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Institut für Astronomie und Astrophysik

Abteilung Astronomie

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Dissertation Bernd Aschenbach


Untersuchungen an hochenergetischen Hadronen in Luftschauern

Summary.
In etwa 50000 Luftschauern, die in der Zeit von Mitte des Jahres 1967 bis Mitte des Jahres 1971 im Rahmen des Kieler Luftschauerexperimentes registriert worden sind, sind 1003 Ereignisse gefunden worden, die im Hadronendetektor, einem unter einer 3.77 m dicken Betonschicht installierten, 13.8 m2 großen Neonhodoskop, von mindestens zwei Hadronen begleitet waren. Aus diesen Mehrfachereignissen ist die über die Beobachtung vieler Schauer gemittelte Zahl der Hadronen pro Einheitsfläche und Luftschauer als Funktion der Hadronen-energie, des Abstandes vom Schauerkernzentrum und der Schauergröße errechnet worden. Das Ergebnis über die Hadronendichte resultiert aus einem direkten Vergleich der Messungen mit ausführlichen Monte - Carlo Rechnungen über die im Neonhodoskop durch die Hadronen produzierten Trefferbilder. Besonderer Wert ist darauf gelegt worden, die Eigenschaften des Kieler Hadronendetektors in den Rechnungen zu berücksichtigen. Die Schwierigkeit der Monte - Carlo Rechnungen und damit dieser Arbeit liegt in einem extremen Zeitaufwand, der betrieben werden muß, um die einerseits experimentell und andererseits über die Rechnungen gewonnenen Ergebnisse in Einklang mitander zu bringen. Aufgrund der komplizierten Eigenschaften des Hadronendetektors ist das Problem einer analytischen Bearbeitung nicht zugängig, so daß die Monte - Carlo Methode angewendet wird. Diese erlaubt jedoch nicht ein in sich geschlossenes, iteratives Vorgehen über einen Satz von Anfangswerten, aus dem Vergleich mit dem Experiment korrigierten Anfangswerten bis zur Konvergenz des Verfahrens. Gegenüber früher verwendeten Methoden der Hadronen-Datenanalyse sind in dieser Arbeit Verfahren entwickelt worden, die Ergebnisse über die Hadronen ausschließlich auch aus Messungen an den Hadronen zu ermitteln. Damit entfallen weitgehend die in den früheren Arbeiten auftretenden Fehlerquellen, die durch die Unsicherheiten in der Auswertung der elektromagnetischen Komponente des Luftschauers, insbesondere den Kernkoordinatenfehler auch auf die Hadronenaus-wertungen übertragen worden sind. Aus den Meßdaten der elektromagnetischen Komponente ist ausschließlich die Schauergröße als Ordnungsparameter für die Primärenergie benutzt worden. Aus dem Vergleich der gemessenen und berechneten Hadronentrefferbilder im Neonhodoskop lassen sich die folgenden Aussagen für das mittlere Verhalten hochenergetischer Hadronen in Luftschauern herleiten :
1.) Die Form ihres Energiespektrums und die Form ihrer Lateralverteilung sind unabhängig von der Schauergröße in einem Bereich von 105 bis 107 Teilchen, der einem Primärenergiebereich von 1015 bis 1017 eV entspricht.
2.) Das differentielle Energiespektrum läßt sich darstellen durch ein Potenzgesetz, das einen mit wachsender Energie abnehmenden Exponenten aufweist, der bei einer Energie von 250 GeV von dem Wert -1.6 bis auf den Wert -2.8 ± 0. 2 für Energien von mehr als 5 TeV fällt.
3.) Die Lateralverteilung ist sehr steil, und die Messungen sind verträglich mit einem exponentiellen Verlauf : rho_Hadron ~ exp(-x/x0). Aus statistischen Gründen konnte die Abhängigkeit der Größe x von der Entfernung zum Schauerkernzentrum nicht ausreichend geklärt werden. Untersucht wurden die Möglichkeiten einer linearen und einer Wurzelabhängigkeit. Unter der Annahme eines linearen Zusammenhangs beträgt der mittlere Abfall x0 der Lateralverteilung bei l TeV ( 96 ± 6 ) cm und nimmt mit wachsender Energie nach einem Potenzgesetz mit einem Exponenten des Wertes - -0.23 ± 0.03 ab.
4.) Die Gesamtzahl der Hadronen in einem Schauer wächst mit der Schauergröße ebenfalls nach einem Potenz-gesetz, dessen Exponent den Wert 0.89 ± 0. 12 besitzt. Neben dem mittleren Verhalten der Hadronen wurden die Messungen auf Korrelationen der Hadronen untereinander analysiert. Aus der Verteilung des Parameters, der den Quotienten aus dem Abstand und der Summe der reziproken Burstgrößen von je zwei Hadronen darstellt, kann auf das Vorhandensein solcher Korrelationen geschlossen werden. Seine Häufigkeitsverteilung weicht deutlich von der Verteilung ab, die eine rein zufällige Kombination der zwei Hadronen annimmt. Dies bedeutet, daß auch noch in Meereshöhe, in der sich der Luftschauer in einem fortgeschrittenen Stadium seiner Entwicklung befindet, Korrelationen von Hadronen vorhanden sind und auch an bestimmten Parametern gemessen werden können. Ihre Ursache liegt möglicherweise in der Entstehung der beobachteten Hadronen in einer einzigen oder zu-mindestens in zwei sehr benachbarten Wechselwirkungen. Mit der Auswertung derartiger Parameter deutet sich ein Weg an, auch im Luftschauer Wesenszüge einer einzigen Wechselwirkung zu erforschen. So geht der oben zitierte Parameter im Grenzfall von zwei energetisch sehr unterschiedlichen Hadronen aus einer Wechselwirkung in das Produkt aus Transversalimpuls und Entstehungshöhe über.
Der Vergleich der Ergebnisse dieser Arbeit mit den experimentell gewonnenen anderer Forschungsgruppen ist nur unter Vorbehalten möglich, da diese Gruppen die elektromagnetische Komponente des Luftschauers zur Auswertung der Hadronendaten benutzen. Zum anderen ist in vielen Experimenten den apparativen Gegebenheiten nicht Rechnung getragen. In dieser Arbeit wird gezeigt, daß für eine befriedigende Ausmessung der Hadronen in Luftschauern mit mehr als 106 Teilchen Hadronendetektoren benötigt werden, deren örtliches Auflösungsvermögen weitaus besser als 50 cm ist. Diese Bedingung erfüllen die Detektoren nur sehr weniger Gruppen.
Der Vergleich der aus dieser Arbeit resultierenden mittleren Hadronendichte mit denen aus Luftschauermodellrechnungen liefert je nach verwendetem Modell verschiedene Ergebnisse. Eine gute Übereinstimmung zeigt sich im Falle des von Thielheim und Beiersdorf ( 21, 22, 23 ) durchgerechneten Modells, die sowohl das Energiespektrum als auch die Lateralverteilung betrifft. Dies kann als Bestätigung der in diesem Modell verwendeten Werte für die Parameter der starken Wechselwirkung durch die Messungen betrachtet werden. Danach ist der mittlere Transversalimpuls unabhängig von der Stoßenergie und besitzt den Wert von 0.33 GeV/c. Aus der Schwankung des totalen Hadronenenergieflusses ergibt sich iiri Nahmen desselben Modells eine gemischte chemische Zusammensetzung der primären Ultrastrahlung. Unabhängig von den Beobachtungen der Energieflußschwankung wird dies auch durch den Verlauf des Energiespektrums und der Lateralverteilung nahegelegt.
 

Dissertation (228,09 Mb PDF file including figures)


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Last modified 14 Jul 2011
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