CC BY
25
3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ АЗИМУТАЛЬНЫХ ЭФФЕКТОВ ИСХОДНЫХ ГАММА-СЕМЕЙСТВ ПРИ ЭНЕРГИЯХ IEV = 100 - 2000 ТэВ
Нуритдинов Хуснитдин, кандидат физ-мат. наук, зав. лабораторией космических лучей. Физико-Технический Институт. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Абсалямова Ильмира Ильдаровна, младший научный сотрудник лаборатории космических лучей. Физико-Технический Институт. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Кулахмедов Низамитдин Нуритдинович, старший научный сотрудник лаборатории космических лучей. Физико-Технический Институт. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Максудов Асатулла Урманович, старший научный сотрудник лаборатории космических лучей. Физико-Технический Институт. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Шаякубов Диёр Бахтиярович, младший научный сотрудник лаборатории космических лучей. Физико-Технический Институт. Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Аннотация: На основе данных эксперимента «Памир» в области сверхвысоких энергий Еоц = 1016 - 1017 эВ в эксперименте и в МС0-модели рассмотрены параметры а - азимутальной анизотропии угловых распределений вторичных частиц и зависимости пространственно-энергетических характеристик ER исходных у-семейств, образованных во взаимодействиях протонов и альфа-частиц первичных космических лучей (ПКЛ) с ядрами атомов воздуха. В эксперименте наблюдается избыток Аэксп = 0.10 ± 0.02 анизотропных исходных у-семейств при аисх > 0.2 по отношению к модели. Среднее значение параметра а в эксперименте оказалось в 1.6 раза больше, чем в модели. В области небольших значений ERисх < 500 ТэВ-мм параметр а согласуется между собой в эксперименте и в модели, и составляют небольшую величину а ~ 0.10, а в области больших ERисх > 500 ТэВ-мм наблюдается резкое возрастание экспериментального значения параметра аэксп с увеличением характеристики ERUCX
исх •
При этом величины вышерассмотренной модели остаются практически неизменной с увеличением ERисх. Ключевые слова: первичные космические лучи, рентген-эмульсионные камеры, гамма-семейства.
3.3. INVESTIGATION OF THE AZIMUTHAL EFFECTS OF INITIAL GAMMA ENERGIES IN FAMILIES IEV = 100 - 2000 TeV
Nuritdinov Khusnutdin, Candidate of physical-mathematical sciences, head of the laboratory of cosmic rays. Physical-Technical Institute, «Physics-Sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Absalyamova Ilmira Ildarovna, yong science researcher laboratory of cosmic rays. Physical-Technical Institute, «Physics-Sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Kulakhmedov Nizamiddin Nuriddinovich, elder science researcher laboratory of cosmic rays. Physical-Technical Institute, «Physics-Sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Maksudov Asatulla Urmanovich, elder science researcher laboratory of cosmic rays. Physical-Technical Institute, «Physics-Sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Shayakubov Diyor Bahtiyarovich, yong science researcher laboratory of cosmic rays. Physical-Technical Institute, «Physics-Sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Abstract: On the basis of experimental data «Pamir» in the field of ultrahigh-energy Eest = 1016 - 1017 eV, experiment and model MS0 considered parameters а - azimuthal anisotropy of the angular distributions of the secondary particles, and depending on the space-energy characteristics ER initial gamma-families formed during the interaction of protons and alpha particles of the primary cosmic rays (PCR) with air nuclei. In the experiment, an excess Aeksp = 0.10 ± 0.02 anisotropic initial y-families with ain > 0.2 relative to the model. Mean value a in the experiment appeared in the 1.6 times higher than in the model. In the region of small values of ERin <500
TeV-mm setting is consistent an among themselves, experiment and model and make small value a ~ 0.10, and in the large ERin >
500 TeV-mm observed a sharp increase in the experimental value of the parametera'nxsp with the increase ERin in performance. The
values а'мс° of one discussed above models remain essentially unchanged with the increase ERin.
Index terms: Primary Cosmic Rays, X-ray emulsion chambers, gamma-families
ИССЛЕДОВАНИЕ АЗИМУТАЛЬНЫХ ЭФФЕКТОВ ИСХОДНЫХ ГАММА-СЕМЕЙСТВ ПРИ ЭНЕРГИЯХ 1ЕУ = 100 - 2000 ТэВ
Нуритдинов Х., Абсалямова И. И., Кулахмедов Н. Н., Максудов А. У., Шаякубов Д. Б.
ВВЕДЕНИЕ
Космические лучи являются уникальным инструментом исследования процессов, энергетический порог возникновения которых чрезвычайно высок и дают принципиальную возможность обнаружения новых закономерностей в области физики высоких энергий. Для исследования сильных взаимодействий при высоких энергиях создан ускоритель нового поколения -Большой Адронный Коллайдер (БАК) на встречных пучках, позволяющий изучать рр - столкновения. При энергиях Еоц > 1016 эВ изучение взаимодействий протонов и альфа-частиц с ядрами атомов воздуха в настоящее время возможно только с помощью ПКЛ.
Необычные явления типа компланарного разлета вторичных частиц в актах сильного взаимодействия космических лучей с ядрами атомов атмосферы, наблюдаемые на высоте гор при сверхвысоких энергиях, не предсказываются современными теориями и моделями. Предпринимались различные попытки объяснить этот эффект на основе представлений об образовании и разрыве глюонного жгута при рассеянии кварка на антикварке, о двойных жестких дифракционных процессах и др.[1, 2]. Однако удовлетворительной интерпретации азимутальных эффектов в области энергий Е0 > 1016 эВ до сих пор не существует.
В экспериментах с рентген-эмульсионными камерами (РЭК) информация о свойствах сильных взаимодействий извлекается путем анализа характеристик гамма-семейств (групп генетически связанных у-квантов), возникающих в результате развития ядерно-электромагнитных каскадов (ЯЭК) в атмосфере от взаимодействия ПКЛ. В РЭК регистрируются не частицы, рождающиеся непосредственно в первом акте сильного взаимодействия, а вторичные адроны и у-кванты, образующиеся в результате нескольких последовательных ядерных столкновений и электромагнитных каскадных процессов в атмосфере.
Для физической интерпретации полученных данных и восстановления по наблюдаемым параметрам исходных у-семейств характеристик взаимодействия, необходимо сопоставление экспериментальных данных с расчетом прохождения ЯЭК через атмосферу на основе современных моделей сильных взаимодействий. В качестве такой модели в работе используется МСО-модель Кварк-Глюонных Струн [3].
Многокомпонентная МСО-модель, в основе которой лежит модель кварк-глюонных струн сильных взаимодействий, дополненная механизмом рождения КХД-струй [4], хорошо воспроизводит данные, полученные на ускорителях и общие характеристики у - семейств, зарегистрированных в РЭК в области энергии Е0 < 1015 эВ. В ней учитывается образование ад-ронных резонансов, странных и чармированных частиц как в мягких (включая дифракцию), так и в жестких (струйных) процессах. Адронные взаимодействия рассматриваются как неупругий процесс со средним коэффициентом неупругости <Кнеупр>, растущем от 0.5 при Е0 ~ 1015 эВ до 0.7 при Е0 ~ 1017 эВ.
Были использованы пространственный параметр лидирующей частицы Я1Е - расстояние (мм) исходного у-кванта от энергетического взвешенного центра до первой частицы с макси-
энергией
Ет
(ТэВ),
энергетически-
пространственные параметры Е( = X Е1К1 и Е,Я, , где Е- энергия
(ТэВ) /'-го исходного у-кванта, писх - число исходных у-квантов в семействе, Я - расстояние (мм) /-го исходного у-кванта от энергетического взвешенного центра исходного у - семейства. Исследование этих параметров позволяет оценить поперечные импульсы частиц во взаимодействии из соотношения р = Е
/Нэф [ГэВ], где е и ЕЯ измеряется в ГэВ-км, а Нэф ~ 1 км является эффективной высотой образования исходных у-семейств.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для сравнения экспериментальных данных с предсказаниями МСО-модели Кварк-Глюонных - Струн было проведено моделирование ядерно-электромагнитных каскадов в атмосфере при предположении относительно характера сильного взаимодействия адронов с ядрами атомов воздуха. Такой подход позволяет изучать чувствительность параметров гамма-семейств к модели элементарного акта взаимодействия частиц при сверхвысоких энергиях Еоц > 1016 эВ.
Ташкентской группой [5] Памирского сотрудничества был предложен параметр а - степень азимутальной анизотропии углового распределения вторичных частиц, который оказался чувствительным к механизму адрон - ядерных взаимодействий и не зависящим от методических условий наблюдения электронно-фотонных каскадов (ЭФК) в РЭК. Величина а определяется из выражения:
■ = Х 0082^ 1(пг(пг-1)) ,
(1)
где 0<е8<п, ¡=1,2,...,пу, ]=1,2,...,пу, Параметр а достигает максимального значения атах=1 для полностью компланарных событий и становится минимальным атп ~ 0 в случае изотропного, равномерного распределения азимутальных углов.
На характеристики у-семейств, наблюдаемых на высоте 4370 м над уровнем моря 600 г/см2, существенное влияние оказывает развитие электронно-фотонных каскадов (ЭФК) исходных у-квантов в атмосфере, снижающих чувствительность параметров Я1Еи Е{ к модели сильного взаимодействия. Эффективным методом снижения фоновых явлений, связанных с развитием электромагнитных каскадов в атмосфере, является процедура декаскадирования [6]. С этой целью группы близколежащих ЭФК, удовлетворяющих условию ^ < (70 = 10 ТэВ- мм [7], ^ = Як (1/Е+1/Ек)-1 , где - расстояния между /-м и к-м у- квантами, а Е, и Ек - их энергии), объединялись в исходные у-кванты (писх). Величина 1кк имеет смысл относительного поперечного импульса /-й и к-й частиц, умноженного на высоту их образования.
Для оценки энергии первичных частиц использовалась корреляционная зависимость:
!Е,= А^Писх •С ) +В , (2)
где С= писх / л'исх (л'исх - число «омоложенных» исходных у-квантов с энергиями Еисх > 0.04 X Еисх.) Коэффициенты А =0.6 и В=3.46 определяются из сравнения с МС0 - модели.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В работе анализируются Ы0 = 813 отобранные экспериментальные исходные у-семейства, зарегистрированные в РЭК в эксперименте «Памир», удовлетворяющие следующим критериям отбора: !ЕУ = 100 - 2000 ТэВ, число исходных у-квантов писх > 4 с минимальными энергиями Еиа > 4 ТэВ, семейства ограниченные радиусом Я0< 15 см.
На рис.1 представлены в эксперименте и МС0-модели дифференциальные распределения азимутальных параметров аисх исходных у-семейств, образованных во взаимодействиях протонов и а-частиц (р+а-семейств) ПКЛ с ядрами атомов воздуха. В эксперименте наблюдается избыток Дэксп = 0.10 ± 0.02 анизотропных исходных у - семейств при аисх > 0.2 по отношению к модели, который не описывается моделью при энергиях Еоц > 1016 эВ. Среднее значение параметра а = 0.16 в экспе-
и
рименте по всем событиям оказалось в 1.6 раза больше, чем
а = 0.10 в модели.
исх
Рис. 1. Дифференциальное распределения азимутальных параметров аисх исходных у-семейств. Точки с ошибками - эксперимент, пунктирная линия - МС0 - модель и штрих-пунктирной линией показан избыток Дэксп исходных у-семейств по отношению к модели.
значении параметров а
с увеличением характеристики
ERисх, при этом величины а
вышерассмотреннои модели
^ = Пу / Писх , (3)
где d - величина, указывающая на то, сколько наблюдаемых гамма - квантов (пу) образовались от электронно-фотонных каскадов на уровне наблюдения РЭК от одного исходного гамма - кванта писх.
На основе МСО-модели был разработан критерий отбора d > 1.3 для расчетных исходных (р+а)-семейств с энергией Еоц > 1016 эВ. Отобраны (р+а)-семейства с высокой эффективностью 80 % и с малой примесью 8 % фоновых А-семейств, образованных от взаимодействий первичных ядер с массовым числом А > 4 с ядрами атомов воздуха.
На рис. 3. приведены распределения характеристик лидирующих частиц Я1Е для экспериментальных и расчетных исходных (р+а)-семейств, отобранных по критерию d > 1.3. Экспериментальное распределение пространственной характеристики И1Е отличается от МСО-модели. Среднее значение величины К1Е в эксперименте ~ в 1.45 раза больше, чем аналогичное значение К1Е в МСО-модели. Как видно из рисунка, в эксперименте наблюдается избыток исходных (р+а)-семейств с большими значениями Я1Е в области Я1Е > 15 мм по отношению к этим же величинам МСО-модели. Анализ рис.3 показывает, что доля таких исходных (р+а) -семейств в модели составляет: рмод = ^(И1Е > 15 мм) / N = 0.16, а в эксперименте эта доля
К1Е
гораздо больше (~ в 1.7 раза) и равна 0.27 ± 0.02.
> ЕН.ЪВ-а
Рис. 2. Зависимость азимутального параметра а от средней
величиныЕКисх.Точки с ошибками - эксперимент, пунктирная линия - МС0 - модель.
На рис.2 приведена зависимость азимутального параметра аих от ЕК исх пространственно - энергетической характеристики исходных у-семейств. Согласно полученным данным, в области небольших значений ЕКисх < 500 ТэВ-мм величины а согласуются между собой в модели и эксперименте и
исх
составляют небольшую величину а ~ 0.10, соответствующую фоновому эффекту, обусловленному флуктуациями в развитии ЯЭК в атмосфере. Однако в области больших ЕКисх > 500 ТэВ-мм наблюдаются резкое возрастание экспериментальных
остаются практически неизменными.
Пространственные Н1Е и энергетически-пространственные Е( характеристики.
Для изучения пространственных характеристик исходных у-семейств, образованных от взаимодействий первичных протонов и а- частиц ((р+а)- семейств) с ядрами атомов воздуха, в работе осуществлялся отбор экспериментальных и расчетных исходных у-семейств с помощью величины
Рис. 3. Дифференциальные распределения характеристики RiE для исходных (р+а)-семейств. Точки с ошибками - эксперимент, сплошная линия - МСО-модель.
На рис. 4 представлены зависимости средних значений величины Rie от энергетически-пространственного параметра Et исходных (р+а)-семейств, отобранных по критерию d > 1.3.
Как видно из рис. 4 в области Et < 3000 ТэВ-мм зависимость RiE для МСО-модели согласуется с экспериментом в пределах ошибок, а в области Et > 3000 ТэВ-мм экспериментальная зависимость RiE с увеличением параметра Et возрастает быстрее по отношению к зависимости Rie в МС0-модели. При Et > 3000
ТэВ-мм среднее значение величины <Rie > полученное в эксперименте в 1.5 раза больше, чем в МС0-модели.
В МСО-модели для одномерных пространственных и энергетических характеристик исходных семейств, образованных от взаимодействий первичных протонов и а-частиц (р + а-семейств) и ядер с массовым числом А > 4 (А-семейств) с ядрами атомов воздуха, были построены их распределения.
ИССЛЕДОВАНИЕ АЗИМУТАЛЬНЫХ ЭФФЕКТОВ ИСХОДНЫХ ГАММА-СЕМЕЙСТВ ПРИ ЭНЕРГИЯХ ZEV = 100 - 2000 ТэВ
Нуритдинов Х., Абсалямова И. И., Кулахмедов Н. Н., Максудов А. У., Шаякубов Д. Б.
малой примеси 6 % А-семейств и по критерию d > 1.45мм с высокой эффективностью 75 % отбираются р+а- семейства при этом примесь А-семейств составила 7 %.
На рис. 6 приведены зависимости параметров лидирующих частиц К1Е от суммарной энергии !ЕУ исходных у-семейств, образованных от взаимодействия первичных ядер (р + а- частиц) с ядрами атомов воздуха, отобранных по критериям d >
1.3 (а) и Я < 50 мм (б). Как видно из рисунков, экспериментальные средние значения Я1Е по двум критериям с увеличением !ЕУ уменьшаются и в эксперименте и МС0-модели.
Рис. 4. Зависимости характеристик Rie от энергетически-пространственного параметра Et исходных (р+а)-семейств. Точки с
ошибками - эксперимент, пунктирная линия - МСО-модель. На рис. 5 для МСО-модели представлены распределения одномерных пространственных Rucx (рис. 5а) и энергетических d (рис. 5б) характеристик исходных р +а- и А-семейств. В рис. 5 одинаково обозначены сплошными линиями - исходные р+а-семейства, а пунктирными линиями - исходные А-семейства.
б)
Рис. 5. Распределения одномерных пространственных Яисх (а) и энергетических Ь (б) характеристик для р+а- и А-семейств.
Как видно из рис. 5 одномерные пространственные (Яисх) и энергетические (Ь) характеристики исходных р +а - семейств и А-семейств резко отличаются между собой. Это различие параметров Яисх и Ь позволило использовать их в качестве критериев отборов р+а- и А-семейств. По критерию Я < 50 мм с высокой эффективностью 80 % отбираются р+а-семейства при
б)
Рис. 6. Зависимости параметров лидирующих частиц от суммарной энергии !БУ исходных у-семейств, образованный от взаимодействия первичных ядер (р + а- частиц) с ядрами атомов воздуха, отобранный по критериям Ь > 1.3 (а) и Я < 50 мм (б). Точки с ошибками -эксперимент «Памир», пунктирные линии - МС0-модель.
ВЫВОД
Происхождение азимутальных корреляций можно интерпретировать в рамках Кварк - Глюонных моделей, когда в результате жёсткого соударения глюонов образуются две струи адронов, разлетающихся в противоположных направлениях с большими поперечными импульсами.
Изучение азимутальных корреляций открывают новые возможности для исследования событий с рождением узкокор-реллированных групп частиц (струй) с большими поперечными импульсами, которые не объясняются в рамках Стандартной модели в области энергий Еоц =1016-1017 эВ.
Таким образом, полученный результат указывает, что в областях Я1Е > 15 мм и Е( > 3000 ТэВ-мм в эксперименте наблюдаются события с большими поперечными импульсами лидирующих частиц во взаимодействиях первичных протонов и а- частиц с ядрами атомов воздуха при энергиях Еоц >1016 эВ по отношению к МС0-модели кварк-глюонных струн. Предложенная пространственная характеристика К1Е оказалась чувствительной к модели сильного взаимодействия.
Список литературы:
1. F. Halzen and D. A. Morris, Phys. Rev. D 42, 5, 1435 (1990).
2. I. I. Royzen, Mod. Phys. Lett. A 9, 3517 (1994).
3. G. F. Fedorova and R. A. Muchamedshin, Bull. Soc. Sci. Lettr. Lodz, Ser. Rech. Def. XVI, 137 (1994).
4. R. A. Muchamedshin, Nucl. Phys. B (Proc. Supll.) 1999. 75A. pp. 141143.
5. T.S. Yuldashbaev. «The azimutal assimetry in high energy interaction». Proc. S-th International. Symp. on Superhigh Energy Cosmic Ray int. and Particle Phys., Tokyo, Japan, (1994), pp.84 -10S.
6. ЛЛ". Барадзей, Ю. А.Смородин, Е. А. Солопов, Препринт № 103, ФИАН Mосква (1974).
7. Д.А. Халилов. Сравнительный анализ пространственных характеристик гамма - и адронных семейств при энергии выше 1015 эВ. Автореферат дисс. канд. физ.-мат. наук, Ташкент - 1986.
ОТЗЫВ
на статью «Исследование азимутальных эффектов исходных гамма-семейств при энергиях IEV = 1OO - 2000 TэB» Х. Нуритдинова, И.И. Абса-лямовой, Н.Н. Кулахмедова, А.У. Mаксудова, Д.Б. Шаякубова
Космические лучи являются уникальным инструментом исследования процессов, энергетический порог возникновения которых чрезвычайно высок и дают принципиальную возможность обнаружения новых закономерностей в области физики высоких энергий. Для исследования сильных взаимодействий при высоких энергиях создан ускоритель нового поколения - Большой Адронный Коллайдер (БАК) на встречных пучках, позволяющий изучать pp-столкновения. При энергиях Eo; > 1O16 эВ изучение взаимодействий протонов и альфа-частиц с ядрами атомов воздуха в настоящее время возможно только с помощью ПКЛ.
Необычные явления типа компланарного вылета вторичных частиц в актах сильного взаимодействия космических лучей с ядрами атомов атмосферы при сверхвысоких энергиях, не предсказываются современными теориями и моделями.
Для физической интерпретации полученных данных и восстановления по наблюдаемым параметрам исходных у-семейств характеристик взаимодействия, необходимо сопоставление экспериментальных данных с расчетом прохождения ЯЭК через атмосферу на основе современной модели Mœ Кварк-Глюонных Струн сильных взаимодействий.
Рассмотрены дифференциальные распределения азимутальных параметров а-частиц (р + а)-семейств для MŒl-модели и эксперимента.
Также проведены работы по пространственным R1E и энергетически-пространственным Et характеристикам.
На характеристики у-семейств, наблюдаемых на высоте 4370 м над уровнем моря 600 г/см2, существенное влияние оказывает развитие электронно-фотонных каскадов (ЭФК) исходных у-квантов в атмосфере, снижающих чувствительность параметров R1E и Et к модели сильного взаимодействия.
Полученные экспериментальные результаты, дифференциальные распределения приведены в виде рисунков сравнивая с Mœ-моделью.
Работа носит фундаментальный характер и может быть опубликована в журнале Computational nanotechnology
Рецензент
д-р тех. наук
Рахимов Р.Х.
