利用 ARGO 数据中的多芯事例研究强子相互作用

马欣华 代表 ARGO － YBJ 实验

中国科学院高能物理研究所2010 年 4 月 18 日

高能物理学会第八届全国会员代表大会暨学术年会（南昌）

内容 • 物理动机• ARGO-YBJ 实验• 多芯事例数据分析• 多芯事例模拟• 总结

强子 - 强子相互作用与宇宙线多芯事例

• 强子参与所有的四种相互作用，其中强相互作用的基本理论目前是 QCD ；

• 对传递动量小的软强子作用 , 联系于朝前区（碎裂区）次级粒子 , 微扰论 (pQCD) 不适用 , 尚不能求解对软强子作用的描写 , 只有依靠在一定理论图象下建立的唯象模型；

• 对传递动量大的硬强子作用 , 联系于中心区粒子，目前认为 QCD 存在‘渐近自由’ , 粒子间的色耦合弱 , 可用微扰论 (pQCD) 求解。

• 宇宙线多芯事例：宇宙线原子核与大气原子核相互作用产生级联簇射，其中带有大横动量 pT 的次级 pion 产生 jets ，从而得到簇射主芯之外的次芯。

高山乳胶室实验

Panir Coll., Mt. Fuji Coll. and Chacaltaya Coll., Nucl. Phys. B191(1981)1-25

多家高山乳胶室实验 (mountain emulsion chamber, MEC) 观测到多芯事例的精细结构，但是受乳胶室大小的限制，只局限于芯距 ~40cm 内的多芯事例。

Chacaltaya event

Z. Cao et al., Phys. Rev. D,v56 1997,7361-7375

122112 rEE

(abnormal nuclear enhancement)

χ12 >1000TeVcm 的事例不能被现阶段的强子作用模型所解释，而大 χ 事例的观测受到乳胶室大小的限制，统计量也很低。

高山乳胶室实验

H. Munakata et al., J.Phys. G: Nucl. Phys. 6(1980) 1575-1589

spark chambers

burst detectors

密排阵列实验： Mt. Norikura (738gcm-2)

量能器实验： EAS-TOP

M. Aglietta et al.Physics Letters B 4601999.474–483

12mx12mx3m calorimeter

物理动机：小结• 宇宙线多芯事例是研究强子相互作用的很好的

样本；• 高山乳胶室实验：大 χ 多芯事例的观测受探测

器大小的限制；已有的其他类型实验受阵列或探测器的规模限制，对于大 χ 事例未能到足够的观测统计，结果仅限于常规观测；

• ARGO-YBJ ： 6000m2 地毯式 RPC 阵列为大 χ多芯事例的研究提供了良机。

1.8ns 1RPC →2 “Big Pads” (1.4×1.25 m2)

EMC

一个真实的多芯事例 zen. 34.6°, azim. 133°, lg(χ)=3.3; E0~500TeV(p) or 2000TeV(Fe)

strip→direction

BigPad→density

core position→

ρmax

density

(particle/m2)

1221 r ρ(particle/m2), r(m)

多芯事例的定义

r(m)

ρ(m-2)

)(lg)(lg rrf FitMeas

21)( prpr

lateral distribution: NKG function5.42

2)1()()()( s

M

s

MM

e

r

r

r

r

r

NsCr

5.3σ(with trial number)

实验数据分析的初步结果• 数据取自 2007 年 2 月至 5 月；• 较高初能事例 : hit strips >

5000, and max. ADC count > 10 →1.0 ×107 events ，

• 多芯事例选择 : – significance > 5σ– r12 ~ 3.5 -10 m.– good linearly dynamic range:

• The main EAS core > 100 particles /m2 and the second core > 50 particles/m2 above ρFit(r).

• No BigPad is saturated.

• 多芯事例 270events, ~2events/day

270 events

Monte Carlo 模拟• Corsika• QGSJETII: 一个作为理论切入点的很好的

模型 (QCD inspired model, Pomerons for soft hadronic reactions, minijets for half hard parton scattering, etc.)

• 初能 E0~ 1014-1016eV• 成分 : H,He,CNO,MgAlSi,Fe• 天顶角 : 0°- 45°• 方位角 : 0°- 360°• 观测位置 : 4300 m a.s.l. (YBJ)• 只模拟了 ARGO 阵列的几何设置

Monte Carlo 模拟：一个多芯事例 iron, E0 968.8TeV, zen. 32.9°, azim. 268.7°, lg(χ)=2.76

density

(particle/m2)

一个模拟事例

在第二个芯的次级带电粒子中，有一个μ+，由 π+ 产生，其余为 e+ 和 e-

x(m)

y(m)N

y(m)x(m)

N

E(GeV)

IDμ+

e-e+

ID

Ngen

π+

初步的模拟结果• 1014-1016eV : 6×105events, ~22days,

21 multi-core events• 30TeV~100TeV, H, He, ~15% , 3

multi-core events→3/15%=20• (21+20)/22=2events/day，与数据一致；

• 在低能区（低 χ区）模拟与数据基本一致； 在高能区（高 χ区）需要更多的实验数据和模拟数据以检验强自相互作用理论模型。

data

1221 r

M.C.

总结• 宇宙线多芯事例可以给出对强子相互作用理论

的检验；• 初步分析和模拟表明， ARGO-YBJ 实验为进

行宇宙线多芯事例继而对强子相互作用理论的研究提供了难得的机会；

• 欢迎各位有兴趣的同事，特别是研究强子相互作用的粒子物理学家参与我们的研究。

• 建议大会增设“交叉报告”，数量不限，时间10min ，提出问题，增进交流。