ПРОБЕГ ПОГЛОЩЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ ОДИНОЧНЫХ ГАММА-КВАНТОВ С ЭНЕРГИЕЙ 10 - 60 ТэВ НА УРОВНЕ г. ЧАКАЛТАЯ В БОЛИВИИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.171.017

ПРОБЕГ ПОГЛОЩЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ ОДИНОЧНЫХ ГАММА-КВАНТОВ С ЭНЕРГИЕЙ 10 - 60 ТэВ НА УРОВНЕ

г. ЧАКАЛТАЯ В БОЛИВИИ

Р. Альяга1

В рамках коллаборации Памир - Чакалтая на основании результатов измерений с идентичными рентгенэмулъси-онными камерами вычислено значение пробега поглощения (АаЬа) одиночных гамма-квантов в диапазоне энергий 10 — 60 ТэВ. Определение \аья проводилось путем сопоставления вертикальных интенсивно стей гамма-квантов на Памире (600 г/см2) и г. Чакалтая (540 г/см2) и по угловому распределению одиночных гамма-квантов на г. Чакалтая.

Характер поглощения ядерно-электромагнитных каскадов (ЯЭК), инициированных в атмосфере частицами первичного космического излучения (ПКИ) высокой энергии, определяется как свойствами ПКИ (состав, энергетический спектр), так и характер и стиками сильного взаимодействия. Поэтому изучение пробега поглощения Ааь3 различ ных компонент ЯЭК является хорошим способом экспериментального определения сечения неупругого взаимодействия сг{п(Е) и коэффициента неупругости КШ(Е) в адрон ядерных взаимодействиях при сверхускорительных энергиях. В настоящей работе пред ставлены результаты анализа экспериментальных данных, полученных методом рен 1 генэмульсионных камер (РЭК), экспонировавшихся на г. Чакалтая в Боливии (5200 м над уровнем моря, 540 г/см2).

Зависимость Ааь3 от СГ{П(Е) и КШ(Е) носит достаточно сложный характер, выде лить зависимость от каждой переменной порознь не удается, поэтому оценку <т,п(£) и

1 Университет св. Андрея, Ла-Пас, Боливия.

Ktot(E) по экспериментальным данным о Ааья можно получить, сравнивая экспериментальные значения \аь3 с вычисленными по различным моделям, в которых предполагаются различные механизмы взаимодействия и различные характеристики ПКИ [1, 2 Для экспериментального определения Aa(,s возможны два подхода в предположении эк< поненциальной зависимости интенсивности числа событий с энергией Е-у выше заданном от глубины поглотителя Н (0 - зенитный угол). Один из них состоит в том, что идентичными РЭК определяется вертикальная интенсивность /(> Е^,Н,0) на двух глубинах в атмосфере (Н\, Я2), а затем пробег поглощения из соотношения

В другом методу производится измерение дифференциального углового распределе ния зарегистрированных событий на одной глубине — д cos 0 ехр( — Н/Хаь5 cos 0).

(где dVl - телесный угол). Это выражение удобно представить в виде

, dl(> Н, 0) „ Я

ln J n = Л1 - !^sec0 2

a cos1 fc) Aabs

(дополнительный множитель cos 0 возникает из выражения для эффективной площади при регистрации событий плоским детектором).

Наличие измерений на Памире [3] и Чакалтая позволяет использовать оба метода Заметим однако, что указанные два метода не являются полностью независимыми, т.к. в первом методе при пересчете от глобальной интенсивности к вертикальной необходимо знание углового распределения.

В рамках совместной работы "Эмульсионный эксперимент Памир - Чакалтая исследования с РЭК проводятся в Боливии на г. Чакалтая на высоте 5200 м над уровнем моря (540 г/см2). В работе используются РЭК двух типов (рис. 1): а) двухэтажная РЭК с площадью 20 м2, в которой в верхней части (Г-блок) имеются пластины свинца общей толщиной 6 см и в нижней части (Н-блок) - 5 см, прослоенные рентгенографической пленкой; б) тонкая РЭК (Г-блок) с площадью 40 м2, которая состоит из слоев свинцового поглотителя общей толщиной 7 см, прослоенных (начиная с глубины 2 см) рентгено графической пленкой. Суммарная экспозиция обеих камер составляет 76,5 м2 ■ год. В камерах использовалась такая же двухсторонняя рентгенографическая пленка РТ-6-1 размером 50 х 100 см2, что и в РЭК на Памире. Анализ результатов проводился в Фм зическом институте им. П. Н. Лебедева по методике, которая принята в сотрудничества эксперимента "Памир" [3].

и о

О

ю

шшж т

У /////////ил

\//////////т

V/////////ТПА У//////////Ш

у//////////дт У///////////Ш У///////////11Л

2

и

2 и о

= \//////////7гт ,

\/;ппп/Г77Ш |

Свинец РТ-6-1

[ ] Углерод

УШ/////////А Т

\/}////////////л ё У///П/Ш//7т

2 \?т//////7ТТТ7\

У//////////////Д

У///////У/////М

% о

Рис. 1. Рентгенэмульсионные камеры, экспонировавшиеся на г. Чакалтая.

Работа с пленкой начинается с визуального поиска пятен потемнения от электронно-фотонных каскадов (ЭФК). При просмотре сравнивались две рентгеновские пленки, лежащие друг над другом в одном пакете на глубине 5 см (или ~ 10 каскадных единиц) Основным критерием того, что событие действительно связано с ЭФК, служило наличие одинаковых (по форме, оптической плотности) пятен на обеих пленках и совпадение углов падения.

Зенитный угол 0 падения ЭФК определяется по измерениям в рентгенографической пленке, покрытой фотоэмульсией с обеих сторон пластиковой подложки, из соотношения tg0 = Ах//, где Ах - сдвиг в горизонтальной плоскости между пятнами потемнения в верхнем и нижнем слоях эмульсии, I - расстояние между ними по вертикали, равное сумме толщины подложки и толщины слоя фотоэмульсии до проявления. Как показыва ют измерения, величина I колеблется в пределах 10%, что приводит к изменению Адо 20%. В настоящей работе для пленки РТ-6-1 принято среднее значение / = 209 ±7 мкм.

Измерения производились с помощью микроскопа МБС-2 с погрешностью 3,8°.

Основная характеристика фотографической пленки - кривая почернения D(n), i.e. зависимость почернения элемента площади пленки от плотности числа электронов прошедших через этот элемент, - описывается двухпараметрической кривой О(п) = Doo(l — e~ns), где s - эффективная площадь зерна эмульсии, Д» - максимальное потемнение, до которого может быть засвечена пленка при бесконечной экспозиции. На пленку наносятся калибровочные метки радиоактивным источником, и по ним определяются параметры D^ и s кривой почернения данной пленки. Формула, которая позволятi вводить также поправки на стандартизацию фотометра и рассеянный свет, имеет вид

[4]

здесь Вт - измеренная оптическая плотность пятна, Д. - исправленная на нестандартность фотометра и рассеянный свет, Иь - оптическая плотность фона, а = 3, 7 и б = 2,61 ±0,02 мкм2 - экспериментальные параметры кривой почернения для пленки данной проявки.

1(У

10'

10° lini_I j j j iilil 1\| III 10°

10' 102 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

E, ТэВ SEC 0

Рис. 2. Энергетический спектр одиночных гамма-квантов. Рис. 3. Угловое распределение гамма-квантов с Е^ > 12,6 ТэВ.

N (>Е)

10'

dN/dcos2©

103

10J

10'

I i

За время экспозиции РЭК было зарегистрировано 796 каскадов от одиночных гамма-квантов из атмосферы. По этим данным был построен интегральный энергетический спектр (рис. 2), который в области Е7 > 12,6 ТэВ аппроксимируется функцией iV(> EJ = Л^о(^/12,6)-2'25±0'05, где Е7 измеряется в ТэВ.

Вертикальная интенсивность имеет вид /0(> 0) = N(> E~,)/STuj, где S

площадь установки, Т - время экспозиции и ш - эффективный телесный угол, который приближенно выражается формулой ш = 27г(1 — cosm+10)/(m + 1) = 0,65. Отсюда находим /0 = 8, 7 ± 0, 7 м~2г~1ср~1.

На рис. 3 приведено экспериментальное угловое распределение гамма-квантов с Е1 > 12,6 ТэВ (N = 441) в переменных 1п[Д/(> Е1, Н, 0)/Д cos2 О], sec0. Для постро ения гистограммы использовалось разбиение на интервалы Д cos2 0 = 0,09. Видно, что в соответствии с формулой (2) распределение в этих переменных хорошо аппроксимируется прямой линией, подбирая которую методом наименьших квадратов, получаем Aa6s = 112 ±17 г!см2.

В работе [5] приведен энергетический спектр гамма-квантов в диапазоне Е~, = 5,5 — 60 ТэВ на высоте Памира (600 г/см2). Используя эти результаты, можно по формуле (1) определить пробег поглощения гамма-квантов в воздухе методом сравнения интенсивности на двух высотах при Е7 > 12,6 ТэВ, что дает Ааь$ = 117 ± 51 г/сл".

ЛИТЕРАТУРА

[1] D е п i s о v а V. G. et а1. Препринт ФИАН N 45, М., 1994.

[2] А к а s h i М. et al. Phys. Rev. D, 24, no. 9, 2353 (1981).

[3] Байбурина С. Г. и др. Труды ФИАН, 154, 1 (1984).

[4] К а н е в с к а я Е. А., Н а м Р. А., С м о р о д и н Ю. А. Препринт ФИАН N 170, М., 1988.

[5] А ф а н а с ь е в a JI. Г. Дисс. кан. физ-мат. наук, Москва, 1981.

Поступила в редакцию 25 июня 1996 г.