CC BY
16
УДК 539.073
СТРАТОСФЕРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТА ВЫСТРОЕННОСТИ В ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПРИ > 6 ТЭВ
А. С. Борисов1, В. Г. Денисова1, К. А. Котельников1, В. С. Пучков1, Ю.А. Трубкин1, А. В. Варгасов2, Р. А. Мухамедшин2
Обсуждается проект эксперимента по облучению частицами первичны,а; космических лучей во время, циркумполярных полетов вокруг Северного полюса стратосферных фотоэмульсионных камер для, изучения, химического состава первичны,х космических лучей и изучения, эффекта, выстроенности при энергиях ~1016 эВ.
Ключевые слова: эффект выстроенности в ядерных взаимодействиях, рентгеноэмутть-сионньте камеры, стратосферные исследования в космических лучах.
Регистрация на LHC коррелированных пар частиц в ядерных взаимодействиях протонов высокой энергии [1] и теоретический анализ таких событий, возможно, позволит понять наблюдаемую в космических лучах при высоких энергиях (> 1016 эВ) азимутальную анизотропию в разлете вторичных частиц [2]. Этот эффект в последующем получил название выстроенность [3 5]. Эффект выстроенности (alignment) вторичных частиц при столь высоких энергиях состоит в том. что разлет генерированных в ядерном взаимодействии частиц происходит в очень узком диапазоне азимутальных углов, т.е. наблюдается труднообъяснимая очень жесткая корреляция в разлете возбужденной ядерной материи. На рис. 1 приведена фотография рентгеновской пленки экспериментальной стратосферной установки, на которой видны каскады центральной части воздушного семейства вторичных частиц [2]. образованных в результате неупругого взаимодействия с ядром атома воздуха первичной частицы космического излучения с энергией, равной приблизительно 2 • 1016 эВ. На фотографии отчетливо видна азимутальная асимметрия разлета частиц узкого конуса события. Критерий выстроенности
1 Институт ядерных исследований РАН.
2 Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, 119991, Москва, Ленинский пр-т, 53.
Л [3-6], рассчитанный для данного события, оказался больше 0.9, а вероятность наблюдения такой анизотропии из-за возможных флуктуаций в углах разлета вторичных частиц не превышает 0.03% [7].
Как было показано в работах [3, 4], выстроенность начинает проявляться при энергиях первичных частиц космических лучей выше 1016 эВ, и этот эффект определяется вторичными частицами, имеющими большие энергии и большие поперечные импульсы.
Существующие теоретические модели ядерных взаимодействий не в состоянии в сколько-нибудь полной мере дать физическое объяснение наблюдаемому эффекту. Скорее всего в данном случае проявляется неизвестное до настоящего времени фундаментальное свойство материи. Поэтому представляется весьма целесообразным в ближайшие 2-3 года провести в стратосфере исследования, нацеленные на получение экспериментальных данных по воздушным семействам, в которых фон от каскадных процессов в атмосфере не мешал бы анализировать эффект выстроенности.
• *
Рис. 1: В центральной части фотографии рентгеновской пленки видна азимутальная асимметрия каскадов от частиц узкого конуса ядерного взаимодействия с энергией • 1016 эВ, которое произошло в стратосфере на расстоянии ^50 метров над установкой. Рентгеновская пленка при экспозиции находилась под свинцом на глубине 8 каскадных единиц. На оси ливня видно большое пятно от гало, созданного лидирующей частицей события.
В настоящее время вся мировая статистика так называемых "чистых" семейств содержит всего 2 события - одно стратосферное событие зарегистрировано сотрудниками
ФИ АН [2], другое - физиками Франции [5]. В рамках обсуждаемой программы предполагается провести месячных полетов аэростатов по циркумполярным трассам вокруг Северного полюса. Высота полета должна быть небольшой, около 20 км, с тем, чтобы можно было получить достаточную для физического анализа статистику ядерных взаимодействий частиц первичного космического излучения.
На рис. 2 схематично показана стратосферная установка, которая представляет собою тонкую рентген-эмульсионную камеру (РЭК). Камеры предполагается облучать ядрами сверхвысоких энергий первичных космических лучей в стратосфере при проведении циркумполярных полетов аэростатов вокруг Северного полюса.
Рис. 2\ I - узел подвески; 2 - РЭК; в разрезе рентген-эмульсионной камеры показано легкое вещество (оргстекло) толщиной Н2 = 30 с,м 0.3 ), в верхней части которого расположены 3 слоя тонкослойной ядерной эмульсии. Под оргстеклом - 6 слоев свинца, переложенных рентгеновской пленкой толщиной Н1 = 3 см; 3 - платформа.
Исходные параметры, которые были использованы для оценки вероятности регистрации стратосферных семейств:
1. I(> 1016еУ) = 4 • 10-51/ш2Ъ й!ег;
2. Б = 7 т2;
3. Р = 5000
4. р1 = 11 ^ст3 - РЬ;
5. Н1 = 3 ст - 6 Си;
6. р2 = 1 g/cm3 - light material;
7. h2 = 30 cm « 0.3Л,П - 0.5 Cu:,
8. ДП = 2;
9. T = 1 месяц ~ 700 h.
При таких исходных параметрах расчета для одномесячного циркумполярного полета аэростата вероятность регистрации стратосферного семейства, энергия первичной частицы которого выше > 1016 эВ, составляет всего 2 • 10_1. Если окажется возможным
провести 10 полетов камер проекта, то можно рассчитывать на то. что будет зареги-
1016
камерах будет зарегистрировано около 200 семейств с энергиями выше 1015 эВ. Такая статистика событий позволит не только подтвердить или опровергнуть гипотезу существования вьтстроенности. но в случае ее подтверждения определить энергетический порог этого эффекта.
Кроме вьтстроенности. экспериментальный материал, полученный при проведении 10 полетов стратосферных рентген-эмульсионных камер, позволит определить химический состав первичных космических лучей в области перегиба энергетического спектра (при энергиях «1015 эВ). Такие измерения можно проводить для ядер первичного излучения. проскочивших до камер без взаимодействия в остаточной атмосфере и испытавших взаимодействие в слое легкого вещества, который располагается над свинцовыми пластинами. Если окажется возможным проложить верхние слои легкого вещества камеры 2 3 пленками тонкослойной ядерной фотоэмульсии, то можно будет определять Z первичных ядер прямым методом по производимой ими ионизации.
Характеристики аэростатов, которые были заложены в расчете статистики событий. являются практически штатными. Но для проведения запусков было бы полезно воспользоваться стартовым оборудованием центра Кируна (Швеция). Проводить такие работы в Кируне. по-видимому, вполне реально, учитывая тот факт, что между Россией и Швецией существует межправительственное рамочное соглашение о совместных исследованиях в стратосфере.
ЛИТЕРАТУРА
[1] The CMS Collaboration Observation of Long-Range. Xear-Side Angular Corrélation in Proton-Proton Collisions at the LHC. arXiv:1009.4122vl [hep-ex] 2lSep 2010.
[2] A. В. Апанасенко. H. A. Добротин. Л. A. Гончарова и др.. Proc. 15th ICRC 7. 220 (1977); A. В. Апанасенко. В. В. Гусева. А. А. Горячих. Изв. АН СССР, сер. физич. 44, 463 (1980).
[3] V. S. Puclikov, IL Xuovo Cimento 19, 1011 (1996).
[4] A. S. Borisov, V. M. Maximenko, and V. S. Puchkov, Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра 36(5), 1227 (2005).
[5] J. X. Capdevielle, J. Phys. G 14, 503 (1988).
[6] J. X.Capdevielle et al., in Proc. 30th Int. Cosmic Ray Conf., HE Merida 120, 651 (2007).
[7] A. К. Манагадзе, В. И. Оседло, В. И. Галкин и др.. Письма в ЭЧАЯ, Л"2 3[112], 19 (2002).
Поступила в редакцию 13 декабря 2010 г.
