было создано много устанс вок, нацеленных на его изучение / I * 21/.

Полученные на них многочисленные результаты свидетельствуют о существующих разногласиях. Если ряд данных согласуется с ожидаемым (или же несколько более крутым) ходом спектра космических мюонов, то другая группа экспериментальных данных указывает на его выпола-живание. В связи с отсутствием определенной интерпретации, этот вопрос остается открытым для дальнейшего изучения.

В связи с этим перед диссертантом встала задача: а) в подземной лаборатории МГУ создать новую установку, впервые использующую в подобных исследованиях совместно сосцинтилляцион-ными детекторами и искровые камеры, как наиболее современную и технически совершенную экспериментальную методику; б) провести на ней измерение спектра ливней, генерированных в евин це проникающей компонентой космических лучей, с использованием искровых камер для отбора событий;

- 4 б) выполнить расчеты ожидаемых спектров; г) проанализировать полученные данные с учетом существующих экспериментальных и теоретических работ.

Таким образом, целью настоящей работы является измерение спектра ливней, генерированных в свинце вертикальной составляющей проникающей компоненты космических лучей (ВСПККЛ) и анализ полученных данных Научная новизна диссертации состоит в следующем:

1) для получения спектра ливней от ВСПККЛ была создана установка, впервые одновременно использующая сцинтилляционные детекторы (СД) и искровые камеры (ЙК);

2) спектр амплитуд, измеренный на этой установке от ВСПККЛ, впервые получен в широком диапазоне изменения амплитуды (0,4- * 15000 релятивистских частиц);

3) впервые с помощью одной установки показано как хорошее согласие экспериментального спектра с ожидаемым для числа частиц в ливне — N< 500 л.ч., так и более пологий ход спектра для больших величин ливня;

4) впервые с помощью магнитного спектрометра получены экспериментальные спектры импульсов частиц ВСПККЛ, создающих в свинце ливни с числом частиц, превышающим пороговое значение.

Научная и практическая ценность диссертации. и

В настоящем эксперименте впервые изучался спектр ливнеи, генерированный в свинце одиночными заряженными частицами, визуально наблюдаемыми в искровых камерах установки.

С большей методической надежностью экспериментально доказано обнаруженное ранее в лабораториях МГУ и ФИАН явление выполаживания спектра ливней (энерговыделений 8 ТэВ), генерируемых в свинце на небольших глубинах под землей по сравнению с теоретически ожидаемым для мюонов.

Благодаря большому рабочему диапазону исследуемых ливней (//

40 * 40000 л.ч.), большой статистической обеспеченности в экспе

5 fi рименте (10 событий) и детально проведенным расчетам (10 розыгрышей) найдена область начала расхождения (1000 л.ч., £ с? 100 ГэВ) экспериментального и теоретически ожидаемого спектра ливней при хорошем согласии их ( ** Ъ%) в широком диапазоне ( /У = 40 * 500 л.ч.).

Из анализа полученных в эксперименте результатов и всей совокупности аналогичных данных следует, что для объяснения имеющейся аномалии необходимо как специальное теоретическое, так и дальнейшее экспериментальное его изучение.

Диссертация состоит из 4-х глав, введения и заключения.

В 1-й главе проводится анализ мировых данных по изучению спектра космических мюонов.

Во 2-й главе описана конструкция установки и работа её основных узлов: сцинтилляционных детекторов, искровых камер и электронных схем обработки и регистрации данных. Рассматривается, какие меры были предприняты для повышения стабильности и надежности работы этих узлов.

В 3-й главе представлены результаты контрольных измерений и основных данных по спектрам ливней для разных критериев отбора, выполненных с помощью искровых камер. В контрильных измерениях иссле-д^тся ввпросы спектрометрической стабильности сцинтилляционных детекторов и электронных блоков обработки данных, а также эффективности и стабильности работы искровых камер за весь период эксплуатации установки. Приводятся данные экспериментального изучения переходного эффекта на данной установке с помощью использования магнитного спектрометра, расположенного непосредственно над установкой.

- б

В 4-й главе представлены основные результаты расчетов спектров и других характеристик, проведенных на базе существующих знаний о спектре мюонов и их взаимодействий с веществом. Проводится сравнение полученных экспериментальных спектров с расчетными и делается вывод о более пологом ходе спектра ливней по числу частиц, начиная с /У* 1000 л.ч. Рассматриваются различные интерпретации данного явления.

В заключении приводятся основные результаты настоящей работы.

Основные результатц диссертационной работы доложены на международных конференциях по космическим лучам в Пловдиве (1977 г.), в Киото (1979 г.), в Париже (1981 г.) и в Бангалоре (1983 г.), на 1У конференции молодых ученых ЕрФИ, Ломоносовских чтениях и опубликованы в работах /22 * 27/.

Основные результаты настоящей работы можно сформулировать следующим образом:

I. Для изучения спектра ливней от проникающей компоненты космических лучей была создана установка, впервые сочетающая одновременную работу сцинтилляционных детекторов и искровых камер. Установка состоит из 3-х рядов сцинтилляторов и 8-ми рядов искровых камер, прослоенных свинцом. Вес свинца ~ 40 тонн. Площадь р одного ряда детекторов - 4 м . Для эффективной работы искровых камер осуществляется быстрый (At ^ 5 мксек) анализ амплитуд импульсов сцинтилляторов.

При построении спектра ливней наличие искровых камер позволило отбирать события, как по числу рядов искровых камер (М ), охваченных событием, так и с дополнительным требованием наблюдения более, чем в одном ряду искровых камер одиночного трека частицы, генерировавшей ливень ( YY1 >. 6,yW^2). Такая постановка эксперимента с наблюдением трека одиночной заряженной частицы осуществлена впервые.

2. С помощью сцинтилляционных счетчиков за 6800 часов эксплуатации установки впервые на одной установке получен непрерывный спектр амплитуд в широком диапазоне (0,4 р.ч.<^4 < 15000 р.ч.)

3. Полученный экспериментальный спектр ливней по числу частиц (А/ ) в диапазоне 3000 л.ч. <W40000 л.ч. хорошо согласуется с результатами, полученными ранее на аналогичных установках групп МГУ, ФИАН, ТбГУ на небольших глубинах под землей при использовании близких критериев отбора.

4. Используя ЭВМ (БЭСМ-6, EC-I040, СМ-4) проведены детальные расчеты ожидаемых спектров для разных критериев отбора. В расчетах, выполненных методом Монте-Карло, учитывались флуктуации электромагнитного каскада и зависимость светосбора сцинтилляционных детекторов от места прохождения ливня. В расчетах рассматривались все электромагнитные процессы взаимодействия мюонов с веществом (тормозное излучение, $ -электроны, образование пар).Фотоядерное взаимодействие ввиду его малого вклад 2%) в результирующие спектры ливней в свинце (//> 40 л.ч.), согласно существующим данным, в расчетах не учитывалось. В качестве исходного спектра брался спектр мюонов, возникающих в процессах распада 7Г (К )-мезонов с параметрами ( = 2,65),

5. Для критерия отбора вертикальных событий ( полученный дифференциальный спектр ливней в диапазоне 40 л.ч 30000 л.ч. сравнивается с расчетным. Впервые показано на одной установке как согласие полученного экспериментального спектра с расчетным в пределах статопшбок ( ** 3%) до А500 л.ч., так и нарастающее систематическое превышение экспериментальных значений (в 10-ти точках) над расчетными (больше 3-х статопшбок) для диапазона ливней с числом частиц 1000 л.ч.<"Ж< 30000 л.ч.

Не найдено никаких методических причин для образования аномально пологого спектра ливней. В то же время следует отметить, что влияние методических особенностей при отборе могло привести к укручению полученного экспериментального спектра ливней. Возможная вариация ожидаемых спектров не позволяет ликвидировать статистическое превышение экспериментальных значений над расчетными .

В заключение хочу выразить глубокую признательность и благодарность моим научным руководителям профессору Христиансену Г.Б. и старшему научному сотруднику Хренову Б.А. за постоянное внимание и большую помощь, которую я ощущал на всех этапах работы над диссертацией.

Я также признателен всем сотрудникам отдела частиц сверхвысоких энергий НМИЯФ МГУ, помогавшим мне при создании и эксплуатации установки и при обработке полученных данных, особенно: Богословскому Г.В., Бескоровайному А.Е., Косареву В.Б., Митреевой Т.Д., Нечину Ю.А., Назарову В.И., Рождественскому С.й., Силаеву А.А., Фомину Ю.А., Ярочкиной З.В. и Голову Г.К., а также Ильиной Н.П. и Лагуткиной Н.И. за помощь в проведении расчетов.

При обсуждении результатов эксперимента были очень полезны для меня научные контакты с проф. Славновым Д.А., кандидатами физ.-мат.наук Вавиловым Ю.Н., Ерлыкиным А.Д., Замираловым В.М., Яковлевым В.И., Калмыковым Н.Н., Соловьевой В.И. и всеми научными сотрудниками ОЧСВЭ НЙИЯФ МГУ, которым приношу свою благодарность.

За содействие и помощь при оформлении диссертации я особо признателен Кобиной В.Н., Голову Г.К. и Мавренкову В.А.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С.Н.Вернов, В.А.Дмитриев, Г.Б.Христиансен и Гулям Садык Мухиби.

2. Изучение спектра /I -мезонов высоких энергий на глубине 40 м.в.э.". Изв. АН СССР, 1962, сер. физ., 26, Ш, 661-667.

3. S«.N.Veamov, G.B.Ehriatianaan, УиЛ.КесМп, O.V.Vedeneev, and В.A. Khrenov. "Spe*ytrum of Secondary Showers Generated by Mucins, at the Depth of 40 m.w*e. underground". Peoc.9th ICRC, London, IS65, v.2,956-959.

4. Ю.А.Нечин. "Исследование проникающей компоненты космичесжих лучей на глубине 40 и 20 м.в.э.". Диссертация, МГУ, 1971.

5. А.Д.Ерлыкин, А.К.Куличенко, С.К.Мачавариани и С.И.Никольский.

6. Исследование взаимодействий мюонов со свинцом при энергиях выше 0,3 ТэВ". Труды ФИАН, 1979, 109, 62-76.

7. В.В.Борог, В.Г.Кириллов-Угрюмов и др. "Энергетический спектрмюонов при больших зенитных углах наблюдения". В сб. "Физика элементарных частиц". М., Атомиздат, 1966, 59-67. Р.Е.Казаров и др. Изв. АН СССР, 1968, сер. физ., 31, 1558-1565.

8. Kbkoulin P.P., А Л. Pavlov, Betrukhin A.A,, VT£V.Sheatakov. "Eaergy

9. Spectrum of Oaendic Шопе at Large: Zenith Angles and Шоп Generation at EnejcgiLea I012 еУ". Его с. I3th ICRC, Denver, 1973, 1797-1802.

10. O.C.Allko>fer, O.H.BSnder, K.Cbrstensen, W.D.Ibu, H.Jokisii, G.KLemke,

11. R.C.Uhr, G.Bella and Y.Qretu "Muon Spectra from MTS up to 7 TeV". Broc. I6th ICRC, ISroto, 1979, v.IO, 50-55. Ecoc. 3L7th ICRC, Biris, I981, v.7, 15-18.

12. Y.Kawashima, Т.Ш;ф.ига, S.Matsuno, K.ELts-uL, YiMurakl, Y.Ohashi,

13. A.Okada, T.Suda, Y.I&norikawa, K.Kbbayakawa, YiKamiya, I.IIaka-nrura, I.Takahashi. "Mucm Lfomentum Spectrum and Charge ifetio up to 15. TeV/c". Proc. 17th. ICRCV blels, 1981, v.7, 16-19l

14. Ш.А.Ivanova, LJUHzzmichev, K.V J&ndritskaya, EJL.CBdLpova, T.V.ftikoboslskaya, H.V.Sokolskaya, A.Ya.Varkovltskaya, G.T .Zatsepin, YJl.

15. Zatsepin. "Zenith Angular Distribution and Ihergy Spectra of 3 TeV Muons obtained in the Ж-Еау (bambers". Proc. X6th XCHC;

16. Eyoto, 1979, v.I0, 35-39} Eroc. I7th ICRC, paris, I98X, v.7,I98X.

17. MLszutani К», Ш-saki. A., Shirai Tv "Measurements of the Eiergy Spectrum of CbsmLc l&y Muons at Sea bevel with Etaulsion Chamber".

18. Nuavo CSlm»f sr. , 48 A, p.429-445, 1978.

19. X9. Bashiera В., Bargamasco L., Bii.lokon Hi, C&stagnoli С», "Absolute

20. T7.R.Sheldon, J Л.ВзиЬгаск, H.M.Duller, Y/.G.Qiutrell, A Л.Bazer-Bachi,

21. Gilbert Vedrenne, Glaude Dun at . "Measurement of the BLrectional OasmLc-I&jr Macm. range Spectrum". Phys» Rev* L., v.17, 114-125, . 1978.22. m.N.Bazhutov, S»M.Boldestvensky, B.A «Khrenov, G.B.Khristiansen.

22. Изучение спектра ливней, генерированных вертикальнымимюонами в свинце". Труды 1У конференции молодых ученых,

23. Ер.ФИ, Ереван, 1980, 212-216.

24. Yu.N.Bazhutov, N.PJJLyina, В Л .Khrenov and G ♦B.Khristiansen. "31хё

25. Spectrum of Secondary Showers Generated by Шопа in lead". Proc. 17th. ICRC, Paris, 1981, v.7,< 59-62.

26. Ю.Н.Бажутов, Б.А.Хренов, Г.Б.Христиансен

27. Об одной возможной интерпретации спектра вторичных ливней, наблюдаемых на малых глубинах под землей". Изв. АН СССР, сер.физ., т.46, 2425-2427, 1982.

28. Yu.N.Bazhutov. "A Search for the Decay of hypothetical Banetrating

29. Birticles", Eroc. ISth ICRC, Bangalore, 1983, v. ,

30. Л.В.Волкова, Г.Т.Зацепин и Л.А.Кузьмичев.

31. Спектр мюонов космических лучей на уровне моря спек :тр нуклонов космического излучения". ЯФ 1979, т.29, с.1252-1263.

32. Л.В.Волкова, Г.Т.Зацепин, В.А.Гуренцов

33. Теоретическое рассмотрение энергетических и угловнх распределений мюонов космических лучей" в сборнике "Исследование мюонов сверхвысоких энергий", 1975, Москва, "Наука", с.102-145,

34. K.Murakami, S.Sagisaka, A. In one, X,MLshima and K.Kagashima. "Mion

35. Helium Spectra above 50 Ge.V"Phys. Rev. Iett., 1972, v. 28, p. 985-988.

36. R.P.Kbkoulin and A .A.Itetznikhin. "Comparative Analysis of Possibilitiesof Variotts- Techniques of Шоп Spectrum Efeasurements". Proc. I8th ICRC, Bangalore, 1983, v.7, p.17-21.

37. С.М.Рождественский, Б.А.Хренов и Г.Б.Христиансен "Магнитный спектрометр мюонов". Изв. АН СССР, сер.физ., т.ЧЧ9 № , 1980.- 1^3

38. М.И.Дайон, Б.А.Долгошеин и др. "Искровая камера", Москва, 1967, Атомиздат, 137-139.

39. А.Е.Бескоровайный, А.А.Силаев. "Преобразователь для быстрого амплитудного анализа", ПТЭ, 1975, 6, 105-106.

40. К.' HUritau. " Calculation of ffieansdi.ti.on Effect a". Ehya. Eav. (1965 ) 139, B6, 1548-1562

41. В.И.Логачев, В.Г.Синицына. "Ливни, образованные электронами с энергией 600, 1000 и 1300 МэВ в свинце". Изв. АН СССР, сер.физ. 1968, 32, 3, 508-510.

42. С.' Crap®11 et al. "A measurement of transition effects in electromagnetic cascades". Hxys. Rev. 1969, 182, 1435-1469.

43. Э.Б.Шошин. "Экспериментальное исследование переходных эффектов в электронно-фотонных ливнях", Диссертация, Томвк, 1975.

44. А.К.Куличенко. "Исследование взаимодействий мюонов с энергией выше 0,3 ТэВ". Диссертация, ФИАН, 1973.

45. Л.А.Кузьмичев. Кандидатская диссертация, НИИЯФ МГУ, Москва, 19 81.

46. L.B.Besrukov, E.V.Bugaev. "Shadowing effect and High-Energy Huon-Nuc-lffius interaction". Eroc. I6th ICRC, Kyoto, 1279, v.10, p.245-250.

47. М.И.Дайон. "Измерение интенсивности мюонов в подземной лаборатории МГУ". ЖЭТФ, I960, т.38, вып.6, с.1668-1672.

48. З.В.Бугаев, Ю.Д.Котов, И.Л.Розенталь. "Космические мюоны и нейтрино". 1970, Москва, Атомиздат, 6-130.

49. И.П.Иваненко, Б.Е.Самосудов. "Электромагнитные каскады в свинце". Известия АН СССР, сер. физ. 1966, 30, I65I-I667; 1967, 31, 1545-1558.

50. Р.П.Кокоулин, А.А.Петрухин. "Флуктуации в электромагнитном каскаде". Изв. АН СССР, сер. физ., 1978, 42, I47I-I479.

51. Б.С.Ишханов, В.Г.Шевченко, "Сечение фоторождения нейтроновна свинце", ЭЧАЯ, 1972, 3, вып.4, 894-912.

52. В.И.Беспалов "Исследование характеристик полей электронов и квантов в однородных и неоднородных веществах методом Монте-Карло". Кандидатская диссертация, Томск, 1980, 174-175.

53. R.Odordico. "ErodHction of charm particles", Nud. Ihya., 31982, В 20% 77-85.52. b.V.Valkova. "Eeompt leprton production Atmospheric, muon neutrino spectra at high energies", Евос. I8th I.CRC, Bangalore, 1583, 7,22 r 25.

54. С.Н.Вернов, Г.Б.Христиансен, Б.А.Хренов, О.В.Веденеев, Ю.А.Фомин "Новые явления, создаваемые космическим излучением высокой и сверхвысокой энергии под землей", Вопросы физики элементарных частиц, Ереван, 1966, 591-608.

55. А.Ю.Игнатьев, В.А.Кузьмин, М.Е.Шапошников "Феноменология цветных скаляров", Препринт, ИЯИ АН СССР, 1983, Р-0283.М8. О.К.Калашников "Долгоживущий t-кварк", Письма в ЖЭТФ, 1983, 38, 4, 201-204.