Корреляции между пространственными характеристиками гамма-семейств, энергетическими спектрами и адронным сопровождением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Р3 ОД ;шститут ФИЗИКИ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ГРУЗИЯ

На правах рукописи

ЗВАЩДБЕ МШНА СЕМЕНОВНА

"Корреляции между пространственными характеристиками у-семейстз, энергетическими спектрами и адронным сопровсздением"

ь

Специальность OI.fjtjf.ZI - Физика Высоких Энергий •

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фкзико-матег/зткческих наук

ТБИЛИСИ 1993

Работа выполнена в Институте Физики АН Республики Грузия

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук Роинишвили H.H.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Т.е. Григалашвили

кандидат физико-математических наук Л. В. Чхаидзе

Защита^диссертации состоится " ' CßMlsSpiS 1ЭЭЗг. в " часов на заседании научно-аттестационного совета

FhM 01.02 С №1-3 Института Физики АН Республики Грузия (380077, Грузия, г. Тбилиси, ул. М.Тамарашвили 6).

С диссертацией монно ознакомиться в библиотеке ИФ АН РГ.

Автореферат разослан ..Я " К ЮД^ 1ЭЭЗг. Ученый секретарь научно-аттестационного совета рш 01.И2 с №1-з доктор физико-математических наук

Сурамлишвили Г.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Исследования свойств неупругих взаимодействий при энергии вше 1015-1016 эВ возможны в эспериментах с частицами космических лучей. В данной работе обсуждается экспериментальный материал, полученный с помощью рентген-эмульсионных камер (РЭК), в сотрудничестве "Памир". Регистрируемые РЭК события, т.н.гамма-ад-ронные семейства являются следствием развития ядерно-электромагнитного каскада (ЯЭК) в атмосфере. Наблюдаются аномально больше флуктуации различных параметров ЯЭК. Ни одна из моделей развития процес сов в области сверхвысоких энергий не объясняет всей совокупности наблюдаемых характеристик семейств, поэтому для воспроизведения в расчетах наблюдаемых распределений характеристик взаимодействия предлагается введение двухкомпонентной модели, включающей два механизма элементарного акта с существенно различными свойствами. Перл

вый - это мягкие процессы, большая часть которых сводится к процессам дифракционного типа, характеризующимся примерно постоянным сече нием, а второй - это полужесткие процессы, сечение которых быстро растет с энергией.

•Проведенная в настоящей работе классификация событий по пространственным характеристикам на узкие и широкие у- семейства и исследование их свойств подтверждают идею о возмоености взаимодействия частиц по двум независимым каналам.

Целью работы - является исследование свойств узких гамма-семейств в энергетическом интервале от 100 до 1000 ТэВ. На основе исследования свойсте узких семейств и их сравнения с параметрами дифракционной модели делается предположение, что узкие семейства являются продуктами электромагнитного взаимодействия, возникшего в резу льтате дифракционного процесса, происходящего на большой высоте в

атмосфере.

Новизна заботы. Впервые в экспериментах, проведенных : поме рентген-эмульсионной методики, обнаружен класс событий, свойства которых резко отличаются от остальных и их доля достаточно высор (~25кь Физические параметры этих событий сравниваются с модель? параметрами, которые основаны на дифракционном роядении частиц, зультаты, полученные при сравнении данных, можно считать качеств ныы подтверждением идеи двухкомпонентной модели взаимодействия ч тиц при сверхвысоких энергиях. Эта модель впервые было введена о колласюрацией для объяснения даных s?s коллайдера.

Научная и практическая ценность работы, йнтерпретация иссле емого класса событий, т.н. узких ^-семейств, как следствия дифра циэнных лроцвеов малой массы, позволяет оценить сечение этих про соз при сверхвысоких энергиях по интенсивности узких ¡f-семейств.

Аптосация- работы. Материалы диссертации докладывались на на нкх семинарах отдела физики космических лучей и высоких энергий, Международных симпозиумах по космическим лучам сверхвысоких знер (Пекин, 1986; Лодзь, Польша,1988; ТарОес, Фракция, 1990; Энарбол СМ, I9S2) и на Международных конференциях по космическим лучам (Москва, СССР, IS87; Аделаида, Австралия, 1990).

_____Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав

. заключения. Общий объем диссертации 94 страницы машинописного те: ста, включая 26 рисунков, 12 таблиц и списка литературы из 93 на менований.

На защиту выносятся следующие результаты работы:

I.Аномально большая доля гамма-семейств с пространственным ; пределением, близким к функции пространственного распределения (Ф

дкночных ^-квантов.

2.Сильная корреляция мзкду шириной гамма-семейств и его адрон-км соггровонденкек.

3.Практическое отсутствие адронного сопровождения узких \~-ce-ейств.

4. Сильная корреляция между шириной у-семейств и показателен нергетического спектра квантов е них.

5.Хорошее согласие энергетического спектра у-квантов в узких емейстЕЗХ к его адронного сопровождения с ожидаемым для електро-агнктных взаимодействий.

6. Возможность объяснения больших флуктуация пространственного ©определения семейств двухкошонектюй моделью.

СОДЕРЖАНИЕ ДЛССЕРТЛХЖ

Во введении oö-сукдается актуальность проведенного иоследова 31К-. приводятся сведения оо основных типах установок для регистра ш-: ЯЭК; описываются модели ядерного взаимодействия, используемые гри проведении расчетов ЯЭК в атмосфере; перечисляются свойства нук юн-ядерных взаимодействий при энергий >10l5 sB, обнаруженных с по~ :опаю РЭК,- формулируется задача исследований к приводятся основные юлозения, выносимые на защиту.

В первой глазе описывается конструкция используемых РЭК к ярин лет их рзОотк. Эти камер?: детектируют как одиночные частицы,так к диетически связанные-группы частиц, называемые семейством.. РЭК, ис-юльзуемыэ в эксперименте. спосоонк регистрировать как гашэ-кванты, ?ак к адронк. Приводится метол сзраооткк рентгеновских пленок к определения энергии частиц пс плотно?.?у. пстзинения пятна, которое ога: СГ5ЕЛЯЮТ не хентгеноЕскойй пленке. Изк>тс.я определения основных фи-

зических параметров наблюдаемых событий, с помощью которых моею проводить сравнение с модельными расчетами.

5о зтотсй гдаБе обсуадаются результаты, полученные с помощьг РЭК об ядерных взаимодействиях при энергии 1С15-Ю1бэВ, которые с нованны на статистике данных многолетней экспозиции рентгенэмуль-сионых пленок и модельных.расчетов, ведущихся з рамках сотрудни-честв:

1.Первичный химический состав, объясняющий экспериментальные данные, близок к т.н. "нормальному" (р-42%, Fe-I3% при энергии 1С зВ>.

2.Наблюдается логарифмический рост сечения неупругого взаиыс действия:

0( Е) =0( Е0 ) +Ll+aiog ( Е/Е0 )1 вплоть до энергии ~1016 эВ ot=0, Г, Орр=(72±10) мб.

3.Растет сечение струйных событий. При энергии 101озВ а. .хз. .

jet an

_ 4.Определен верхний предел среднего значения 'поперечного имп льса при Ю15-Ю16эВ. <Pi> = (0,5-0,6)ГэВ/с.

5.Обнаружена корреляция между Pi и плотностью частиц в пр странстве быстрот. (Японо-Бразильской коллаборацией).

• - 6. На основании исследования энергетических спектроз. гамма-кв. тов в семействах заключается, что скейлинг во фрагментационной об ласти нарушается.

т.пиолюдеиится слишком широкие флуктуации различных параметре.

ЯЭК.

а.Доля энергии, несомая гамма компонентой гамма-семейств (ше адронной компонентой адронных семейств) намного превосходит ояида* мое ео всех моделях.

б.Большая доля одиночных адронов и большая энергия адронно-

) сопровождения.

в. Кажущееся противоречие между большой множественностью и Со->шой степенью анизотропии гамма-семейств.

г. Распределение по среднему радиусу семейств много шире, чем )едсказывается практически во всех моделях. Среда эксперименталь-гх семейств наблюдается как экстремально узкие, исследованию коток посвящена настоящая работа, так и чрезвычайно широкие.

Введение двухкомпонентной модели взаимодействия объясняет бо-■.шлнстзо из перечисленных флуктуации, в том числе и оссобенности -¡ккх семейств.

В третьей главе анализируются данные РЭК с энергий выше 300 '3. Для сравнения в' статистку введены события с энергией от 100 до О ТзВ. Проведена классификация у- семейств по пространственным хз-;ктеристикам и исследозаны их особенности.

0.20

г <

"0.15

0.00

0.10 - —

0.05 - —

16.00

Р

16.00

24.00

32.00 ^

кс..

Распределение пространственных характеристик х-семейств.

Распределение у-семейств по энергетически взвешенному среднему

радиусу для грех датарЕалов энергия приведены на рис.Г с дву? шкалами:н„, измеренные з мм и з мольеровских единицах .'единица, растеризующая поперечное развитие электромагнитного каскада). Яс что при таком представлении данных мы будем пытаться лнтэрпрети| вать узкие семейства практически чистым электромагнитным каскаде В различных интервалах величины Еет=н3/р различны, их при?,юр значения приведены в таблице I и стрелкой указаны на рис.1.

Таблица I

НеЛ/Р Ж<И )/Ы етп Ы(<Неи,а>0,9)

100-150 138 4(16мм) 0,35±0,05 0,24*0,04

150-300 153 3{12мм) 0,38+0,05 0,30±0,04

•300-1000 . 93 2(8мм) 0,25±0,05 0,25±0,05

100-1С00 384 - -

Как видно из рис. I и столбца 4 таблицы I доля узких семейст (НБ/р<Нет) составляет "(20-40)% для энергий до 300 ТэЗ и около 25 для больших энергий.

Происхождение узких х~сэмейств имеет деа объяснения. Они являются либо молодыми ядерно-электромагнитными каскадами, возникши ми на малой высоте от установки (н<500м>, либо электромагнитными каскадами, идущими с большой высоты. В первом случае /-семейство должно иметь энергичное адронное сопровождение. Во втором - адрон-ное сопровождение должно отсутствовать. Таким образом, ожидается совершенно различное поведение адронного сопровождения в двух приведенных объяснениях. Эксперимент однозначно делает выбор в польз} электромагнитного каскада. Далее такими каскадами считаются семейс

тва с я3/р<я^т и долей энергий з адронной компоненте меньше ICz.

Э).

Как видно из таблицы If столбец 5). доля семейств с указанными параметрами, т.э. реальными кандидатами в чистые электромагнитные каскаду, составляет ~25% и практически не зависит от

1

Корреляции меяду ггростракственкыми характеристиками f-семейств и их адрокккм сопровождением показаны на следующих рисунках. На рисунке 2 приведены средние значения q^. з зависимости ст величины Н-у/р для интервала ¿EL; 300 ТэЕ. Отчетливо видно усываниз --q,^ с

Л S !

увеличением

На рисунке 3 показана доля семейств с я.г>0,9 з различнее яктз-

!

рвалах среди узких и широких семейств. Приведенный рисунок свидетельствует о том, что доля событий, бедных адрснами, больше среди узких семейств. Это сеойстео узких у-семейств подтверждает их происхождение от чистых электромагнитных ливней. Заметал, что каши

наблюдения подтверждаются данными Япоко- Бразильской коллабораши. 1.00

0.95 0.9q 0.85 0.80 0.75 0.70

Ню,

2.0

4-.0 s.0 Re/р

8.0 10.0 12.0

Рис.2.Зависимость значения q от параметра R^/p.

1.2

3 1.0 г

ОЭ

3 0.8 э

к

0.6

0.4 -0.2 -0.0,

"узкие"

А

1 "широкие"

50 100 150 200 250 300 350 е tev

£.Зависимость К(д>0, 07 энергии

Таблица.

| Параметр 1 »г ! 1 ) 1 Е г ет

1 100-1000 | 384 I | 5, &±0,04 : II,1±0,3

г. 0.02 : 150-1000 ! 245 : 1 Т- Р 20,2±С,8

йсходя из вышеизложенного, события с н^оск должт отличать' ей:

ся от оощей массы ядерно-электрзмагнитнк:: каскадов энергетическими спектрами.х-квантов. 5 качестве, характеристики наклона спектра ио-лользовако значение множественности "омоложенных" семейсть пг ...

О,

г. . (Процедура "омолаживания" приводит к одинаковому относительному порогу каскадов и исключает из семейств ЭФК поздних поколе-

- -

ний).

Результаты приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, узкие семейства имеют Солее зесткие

спектры (п'- меньше), чем зсе остэльдные. Эта закономерность отчет-

лиео проявляется на рисунке 4, где приведена зависимость п' 0 02 от

н для интервалов Г2,. (150-300) и (300-1000) ТзВ. ет Т

24 22 20 18 16 14 12 10

tf.o 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0

Ri/p

Рис.4.Корреляция между n'Q 02 и R-/P.

*-£Еу=(150-ЗС0)ТэВ, 0-EHy3GG ГзВ.

Четвертая глава посвящена бозможной интерпретации узких семейств с помощью двухкомпонентной модели.

В последние годы. Оыл проведен ряд расчетов, эксплуатирующих двухкомпонентную идею. Смесь двух крайних моделей-скейлинговых (S) и не-скейлингоЕых (HS) снимает некоторые из противоречий. имеющихся в экспериментальных данных.

В таблице 3 сравниваются параметры экспериментальных данных с

моделью в которой частицы рождаются только б дифракционных процессах. Экспериментальные данные разделены' на два класса: узкие и широкие. Как видно из таблицы 3, вг модель хорошо согласуется с параметрами узких семейств.

Таблица 3

( ! ! | Параметры ! | Экспериментальные данные Расчет БЕ- модель

Узкие сем. Широкие сем.

1 1 <г/ > , , О.Ой 8,9±0,4 IIЛ±0.3 8,9

1 ( Р ' > ; * 0, 02 13,7±0,9 20,2±0,8 ' 15,4

0,92±С,01 0.85=0,01 0,55

0, 53=0,Об С.29=0.03 0,69-

! К (с,Л С. 9}/К 0,79±0,05 0.51=0,05 0,83

е::днс, ууузт семейства по скш характеристикам гораздо :.5В5 к свойствам дифракционных событий, чек широкие.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ К ВНЗиЩ -

В результат? анализа гамма-адрэннкх семейств в энергетическом "чтепвале от 100 до 1000 ТэВ, был обнаружен класс узки?: )*-се-

I

М5ЙСТЕ, со следующими свойствами: '

1.В широком интервале Щ. от 100 дс 1000 ТэЕ доля. узких семейств не зависит от к составляет 25^.

С. Наблюдается сильная корреляция между шириной »семейсв к его

- u -

адронным сопровождением. С ростом энергии указанная корреляция увеличивается.

3.Узкие семейства, как правило, не сопровождаются адронами. Среднее значение доли энергии, несомой гамма-компонентой, составляет в них -»98%.

4.Узкие семейства характеризуются относительно более зсестким спектром /-квантов, чем широкие семейства.

5.Наблюдается хорошее согласие энергетического спектра узких •f-семейств и его адрокного сопровождения с результатами расчетов чисто электромагнитных взаимодействий.

6.Показана возможность объяснения больших флуктуация пространственного распределения семейств двухкомпонектной моделью, в которой за узкие семейства ответственен процесс дифракции, а за широкие полужесткие процессы.

ПУБЛИКАЦИЯ

1.A.S.Borisov ,...M.S. Svanidze , et ai.(Pamir Collaboration). A Comparision of Results Obtained in Smulsicn Chambers and pp-Collider.- In: Proc. 4th ISRCSEI, 3-1, Beijing, China, 1986.

2.H .Biellawska, L.A.Khisanishvili, A.Kris, N.N.Roinishvili, M.S.Svanidze, Yu.A.Smorodin, A.Tomaszewski, L.Kh.Chadranyan. Cross-Section of Inelastic Interaction and Semihard Jets Production.In: Proc. 6th ISVHECRI, p.233, Tarbes, France, 1990.

3.H.Biellawska, L.A.Khisanishvili, A.Kris, N. N.Roinishvili, M.S.Svanidze, Yu.A.Smorodin, A.Tomaszewski, L.Kh.Chadranyan. Abnormal Large Fluctuation in Nuclear-Electromagnetic Cascade in the Atmosphere. In: Proc. 6th ISVHECRI, p.242, Tarbes, France, 1990.

4.A.S.Borisov ,...M.S.Svanidze, et al.(Pamir Collaboration). Narrow Gamma-Families and Their Hadron Accompaniment. In: Proc.

of 21th ICRC HE-2, 4-22, Adelaida, Australia, 1990.

5.L.T.Baradzei,...M.S.Svanidze, et al. (Chac.altaya and Pamir Collaboration).Observation of Very High Energy Cosmic-Ray Families in Emulsion Chambers at High Mountain Altitudes.In¡Nuclear Physics BS70, p.565-431, 1952.