А.КАхметов

                                                              Актауский государственный университет

                                                                           (Республика Казахстан)

 

 

                  Поперечные импульсы вторичных частиц

                          в адронных взаимодействиях

 

Очень важной характеристикой, возможность достоверного оп­ределения которой резко возрастает при использовании разнесенных рентген-эмульсионных камер, является распределение поперечных  импульсов вторичных частиц из взаимодействия адронов при сверхвысоких энергиях. Поперечные импульсы играют большую роль при построении различных моделей элементарного акта взаимодействия.. Наиболее полную и достоверную информацию о распределении поперечных импульсов при энергиях первичных частиц   Е<2 ТэВ можно получить из опытов на ускорителях [1-3].

Полученные в таких опытах экспериментальные данные хорошо описываются экспонентой:

~exp (6p1),

в интервале значения 0≤Р1≤1,5 ГэВ/с. Для Р1>1,5 ГэВ/с экспери­ментальные точки заметно отклоняются от распределения по exp (6p1). Среднее значение поперечного импульса в работе  [1]: <Р1>= (0,332±0,003) ГэВ/с при Ро = 19 ГэВ/с   и   <Р1>=0,370 ГэВ/с при Ро = 500 ГэВ/с [2].   Аналогичные результаты получены к в работе японских физиков, которые детально проанализировали 70 ливневых струй от высоко энергичных   γ -квантов, которые отобраны из двух эмульсионных камер, облученных протонами с импуль­сами Pо = 303 ГэВ/с в лаборатории им. Ферми [4]. В этой работе особенно заметно отклонение экспериментальных данных от законов  exp (6p1).

Средние поперечный импульс всех заряженных частиц при = 540 ГэВ.,     <Р1> = (0,42±0,01) ГэВ/с. Этот результат несколько выше,  чем при энергиях ускорителя  ISR где <Р1> = 0,370 ГэВ/с , при = 53 ГэВ.

На установке  UA-2 были измерены спектр поперечных импульсов заряженное пионов и спектр  -мезонов, восстановленных по фотонам-продуктам их распада. Из анализа результатов следует, что в области больших поперечных импульсов (Р1>1,5 ГэВ/с) сечение резко растет при десятикратном изменении энергии и спектры П+  и   П° -мезонов совпадают между  собой.

Проанализированные выше работы относятся к результатам, полученным на ускорителях. Теперь перейдем к выводам о распределении поперечных импульсов  в космических лучах. Разумеется, данные, полученные в космических лучах, статистически и методически менее достоверны, чем данные получаемые из ускорителей.

Вместе с тем сравнение показывает, что результаты экспериментов космических лучах и на ускорителях удовлетворительно согласуются между собой до энергии взаимодействующих частиц порядка 1012 эВ. Этот вывод свидетельствует в пользу заключения, что обработки данных, полученных в космических лучах, дают достаточно надежные результаты.

При более высоких энергиях в части работ, посвященных среднему поперечному импульсу авторы приходят к выводу, что    <P1>  остается неизменным в достаточно большом интервале энергий [5,6], в ряде других работ [6,9,21] авторы утверждают, что с увеличением энергии взаимодействующих частиц растет сечение рождения частиц с большими поперечными импульсами, и вместе тем растет и значение среднего поперечного импульса вторичных частиц, причем при анергии   Е0=1016 эВ значение <Р1> достигает нескольких ГэВ/с.

В работе [5] анализируются 358  γ -семейств из атмосфере, в интервале энергий 30<ΣE<  400 ТэВ, зарегистрированных рентгеновской камерой на высоте 4370 м. над уровнем моря.

Международное сотрудничество "Памир" при анализе экспери­ментальных данных особое внимание уделяет тем параметрам, с по­мощью которых можно оценить основные характеристики элементарного акта взаимодействия. При исследовании поперечного импульса такими параметрами являются  Ri - расстояние от энергетически взвешенного центра семейства до   i-го    γ -кванта и произведе­ние  EjRj (Ej - энергия j-го γ-кванта). Оценка чувствитель­ности этих параметров к поперечному импульсу проводилось по двум вариантам расчетной модели. В обоих вариантах распределение по поперечным импульсам аппроксимировалось функцией Гаусса с   <Р1> = 0,4 ГэВ/с ( NPT-модель) и <Р1> = 1,4 ГэВ/с (GPT -модель). Экспериментальные данные согласуются с NPT -моделью и существенно отличаются от    GPT -модели. На основе своих данных авторы [5] делают вывод о том, что вплоть до энергии Е0 ~ 1015 эВ среднее значение поперечного импульса если и зависит от энергии, то достаточно слабо. Следует отметить, что в [5] высота точки генерации гамма - семейств остается неопределенной, а также велика роль вторичных взаимодействий в атмосфере.

Во многих работах, выполненных на установках для изучения широких атмосферных ливней (ШАЛ), авторы делают вывод, что среднее значение поперечного им­пульса увеличивается с ростом энергии взаимодействующих частиц.

В работе [6] проводится детальный анализ одного ШАЛ-события с семейством    γ-квантов. Высота точки взаимодействия определялась по семейству γ-квантов. Авторы оценивают максимальную величину поперечного импульса "подливня" как  ГэВ/с в случае, если мезоны испускаются непосредственно из оси ШАЛ и ГэВ/с  в случае, если сохранившийся нуклон проекти­руется из оси ШАЛ в область "подливня".

Большой экспериментальный материал, полученный на установ­ках широких атмосферных ливней на Тянь-Шаньской Высокогорной научной станции ФИАН СССР, проанализирован В.А. Ромахиным [7]. Изучались поперечные и энергетические характеристики адронов с  Е>0,3 ТэВ в ливнях из атмосферы с полным числом частиц Ne>105. Минимальное среднее значение поперечного импульса адронов в ливнях, генерированных первичной частицей с энергией 1016 эВ оказалось равным   23 ГэВ/с. На основе проведенного анализа автор [7] приходит к выводу, что характеристики адронной компоненты ШАЛ на уровне гор можно объяснить, если предположить, что изменяется элементарный акт взаимодействия при   энергиях взаимодействия ~1014 эВ.

Заслуживают большое внимание данные Японо-Бразильской коллаборации. В работе [6] рассматриваются результаты эксперимен­тов по эмульсионным камерам №15-17. На основе анализа данных авторы предполагают существование трех типов ядерных взаимодействий, которые характеризуются различной множественностью и величиной среднего поперечного импульса вторичных частиц. Первый тип взаимодействия характеризуется малыми   Р1, реализуется  в низко энергичной области ео~ 10 ГэВ и охватывает интервал  энергии до 100 ТэВ. Второй тип, характеризуемый большими Р1, при ускорительных энергиях не наблюдается. Третий тип взаимодействий с очень большими   Р1 встречается при энергии 100 ТэВ и выше. Распределение по поперечным импульсам для всех трех типов взаимодействий описывается экспонентой

F(>P1γ)=Nγ∙exp (-P1γ / P0)

с Ро = 0,125; 0,250; 0,500 ГэВ/с для второго и третьего типов взаимодействия соответственно.

Интересные экспериментальные результаты, указывающие на рост среднего значения поперечного импульса, приведены в работе [8]. Проанализировано одно семейство с ΣЕγ=28,3 ТэВ и числом γ- квантов  Nγ=25, генерированных в мишени. Гамма-кванты на рентгеновской пленке образуют две хорошо разделенные  группы. Событие характеризуется аномально большими поперечными импульсами γ-квантов со средним значением <P1γ> =2,9± 1,7 ГэВ/с.

Интересные данные, указывающие на существование особых событий с большим значением среднего поперечного импульса при сверхвысоких энергиях приводятся в работе [10]. Эксперименты проводились в верхних слоях атмосферы, на стратостатах, на высоте Н≥24 км, продолжительность каждого полета около 150 часов. Поперечные импульсы оцениваются только у тех семейств, когда  γ-кванты прослеживаются  в мишенный блок и найдена точка генерации его в мишенном  блоке и т.о. определена высота Н.

В распределении   Р1 в [10] наблюдаются две ветви. Авторы аппроксимируют экспериментальное распределение зависимостью вида:

N (>P1)=A1exp (-P1/P01)+A2exp (-P1/P02),

где для первой ветви Р01=(0,20±0,02) ГэВ/с, а для второй Р02=(1,6±0,3) ГэВ/с. Среднее значение поперечного импульса гамма-квантов из четырех выделенных семейств равно <P1γ>=1,8 ГэВ/с. Другим примером подтверждающим неопределенность среднего значения поперечных импульсов при сверхвысоких энергиях являют­ся результаты эксперимента JACEE.  В [20] анализируются нес­колько событий, зарегистрированных в стратосферных баллонных экспериментах.

Взаимодействие протон-эмульсия, произошедшее при энергии ΣE=80 ТэВ, было зарегистрировано в экспозиции JACEE-4. В событии содержатся 149 заряженных частиц и 120 гамма-квантов. Распределение поперечных импульсов частиц не описывается экспо­ненциальной зависимостью и имеет "хвост", содержащий частицы, обладающие поперечными импульсами большими, чем 4,4 ГэВ/с. В то же время, в другом событии, зарегистрированное этой же камерой, примерно в этой области энергии (ΣЕ~50 ТэВ) распределение поперечных импульсов носит нормальный характер и для гамма-квантов имеет наклон   Ро = (0,27 ± 0,05) ГэВ/с.

Таким образом, обзор литературы о распределении поперечного импульса вторичных частиц и его среднего значения показывает, что различные авторы придерживаются двух различных мнений:

1) С ростом энергии первичной частицы не наблюдается какого-либо заметного роста среднего значения поперечного импульса;

2) При энергиях 1013 1014 эВ в определенной доле случаев наблю­даются взаимодействия особого типа, в которых большинство вто­ричных частиц имеют сравнительно большие поперечные импульсы [10,20].

       Однако из главных достоинств метода разнесенных рентгеноэмульсионных камер -  это возможность построения интегральных и дифференциальных распределений поперечных импульсов гамма - квантов.

Поперечный импульс – одна из наиболее примечательных характеристик процесса множественного рождения частиц. Давно бы­ло показано [12], что поперечные импульсы вторичных частиц чувствительны к механизму их образования. Основные свойства поперечного импульса (малость   Р1   по сравнению с продольными импульсами взаимодействующих частиц, слабая зависимость вели­чины поперечного импульса от энергии и природы первичной частицы) были обнаружены сначала в экспериментальных с космическими лучами при энергии первичной частицы Е0  ~ 10  эВ, а затем уже и в экспериментах на ускорителях.  Эти особенности хоро­шо подтвердились при изучении адрон – адронных  соударений и, что более существенно, в адрон - ядерных соударениях.

В данной работе анализируется интегральное и  дифференциальное распределения поперечных импульсов гамма - квантов в интервале энергий семейств гамма - квантов ΣЕγ = 20400 ТэВ. Поскольку  определение поперечных импульсах гамма - кван­тов с использованием разнесенных рентгеноэмульсионных камер яв­ляется независимым способом, свободным  от дополнительных физи­ческих предположений, представляется уникальная возможность сравнения полученных в данной работе распределений поперечных импульсов с результатами других работ в области сверхвысоких энергий, где высота зарождения гамма – семейств либо неизвестна, либо известна с сравнительно небольшой точностью.

На рис. 4.3.1 приведено интегральное распределение попереч­ных импульсов гамма - квантов отдельно для сопоставленных и не со­поставленных семейств гамма - квантов до электромагнитного декаскадирования (○,□), а также для всех гамма - квантов из событий обоих классов (∆).

Если аппроксимировать экспериментальные распределения за­висимостью вида

 

N (>P1γ) = А·ехр(-P1γ / P0),                (4.3.1)

 

то для сопоставленных событий Р0 = (0.28±0.11) ГэВ/с, при <ΣЕγ> = 73 ТэВ, а для гамма –квантов  из семейств второго  класса Р0 = (0.51±0.20) ГэВ/с, при  <ΣЕγ> = 216 ТэВ.

На рисунке 4.3.1 заметно отклонение от прямой в распределение поперечного импульса гамма-квантов для несопоставленных семейств. Это завышение объясняется вкладом гамма – квантов  от вторичных взаимодействий в воздухе.

 

 

Рис.1. Интегральное распределение поперечных

импульсов гамма – квантов

На рис.1 приводятся также интегральные распределения гамма-квантов по поперечному импульсу для семейств обоих клас­сов после процедуры электромагнитного декаскадирования (○, □, ∆). Средний поперечный импульс для гамма-квантов всех семейств <Р1γ> = (0.30 ± 0.11) ГэВ/с, а для гамма-квантов из сопоставленных гамма-семейств   <Р1γ> = (0.24 ± 0.05) ГэВ/с. Из сравнения данных видно, что средние поперечные импульсы гамма-квантов обоих классов после учета каскадного размножения в воздухе сравнимы между собой, хотя средняя энергия  <ΣЕγ> событий второго класса примерно в три раза выше, чем у сопостав­ленных гамма - семейств. Как следует из сравнения распределений поперечных импульсов   на рис.1 каскадное размножение вто­ричных частиц в атмосфере может существенно изменить форму распределения гамма-квантов по поперечному импульсу и завысить среднее значение <Р1γ>  в случае, если среднее значение опре­деляется из распределения по поперечным импульсам путем аппрок­симации его экспонентой. Такой ошибочный результат может быть получен потому, что аппроксимируемое распределение сильно отли­чается от экспоненты и параметр этой аппроксимации, стоящий в показателе, уже не может интерпретироваться как средний попе­речный импульс. Корректно проведенная процедура электромагнит­ного декаскадирования позволяет таким образом избежать ошибоч­ных выводов, приводящих порой к утверждению о существенном росте среднего значения поперечных импульсов гамма-квантов с ростом энергии.

Полученное нами значение среднего поперечного импульса гамма-квантов хорошо согласуется с данными мировой статистики. Мы сравнили дифференциальные распределения по поперечным импульсам  для гамма – квантов  с соответствующими распределениями из работ Чакалтайской  экспериментальной группы [13], с резуль­татами полученными Т. Квочкиной  [14] и проэкстраполированными на основе скейлинговой модели данными ускорителей, взятой из [13]. Результаты этого сравнения показаны на рис.2.  Как видно из рисунка, распределение по поперечным импульсам хорошо согласу­ется с тем, что ожидается из экстраполяции данных с ускорителей в область энергии 1014 эВ, а также с данными по Р1у для обычных семейств гамма - квантов в [14].       

Полученное методом разнесенных рентгеноэмульсионных камер, значение среднего поперечного импульса гамма – квантов <Р1γ> области <ΣЕγ> = 70 ТэВ сравнивалось с данными ускорителя ISR  [19,20], SPS  [19] и результатами экспериментов в физике космических лучей [16-18].

На рис.3 нанесены данные  ISR, SPS, а также, экстраполяция данных ускорителя ISR в область энергии    Е0 > 1013. Чтобы нанести наши результаты на этот график, коэффи­циент  не упругости    < Рγ > принять равным  0.22 [15].

Из рис.3 следует, что наши данные  по   Р1 хорошо сог­ласуются с результатами ускорительного эксперимента, в отличие от  данных других  экспериментов в космических лучах [16-18], в которых не проведено исследование влияния каскадного процесса в атмосфере на получаемое значение среднего поперечного импуль­са. В то же время данные настоящей работы являются дополнительными к данным экспериментов на коллайдерах  и представляют самостоятельный интерес для физики адронных процессов, посколь­ку они подучены во фрагментационной области для адрон - ядерных взаимодействий, в то время как коллайдерам доступна лишь пионизационная область протон-антипротонных столкновений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2. Сравнение распределения гамма-квантов после электромагнитного декаскадирования с результатами экстраполяции ускорительных данных(х),  распределением для событий типа Mirin (о) по данным [13], (о) для обычных семейств в [14]

 

 

Рис.3. Зависимость среднего поперечного импульса

адронов от первичной энергии Е0

 

 

 

 

 

Л И Т Е Р А Т У Р А

 

 

1. Boggild H.,  Dahl-Jensen  E.,  Hanser K.N.  et al. Some featu­res  of particle multiplicities and momentum spectra in ine­lastic proton-proton collision at 19 Gev/c.// Nucl. phys. 1971. v.B27. № 2. p.285-313.

2. Ellis S.D.  and Kislinger M.B.  Implications of proton-model concepts for large – transverse  -momentum production of had-rons. // Phys. Rev.  I974. v.9.p.2027-2031.

3. Sivers D., Brodsky S.J., Blankenbesler N. Large transverse momentum processes. // Phys. Lett. 1976. v.23c. HI. p. 1-121.               

4.  Fuchi H.,  Niu K., Hiwa K,  et. Al.  Analysis of 303 Gev/c proton  interactions tagged by energy gamma-rays.// Proc. 15-th ICRC. Plovdiv.  I977. V.7.73-78.

5. Experiment "Pamir". Transverse  momentum in interactions bу energy of 1014-1015 ev.//Proc. 15-th ICRC. Plovdiv. 1977. v.7.p.229-224.

6.  Makanachi Y., Wishikawa K., Sakata M. et.al. Transverse momentum of  gamma-ray family in EAS.// Proc. Intern.  Cosm. ray symposium. Tokyo. 1971.p.286-296.

7.  Ромахин В.А.  Исследование пространственно – энергетических характеристик адронной компоненты  широких атмосферных ливней на уровне гор. Автореферат кан.дис.физ. - мат.наук. ФИАН СССР, 1977, 23с.

8. Такибаев Ж.С. Садыков Т.Х. Парное образование пионных кластеров в области знергии  25 ТэВ. // Известия АН КазССР. сер. физ.-мат. 1977. С. 15-19.

9. Aston F.,  Nasri A., Ward J.A.  The transverse momentum of leading particles  in EAS with respect to the shower axis. // Proc.  15-th ICRC. Plovdiv. 1977. v.8. p. 6-10.

10. Добротин Н.А., Иваненко В.М., Квочкина Т.Н.  О возможной интерпретации событий особого типа. // Изв. АH СССР.сер.физ. 1985. Т.49. № 7. C.1266-1267.

11. Apanasenko A. V.,  Dobrotin  N.A. Stratospheric super-family with   E≈2·1015  ev.//Proc ICRC. Provdiv. 1977. v.7.p. 220-224

12. Lattes G.M.,  Fujimoto Y. Hadronic interactions of high  energy cosmic ray observed by emulsion chambers. ISR Report 81-80-3. I980.

13. Квочкина Т.Н. Изучение ядерных взаимодействий, вызванных первичными частицами космических лучей в атмосфере. Дис... канд. физ. - мат. наук. ИФВЭ АН КазССР. Алма-Ата. 1982. 147 с.

14. Каневская Е.А. Метод рентгеноэмульсионных камер и его при­менение к исследованию образования нейтральных и заряженных пионов с энергией 2-20 ТэВ в атмосфере. Дисс... канд. физ .- мат. наук. ФИАН СССР. Москва. 1976. 178 с.

15. Alpgard K., Ansorge R.E., Asman B, et. al. Production of photons and search for Centauro events at SPS collider.// Phys. Letters. 1982, v.115В. № 1, p.71-76.

16.Brasil-Japan E.C. Collaboration Further study on new type of unclear interactions. Centauro. // Proc. 15- th ICRC. Provdiv. 1977. v.7. p.208-2I7.

17.Fowler P.H.  High  energy cosmic ray research at Bristol.//Proc.  8-th ICRC. Jaipour. 1963. v. 5. p.182-193.

18.Abe F. Transverse  momentum distributions of charticles  produced at s 630 and 1800 Gev.//Phys. Rev. Lett. 1988. v.61. p.1819-1822.

19.The JacEE Collaboration. Gamma/chargen hadron corellation studies from JACEE.//Pros. 20-th ICRC. Moscow. 1987. v.5 p.185-188.

20. Ахметов А.К., Чердынцева К.В. Калибровка рентгеновских пленок методом разнесенных камер.//Физика атомного ядра и космических лучей. Алма-Ата. Изд-во КазГУ. 1977. С.53-58.