ВКР: Ограничения моделей взаимодействий адронов по потокам атмосферных мюонов в области сверхвысоких энергий

Введение
Эксперименты LHCf [1] и TOTEM [2] , выполненные на большом адронном коллайдере (БАК), показали, что экспериментальные данные по спектрам вторичных частиц в области больших энергий не согласуются с предсказаниями некоторых моделей взаимодействий адронов. В работе предлагается провести проверку предсказаний моделей по данным, которые получаются в экспериментах с космическими лучами. Естественно сравнить предсказания всех наиболее популярных моделей с данными L3+Cosmic [3], MACRO [4] и LVD [5]. В космических лучах данные по спектрам атмосферных мюонов наиболее чувствительны к спектрам генерации вторичных частиц в адронных взаимодействиях в области максимальных энергий. Поэтому задача сравнения предсказаний различных моделей с данными по спектрам атмосферных мюонов является актуальной. В даннаой работе реализована проверка и анализ моделей взаимодействия адронов с помощью двух разных подходов. В рамках первого подхода моделируются распределения плотности частиц и потока энергии по псевдобыстроте, а в рамках второго расчётные спектры мюонов сравниваются с экспериментальными данными по потокам атмосферных мюонов. Современные ускорители - грандиозные технические сооружения. На ускорителе ЦЕРНа LHC при столкновениях протонов выделяется энергия ∼ 7 ТэВ с СЦИ, что соответствует энергии в ЛСК ∼ 2, 6 · 1016 эВ. В ускорительных экспериментах столкновения протонов происходят в компактной области пространства (области взаимодействия) - точка взаимодействия (точка пересечения протонных пучков коллайдера). Детекторы регистрируют частицы, рождённые в элементарном акте взаимодействия (столкновения) протона с протоном. Детекторы установок расположены максимально близко к точке взаимодействия, причём, в близлежащих областях стремятся сосредоточить максимальное количество чувствительных элементов детекторов, тем самым достигается высокая гранулярность детекторов. Всё это даёт возможность хорошо "рассмотреть" элементарный акт взаимодействия. При наборе достаточной статистики можно получить информацию о пространственных и энергетических распределениях вторичных частиц разного типа. Далее проводится сопоставление экспериментальных распределений с соответствующими модельными распределениями. Проверка моделей взаимодействий адронов в данном аспекте представляет своего рода прямую задачу интерпретации данных в космических лучах. Космические лучи представлют собой уникальный природный источник адронов высокой энергии (значения энергии достигают ∼ 2 · 1020 эВ в ЛСК). Взаимодействия частиц первичного космического излучения (ПКИ) высоких энергий происходят в верхних слоях атмосферы (h & 20 км). Протон (или ядро) по мере движения в атмосфере Земли способен порождать всё новые и новые вторичные частицы, те, в свою очередь, сталкиваясь с ядрами атомов атмосферы, порождают следующие поколения вторичных частиц. Современные эксперименты по детектированию космических лучей представляют распределённую сеть наземных детекторов, охватывающую площадь в несколько тысяч квадратных километров. Например, установка Auger [6] имеет площадь 3 · 103 км2 . Наземные детекторы позволяют определить сигналы от вторичных частиц, достигщих детекторов. Результаты расчётов сигналов детекторов сопоставляются с аналогичными результатами экспериментальных данных. Проверка моделей взаимодействий адронов представляет своего рода обратную задачу для определения параметров элементарного акта взаимодействия адронов. Сравнивая наблюдаемые данные с результатами моделирования сигналов в детекторах, можно сделать выводы о соответствии параметров соответствующей модели взаимодействия адронов эксперименту. Целью работы является проверка предсказаний некоторых наиболее популярных моделей взаимодействий адронов, используемых для интерпретации данных в космических лучах, для спектров генерации вторичных частиц в области максимальных энергий. Решается задача оценки погрешностей моделей взаимодействия адронов и определения интервалов энергий частиц ПКИ, которые вносят максимальный вклад в спектр мюонов.

Глава 1
Ускорители

Ускоритель заряженных частиц – один из основных инструментов современной физики. Ускорители являются источниками как пучков первичных ускоренных заряженных частиц, так и пучков вторичных частиц (π ± и K ± мезонов, адронов, фотонов и др.), получаемых при взаимодействии первичных ускоренных частиц с веществом. Пучки частиц используются для изучения природы и свойств элементарных частиц, в ядерной физике, для изучения свойств твёрдого тела. Всё большее применение они находят и при исследованиях в других областях: в химии, биофизике, геофизике. Расширяется значение ускорителей заряженных частиц и в ряде других технических отраслей. Во всех действующих ускорителях увеличение энергии заряженных частиц происходит под действием внешних продольных (направленных вдоль скорости ускоряемых частиц) электрических полей [7]. Ускорители заряженных частиц – установки, служащие для ускорения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов) до высоких энергий. Частицы ускоряются в электрическом поле, которо создаётся в специальных частях ускорителя. Магнитное поле может лишь изменить направление движения заряженных частиц, не меняя величины их скорости, поэтому в ускорителях оно применяется для управления движением частиц (формой траектории). Обычно ускоряющее электрическое поле создаётся внешними устройствами (генераторами) [7]. Коллайдеры – ускорители со встречными пучками. При генерации новых частиц в акте соударения должна выделяться энергия, превосходящая энергию покоя рождающихся частиц. При соударении частиц в коллайдере может реализоваться вся набранная при ускорении энергия, в то время как при соударении быстрого протона с нуклоном неподвижной мишени используется только малая часть энергии налетающей частицы в ЛСК. В коллайдерах частицы могут двигаться навстречу друг другу или в одном кольце (частицы и античастицы), или в двух пересекающихся кольцах. Количество ядерных реакций, происходящих в единицу времени, оказывается в тысячи раз меньше, чем при неподвижных мишенях, из-за крайней разряженности пучков. Эффективность коллайдеров принято характеризовать их светимостью, т.е. числом, на которое нужно умножить эффективное сечение изучаемой реакции, чтобы получить число таких реакций в единицу времени [7]. Для коллайдеров светимость определяется выражением (1.1) [8].