Взаимодействие ядро-ядро при высоких и сверхвысоких энергиях и развитие широких атмосферных ливней тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ г _ ФИЗИКИ им. Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

•'г - ОД 2 4 ОНТ ЮПА

На правах рукописи УДК 537.591.15

ОСТАПЧЕНКО Сергей Станиславович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДРО-ЯДРО ПРИ ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЯХ И РАЗВИТИЕ ШИРОКИХ АТМОСФЕРНЫХ ЛИВНЕЙ

01.04.23 - физика высоких энергий

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование характеристик космического излучения сверхвысоких энергий представляет собой сложную научную задачу. Практически единственный способ ее решения связан с исследованием широких атмосферных ливней (ШАЛ), порождаемых взаимодействием космических лучей с атмосферой Земли. Т.к. широкий атмосферный ливень является результатом развития сложного ядерно-электромагнитного каскадного процесса, анализ экспериментальных данных ШАЛ требует использования достаточно надежной модели, обеспечивающей адекватное описание этого процесса, прежде всего $иодели сильного взаимодействия частиц с ядрами атомов воздуха.

Ранее в исследовании характеристик ШАЛ использовались модели-генераторы эмпирического типа; параметры таких моделей калибровались на основе ускорительных данных и экспериментов в космических лучах. Однако ограниченность экспериментальных данных, особенно в области фрагментации налетающей частицы, отсутствие ускорительных данных для адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодеиствии

при энергиях космических лучей не позволяют в полной мере полагаться на предсказания таких моделей при экстраполяции в область

Следует отметить, что потребности анализа и интерпретации ускорительных данных привели в последние годы к появлению ряда монте-карловских моделей сильных взаимодействий адронов и ядер с ядрами. Однако характерное время, необходимое для моделирования взаимодействия с помощью таких генераторов, оказывается очень большим, затрудняя их использование в космофизических расчетах.

Значительный интерес представляет проведение анализа экспериментальных данных о широких атмосферных ливнях с использованием более совершенного описания адронных взаимодействий в ШАЛ. Анализ результатов различных экспериментов в рамках одной модели дает возможность получить согласованные выводы о ядерном составе ПКИ.

Цель диссертационной работы - построение модели сильных взаимодействий адронов и ядер с ядрами, учитывающей основные процессы, существенные для развития ШАД, т.ч. дифракционную диссоциацию ядерных нуклонов, рождение полужестких адронных струй и фрагментацию спектаторной части ядра; разработка компьютерного алгоритма, обеспечивающего эффективную генерацию таких взаимодействий при моделировании ядерного каскада в атмосфере; применение построенной модели к исследованию развития широких атмосферных ливней и получению данных о ядерном составе ПКИ.

Научные результаты и новизна работы. В диссертации впервые:

1. Проведено рассмотрение ядро-ядерного взаимодействия в рамках подхода Глаубера-Грибова с учетом неупругого экранирования и дифракционной диссоциации ядерных нуклонов.

но большей величине флуктуации широких атмосферных ливней от первичных ядер, чем предсказывается моделью суперпозиции, в частности, для ШАЛ, инициированных ядрами железа, соответствующие флуктуации числа электронов и мюонов ( Eß > 1 ГэВ ) и глубины максимума ШАЛ различаются в 2 раза ( соответствующая А-зависимость относительных флуктуации числа электронов и мюонов ^ и флуктуаций глубины максимума ШАЛ стхтах подчиняется закону А~з, а не как в модели суперпозиции).

б. Модель использована для комплексного анализа экспериментальных данных ШАЛ с энергиями 1015 — 1019 эВ - пространственных распределений мюонов ( Ер > 1,10 ГэВ ) и электронов ( на уровне моря ), флуктуаций числа электронов и мюонов, средних значений и флуктуаций глубины максимума развития ШАЛ. Ftpj|i этом рассматривались экспериментальные данные установки ШАЛ МГУ о распределениях числа мюонов в ШАЛ с энергиями 1015 - 1017 эВ и установок ШАЛ Якутска и Fly's Eye о распределениях глубин максимума ШАЛ с энергиями 1017 — 1019 эВ. На основе этого анализа сделаны выводы о ядерном составе первичного космического излучения в исследуемом энергетическом диапазоне. Согласованное описание экспериментальных данных ШАЛ получается при использовании в расчетах ядерного состава, изменяющегося с энергией в соответствии с диффузионной моделью Питерса-Зацепина - от состава со значительным содержанием протонов и о-частиц в области энергий перед изломом первичного спектра до обогащенного тяжелыми ядрами при более

дованию космических лучей сверхвысоких энергий. Полученный вывод о возрастании флуктуации ШАЛ, инициированных первичными ядрами, по сравнению с предсказаниями модели суперпозиции является существенным для проблемы исследования состава ПКИ и должен приниматься во внимание при разработке соответствующих экспериментальных методик.

На защиту выносятся:

1. Монтекарловская модель сильного взаимодействия адронов и ядер при высоких энергиях, включающая феноменологическое описание мягкого и полужесткого многочастичного рождения при высоких энергиях, учет эффектов неупругого экранирования и дифракционной диссоциации ядерных нуклонов, а также фрагментацию спектаторной части ядра.

2. Полученные в рамках подхода Глаубера-Грибова выражения для сечений неупругих и когерентных процессов в ядро-ядерном взаимодействии при высоких энергиях, а также результаты вычисления сечений неупругого взаимодействия адронов и ядер с ядрами воздуха при энергиях космических лучей.

3. Результаты расчета средних значений и флуктуаций характеристик широких атмосферных ливней, инициированных первичными ядрами, в интервале первичных энергий 10!5 — 1019 эВ.

4. Вывод о значительном отклонении флуктуаций ШАЛ, инициированных первичными ядрами, от предсказаний модели суперпозиции.

лужесткой физики. Во втором разделе главы излагается феноменологический подход к описанию полужестких процессов во взаимодействиях адронов при высоких энергиях. При этом партонная эволюция во взаимодействующих адронах условно разделяется на две части: нё-пертубативный "мягкий" каскад с переданными импульсами <22 < С^д и "жесткий" каскад - с характерными виртуальностями > (¿¡¡. Описывая "мягкую" партонную преэволюцию как испускание адрона-ми "мягких" померонов и рассматривая "жесткое" ((¡)2 > <Зо) взаимодействие партонов, расположенных на концах этих померонов ( для последнего используется эйкональвое описание с обменом "жестким" помероном ), получаем эйконал, соответствующий такой картине взаимодействия, в виде

ХЙМ) = г2/^, ¡йу2Х!:ь{е^\ Ь) х х \аыы{еУГУ1-у\Яо),

где онагй ($,<2о) ~ сечение "жесткого" партонного . взаимодействия и Хаъ{$)Щ - традиционный эйконал обмена "мягким" помероном:

Р Р

УаЬ = 9а 9ъ

Кь = Я^ + Щ + а'рУ

Здесь Д ,а'Р~ надкритичность и наклон траектории "мягкого" померо-на, ~ параметры вершин взаимодействия померона с адрона-ми а(Ь), У = 1п в - квадрат энергии взаимодействия в системе центра масс, уц2) — 1п --координаты концов "мягких" померонов в про-

ет моделирование прицельного параметра взаимодействия, числа "разрезанных" "мягких" померонов и померонов с "жесткими" блоками, а также деление энергии-импульса взаимодействующих адронов между померонами - в соответствии с энергетической зависимостью эйконалов Хаь(8->Ь) и Для каждого блока "жесткого" взаимодействия определяется инвариантная масса, соответствующая этому взаимодействию, число рожденных струйных пар, а также моделируются быстроты и поперечные импульсы струй - в соответствии с инклюзивными КХД сечениями; при моделировании фрагментации струй предполагается "мягкий" механизм адронизации. При моделировании адро-низации "мягких" струн использовался рекуррентный метод, обеспечивающий мультипериферический характер рождения адронов в струне. В ходе этой процедуры пренебрегалось кинематикой образования и распада резонансов, несущественной для развития ШАЛ ( при условии правильного воспроизведения спектров частиц - продуктов их распада ) и рассматривалась фрагментация струн в конечные адроны: тг±, тг°, К±,К°,К¥,ЪР, р, п, п.

В конце главы приводятся результаты расчета характеристик адрон-ных взаимодействий - распределения вторичных адронов по быстроте, продольным и поперечным импульсам, псевдобыстроте - в сравнении с соответствующими экспериментальными зависимостями. Показано, что модель кварк-глюонных струн, дополненная механизмом учета полужестких процессов, воспроизводит основные особенности процессов многочастичного рождения в сильных взаимодействиях адронов при высоких энергиях, в частности, распределения вторичных адронов по псевдобыстроте при энергиях ЭРБ-коллайдера воспроизводятся с точ-

действия с рождением вторичных частиц <трАВ при энергии 200 ГэВ/нуклон в пределах экспериментальной точности согласуются с данными ЦЕРН для взаимодействий различных ядер с ядрами и Приведены также результаты расчета сечений взаимодействия адронов и ядер с ядрами воздуха при энергиях космических лучей. Модель предсказывает более медленный рост сечений с энергией, чем полученный ранее в модели КГС со значением Д = 0.14.

Далее излагается процедура Монте-Карло моделирования адрон-ядерного и ядро-ядерного взаимодействий и проводится сравнение результатов расчета распределений вторичных частиц по быстроте в р Аг- и р Хе-взаимодействиях при энергии 200 ГэВ/нуклон с ускорительными данными. Показано, что модель успешно описывает множественное рождение адронов на ядрах.

Во втором разделе главы 2 излагается алгоритм моделирования фрагментации спектаторной части ядра. При этом используется комбинированная модель, сочетающая испарительный и статистический подходы к ядерной фрагментации - считается, что энергия возбуждения спектаторной части ядра не может превышать некоторого максимального значения £таг=5.5 Мэв/нуклон; возбуждения меньших энергией снимаются путем испарения, если же энергия возбуждения достигает £тах, рассматривается процесс мультифрагментации, соответствующий сильному разрушению структуры ядра и множественному образованию фрагментов малых масс; для моделирования последнего применяется перколяционный алгоритм. При этом используются значения параметров: {Еех} = 50 Мэв - средняя энергия возбуждения на взаимодействующий нуклон ядра, ет = 12.5 эВ - энергия, уноси-

характеристик ШАЛ, инициированных первичными протонами и ядрами, Доказано, что флуктуации числа мюонов в ШАЛ, полученные при эксклюзивном моделировании ядерных взаимодействий с использованием описанной модели занимают промежуточное положение по сравнению со значениями, полученными в модели лидирующего нуклона и модели с независимыми флуктуациями доли энергии, передаваемой в нейтральные и заряженные адроны, определяющими, соответственно, нижний и верхний пределы возможных флуктуации А^,.

Приводятся также характеристики широких атмосферных ливней, рассчитанные без учета вкладов полужестких процессов с использованием параметров померона, соответствующих значению Д = 0.14. Для энергий первичных частиц до 1017 эВ предсказания новой модели для характеристик ШАЛ близки к значениям, полученным с использованием традиционного варианта МКГС ( последние, как было показано в работах Н.Н.Калмыкова, Г.Б.Христиансена и других, согласуются с данными ШАЛ и РЭК в этой области энергий ). В частности, при энергии Ео = 1015 эВ соответствующие средние характеристики для ШАЛ от протона различаются не более, чем на.5%. При более высоких энергиях первичных частиц влияние полужесткой физики на характеристики ШАЛ растет - при энергии Ец = 1019 эВ среднее число мюонов (Ец > 1 ГэВ) различается в двух подходах на 20%.

Рассчитанные характеристики ШАЛ от первичных ядер сравниваются также с предсказаниями т.н. модели суперпозиции, в которой ливень от ядра массового числа А и энергии Ео рассматривается как комбинация А независимых каскадов от нуклонов энергии Ео/А. Показано, что суперпозиционные представления неплохо выполняются для

высоких энергиях ( при энергии Eq = 1017 эВ доля протонов и а-частиц уменьшается до 28%, а доля ядер железа составляет 23% первичного состава ).

Во втором разделе главы 4 представляются результаты анализа экспериментальных данных о продольном развитии ШАЛ. Рассматриваются распределения глубины максимума ШАЛ, полученные в экспериментах на Якутской установке и установке "Fly's Eye". Сравнение расчета с экспериментом также свидетельствует в пользу утяжеления первичного состава с энергией; состав ПКИ, получаемый с использованием диффузионной модели Питерса-Зацешша, согласуется с экспериментальными данными Fly's Eye в диапазоне первичных энергий Е0 = 1017 - 1018 эВ. При более высоких энергиях наблюдается уши-рение экспериментальных распределений по сравнению с расчетными, свидетельствующее, по-видимому, об обогащении первичного состава протонами ( возможно, за счет метагалактического потока космических лучей ). Эти выводы подтверждаются далее анализом данных об энергетической зависимости средней глубины максимума ШАЛ -расчетные значения Хтах, полученные с использованием диффузионного состава ПКИ согласуются с экспериментом до энергии Eq ~ 1018 эВ, после чего также наблюдается более быстрый рост глубины максимума ШАЛ по сравнению с расчетом в рамках диффузионной модели. Согласование расчета с экспериментом не требует использования крайних предположений о первичном составе - увеличение доли протонов до 50% первичного состава при энергия^Ео ~ 3 • 1019эВ оказывается достаточным для согласования с данными установок Якутска и Fly's Eye о средней глубине максимума ШАЛ.

генератора сильных взаимодействий.

5. В результате применения построенной модели к расчету средних характеристик и флуктуаций ШАЛ получен вывод о значительно большей величине флуктуаций ШАЛ от первичных ядер, чем предсказывается моделью суперпозиции.

6. Модель использована для комплексного анализа экспериментальных данных ШАЛ с энергиями 1015 - 1019 эВ, в результате которого получены данные о ядерном составе первичного космического излучения в исследуемом энергетическом диапазоне. Согласованное описание экспериментальных данных ШАЛ получается при использовании в расчетах ядерного состава, изменяющегося с энергией в соответствии с моделью Петерса-Зацепина - от состава, измеренного прямыми методами в области энергий перед изломом первичного спектра до обогащенного тяжелыми ядрами при более высоких энергиях. При первичных энергиях Ео ~ 1019 эВ происходит обогащение первичного состава протонами. Тем не менее, и при этих энергиях в первичном излучении содержится значительная доля средних и тяжелых ядер; существующие экспериментальные данные ШАЛ совместимы с расчетами, выполненными для для меняющегося с энергией ядерного состава ПКЙ -с ростом доли протонов от 14 до 50% в диапазоне энергий 1018 — 3 • 1019

Основные результаты диссертации опубл овалы в следующих ра-

1. Калмыков H.H., Осталченко С.С. "Сравнение характеристик взаимодействия ядро-ядро в модели кварк-глюонных струн и модели

эВ.

ботах:

O.V. " Primary cosmic ray composition at ultrahigh energies according to MSU EAS array data", Proc. 23nd Intern. Cosmic Ray Conf., Calgary, 1993, v.2, p.116-119.

Атрашкевич В.Б., Веденеев О.В., Калмыков Н.Н., Куликов Г.В., Остапченко С.С., Погорелый В.Г., Силаев А.А., Сулаков В.П., Трубицын А.В., Фомин Ю.А., Христиансен Г.Б. "Первичное космическое излучение в области сверхвысоких энергий по данным установки ШАЛ МГУ", Изв. РАН, Сер.физ., 1993, т.57, N94, с.74

10. Калмыков Н.Н., Мотова М.В., Остапченко С.С., Христиансен Г.Б. "Взаимодействие адрон-ядро и ядро-ядро в области сверхвысоких энергий и данные широких атмосферных ливней", Изв. РАН, Сер.физ., 1993, т.57, N94, с.2 ^

11. Калмыков Н.Н., Остапченко С.С., Павлов А.И. "Модель КГС с учетом^струй и ШАЛ", Изв. РАН, Сер.физ., 1994.