CC BY
18
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАММА-СЕМЕЙСТВ, ОБРАЗОВАННЫХ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ПРОТОНОВ И АЛЬФА-ЧАСТИЦ ПЕРВИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С ЯДРАМИ АТОМОВ ВОЗДУХА
Нуритдинов Х., Абсалямова И. И., Кулахмедов Н. Н., Максудов А. У., Шаякубов Д. Б.
8.7. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАММА-СЕМЕЙСТВ, ОБРАЗОВАННЫХ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ПРОТОНОВ И АЛЬФА-ЧАСТИЦ ПЕРВИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С
ЯДРАМИ АТОМОВ ВОЗДУХА
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 Е0 = 1016-1017эВ рассмотрены распределения пространственных характеристик р = R,E/Rncx для исходных у-семейств, а также зависимости р от суммарной энергии £ЕУ , образованных во взаимодействиях протонов и альфа-частиц первичных космических лучей (ПКЛ) с ядрами атомов воздуха. Распределения и зависимости пространственных характеристик р для исходных (p + а)-семейств различаются в эксперименте по отношению к модели. Эта характеристика оказалась чувствительной к механизму адрон-ядерных взаимодействий в области энергий Е0 = 1016-1017эВ.
Ключевые слова: первичные космические лучи, рентген-эмульсионные камеры, гамма-семейства.
THE INVESTIGATION OF SPATIAL CHARACTERISTICS OF GAMMA-FAMILY FORMED IN INTERACTIONS OF PROTONS AND ALPHA-PARTICLES OF PRIMARY COSMIC RAYS WITH NUCLEI OF AIR ATOMS
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: Based on the «Pamir» experiment data of ultrahigh energies E0 = 1016-1017 eV were considered distributions of spatial characteristics p = Rie/^in for the initial y-families, as well as the dependence of р of the total summary energy ZEy formed in interactions of protons and alpha-particles of the primary cosmic rays (PCR) with the nuclei of air atoms. Distributions and dependence of spatial characteristics р for the initial (p + a)-families differ in the experiment in relation to the model. This characteristic was sensitive to the mechanism of hadron-nuclear interactions at energies E0 = 1016-1017 eV. Index terms: Primary Cosmic Rays, X-ray emulsion chambers, gamma-families.
I. 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 на встречных пучках, позволяющий изучать рр-столкновения. При энергиях Е0 > 1016 эВ изучение взаимодействий протонов и альфа-частиц с ядрами атомов воздуха в настоящее время возможно с помощью ПКЛ.
Особую актуальность экспериментам с РЭК придает тот факт, что изучаемая кинематическая область взаимодействия фрагментации налетающих частиц (фейнмановская переменная х=2р || / 'Л > 0,1) до сих пор остается не исследованной в экспериментах на ускорителях на встречных пучках. При этом диапазон исследуемых энергий с РЭК на несколько порядков превышает энергии, достигнутые в ускорительных экспериментах с неподвижной мишенью.
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 многокомпонентных моделей сильных взаимодействий. В качестве такой модели в работе используется МС0- модель Кварк-Глюонных Струн [1], дополненная механизмом рождения КХД-струй [2]. МСО-модель хорошо воспроизводит данные, полученные на ускорителях и общие характеристики у-семейств, зарегистрированных в РЭК в области энергии Е0 < 1015 эВ. В ней учитывается образование адронных резонансов, странных и чармиро-ванных 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.
II. МЕТОДЫ АНАЛИЗА
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 параметра р к модели сильного взаимодействия. Эффективным методом снижения фоновых явлений, связанных с развитием электромагнитных каскадов в атмосфере, является процедура де-каскадирования [3]. С этой целью группы близколежащих ЭФК, удовлетворяющих условию
<70 (70 = 10 ТэВ-мм, = % (1/Е+1/Ек)л, где Нк - расстояния между /-м и к-м у- квантами, а Е, и Ек - их энергии), объединялись в исходные у-кванты (писх). Величина 7к имеет смысл относительного поперечного импульса /-й и к-й частиц, умноженного на высоту их образования.
Для оценки энергии первичных частиц использовалась корреляционная зависимость:
!ЕЕоц= А^Писх •С ) +В , (1)
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.
На основе МС0-модели для двумерных энергетических и пространственных характеристик исходных гамма-семейств, образованных от (р+а)- и А- семейств (с массовым числом А > 4) при сверхвысокой энергии Е0=1016-1017 эВ, изучались следующие параметры:
Е Я = Еисх / Я исх , (2)
где ЕЯ -отношение средней энергии
1
Е исх —-^^ Е
к среднему расстоянию
Rucx —-^ R/
от энергетически взвешенного центра семейства для каждого гамма-семейства;
йК = а / Яисх, (3.) где dR - отношение величины d=nv/nисх к среднему расстоянию Я исх для каждого исходного гамма-семейства.
Для исходных (р+а)- и А-семейств построены дифференциальные распределения Ея , dR - энергетически - пространственных величин. Оказалось, что распределения этих двумерных параметров для взаимодействий (р+а)А и АА резко отличаются между собой [4]. Это позволило использовать их в качестве критериев отбора исходных (р+а)- и А-семейств.
В таблице для (р+а)- семейств приведены эффективности отбора Пр+а, примеси ПА А-семейств и коэффициента подавления фона Jф в зависимости от различных двумерных критериев отбора Е „ и dR.
Таблица
Приведены критерии отбора исходных (р+а)-семейств для различных двумерных параметров Е ци с^.
d„>0.042 E r>0.4
Пр+ а 0.77 0.78
Па 0.05 0.06
Jo 3.0 2.8
Из таблицы видно, что с использованием двумерных критериев отбора E R >0.4 и dR>0.042 с эффективностью (пр+а ~ 76%) отбираются исходные (р+а)-семейства с небольшой примесью исходных А-семейств (ПА ~6%) и коэффициент подавления фона (1Ф=3) раза среди прошедших по критериям событий при энергиях E0 = 1016 -1017 эВ.
Таким образом в эксперименте с высокой эффективностью отбираются исходные (р+а)-семейства по двум критериям отбора.
III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И МОДЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Анализировались N0=813 экспериментальные исходные семейства, зарегистрированные в РЭК Памирского сотрудничества, удовлетворявшие следующим критериям отбора: суммарная ХЕио( =100-2000 ТэВ, число исходных квантов писх > 3 с
i—1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАММА-СЕМЕЙСТВ, ОБРАЗОВАННЫХ ВО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ПРОТОНОВ И АЛЬФА-ЧАСТИЦ ПЕРВИЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ С ЯДРАМИ АТОМОВ ВОЗДУХА
Нуритдинов Х., Абсалямова И. И., Кулахмедов Н. Н., Максудов А. У., Шаякубов Д. Б.
минимальными энергиями Еисх > 4 ТэВ, семейства ограниченные радиусом R= 15 см.
Из имеющихся банка данных искусственных исходных семейств были отобраны по МС0-модели N=3783 согласно общим критериям отбора семейств, удовлетворяющих критериям отбора экспериментальных исходных семейств.
Ташкентской группой Памирского сотрудничества была предложена величина
К исх
где R1E - расстояние исходного у-кванта от энергетически взвешенного центра до первой частицы с максимальной энергией Етах. На рис. 1 представлены дифференциальные распределения пространственных характеристик
К и
Ек > 0.4 (а) и dR > 0.042 (б). Экспериментальные результаты, отобранных по критериям отличаются во всем интервале энергии !Еио< = 100 - 2000 ТэВ и расположены выше относительно МС0-модели. В обоих критериях экспериментальные средние значения величин р = 0.42 ± 0.02 оказались в 1.3 раза
г эксп
больше, чем рмсо = 0.32 в модели.
К исх
исходных (р+а)-семейств для экспериментальных и расчетных семейств, отобранных по критериям
Ек >0.4 (а) и dR > 0.042 (б).
б)
Рис. 1. Дифференциальные распределения пространственных характеристик р для экспериментальных и расчетных исходных гамма-семейств. Точки с ошибками - эксперимент, пунктирная линия - МС0-модель.
Как видно из рисунков 1 (а, б) наблюдаются избытки Др+а = 0.15±0.02 (а), Др+а=0.17±0.03 (б) экспериментальных событий с большими значениями р > 0.2 по сравнению с МС0-моделью которые слабо зависят от критериев отбора.
На рис. 2 (а, б) представлены зависимости величины р от суммарной энергий !Еисх исходных (р+а) -семейств в области !Еио< = 100 - 2000 ТэВ, отобранных по двум критериям
б)
Рис. 2. Зависимости пространственных характеристик р от !ЕУ. Точки с ошибками - эксперимент, пунктирная линия - МС0- модель.
В области энергий Е0 = 1016 - 1017 эВ величина р оказалась чувствительна к механизму сильного взаимодействия. Полученные результаты в эксперименте не согласуются со стандартной моделью.
Список литературы:
1. G. F. Fedorova and R. A. Muchamedshin, Bull. Soc. Sci. Lettr. Lodz, Ser. Rech. Def. XVI, 137 (1994).
2. L.V.Gribov et el., Phys.Reports, (1983), C100, p. 1.
3. Л. Т. Барадзей, Ю. А.Смородин, E. А. Солопов, Препринт № 103, ФИАН (Москва,1974).
4. Х. Нуритдинов, И.И. Абсалямова, H.H. Кулахмедов, Д.Б. Шаякубов. Узбекский физический журнал, 15, № 5-6, 325, (2013).
РЕЦЕНЗИЯ
на статью: «Исследование пространственных характеристик гамма-семейств, образованных во взаимодействиях протонов и альфа-частиц первичных космических лучей с ядрами атомов воздуха» Х. Нуритдинов, И.И. Абсалямова, H.H. Кулахмедов, А.У. Максудов, Д.Б. Шаякубов
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 на встречных пучках, позволяющий изучить рр-столкновения. При энергиях Е0>1016эВ изучение взаимодействия протонов и альфа-частиц с ядра-
ми атомов воздуха в настоящее время возможно с помощью первичных космических лучей (ПКЛ).
Особую актуальность экспериментам с рентгенэмульсионной камерой (РЭК) придает тот факт, что изучаемая кинематическая область взаимодействия фрагментации налетающих частиц (фейнма-новская переменная х=2р*|| / > 0,1) до сих пор остается не исследованной в экспериментах на ускорителях на встречных пучках. При этом диапазон исследуемых энергий с РЭК на несколько порядков превышает энергии, достигнутые в ускорительных экспериментах с неподвижной мишенью.
Эти исследования важны, так как в этих экспериментах появляется возможность проверки справедливости современной теории элементарных частиц - Стандартной Модели на самых малых расстояниях. Экспериментальное подтверждение суперсимметрии способствовало бы большому прорыву не только в космологии, но также и в физике элементарных частиц.
В этой работе рассмотрено распределение пространственной характеристики р = Я1Е /Я исх для исходных (р+а)-семейств в области сверхвысоких энергий Е0 >1016 - 1017 эВ.
Изучение характеристик взаимодействия и состава ПКЛ при сверх-
высоких энергиях Е0 = 1016 - 1017 эВ проводятся в рамках Международного сотрудничества "Памир-Чакалтая", в котором принимали участие научные учреждения России, Польши, Японии, Боливии, Казахстана, Таджикистана и Узбекистана. В результате в ФТИ АН РУз был создан банк экспериментальных данных, анализ которых позволяют определять различные характеристики ПКЛ и их взаимодействия.
В настоящее время создается международный научно-исследовательский центр (МНИЦ) «Памир-Чакалтая», который даст возможность возобновить эти исследования с помощью самой масштабной в мире РЭК на Памире, модернизированный вариант которой позволит регистрировать также широкие атмосферные ливни с помощью сцинтилляционных детекторов. Это существенно увеличивает по сравнению с другими подобными экспериментами точность и надежность определения астрофизических параметров ПКЛ (форму спектра и массовый состав).
Работа носит фундаментальный характер и может быть опубликована в журнале Computational nanotechnology.
Рецензент д-р техн. наук
Рахимов Р.Х.
