（理論物理專業(yè)論文）在羊八井設(shè)置強(qiáng)子量能器研究宇宙線膝區(qū)成分.pdf

西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第l 頁 摘要 1 9 5 8 年，在空氣簇射( a s ) 實驗中發(fā)現(xiàn)宇宙線總粒子譜在幾個p e v 的地 方有個膝，在膝以后冪能譜變陡，冪指數(shù)由一2 7 到一3 0 。到今天為止， 所有的空氣簇射實驗都觀測到膝的存在，無一例外。但是對于膝的位置和形 狀，不同的實驗間尚存在一定的差異。經(jīng)過四十多年的a s 實驗觀測和理論探 討，對于宇宙線膝區(qū)的成分進(jìn)行了持續(xù)的研究，至今尚未得到一致的結(jié)論， 它仍然是實驗宇宙線物理研究中爭論的熱點問題之一。 對于膝的成因，已提出了多種模型。宇宙線膝區(qū)成分問題，連系于高能 宇宙線的起源，加速和傳播，是宇宙線物理中的重要問題之一：宇宙線膝區(qū) 成分問題還可能聯(lián)系于高能粒子相互作用的新粒子新現(xiàn)象，如果得到證實， 則具有重要的粒子物理意義。要檢驗或分辨提出的各種模型，就需要知道宇 宙線膝區(qū)的成分，測量每種成分的能譜。 在大氣層外直接測量每個宇宙線粒子的能量和電荷數(shù)，可以獲得可靠的 成分和能譜，但是這些對宇宙線原初粒子直接進(jìn)行測量的實驗卻受到空間運(yùn) 載能力的限制，至今只測到了l o o t e v 的能區(qū)，并且從目前的水平看來，在短 期內(nèi)達(dá)不到膝區(qū)。 到目前為止，對宇宙線膝區(qū)成分的研究，只有靠在地面觀測由高能宇宙 線粒子在大氣層中引起的廣延大氣簇射( e a s ，或a s ) 一般地，觀測a s 中 的電子數(shù)，或p 子數(shù)，或c h e r e n k o v 光量，以及它們的橫向分布特征，通 過m o n t ec a r l o 模擬( 其中包括粒子相互作用模型) 來推導(dǎo)出關(guān)于成分的 結(jié)論。 而已有的研究膝區(qū)成分的a s 實驗，至今未得到一致的結(jié)論。宇宙線膝區(qū) 實驗研究之所以存在互不一致的結(jié)論，一個重要的原因，是實驗結(jié)論對 m o n t ec a r l o 所用的粒子作用模型存在依賴另一個重要的原因，是a s 實驗 所選用的觀測量對初級粒子的成分不夠靈敏已有的實驗，或者沒有對a s 軸心區(qū)高能強(qiáng)子進(jìn)行測量( 因為未設(shè)置強(qiáng)子量能器) ，或者未能對a s 軸心區(qū) 高能強(qiáng)子進(jìn)行有效測量( 因為將強(qiáng)予量能器設(shè)置在低海拔甚至海平面，例如 k a s c a d e ) 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 i 頁 本工作針對后一問題，擬采用對初級粒子成分更為靈敏的a s 軸心區(qū)高 能強(qiáng)子的有關(guān)觀測量及觀測量的函數(shù)組合，對宇宙線膝區(qū)成分作出新的判 斷。 本文利用羊八井宇宙線觀測站a r g o 地毯式陣列，并設(shè)想將即將退役的 德國k a s c a d e 實驗陣列中的強(qiáng)子量能器安裝在a r g o 的中心，二者組合，在 固定一種相互作用模型( c o r s i i ( a q g e j e t ) 的基礎(chǔ)上，取兩個極端成分( 即 假設(shè)宇宙線總粒子譜由純質(zhì)子和純鐵核組成) ，采用m o n t ec a r l o 方法，用 質(zhì)子和鐵核作為宇宙線入射粒子，模擬在高海拔進(jìn)行宇宙線膝區(qū)空氣簇射的 觀測。按照實驗條件產(chǎn)生兩個m o n t ec a r l o 事例樣本。 比較兩個樣本中各個觀測量的分布。希望它們盡可能的分開。雖然目前 還不能確定o g s j e t 模型的完全正確性，但一般認(rèn)為： 1 ) o g s j e t 模型基本正確； 2 ) 對尋找成分靈敏觀測量，模型差一點影響不大。 通過分析模擬的事例樣本，本文確定了事例選擇條件，使約2 年的實驗 觀測能得到一個具有合理大小的事例樣本；它們的初能分布在膝區(qū)；而且一 系列新的觀測量具有好的成分靈敏度。同時分析結(jié)果表明：與其他膝區(qū)成分 的實驗相比，觀測量的數(shù)目更多，信息量更大；新的a s 實驗觀測量比低海拔 a s 實驗采用的觀測量，或者不使用軸心量能器的a s 實驗采用的其它觀測量， 對初級宇宙線的成分更為靈敏。 本工作在m o n t ec a r l o 中采用，按照本課題的設(shè)想，在高海拔設(shè)置大面 積的強(qiáng)子量能器來觀測膝區(qū)a s 軸心區(qū)的高能強(qiáng)子，如能實現(xiàn)，在世界上屬 于首次采用強(qiáng)子量能器加完整的全覆蓋陣列進(jìn)行研究，也具有重要的創(chuàng)新 意義 關(guān)鍵詞：宇宙線空氣簇射膝區(qū)成分量能器a r g o 高能強(qiáng)子成分 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第| ii 頁 a b s t r a c t g r o u n d - b a s e da i r - s h o w e re x p e r i m e n t so b s e r v ec o s m i cr a y sw i t he n e r g i e s u pt o1 0 0 e e v ( 1 0 ”e v ) m e a s u r e m e n t ss of a rr e p o r t e ds u g g e s t t h a tt h es l o p eo f t h ea l l - p a r t i c l es p e c t r u mi nt h ee n e r g yr a n g eo f a b o u t1 0 0 - 1 0 0 0 t e vi ss o m e w h a t f l a t t e rt h a nt h a to b s e r v e da tl o w e re n e r g i e s ，w h i l ea th i g h e re n e r g i e so v e rs e v e r a l t i m e s1 0 0 0 t e vt h ee n e r g ys p e c t r u mb e c o m e ss t e e p e rw i t ht h es l o p eo f a b o u t 3 o t h eb r e a ki nt h eo v e r a l is p e c t r u ma ta r o u n d1 0 0 0 t e vi so f t e nr e f e r r e dt oa s t h e k n e e i nt h es p e c t r u m i ti sc o m m o n l yu n d e r s t o o dt h a tt h ek n e eo f t h e p r i m a r yc o s m i cr a ys p e c t r u mh a si t so r i g i ni nt h ea c c e l e r a t i o na n dp r o p a g a t i o no f h i g he n e r g yc o s m i cr a y si nt h eg a l a x y w h i l et h e r ei sn oc o n s e n s u so nt h eo r i g i no f c o s m i cr a y sw i t he n e r g i e s b e y o n dt h ek n e e ，o b s e r v a t i o n so fc o s m i cr a y si ns u c hah i g he n e r g yr e g i o nm a y n a t u r a l l ys t a n di nn e e do fa n o t h e ra c c e l e r a t i o nm e c h a n i s m so rn e wc o s m i cr a y s o u r c e t h u s m e a s u r e m e n t so ft h ep r i m a r yc o s m i cr a y sa r o u n dt h ek n e ea r ev e r y i m p o r t a n ta n di t sc o m p o s i t i o ni sf u n d a m e n t a li n p u tf o ru n d e r s t a n d i n g t h ep a r t i c l e a c c e l e r a t i o nm e c h a n i s mt h a tp u s h e sc o s m i cr a y st ov e r yh i g he n e r g i e s h o w e v e r , b e c a u s eo f e x t r e m e l yl o wa n ds t e e p l yd e c r e a s i n gf l u xa th i g he n e r g i e s ，d i r e c t m e a s u r e m e n to f p r i m a r yc o s m i cr a y so nb o a r db a l l o o n sa r es t i l ll i m i t e di nt h e e n e r g yr e g i o nt ob e l o waf e wh u n d r e dt e v t od a t e t h ek n e ec o m p o s i t i o no f p r i m a r yc o s m i cr a y sh a sb e e ns t u d i e db yo b s e r v i n ga i rs h o w e rw i t hal a r g e g r o u n d - b a s e da p p a r a t u s i no r d e rt os t u d yt h ec o m p o s i t i o na r o u n dt h ek n e e ，m e a s u r e m e n t so f m u o n c o n t e n ti ne a c ha i rs h o w e ro rm u o n si nd e e pu n d e r g r o u n d ，m e a s u r e m e n t so f l a t e r a ld i s t r i b u t i o no fa i rs h o w e r c h e r e n k o vl i g h t s ，o rm a x i m u md e p t ho fs h o w e r u s i n ga i rc h e r e n k o vt e l e s c o p e s ，a n dm u l t i p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t so fa i rs h o w e r h a v eb e e nc a r r i e do u ta n dd e v o t e dt od r a w i n gac o n c l u s i o na b o u tt h ek n e e c o m p o s i t i o n i ns p i t eo fg r e a te f f o r t ss of a r , h o w e v e r , t h e r ei sad i v e r g e n c eo f c o n c l u s i o no nt h ec o m p o s i t i o nf r o me x p e r i m e n tt oe x p e r i m e n ta n dt h ek n e e c o m p o s i t i o ni ss t i l lt h eq u e s t i o na ti s s u e a n o t h e ra p p r o a c hm a y b er e q u i r e dt o g e tm o r ed i r e c ti n f o r m a t i o na b o u tt h ec o m p o s i t i o n 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第l v 頁 i ti sb e l i e v e dt h a tm e a s u r i n gt h eh i g he n e r g yh a d r o n si na sc o r e sa th i g h a l t i t u d e s ( 1 i k ey a n g b a j i n g ) c a np r o v i d es o m en e w o b s e r v a b l e sw h i c ha r es e n s i t i v e t ot h ec o s m i cr a yc o m p o s i t i o na tt h ek n e er e g i o n a s s u m i n gah a d r o nc a l o r i m e t e r ( 1 i k et h ek a s e a d ec a l o r i m e t e r ) i ss e tu pa t t h ec e n t e ro f a r g oa r r a y ，t h ee v e n ts e l e c t i o nc o n d i t i o n sa r es t u d i e d b e s i d e sr e l y i n go nt h eh a d r o n i ci n t e r a c t i o nm o d e l s ，t h e r em i g h tb ea n o t h e r r e a s o na b o u tt h ed i f f e r e n tc o n c l u s i o n so f t h ek n e ec o m p o s i t i o n ：o b s e r v a b l e su s e d m a y n o tb ev e r ys e n s i t i v et ot h ep r i m a r yc o m p o s i t i o n i no r d e rt og e tm o r es e n s i t i v eo b s e r v a b l e st op r i m a r yc o m p o s i t i o n ，w e i n t e n dt om e a s u r ea i rs h o w e r sa th i g h e ra l t i t u d e sw i t hah a d r o n i cc a l o r i m e t e rt o r e c o r dt h eh i g he n e r g yh a d r o n sa ta sc o r e sa n dw i t ha r g ot or e c o r dt h es h o w e r p a r t i c l e s t h es i m u l a t i o ns t u d yt e l l su st h a t i fs e t t i n gu pak a s c a d e l i k e c a l o r i m e t e ra tt h ec e n t e ro f t h ea r g o a r r a y ，d u et ot h ea d v a n t a g eo f h i g ha l t i t u d e o f t h eo b s e r v a t i o nl e v e l ，o n ec a ng e ta ne v e n ts a m p l ed u r i n g1 - 2y e a r s e x p o s u r e f o rt h a ta l ls e l e c t e de v e n t sa r ei nt h ek n e ee n e r g yr e g i o n ，c o m p o s e do f h i g h e n e r g yh a d r o n sn e a ra sc o r e s ，a n dt h es a m p l eh a sa r e a s o n a b l es i z e i ti ss e e nt h a tm a n yo b s e r v a b l e s ，a ss h o w ni nt h ef i g u r e su s e di nt h ep a p e r ， a r es e n s i t i v et ot h ec o m p o s i t i o ni nt h ek n e er e g i o n t h e s eo b s e r v a b l e sc a l lp r o v i d en e w p a r a m e t e r si fo n ea p p l ya m u l t i - p a r a m e t e ra n a l y s i so ra na n na n a l y s i st o w a r d saf u r t h e rp r o g r e s si nt h e s t u d yo f t h ec o s m i cr a yc o m p o s i t i o ni nt h ek n e ee n e r g yr e g i o n k e yw o r d s ： c o s m i cr a y ；a i rs h o w e r ：k n e ec o m p o s i t i o n ；c a l o r i m e t e r ： a r g o ；h i g he n e r g yh a d r o nc o m p o s i t i o n 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 頁 1 1 宇宙線基礎(chǔ) 第1 章引言 宇宙線是來自于宇宙空間的高能粒子流的總稱，包括以質(zhì)子為主的各類 元素的原子核、電子、中微子、高能，射線和其他可能的未知粒子。通常， 人們習(xí)慣于把其中的帶電粒子部分稱為宇宙線，而單獨(dú)地討論高能，射線和 中微子，這是因為他們的產(chǎn)生、性質(zhì)和探測的方法有各自的特點。在其產(chǎn)生 處的宇宙線通常被稱為原始宇宙線，在常規(guī)的加速機(jī)制中，原始宇宙線都是 帶電粒子或原子核，而，射線和中微子是它們傳播過程中的次級產(chǎn)物。經(jīng)過 傳播，能夠到達(dá)地球大氣層外的宇宙線稱為初級宇宙線。初級宇宙線的能量 跨度很大，由于地磁場的影響，能夠到達(dá)地球附近的帶電粒子，能量最低的 是太陽宇宙線，約1 g e v 左右，目前能夠測到的最高宇宙線能量達(dá)到3 1 0 ”e v ， 相當(dāng)于5 0 焦耳，一個微觀粒子具有了宏觀量級的能量。對于不同能區(qū)的宇宙 線，采用不同的觀測技術(shù)，研究不同的物理過程。用空間或地面的探測裝置 觀測和分析初級宇宙線的成分、豐度、能譜、到達(dá)的方向和時變規(guī)律，研究 高能宇宙線的產(chǎn)生、加速和傳播機(jī)制，尋找和觀測高能宇宙線源，是目前宇 宙線天體物理研究的重要內(nèi)容。自1 9 1 2 年宇宙線被發(fā)現(xiàn)以來，它就一直扮演 著聯(lián)系高能天體物理、粒子物理和宇宙學(xué)的重要角色，特別是近2 0 年以來， 已經(jīng)獲得了一系列重要結(jié)果。在近年來，更是有一些重要的項目已從設(shè)想計 劃階段逐步過渡到實施階段，宇宙線天體物理研究將會隨之有一個新的飛躍。 1 1 1 宇宙線研究簡史 1 9 0 0 年，通過測量收集到的靜電荷，c t r w i l s o n 發(fā)現(xiàn)連續(xù)的大氣電離。 當(dāng)時人們以為這是由于地球的自然輻射活動。為了對此進(jìn)行驗證，1 9 1 2 年， 維也納大學(xué)的v i c t o rh e s s 乘著搭載了電離室的氣球升到5 公里的高度，他 發(fā)現(xiàn)如預(yù)期那樣，直到大約7 0 0 米的高度電離率開始下降，但隨著高度的增 加電離率增加，并且確認(rèn)白天和晚上的強(qiáng)度沒有差別。因此，v i c t o rh e s s 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第2 頁 指出電離源在更外層的空間，電離輻射也不是起源于太陽，宇宙輻射變成了 常識。 1 9 2 5 年，英國物理學(xué)家r a m i l l i k a n 第一次引入了“宇宙射線”這個 詞，并且沿用至今。1 9 2 8 年，j c l a y 發(fā)現(xiàn)電離率隨緯度的增加而增加，這表 明電離源是帶電粒子且受到地磁場的偏轉(zhuǎn)。1 9 2 9 年，利用新發(fā)明的云霧室， d v s k o b e l z y n 首次觀測到宇宙線粒子的軌跡。雖然他錯誤的認(rèn)為觀測到的 是宇宙高能y 光子( 他稱為。超，輻射”) 產(chǎn)生的康普頓電子，但他的實現(xiàn) 方法對后來的宇宙線實驗產(chǎn)生了重要影響。1 9 3 2 年，美國物理學(xué)家 c d a n d e r s o n 利用s k o b e l z y n 的云室方法發(fā)現(xiàn)了第一個反物質(zhì)粒子正電子， 證實了d i r a c 的相對論量子力學(xué)理論關(guān)于存在反粒子的預(yù)言。a n d e r s o n 還在 云室中發(fā)現(xiàn)了子，最初人們以為是湯川秀樹預(yù)言的介子，但后來發(fā)現(xiàn)它沒 有強(qiáng)相互作用的性質(zhì)。正電子和口子是人們利用宇宙線發(fā)現(xiàn)的最早的亞原子 粒子，它們的發(fā)現(xiàn)開辟了基本粒子物理研究的新領(lǐng)域。1 9 4 7 年，l a t t e s o e c h i a l i n i 和p o w e l l 在高山曝光的核乳膠中發(fā)現(xiàn)了石介子。這樣，在湯川 預(yù)言之后1 2 年發(fā)現(xiàn)了湯川粒子。同時r o c h e s t e r 和b u l t e r 在云室里發(fā)現(xiàn)了 質(zhì)量約為1 0 0 0 m 。的荷電粒子產(chǎn)生的徑跡( k 介子) 。粒子物理學(xué)家直到二十 世紀(jì)5 0 年代粒子加速器的出現(xiàn)前一直利用宇宙線進(jìn)行實驗“1 。 1 9 3 8 年，法國物理學(xué)家p a u g e r 侶1 與其同事利用多個蓋革一彌勒計數(shù)管 組之間的符合計數(shù)率發(fā)現(xiàn)宇宙線的廣延大氣簇射。他們在實驗中測量了計數(shù) 管組間的符合計數(shù)率與他們之間距離的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)和他們預(yù)期的相反，符合 計數(shù)率并沒有隨計數(shù)管之間陸離的增加而迅速下降到零，而是先隨距離增加 很快下降，然后基本保持到相距3 0 0 米的距離。它們的發(fā)現(xiàn)揭示了高能宇宙 線粒子可以通過地面實驗來研究，為宇宙線的研究打開了一扇窗口。 1 9 6 3 年j l i n s l e y 0 1 等人利用美國新墨西哥v o l c a n or a n c h 建立的地面 探測器陣列發(fā)現(xiàn)了第一個能量大約是1 0 ”e v 的極高能宇宙線粒子。1 9 6 6 年當(dāng) 宇宙微波背景輻射發(fā)現(xiàn)后不久，g r e i s e n “1 ，z a t s e p i n 和k u z m i n “就注意 到高能宇宙線質(zhì)子會和宇宙微波背景的光子作用而損失能量，形成能譜上所 謂的g r e i s e n - z a t s e p i n - k u z m i n 截止( g z k - c u t o f f ) 。后來，美國的f l y s e y e 【6 7 1 實驗在1 9 9 1 年測到了目前觀測到的最高能量的宇宙線粒子 ( 3 x l o e v ) ，1 9 9 4 年日本的a g a s a 實驗也測到了( 1 7 2 6 ) 1 0 2 0 e v 的 宇宙線事例m ”。實驗與理論的矛盾引起了各種各樣的猜測。為了解決這個 問題，1 9 9 5 年人們開始建造專門研究極端高能宇宙線的a u g e r 實驗“”。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第3 頁 直到1 9 5 3 年，加速器實驗技術(shù)成熟之前，宇宙線一直在粒子物理的研究 中起著重要的作用。即使現(xiàn)在加速器成為粒子物理的重要手段，也仍然需要 借助宇宙線來研究的能段，因為它的能量范圍比加速器高得多?，F(xiàn)在，對宇 宙線的起源，加速和傳播機(jī)制的研究已經(jīng)和粒子物理、宇宙學(xué)、天體物理相 交叉綜合，成為物理學(xué)研究的前沿。 1 1 2 宇宙線的能譜 粒子物理學(xué)家使用與眾不同的眼光看世界，他們通過觀察宇宙中的高能 粒子，還尋找可能構(gòu)成暗物質(zhì)的奇異新粒子，能量范圍從低能區(qū)( 1 0 7 e v ) 到高能區(qū)( 1 0 2 1 e v ) 直跨1 3 個數(shù)量級( 1 0 m e v g e v t e v 一尸e 礦一e e v 一歷礦) ，流量落差達(dá)3 0 多個數(shù)量級。其整體能譜特征和流量變化如( 圖 1 - 1 ) 所示。在如此寬的能域內(nèi)，其能譜總的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為非熱冪律譜特征，能 量e 處單位能段的流量，( 功* e ，在e p e v 處，譜變陡，冪指數(shù)口從2 7 轉(zhuǎn)變?yōu)? 0 ，這一特征稱為宇宙線能譜的。膝”( k n e e ) 。而當(dāng)e e e v 時， 譜又變得較平，該處稱為宇宙線能譜的“踝”( a n k l e ) 。 善 主 圖1 - 1 ：宇宙線流量圖，從g e v t e v p e v e e v 的1 2 個數(shù)量級能 量范圍內(nèi)，流量差達(dá)3 0 個數(shù)量級。其中點線譜顯示出e 3 的能譜特征n 1 1 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第4 頁 1 1 3 宇宙線的分類、成分、起源和傳播 我們按觀測對象的不同，把大氣層外的宇宙線稱為。初級宇宙線”，包 括p ，h e ，l i ，b e ，b ，c ，n ，0 ，f e ，e ，y ，y ，所有穩(wěn)定的帶電粒予 和壽命大于1 0 6 年的不穩(wěn)定原子核。而把大氣層內(nèi)由初級宇宙線粒子與大氣 原子核碰撞產(chǎn)生的，包括壽命較長的不穩(wěn)定粒子稱為“次級宇宙線。 按起源的不同，初級宇宙線又分為太陽宇宙線，銀河宇宙線和河外宇宙 線。太陽宇宙線能量較低，小于1 0g e v ，這部分宇宙線的強(qiáng)度具有與太陽 劇烈活動同步的時變特征。近年來地面宇宙線實驗結(jié)果表明，大的太陽耀斑 及伴隨的高能過程，能將太陽質(zhì)子加速到2 0 2 5 g e v 的能量。太陽宇宙線沿 著行星際空間磁場的磁力線傳播，在地球附近受地磁場的偏轉(zhuǎn)而到達(dá)有限的 范圍。來自太陽的宇宙線相對較少，大多數(shù)字宙線粒子起源于銀河系內(nèi)。銀 河宇宙線可達(dá)到較高的能量。超新星遺跡，脈沖星等高能天體被認(rèn)為是最可 能的銀河宇宙線源。超新星爆發(fā)是銀河系內(nèi)最猛烈的高能過程之一。從能量 角度看，由于銀河宇宙線粒子的不斷逃逸，要維持宇宙線的準(zhǔn)穩(wěn)定強(qiáng)度所需 的功率輸入約為1 0 ”e r g s 。按照每1 0 0 年平均3 次超新星爆發(fā)，每次平均釋 放能量1 0 5 1 e r g 來估算，超新星爆發(fā)可提供的功率輸入約為1 0 4 2 e r g s ?？梢姡?河內(nèi)超新星爆發(fā)所釋放的能量能夠滿足維持銀河宇宙線能量密度基本穩(wěn)定的 需要。另外，近年來測得蟹狀星云t e v 能區(qū)的y 發(fā)射，應(yīng)當(dāng)是高能電子和他 們的同步輻射光子所發(fā)生的逆康普頓散射。而這些高能電子被認(rèn)為是由超新 星遺跡加速的。能量應(yīng)當(dāng)在1 0 ”e v 以上。人們設(shè)想超新星遺跡也能將質(zhì)子和 其他的原子核加速到如此高的能量。河外宇宙線的能量最高，一般大于 1 0 ”e v 。這部分宇宙線在銀河磁場內(nèi)的回轉(zhuǎn)半徑大于銀河系的尺度，所以應(yīng) 該來自更遙遠(yuǎn)的河外天體?；顒有窍岛?，類星體等都可能是河外宇宙線源。 目前已經(jīng)探測到二十幾個能量大于1 0 ”e v 的事例。極高能宇宙線的研究有可 能給人們帶來宇宙深層次的更多信息。 目前能量低于1 g e v 的初級宇宙線的成分已經(jīng)基本清楚，約9 8 的核和 2 的正負(fù)電子。其中約有9 0 9 6 的核是h ，約9 是h e ，其余的是重核。除此之 外，初級宇宙線中還有高能光子，中微子，以及某些至今尚未探知的粒子。 1 1 4 宇宙線觀測技術(shù) 宇宙線的能譜自m e v 延續(xù)到1 0 加e v 。當(dāng)宇宙線粒子傳播到地球時，必穿 過地球大氣層這道屏障，因而會發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，使得在地面直接觀測 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第5 頁 宇宙線受到嚴(yán)重的限制。對于流量大的低能宇宙線粒子可直接在大氣外層空 間用核輻射探測器進(jìn)行測量( 如用氣球、衛(wèi)星、空間站等) ：而對于高能宇宙 線，由于其流量小，空間探測設(shè)備的有效面積受到限制，只能采取地面間接 測量。在大氣層外，宇宙線的典型流量值分別是； 1 0 ”e v 事例數(shù) 。l o o k m y 一： 1 0 ”e v 的事例數(shù)為一l i o n 2 y 一； 1 0 2 0 e v 的事例數(shù)為 l l a n - 2 c e n t u r y - 1 。地面間接測量方法總體上可分為兩大探測技術(shù)“”，一是采 用大氣熒光探測技術(shù)，宇宙線原初粒子( 如質(zhì)子、原子核) 進(jìn)入大氣后形成的 簇射中有大量的帶電粒子，由它們激發(fā)空氣中的2 分子和；離子在退激時 會輻射出各向同性的熒光，其波長約3 5 0 4 5 0a m 的藍(lán)光范圍，在簇射軸附近 的熒光最強(qiáng)，通過光電倍增管收集簇射軸附近的熒光和到達(dá)時間以及方位角 就可以估計出原初粒子的能量、種類和到達(dá)方向，這種技術(shù)最先被f l y se y e 實驗所采用，現(xiàn)在h i r e s 和a u g e r 也使用這種技術(shù)。這種探測方法的缺陷在 于必須在晴朗無月的夜晚進(jìn)行，實際有效的觀測時間很短，且對大氣的光學(xué) 性能要求很高。熒光探測方法通過收集宇宙線簇射過程中經(jīng)由電磁通道所釋 放出的能量來反推原初粒子的總能量，它可以測量簇射粒子數(shù)隨大氣深度的 分布函數(shù)札( x ) ，測出最大簇射深度瓦，并繪出級聯(lián)曲線af l y se y e 曾 記錄過一個最大事例，其能量約在一3 x l o ”e v ，其曲線如( 圖1 2 ) 所示“1 ， 其最大深度估計為( 7 8 0 + 4 0 ) g c m - 2 。這樣原初粒子的能量可由曲線對路徑積 分得到，如下式： e 二= e of 也( 功出 ( 卜1 ) 其中是電磁通道所放出的能量。島而是電子臨界能量與輻射長度之 比。m ( 工) 是簇射大氣深度函數(shù)。關(guān)于這方面的詳細(xì)計算可參閱k a k i m o t o 等 人的文章“”。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第6 頁 第二種方法是利用地面陣列測量地面簇射的次級粒子密度。從這些探測 中獲得的信號可以研究簇射的徑向分布的詳細(xì)結(jié)果以及可以確定簇射中心的 位置。但是這種粒子密度探測方法的缺點是分辨原初粒子種類的能力差。 攆麈( 覃位曲時) 圖1 _ 2 ：f l y se y e 試驗記錄的最大粒子事件能量為3 x 1 0 2 0 e v ，其最 大深度約為( 7 8 0 + 4 0 ) g c m - 2 【。 通過第一種觀測手段，可以得到簇射最大時的深度，由第二種觀測手段 可給定深度處子對電子光子的比率等。至于如何根據(jù)這些信息來確定初級 入射宇宙線粒子的能量、方向等特性，目前各臺站一般都采用相類似的蒙特 卡羅計算方法，即依據(jù)一個可測量的參數(shù)( 如距離簇射芯6 0 0 m 處的粒子密 度) ，對初級粒子的能量作參數(shù)化估計，從而得到有關(guān)初級粒子的一些信息， 如方向、能量、成分等。然而，因測量極高能宇宙線的探測技術(shù)不能對能量 進(jìn)行絕對的定標(biāo)，用蒙特卡羅計算方法來確定初級宇宙線能量的方式顯得并 不完美。 對于能量在i o o m e v i o o t e v 粒子的探測主要是空間直接粒子的探測。 例如p r o t o n s a t e l l i t e s ，m a s s ，l 隊p ，s a n r i k u b a l l ，r u n j o b ，j a c e e 等。目前能 夠精確粒子譜成分的直接空間探測只能達(dá)到1 0 0 t e v ，如r u n j o b ，j a c e e 。遺 憾的是不能精確測定到p e v 能量范圍的能譜化學(xué)成分，即不能精確確定“膝” 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第7 頁 的位置，目前根據(jù)多個不同的地面間接實驗的數(shù)據(jù)擬合得到“豚”的位置大 概在2 5 p e f 范圍內(nèi)。有待希望空問探測技術(shù)的發(fā)展，將直接測量的能量上 限再延伸。但是在短期內(nèi)達(dá)不到“膝”區(qū)。 羊八井a(chǎn) r g o 實驗和德國的k a s c a d e 實驗都屬于地面e a s 陣列實驗。將兩 者的優(yōu)勢加以結(jié)合，我們期望能得到更好的關(guān)于膝區(qū)成分的結(jié)果以及其他的 物理上的重大進(jìn)展。 圖卜3 ：地面陣列記錄到的某一事件中的子徑向密度分布星號表示擬 合后簇射核的位置“” 1 2 粒子及粒子相互作用 到目前為止，對宇宙線膝區(qū)成分的研究只有靠地面觀測廣延大氣簇射。 一般而言，是觀測a s 中的電子數(shù)，或子數(shù)，或c h e r e n k o v 光量，以及它們 的橫向分布特征，通過m o n t ec a r l o 模擬( 其中涉及到粒子相互作用模型) 來推導(dǎo)出關(guān)于成分的結(jié)論。為此，我們介紹一下基本粒子，表征粒子基本性 質(zhì)的有關(guān)物理量和涉及到的粒子間的相互作用。 在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型框架下，基本粒子分為輕子( 1 e p t o n ) ，夸克( q u a r k ) 和規(guī)范粒子( g a u g ep a r t i c l e ) 輕子包括e ，f ，圪，匕，一及其反 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 第8 頁 粒子；q u a r k 包括u ，d ，c ，s ，t ，b 及其反粒子；規(guī)范粒子包括y ，w + ， 形一，z o ，膠子( g l u o n ) 。 強(qiáng)子( h a d r o n ) 是由2 3 個價q u a r k ，一些海q u a r k 對及膠予組成；介 子( m e s o n ) 是由2 個價q u a r k ，如礦( u d ) ，k + ( u s ) 。重子( b a r y o n ) 是 由三個價q u a r k ，如p ( u u d ) ，a ( u d s ) ，q 一( s s s ) 其中p ，n 叫核子 ( n u c l e o n ) 。重于核子的叫超子( h y p e r o n ) 部分子( p a r t o n ) 一q u a r k 和膠子 的統(tǒng)稱 我們介紹一下表征粒子性質(zhì)的有關(guān)物理量。質(zhì)量m ，電荷z ，壽命t ，自旋 i ，字稱p 等，能量e ，動量盧，只，尸v ，尸：；橫動量b ，縱動量兄，速度b = v c 。 l o r e n t z 酹，5 乃萬； f e y n m a n 變量砟= 2 最“( 兄是基于c m s 坐標(biāo)系而言的) ； 快度( r 即i d i t y ) ) ，= 1 2 l n e e + 一只p l ； 贗快度( p s e u d 。r a p i d i t y ) r l = - i 1l n 留i 8 粒子相互作用過程的幾個主要守恒量：能量、動量、電荷、輕子數(shù)、重 子數(shù)。 1 2 1 電磁相互作用 帶電粒子在穿過介質(zhì)時以兩種方式損失其能量： 射( 光子) 能量損失。 入射荷電粒子與介質(zhì)原子外層電子的彈性碰撞， 能量?？捎孟旅娴氖阶觼碛嬎汶婋x能量損失。 電離能量損失與發(fā)射輻 使原子電離，自身損失 j d e 。2 2 了z 去f ( f 1 2 , f 2 ，k ) ( 1 - 2 ) i 2 2 j 萬 r ，1 一) 其中z 表示入射粒子電荷；盧表示入射粒子速度；z ，a 表示介質(zhì)的原子 序及原子量：i 表示介質(zhì)原子的平均電離電位；z 嘣表示最大可傳遞動能 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第9 頁 當(dāng)入射帶電粒子與介質(zhì)原子最接近距離較原子半徑( s1 0 c 塒) 還小， 而同核的半徑忙1 0 1 3c ，1 ) 相比較又足夠大時，帶電粒子可以在介質(zhì)原子核的 庫侖場中遭受到核的庫侖散射，使其軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并伴隨著弱的電磁輻射 的發(fā)射，即韌致輻射。此時作用在帶電粒子的庫侖場被考慮成是位于原子核 中心的點電荷歷所產(chǎn)生的?？焖俚碾娮拥妮椛鋼p失主要是由介質(zhì)原子核的電 場對電子的減速作用而發(fā)生。能量主要是以光子發(fā)射的形式而損失掉，因此 而得名韌致輻射。 e 圖卜4 ：電子的韌致輻射示意圖 p + ( z ，彳) 一p + ，+ ( z ，句 ( 1 3 ) 電子的輻射能量損失用下面的公式計算； 警z 墮a ( 1 n 舅+ 與1 8 ；o ( 1 - 4 ) 出、z 托 五 其中墨定義為介質(zhì)的輻射長度。它的物理意義是，電子在介質(zhì)中因輻射 損失而使能量減低至原初能量的時所穿過的介質(zhì)厚度，單位是：。 ，c，p 喇 帶電重粒子( 質(zhì)子，介子等) 的輻射過程與電子的情況有所不同。由于 帶電重粒子有較電子大得多的質(zhì)量，在通過原子核附近時，經(jīng)受較小的偏轉(zhuǎn)。 加速度較小，因此只有較小的輻射損失。若帶電重粒子質(zhì)量為m ，則它在介 質(zhì)中的韌致輻射損失是相同速度的電子的韌致輻射的) 2 倍 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第1 0 頁 快速帶電粒子在介質(zhì)中輻射損失和電離損失相等時的粒子能量稱為該介 質(zhì)的臨界能量e 。對于電子，臨界能量可以近似的表示為： e 。= 8 0 0 ( m e v ) f ( z + 1 2 ) ( 1 - 5 ) 若粒子能量e e ，則以輻射損失為主。若e p + + p 一+ ( z ，a ) ( 1 7 ) 圖卜6 ：每單位輻射長度微分電子對產(chǎn)生的幾率，即產(chǎn)生的正電子能譜。 實線表示空氣，虛線表示鉛。曲線上的數(shù)字表示原初光子的能量e ，。 電磁相互作用除上面介紹的韌致輻射、荷電粒子在介質(zhì)中的多次散射和 光子的正負(fù)電子對產(chǎn)生之外，還有光電效應(yīng)，c o m p t o n 散射，逆c o m p t o n 散 射，同步輻射，光子一光子作用，c h e r e n k o v 輻射和穿越輻射等等?？偟膩?說，電磁相互作用是發(fā)生在帶電荷( 或帶磁荷) 的粒子闖的作用，由光子參 與或者通過光子作用，這在理論上用o e d ( 量子電動力學(xué)) 有很好的描述。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第12 頁 1 2 2 弱相互作用 弱相互作用是基本粒子之間一種特殊作用，它和強(qiáng)相互作用，電磁作用 和萬有引力作用并稱為四種基本作用力。由于弱相互作用比強(qiáng)相互作用和電 磁作用的強(qiáng)度都弱，故有此名。有兩種弱相互作用且強(qiáng)度相同，都比強(qiáng)相互 作用弱1 0 1 2 倍，相互作用時間約為1 0 。一1 0 - 8s 。用電弱統(tǒng)一理論對弱相互作 用有很好的描述。 i 圖卜7 ：弱相互作用示意圖。 1 2 3 強(qiáng)相互作用 強(qiáng)相互作用是作用于強(qiáng)子之間的力，是所知四種宇宙間基本作用力最強(qiáng) 的，也是作用距離最短的( 大約在l o - 1 5 m ) ，在理論上由量子色動力學(xué)( q c d ) 描述。 強(qiáng)相互作用可分為彈性( e l e a s t i c ) 散射和非彈性作用( i n e l e a s t i c i n t e r a c t i o n ) 。在彈性散射中，強(qiáng)子之間有動量交換，但是不產(chǎn)生新粒子， 如：口- f b - - 4 口+ b 。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第13 頁 p 圖l - 8 ：彈性散射示意圖。 而非彈性作用則產(chǎn)生至少一個新粒子或者有多粒子產(chǎn)生( 我們也經(jīng)常稱 之為。多重產(chǎn)生”) 如：p + p - p + p + 石o ，p + p p + p + 礦+ 萬一， p + p - p + p + n z + m k 等等。 p 圖卜9 ：非彈性作用示意圖。 非彈性作用又可分為軟作用( s o f ti n t e r a c t i o n ) 、硬散射( h a r d s c a t t e r i n g ) 和半硬過程( s e m i - h a r dp r o c e s s ) 。軟作用是小動量交換過程， 在邊緣發(fā)生碰撞，因而有大的碰撞參量。目前，o c d 對這樣的過程尚不可求 解，硬散射是大動量的交換過程對心發(fā)生碰撞，因而有小的碰撞參量。目前， 用微擾q c d 可求解這樣的過程。半硬過程是中等動量交換的過程。 圖1 - 1 0 ：非彈性作用的三種過程 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第14 頁 非彈性作用又可分為衍射( d i f f r a c t i o n ，d ) 和非衍射 ( n o n d i f f r a c t i o n ，n d ) 。其中衍射又可分為單衍射( s d ) 和雙衍射( 叻) 。 非彈性衍射作用還可分為單衍射和非單衍射( n s d ) 。其中單衍射包括彈 丸單衍和靶單衍。非單衍射包括非衍射和雙衍射。 而按實驗方法，又常將非彈性作用過程分為單舉過程( i n c l u s i v e p r o c e s s ) 和遍舉過程( e x c l u s i v ep r o c e s s ) 。這兩個過程的區(qū)別是，單舉過 程是在一個相空間元中只測一個末態(tài)粒子而不計其它，所有的末態(tài)粒子都有 可能出現(xiàn)在這個相空間元中，而遍舉過程測量的是所有末態(tài)粒子。 對于非彈性作用的多粒子產(chǎn)生可分為中心區(qū)( c e n t e rr e g i o n ) ( i x f l o 0 5 ) 。由于粒 子的橫動量總保持一個小值，碎裂區(qū)粒子一般位于朝前區(qū)( f o r w a r dr e g i o n ) ， 即出射角很小的錐內(nèi)。因此對撞機(jī)實驗難于探測。 用于描述強(qiáng)相互作用的基本理論是q c d ，但對低動量傳遞過程，q c d 尚不 能求解，只有依賴加速器數(shù)據(jù)和唯象模型。而對于描述強(qiáng)子作用的任何模型， 需給出以下物理量的分布及其隨能量的變化：強(qiáng)子作用截面、次級粒子多重 數(shù)( m u l t i p l i c i t y ) 、次級粒子動量和領(lǐng)頭粒子( 1 e a d i n gp a r t i c l e ) 。 1 3 級聯(lián)簇射過程 1 3 1 電磁簇射 高能電子或光子在厚介質(zhì)中通過朝致輻射和對產(chǎn)生一代代增殖，通過電 離而損失能量，通過多次散射( 及c o m p t o n 散射) 朝橫向展開。形成具有縱 向發(fā)展和橫向分布的電子一光子簇射，稱為電磁級聯(lián)簇射。 西南交通大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文第15 頁 圖1 - 1 1 ：電磁級聯(lián)簇射示意圖 電磁級聯(lián)簇射是一個復(fù)雜的過程，簇射的大小( s i z e ) 表示在介質(zhì)深度t 處的電子總數(shù)n e ；用簇射的年齡參量s 來描述簇射的發(fā)展階段。 j = 三_ 一 ( 卜8 ) t + 2 1 n ( e o | e 3 其中：t 是單位輻射長度的大氣深度( 對大氣l r 1 = 3 7 1 9 e m 2 ) ，疋是 臨界能量( 對大氣e = 8 1 m e v ) ，毛是原初能量。 簇射都要經(jīng)歷一個由小 及大再逐漸減小的過程，s l 。表示簇射處于衰減階段。 簇射橫向擴(kuò)展用m o l i e r e 單位描述，( r m = e 蜀e ，其中e 是多次 散射特征能量，對大