Научная работа учеников

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБОИКИ КАЗАХСТАН

Профильная школа Казахского Национального Университета

имени аль-Фараби города Алматы

Научный проект

«Исследования энергии космических лучей»

Секция: Наука о Земле и космосе

Выполнили: ученики 10 Б класса

Таранов Владимир

Кадыр Арман

Научный руководитель: Искаков Б.А.,

учитель физики, магистр.

Алматы 2016

Содержание

Введение

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Состав и энергетический спектр космических лучей

Методы измерения энергии адронов и гамма квантов

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Установка «Адрон-44»

Рентгеноэмульсионная камера и мишень

Экспериментальные даные регистрация адронов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ

РЭК – рентгеноэмульсионная камера

ПКЛ – первичные космические лучи

ШАЛ – широкий атмосферный ливень

ЭФК – электронно-фотонный каскад

ИК – ионизационный калориметр

Е_γ – энергия гамма-квантов

E₀ – полная энергия взаимодействия

КУ – канальный усилитель

БУ – блок управления

БОС – блок отбора событий

эВ – электронвольт

Аннотация

Настоящая работа посвящена исследованию солнечных и галактических космических лучей ионизационной камерой. Работа является попыткой учеников предложит миру новый источник энергии: космические лучи. В ходе работы авторы рассчитали энергии крсмических лучей с помощью ионизационной камеры.

В результате проделанной работы налажена работа детекторов установки, произведены расчеты параметров установки.

Abstract

The present work is devoted to the study of solar and galactic cosmic ray ionization chamber. The work is an attempt to offer students the world a new energy source: cosmic rays. During the work, the authors calculated the energy krsmicheskih rays using an ionization chamber.

As a result of this work established work of detectors, calculations are made parameter settings.

ВВЕДЕНИЕ

Космические лучи, приходящие на Землю из мирового пространства, которые принято называть первичными космическими лучами (ПКЛ), с современной точки зрения [1], представляют собой поток частиц высокой энергии вплоть до  10²⁰ эВ. Среди них подавляющую часть составляют ядра атомов химических элементов от водорода (протоны) до урана.

Сегодня наивысшая энергия частицы получаемая на ускорителях равна 900 ГэВ. После 2006 г. запуска LHC (ЦЕРН) на энергии встречных пучков протонов 7 ТэВ граница определения сверхвысоких энергий отодвинется примерно до Е₀ =10¹⁷ эВ.

Вся современная физика элементарных частиц выросла из физики космических лучей. На мощных ускорителях в начале 50-х годов научились создавать пучки p - мезонов, после чего физика элементарных частиц получила мощный импульс развития, благодаря огромной статистике событий, получаемых в столкновениях p - мезонных пучков с мишенями.

В настоящее время физики, подошли к пределу достижимых на ускорителях энергий элементарных частиц (10¹⁵ эВ) и вынуждены снова обратить внимание на космические лучи сверхвысоких энергий (Е₀ 10¹⁵ эВ).

ПКЛ служат предметом физических исследований в двух аспектах: астрофизическом и ядернофизическом. В первом ПКЛ рассматриваются как важный астрофизический объект, роль которого в космологических процессах очень велика и стала предметом исследований новой отрасли науки-астрофизики космических лучей [1]. Действительно, такие характеристики ПКЛ, как состав частиц, их энергетические спектры, пространственная анизотропия их прихода и т.д., рассматриваемые в широком интервале энергий от 10¹⁰ эВ до  10²⁰ эВ, несут информацию о процессах их ускорения, распространения и взаимодействия в галактическом и межгалактическом пространстве.

Для второго направления ПКЛ являются источником частиц высоких энергий для изучения их взаимодействий. В последнее время этот интерес в значительной степени возродился в связи с тем, что при энергиях (10¹⁵-10¹⁶) эВ, недоступных пока современным ускорителям, наблюдается целый ряд новых явлений, не получивших объяснения с точки зрения современных теоретических моделей. Заметим, что строгого деления экспериментальных исследований на астрофизические и ядерно-физические нет, т.к. для интерпретации взаимодействий необходимо знать астрофизические характеристики потока ПКЛ (массовый состав, энергию), а для астрофизических исследований необходимо знать характеристики взаимодействий в указанной области энергий. Прогресс в развитии ускорительной техники существенно сместил акцент в исследовании космических лучей в сторону астрофизики ПКЛ.

Космические лучи позволяют нам заглянуть в будущее исследований по физике элементарных частиц на ускорителях. Эта возможность явля­ется следствием единственного неоспоримого преимущества космических лучей перед ускорителями — наличия в потоке космических лучей частиц с энергией, намного превосходящей энергию частиц, достижимую как на современных, так и на будущих ускорителях. Однако многие недостатки экспериментов в космических лучах, связанные, прежде всего с низкой и сильно убывающей при росте энергии интенсивностью, приводят к тому, что предваряющий характер исследований становится предварительным. Результаты исследований в космических лучах большей частью выявляют лишь основные характерные черты неупругих столкновений адронов, но не дают детального количественного описания акта множественной генерации.

Вряд ли возможен полный обзор имеющихся экспериментальных дан­ных о взаимодействии адронов при энергиях выше 2 ТэВ. Неразумно также ограничиваться каким-то заданным периодом времени. Более целесообраз­но дать подборку экспериментальных данных, рисующую общую картину неупругих адронных процессов при сверхвысоких энергиях. Ввиду недо­статочной полноты экспериментальной информации такой подход может оказаться субъективным. Он допустим лишь потому, что у нас нет доста­точно полных теоретических предсказаний относительно характеристик

Так как анализ и интерпретация многих экспериментальных результа­тов связаны с характеристиками энергетического спектра и состава первич­ного космического излучения, в начале статьи приведена сводка основных данных о первичном космическом излечении. В дальнейшем изложении экспериментальных результатов исследований неупругих столкновений адронов и, соответственно, процессов множественной генерации будут выде­лены два круга вопросов. Во-первых, обсуждается, в какой мере и до каких энергий можно говорить о приблизительной масштабной инвариант­ности характеристик актов неупругих столкновений адронов. Во-вторых, выделяется, чем существенно различаются процессы множественной гене­рации при столкновении адронов в области энергий выше 100 ТэВ и про цессы в детально изученной на ускорителях области энергий 1 ТэВ

В данной работе изучается калориметрический эффект космических излучении, то есть какая часть энергии космических лучей поглощается на рабочем теле. Для этого мы должны получит энергетический спектр космических лучей, для адронов и гамма-квантов. В этой работе рассматривается именно адронная часть, т.е. получаем энергетический спектр π⁰-мезонов. Полученные нами данные позволяет нам создать энергогенератор основанный на поглощение энергии космических лучей на рабочем теле. Такие энергогенератор не будет, загрязнят окружающую среду, будет работать вечно, не требуя при этом топлива.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Состав и энергетический спектр космических лучей

К космическим лучам относятся как заряженные, так и нейтральные частицы: атомы различных элементов от водорода до самых «тяжелых» представителей периодической системы Менделеева, а также такие элементарные частицы, как электроны, протоны, мюоны и другие. Диапазон их энергии очень велик - они простирается более чем на 14-15 порядков. Потоки космических лучей сильно меняются в зависимости от их энергии – при малых энергиях их значительно больше, чем при высоких и сверхвысоких энергиях.

Более 90% частиц космических лучей составляют атомы водорода, на гелии приходится около 7% и менее 1% - на более тяжелые элементы. Атомы космических лучей лишены электронных оболочек, по сути, это полностью ионизированные атомы, или «голые ядра». Причина этого – взаимодействие с веществом в процессе их переноса во Вселенной. Взаимодействуя с нейтральными частицами, они теряют свои электронные оболочки (процесс перезарядки).

Как показывают расчеты, средний путь, который проходят частицы от места генерации, достаточен, чтобы потерять все орбитальные электроны за счет взаимодействий с космической средой. Внизу показан состав космических лучей (таблица 1).

Таблица 1- Содержание некоторых элементов в космических лучах на Солнце и в звездах, приведено относительно ядер кислорода (О).

Отсюда видно, что состав космических лучей приблизительно соответствует распространенности элементов во Вселенной за исключением двух случаев: во-первых, в космических лучах наблюдается значительно больше легких ядер (Li, Be, B) и, во-вторых, тяжелых ядер – вблизи железа.

Помимо ядер различных элементов в составе космических лучей имеются электроны. При равных энергиях интенсивность электронов в 100 раз больше, чем протонов. В отличии от протонов и более тяжелых ядер, максимальная энергия электронов находится, вероятно, где-то в районе ~10¹⁴ эВ, т.к. ожидается, что при больших энергиях их поток должен резко уменьшаться из-за так называемых синхротронных потерь.

Космические лучи имеют громадную диапазон энергии: от 10 эВ до 10²¹ эВ. Для ядер, тяжелее протонов, обычно используются единицы эВ/нуклон, это полная энергия частицы, деленная на число нуклонов в ядре.

Здесь уместно сопоставить энергии космических лучей с энергиями частиц, «сделанных» на Земле человеком.

Наиболее мощный ускоритель частиц, расположенный в лаборатории имени Ферми в Чикаго, США, может разгонять частицы до энергии только 1,8 ТэВ. Даже гигантский ускоритель в Женеве, в Европейском центре ядерных исследовании (ЦЕРН) - LHC (большой адронный коллайдер), не сможет приблизиться к энергиям космических лучей, достижимых в природе, - он может ускорять частицы до 14 ТэВ.

Важнейшей характеристикой космических лучей является энергетический спектр – зависимость между потоком частиц и их кинетической энергией. Направленный дифференциальный поток определяется количеством частиц N с энергией Е до Е+ΔЕ падающих на единицу площади в единицу времени и в единицу телесного угла Ω:

, (1)

где , , и - элементы площади, телесного угла, энергии и времени. В данном случае - дифференциальный энергетический спектр, в отличии от интегрального

. (2)

Поток частиц, проинтегрированный по телесному углу, носит название всенаправленного.

Ввиду большого диапазона изменения потока и энергии космических лучей энергетические спектры частиц принято изображать в двойном логарифмическом масштабе, то есть lgF(E)=f(lgE). Наиболее часто для аппроксимации используется степенная функция, т.е. lgF(E)~lgE^-γ, где γ – показатель спектра. В двойном логарифмическом масштабе это прямая линия с наклоном γ.

Рассмотрим некоторые обобщающие сведения об энергетических спектрах космических лучей.

Если просуммировать дифференциальные потоки F всех частиц космических лучей (без разделения по Z), измеренных в различных экспериментах, то мы получим в двойном логарифмическом масштабе практически прямую линию для спектра, т. е. показатель γ практический постоянен в широком (10 порядков величины!) диапазоне энергии. На самом деле это не так.

Интересно отметить, каковы потоки частиц при различных энергиях. Так, при энергии ~10 ГэВ их поток составляет 1 частицу на 1 м² в 1 сек, в ПэВ-ой области - 1 частицу на 1 м² в 1 год, а при близких к максимальным энергиям, при нескольких ЕэВ, - 1 частицу на 1 км² в 1 год.

Из теории вероятности известно, что для получения достоверного результата необходимо набрать достаточную статистику событий, чтобы зарегистрировать события с ошибкой,

. (3)

Таким образом, можно построит энергетический спектр космических лучей (Рис. 1).

При энергиях более 10¹⁰ эВ он имеет наклон Е^-2,7, испытывая укручение в районе колена (10¹⁵ эВ). При этих энергиях потоки частиц очень стабильны, а в области энергии менее 10¹⁰ эВ испытывают значительные вариации под действием солнечной активации. Предельная зарегистрированная энергия космических частиц в районе “ступни” составляет 3*10²⁰ эВ.

Рисунок 1- Энергетический спектр “ всех частиц” космических лучей без разделения их на отдельные компоненты.

Методы измерения энергии адронов и гамма квантов

Эксперименты, нацеленные на изучение адронных взаимодействий в космических лучах, должны учитывать две особенности космического излу­чения: низкую интенсивность и широкий энергетический спектр адронов.

Низкая интенсивность ограничивает выбор детекторов излучений и служит причиной популярности рентген-эмульсионных камер: рентгенов­ская пленка специального изготовления допускает годичные экспозиции и относительно экономична для использования на больших (до 1000 м²) площадях.

Широкий энергетический спектр падающих адронов заставляет пре­дусматривать измерения энергии взаимодействующей частицы. Наилуч­ший метод определения энергии первичных частиц, вызвавших взаимо­действие в мишени или атмосфере,— калориметрический с помощью иони­зационных и сцинтилляционных калориметров и по черенковскому излучению широких атмосферных ливней в воздухе над уровнем измере­ния. Другие методы отбора взаимодействий по энергии первичных частиц содержат больше априорных предположений и менее точны.

Для измерения энергии электронов, фотонов и адронов широко используются так называемые толчковые установки. Они состоят обычно из двух слоев сцинтилляторов или ионизационных камер, покрытых поглотителем из свинца толщиной несколько лавинных единиц, чтобы развивающиеся в свинце электромагнитный каскад от упавшего на установку фотона или электрона достиг максимума развития. Всплеск ионизации в камере от попадания пучка электронов и называется толчком.

Толчковые детекторы адронов имеют несколько иное устройство. Над описанной выше толчковой установкой для фотонов помещается мишень из вещества с малым Z (например, углерод). Регистрация адронов происходит в результате взаимодействия в мишени первичной частицы и ее вторичных продуктов. Образующиеся во взаимодействиях π⁰-мезоны распадаются и дают поток фотонов, регистрируемых толчковой установкой. Хотя, как указывалост выше, точность измерения энергии фотонов хорошая, адронный детектор не свободен от искажении, связанных с характером спектракосмического излучения. Дело в том, что в мишени из-за ограниченной толщины почти никогда не расходуется вся энергия адрона (если сделать толстую мишень, то в ней призойдет значительное поглощение энергии фотонов). В каждой событии выделяется некоторая доля энергии (зависящая от толщины мишени), резко меняющаяся от случая к случаю. Полоную энергию гамма-квантов поглащенных на рабочем теле можно измерить по формуле

(7)

Где ε- пороговая энергия, Е₀- начальная энергия частицы.

Толчковые установки в силу относительной простоты могут быть сделаны очень большого размера (десятки квадратных метров), т.е., иметь большой геометрический фактор, что важно для измерении в области сверхвысоких энергии.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Установка «Адрон-44»

Материалы настоящей работы получен на комплексной установке «Адрон-44», включающей в себя ионизационный калориметр площадью 44 м², рентгеноэмульсионную камеру такой же площади и сменную мишень. В качестве мишени использовали углерод и железо.

Ионизационный калориметр

Ионизационный калориметр собран из железного и свинцового поглотителя, прослоенного шестью рядами ионизационных камер. Площадь калориметра равна 44 м², высота составляет 1.75 м. в тело калориметра уложено 425 т железа и 30 т свинца. Общая толщина поглотителя с учетом стенок ионизационных камер составляет 1033 г/см² или 7.33 пробега для взаимодействия нуклонов. Ионизационные камеры наполнялись аргоном до давления 4 атм. Общее число камер в калориметре 672. Ряды ионизационных камер располагались во взаимно-перпендикулярных направлениях. На центральные электроды всех камер подавалось постоянное напряжение 600 В. Схема установки приведена на рисунке 5.

а- РЭК, б- ионизационные камеры, в- Pb толщиной 1,5 см, г- Pb толщиной 0,5 см, д- Fe толщиной 24 см, е- Fe толщиной по 32 см.

Рисунок 5. Схема установки «Адрон-44»

В таблице (3) приведены толщины поглотителя над рядами ионизационных камер в г/см².

Таблица 3- Количество вещества в г/см² в калориметре.

Точность измерения энергии калориметром растет с увеличением числа рядов ионизационных камер, но в то же время рост числа рядов неизбежно приводит к непомерному увеличению числа измерительных каналов. Поэтому пришлось решать вопрос об оптимальном количестве рядов ионизационных камер при разумном числе измерительных каналов и данной точности определения энергии. Точность измерения энергии калориметром определяется, в основном, флуктуациями в развитии электронно-ядерной лавины, общей толщины поглотителя и количеством уровней регистрации.

Наименьшие флуктуации в развитии электронно-ядерной лавины наблюдаются в её максимуме, наибольшие в начале развития и на «хвосте» лавины, причем с ростом энергии первичной частицы Е₀ флуктуации уменьшаются, соответственно уменьшается относительная среднеквадратичная ошибка измерения энергии отдельной первичной частицы. Увеличение общей толщины поглотителя Х (г/см²) и числа рядов регистрации ведет к уменьшению ошибки измерения Е₀.

В электронную систему установки "АДРОН-44" входили аппаратные средства сбора и обработка данных, а также программные средства.

Программные средства включали в себя программы выведения данных из промежуточной памяти, программы диагностики канальных трактов, их калибровки, программы отбора событий, вычисления энергии и других необходимых параметров, распечатки распределения ионизации по всем ионизационным камерам, тестовые программы технической диагностики и т.д. В аналоговой части системы осуществляется сбор и обработка сигналов с ионизационных камер: преобразование тока в напряжение, усиление, сжатие динамического диапазона, преобразование заряд-время, отбор событий по суммарной ионизации, выделившейся в калориметре.

В цифровой части производилось кодирование временных интервалов, поступающих от зарядово0временных преобразователей каналов, запоминание и передача цифровых данных в ОЗУ ЭВМ, обработка и представление данных. Система сбора данных работала следующим образом. Импульсы тока с ионизирующих камер поступали на входы предусилителей, во второй секции которых происходит интегрирование зарядов. Далее импульсы подаются на индивидуальные амплитудно-временные преобразователи (АВП).

В многоканальном кодирующем устройстве (МКУ) параллельно по всем сработавшим каналам производится кодирование в двоичном коде временных интервалов, поступающих от ЗВП. Полученные таким образом цифровые данные о распределении ионизации по объему калориметра запоминаются в быстрой промежуточной памяти БПП.

Одновременно с началом регистрации события импульсы с выхода первой секции предусилителей суммируются в суммирующих усилителях ряда С-1 и далее, собранные со всех рядов, импульсы суммируются в общем для всей системы усилителе С-2. Усилитель С-2, блок предварительного анализа (БПА) и блок отбора событий (БОС) составляют аппаратное средство отбора событий.

На данном, аналоговом уровне отбора событий отбрасываются все электронно-ядерные лавины от частиц с энергией заведомо ниже пороговой. На втором уровне производится отбор событий путем машинной оценки величины энергии, а также по другим, заданным программным путем, критериям.

Более подробное описание ионизационного калориметра «АДРОН-44» приведено в работах.

Энергия электронно-ядерной лавины Е₀, определяется как сумма трех энергий: электронно-фотонного каскада Е_pb, развивавшегося в свинцовом поглотителе калориметра, Е_Fe-энергия, выделившаяся в поглотителе из железа и поправка на энергию Е_попр, вышедшую за пределы калориметра, т.е. не зарегистрированную в нем из-за конечной толщины поглотителя.

Е₀ = Е_pb + Е_Fe + Е_попр

Точность определения полной энергии электронно-ядерной лавины Е₀, оценивается в 20%

Рентгеноэмульсионная камера и мишень

Используемая в данной экспериментальной установке рентгеноэмульсионная камера (РЭК) состоит из 2-х слоев свинцового поглотителя толщиной 2 см каждый слой, проложенных фоточувствительными слоями. В качестве фотоматериала использовались листы ядерной фотоэмульсии Р-2Т, сверху и снизу которых размещались листы двусторонней рентгеновской пленки РТ-6.

РЭК укладывалась по всей площади калориметра. Срок экспозиции на разных стадиях эксперимента составляет от 6-месяцев до 1 года. Общая толщина свинца в РЭК составляет 4 см или около 8t-единиц. Вопросы, связанные с проявкой фотоматериала, поиском гамма-квантов и измерением их энергии детально рассмотрены в работах.(19 стр. 6, 34)

Основные назначение рентгеноэмульсионной камеры- измерение энергии гамма-квантов, их координат и пространственного направления. Известно, что при прохождении электронно-фотонного каскада (ЭФК) через слои свинца и рентгеновских пленок в пленке после её проявки образуются пятна потемнения, видимые невооруженным глазом, если плотность заряженных частиц превосходит некоторое пороговое значение (в нашем случае – 300 частиц в круге R=100 мкм). Степень почернения пятен определяется плотностью электронов в ЭФК, т. е., энергией гамма-квантов или электронов, вызвавших данный каскад.

Первичный просмотр рентгеновских пленок проводился невооруженным глазом. Область около обнаруженных пятен просматривалась на микроскопе МБИ-9 с увеличением 150. Поскольку пленка РТ-6 имеет два эмульсионных слоя, то заряженные частицы ЭФК образуют два схожих пятна потемнения в эмульсионных слоях. По относительному смещению центров пятен можно определить пространственные углы ЭФК. Зенитный угол  определяется следующим образом:

l / d = tg ,

где d- толщина пленки, l- расстояние между центрами пятен в верхнем и нижнем слоях эмульсии.

Азимутальный угол φ измеряется непосредственно с помощью угломерной насадки. Точность измерения зенитных и азимутальных углов составляет, соответственно ±5⁰ и ±15⁰. Плотность потемнения пятен измерялась с точностью до 0,01-0,02 единицы плотности с помошью микрофотометров МФ-2 и МФ-4. Энергетический порог 100% -ой регистрации гамма-квантов с помощью рентгеновской пленки РТ-6 при 6-12 месячной экспозиции оценен в 1,5 ТэВ.

В ядерной эмульсии число заряженных частиц в круге определенного радиуса считалось непосредственно, при вычислении энергии ЭФК использовалист расчеты Нишимуры-Каматы. Тестирование правильности определения энергии ЭФК обычно проводится с использованием гамма-квантов от распада ⁰ -мезона. Масса ⁰ -мезона и энергии -квантов, на которые он распался, связаны следующим кинематическим выражением:

где l-расстояние между -квантами, Н-высота от места регистрации до точки распада ⁰-мезона.

Результаты показывают, что масса ⁰ –мезона не домеряется в 1,3±0,2 раза, по-видимому, из-за наличия зазора – 700 мкм между слоями пленки и поглотителя. При определение энергии гамма-квантов данный фактор учитывался. Ошибки в измерении Е_γ, составляют по рентгеновской пленке – 30%, по ядерной эмульсии – 27 %, прослеживание ЭФК на нескольких уровнях снижает ошибку до 20%. Энергетический порог регистрации гамма-квантов в ядерной эмульсии равен- 0,5 ТэВ. Общая система координат для всей установки показана на рисунке 6.

Рисунок 6- Общая система координат для всей установки.

Плоскость ХУ параллельна плоскости ионизационных камер, ось Z направлена вниз по ходу движения первичной частицы и развития ЭФК в веществе калориметра.

Рассмотрим более подробно сопоставления показаний калориметра с данным РЭК, т.к. анализ экспериментальных данных зависит от корректности сопоставления. Ионизационный калориметр дает следущую информацию о прохождении частицы через установку, необходимую для сопоставления с данными РЭК: координаты входа частицы , зенитные и азимутальные углы, суммарную энергию всех π⁰-мезонов, образовавшихся во взаимодействии, время прохождения частицы через установку. Рентгеноэмульсионная камера позволяет измерять координаты γ-квантов, их зенитные и азимутальные углы, суммарную энергию. РЭК является интегрирующим детектором и времени прохождения частиц не фиксирует.

Таким образом, сопоставление данных двух детекторов можно проводить по четырем параметром: координатам, зенитным и азимутальным углам и по суммарной энергии γ–квантов.

2011 году ионизационный калориметр был модернизирован, то есть поставили мишень из свинца и ионизационных камер (Приложения 1 и 2).

В первый период эксплутации установки АДРОН-44 использовалась мишень из графита толщиной -0,1λ_вз, что соответствует толщине мишени из парафина на прежней установке. Это было сделано по двум причинам:

а)увеличить количество взаймодействий с легкой мишенью.

б)проверить соответствие результатов.

После того, как на описываемой установке было зарегистрировано 20% от общего количества взаймодействий адронов с легкими ядрами, графитовую мишень заменили мишенью из железа толщиной х~0,18λ_вз. Обе мишени распллогались на высоте 2,4 м над калориметром и имели площадь 44м².

Рассмотрим в общем, какие характеристики позволяла измерять и получать установка, состояшая из ионизационного калориметра, РЭК и мишени для каждого отдельного взаимодействия:

1. Энергию первичной частицы Е₀;

2. Суммарную энергию электронно-фотонной компоненты, переданную ей при взаимодействии налетающей частицы с ядром мишени (назовем иусловно ΣЕ_π⁰), а также парциальный коэффициент неупругости К_π⁰= Е_π⁰/ Е₀;

3. Число γ-квантов (π⁰-мезонов) с энергией выше пороговой (Е_γ^пор=1,5 ТэВ), n_γ;

4. Энергию отделных гамма-квантов, Е_γ;

5. Координаты точки входа частицы в установку х, у;

6. Зенитные Θ и азимутальные φ углы, траектории первичной частицы и надпороговых γ-квантов;

7. Высоту взаимодействия над установкой Н (если наблюдалось не менее двух γ-квантов в РЭК);

8. Энергию сопровождающих частиц из атмосферы в пределах площади калориметра, если электронно-ядерный каскад не был одиночным;

Также имеется возможность изучать взаимодействаия с различными ядрами т. к. Мишень сменная.

Из приведенного перечня возможностей установки видно, что получаемой информации вполне достаточно для изучения лидирующих нейтральных пионов.

Ниже в таблице (4) приведем сводную таблицу работы экспериментальных установок.

Таблица 4- Сводная таблица работы экспериментальных установок.

2.3. Экспериментальные даные регистрация адронов.

Интервал энергий 1—10² ТэВ интересен как непосредстве шо при­легающий к исследуемой в настоящее время на ускорителях области энергии взаимодействующих нуклонов. Он доступен для исследований в космических лучах различными методами. Очевидно, что в первую оче­редь здесь следует проверять, насколько возможно экстраполировать закономерности, установленные для неупругих столкновений адронов в экспериментах на ускорителях. Допустимость такой экстраполяции от меньших энергий к большим в космических лучах известна давно. Это проявляется в постоянстве среднего коэффициента неупругости нуклонов (доли энергии, уносимой нуклоном с наибольшей энергией после нуклон-нуклонного или нуклон-ядерного взаимодействия), в давно известном приблизительном подобии энергетических спектров различных компонент космического излучения в глубине атмосферы энергетическому спектру первичного излучения. Эти свойства естественно рассматривать как проявление масштабной инвариантности (скейлинга) — свойства взаимо­действия, обоснованного позже в исследованиях на ускорителях. О стро­гой масштабной инвариантности процессов множественного рождения при неупругих столкновениях адронов, по-видимому, нельзя говорить ни нри какой энергии. Уже в ускорительной области энергий обнаруживается рост эффективного сечения для неупругих столкновений нуклонов с ростом их энергии, а также увеличенная по сравнению с ожидаемой по скейлингу множественность в пионизационной части энергетического спектра вторич­ных частиц при энергии налетающего нуклона больше 1 ТэВ. Как будет видно из дальнейшего изложения экспериментальных результатов, полученных в космических лучах, такая же картина процессов, связанных с неупру-гимп столкновениями адронов, сохраняется вплоть до энергий 50 — 100 ТэВ. В качественном отношении можно говорить о «квазискейлинге», понимая под этим то, что во всем рассматриваемом интервале энергий сохраняется периферический характер взаимодействий адронов, преиму­щественное рождение пионов среди вторичных адронов, практическое постоянство поперечных импульсов и т. п.

Было уже сказано, что РЭК регистрирует тоько те взаимодействия космических лучей, в которых рождаются гамма-кванты с энергией выше пороговой – Е_пор. Энергетический порог регистрации гамма квантов зависит от многих фаакторов: условии и длительности экспозиции РЭК, качества и сорта применяемых фотоматериалов, условии и качества проявки и даже от такой субъективной причины, как квалификация операторов.

В различных экспериментах величина Е_пор в рентгеновской пленке меняется от Е_пор=1,5 ТэВ до 4 ТэВ.

Ионизационный калориметр регистрирует практически все неупругие взаимодействия адронов космического излучения. Порог срабатывания калориметра задается экспериментатором, он может быть равен и 100 ГэВ и 1 ТэВ. В то же время , для регистрации того же взаимодействия в РЭК, необходимо, чтобы в акте столкновения образовался хотя бы один гамма-квант с Е_γ= 1,5 ТэВ.

При изучении взаимодействий космических лучей на высоте 3340 метров над уровнем моря с ядрами углерода использовался калориметр «АДРОН-44», при этом пороговая энергия срабатывания ионизационных калориметров составляла от 3 ТэВ до 10 ТэВ. В процессе накопления статистического материала было зарегистрировано 1348 взаимодействии с Е₀≥ 3ТэВ, произошедших в мишени.

Здесь важно отметить, что общее количество срабатываний калориметра с порогом Е ≥ 3ТэВ значительно выше и составляет порядка 6000, но большая часть из них является продуктом взаимодействия в атмосфере на большой высоте, поэтому электронно-ядерные лавины в калориметре от этих событий занимают большую площадь и в т о же время энергия сопровождающих частиц составляет от 10 % до 70 %. Поэтому, для отбора взаимодействий, произошедших в районе мишени отбирались события, в которых в верхных рядах калориметра срабатывало не более одной ионизационной камеры и вся электронно-ядерная лавина, занимая три камеры, свидетельствовала о прохождении одиночного адрона. При этом вклад сопровождающей компоненты не должен был превышать 10 % от Е₀.

Отобранные таким образом 1348 электронно-ядерных лавин сопоставлялись с гамма-квантами, зафиксированными в рентгеноэмульсионной камере. Выяснилось, что только 23 % от всех взаимодействий адронов космических лучей, имеющих энергии в диапозоне Е=3-50 ТэВ образуются гамма-кванты с энергией Еγ ≥ 1,5 ТэВ. Следовательно, большая часть взаимодействий пионов и нуклонов с атомными ядрами мишени не регистрируется в РЭК, особенно в области малых энергий Е₀ 3-10 ТэВ. Наглядно данный факт демонстрирует рисунок 12, на котором приведен интегральный энергетический спектр адронов, зарегистрированных в калориметре и интегральный спектр сопоставленных в РЭК.

1. События, зарегистрированные в калориметре.

2. События, зарегистрированные РЭК.

Рисунок 12- Интегральные энергетические спектры

В исследуемой области энергии 3-30 ТэВ высокоэнергичные -кванты (Е_ ≥ 1,5) образуются только в части взаимодействий (0,23). Это означает, что если регистрация адрон-адронных или адрон-ядерных взаимодействий проводится только рентгеноэмульсионными камерами, то регистрируются не все взаимодействия, а только некоторый выбираемый класс событий, в которых большая доля энергии первичной частицы была передана в электронно-фотонную компоненту, причем передана таким образом, чтобы хотя бы один гамма-квант приобрел энергию Е_ ≥ 1,5 Тэв. Эта выборка еще более подчеркивается, если после просмотра рентгеновских пленок и ядерных эмульсий анализируются только «семейства» гамма-квантов (например, накладывается условие (N_≥3), что обычно проводится в экспериментах с рентгеноэмульсионными камерами.

Полученные в калориметре энергия адронов показаны на таблице 5.

Таблица 5- Полученные на калориметре данные

На рисунке 13 приведен энергетический спектр адронов космического излучения, которые взаимодействовали с мишенью. По этим данным можно вычислить общую энергию адронов, поглощенных в рабочем теле.

Из полученных данных можем посчитать количество энергии которых может поглощать рабочее тело. Энергия всех частиц равна ΣЕ=7105 ТэВ.

На основе данных, приведенных в [24], можно сделать вывод, что гамма лучи при прохождении свинца на каждый миллиметр теряет от 2 до 3 % энергии. При толщине свинцовой мишени 40 см, получаемь, что энергия событий поглощается полностью. Что составляет Е=1,14*10^-3 Дж.

Рисунок 13- Энергетический спектр адронов зарегестрированные в калориметре

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнение магистерской диссертации были выполнены следующие задачи:

1. Изучена комплексная установка «АДРОН-44».

2. Изучив комплексную установку «Адрон-44», было проведено модернизация установки.

3. Рассмотрен вопрос об особенностях регистрации событий высокой энергии методом рентгеноэмульсионных камер (РЭК).

4. Получен энергетический спектр адронов.

5. Рассчитана общая энергия лидирующих нейтральных пионов.

Список литературы

1. Baygubekov A.S., Chubenko A.P., Mukhamedshin R.A., Novolodskaya O.A., Sadykov T.Kh. A nev complex installation Athlet for the investigation of interactions in ultrarays on Tien-Shan mountain // Nucl. Instr. & Methods in Phys.Res.A. – 2004.- V 527.- P. 648-651.

2. Панасюк М. И. Странники вселенной или эхо большого взрыва. -Фрязино: изд. «Век 2», 2005 г. 272 с.

3. Мурзин В.С. Введение в физику высоких энергии. –М: Атомиздат, 1979 г. -303 с.

4. Никольский С. И. Адронные взаимодействия в космических лучах при сверхускорительных энергиях // Успехи физических наук-1981. -Т 135 № 4, -С.545-585.

5. Гайтинов А.Ш. Роль лидирующих частиц в неупругих пион-нуклонных взаимодействиях: автореф. ...канд.физ.-мат. наук.- Алма-Ата, 1972.- 19 с.

6. Часников И.Я. Лидирующие частицы в адронных взаимодействиях: автореф. …канд.физ.-мат. наук.- Дубна, 1977.- 36 с.

7. Фейнберг Е.Л. Частица с неравновесным собственным полем // Проблемы теоретической физики. -Москва,1972.- С.248-264.

8. Калинкин Б.Н., Шмонин В.Л. Множественное рождение адронов в веществе и кварк-глюонная модель адронов //Препринт ОИЯИ, Р2-11380.-Дубна, 1978.-20 с.

9. Калинкин Б.Н., Любимов В.Б. Адронные компаунд-системы в процессах множественного рождения //Препринт ОИЯИ, р2-8760.- Дубна, 1975.-24 c.

10. Van Hove L. Internal hadron structure and high energy hadron collisions // Acta Phys. Pol., B7.-1976.- № 5.- Р.339-346.

11. Часников И.Я. Лидирующие частицы в адронных взаимодействиях // Препринт ОИЯИ, Р-10616.-Дубна, 1977.-35с.

12. Анзон З.В. Импульсные характеристики лидирующих частиц и эффективность их взаимодействия внутри атомных ядер //Известия АН КазССР. -1977.- Сер.физ.,№4.- С.19-25.

13. Мурзин В.С., Сарычева Л.И. О сечении взаимодействия нуклонов внутри ядра //Ядерная физика.- М., 1976.- С.382-399.

14. Боос Э.Г., Холмецкая А.В., Якоби В.В. Об особенностях угловых распределений ливневых частиц из протон-ядерных взаимодействий при импульсах 200-400 ГэВ/с //Взаимодействия адронов и ядер высоких и сверхвысоких энергий. - Алма-Ата,1986. - С.50-60.

15. Орлова Г.И. Заряженные и нейтральные энергетически выделенные частицы во взаимодействиях ^--мезонов с ядрами фотоэмульсии при энергиях 50 и 200 ГэВ // Ядерная физика.- М.,1982.-Т.35,№3.- С.706-711.

16. Демьянов А.И., Мурзин В.С., Сарычева Л.И. Ядерно-каскадный процесс в плотном веществе. – Москва: Наука, 1977.-190 с.

17. Мартьянов И.С. Система быстрой промежуточной памяти для многоканального кодирующего устройства //Препринт ИФВЭ АН Каз ССР: N 81-06. -Алма-Ата, 1981. -8 с.

18. Земельман М.А. Автоматическая коррекция погрешностей измерительных устройств. -М.: Изд.стандартов, 1972.- 62 с.

19. Садыков Т.Х. Характеристики семейств гамма-квантов из неупругих взаимодействий, генерированных в плотной мишени адронами с энергией 10" эВ: автореф.... канд. физ.-мат. наук. -Алма-Ата, 1978.-17 с.

20. Григоров Н.Л., Рапопорт И.Д., Шестоперов В.Я. Частицы высоких энергий в космических лучах. - М., 1973. -.303 с.

21. Бабаев М.К., БайгубековА.С. Определение высоты взаимодействия для установки "АДРОН-44" //Препринт ФТИ МН-АН РК.-Алматы, 1996. -7 с.

22. Авакян В.В. Взаимодействие нуклонов и пионов с ядрами в космических лучах в области энергий 0.5-5.0 ТэВ: автореф. ... докт. физ.-мат. наук. -Ереван, 1987.-41 с.

23. Рапопорт И.Д. Фотографический метод детектирования плотных ливней заряженных частиц // ЖЭТФ.- 1958.- Т.34.- С. 988.

24. «Руководство к лабораторным работам по разделу ядерной физики» часть 1, КазНу им. аль-Фараби, Алматы, 2012 г.

25. Руководство к лабораторным работам по разделу ядерной физики» часть 1, КазНу им. аль-Фараби, Алматы, 2012 г.

Приложения

Приложения 1

Приложения 2

29