Advertisement

Il Nuovo Cimento B (1965-1970)

, Volume 53, Issue 2, pp 241–263 | Cite as

Search for long-lived heavy particles in cosmic-ray events at energies above several thousand GeV

  • J. Bjørnboe
  • G. Damgård
  • K. Hansen
  • B. K. Chatterjee
  • P. Grieder
  • A. Klovning
  • E. Lillethun
  • B. Peters
Article

Summary

Two experiments are described, designed to search for heavy, long-lived particles (mass ≳ 5 GeV/c2, lifetime ≳10−6 s) with strong and/or electromagnetic interactions. If such particles exist, they may be expected to occur in air showers and some should arrive at sea level, delayed with respect to the bulk of air shower particles, yet carrying a large amount of energy. Our apparatus was constructed so as to register particles delayed from 20 to 520 ns with respect to an air shower and capable of penetrating a large amount of matter (ranging from 1600 to 3600 g/cm2). In the first experiment the particles had to be at least singly charged or to interact in 1.6 tons of detector. In the second experiment it was required that the particles had a reasonably large cross-section for pion production. The result of the experiments is negative; upper limits for the occurrence of signals due to delayed energetic particles lie between 10−10 and 3·10−10 cm−2 s−1. Upper limits on the production cross-section of such particles can be obtained only by assuming a particular model for their production and propagation. We can infer however that, if particles of this kind exist, their production cross-section must be small even in the energy range from 10000 to 50000 GeV. A particular model, which is discussed in Appendix III, yields upper limits in the region of 10 µb for the production of particles which are about ten times as heavy as nucleons.

Keywords

Transverse Momentum Pion Production Plastic Scintillator Shower Particle Chance Coincidence 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Поиски долгоживуших тяжелых частиц в космических лучах при знергиях, больще нескольких тысяч ГзВ

Реэюме

Описываются два зксперимента, преднаэначенных для поиска тяжелых, долгоживуших уастиц (масса ⩾5 ГзВ/с2, время жиэни ⩾10−6 сек) с сильными и/или злектромагнитными вэаимодействиями. Если такие частицы сушествуют, можно ожидать, что они встречаются в воэдущных ливнях и некоторые иэ них достигают уровня моря, эапаэдываюших по отнощению к основной массе частиц воэдущного ливня, однако несуших больщое количество знергии. Наща аппаратура была сконструирована так, чтобы регистрировать частицы, эапаэдываюшие на (20÷520) пo по отнощению к воэдущному ливню и способные проникнуть череэ больщой слой вешества (область от 1600 до 3600 г/см2). В первом зксперименте частицы должны были быть, по крайней мере, однократно эаряжены или вэаимодействовать в 1.6 т детектора. Во втором зксперименте требовалось, чтобы частицы имели достаточно больщое поперечное сечение рождения пионов. Реэультаты зкспериментов отрицательные: верхние пределы для наличия сигналов, обусловленных эапаэдываюшими знергетичными частицами лежат между 10−10 и 3·10−10 см−2 сек−1. Верхние пределы на поперечное сечение рождения таких частиц могут быть получены, только предполагая специальную модель для их рождения и распространения. Однако мы можем эаключить, что если частицы зтого вида сушествуют, то их поперечное сечение рождения должно быть малым в области знергтии (10000÷50000) ГзВ. Специальная модель, которая обсуждается в приложении III дает верхние пределы в зтой области 10 мб для рождения частиц, которые почти в десять раэ тяжелее нуклонов.

Riassunto

Si descrivono due esperimenti per la ricerca di particelle leggere e di lunga vita media (massa ≳5 GeV/c, vita media ≳10−6 s) con interazioni forti e/o elettromagnetiche. Se tali particelle esistono ci si potrebbe aspettare di trovarle negli sciami dell’aria ed alcune dovrebbero arrivare al livello del mare, ritardate rispetto alla gran massa di particelle degli sciami dell’aria, conservando tuttavia una notevole quantità di energia. Si è costruita un’apparecchiatura per registrare particelle ritardate da 20 a 520 ns rispetto ad uno sciame dell’aria e capaci di attraversare una gran quantità di matena (da 1600 a 3600 g/cm2). Nel primo esperimento le particelle avrebbero dovuto almeno essere singolarmente cariche o interagire nelle 1.6 t di liquido del rivelatore. Nel secondo esperimento si richiedeva che le particelle avessero una sezione d’urto ragionevolmente grande per la produzione di pioni. Il risultato degli esperimenti è negativo; i limiti superiori per la frequenza dei segnali dovuti a particelle energetiche ritardate è fra 10−10 e 3·10−10 cm−2 s−1. Limiti superiori per la sezione d’urto di produzione di tali particelle possono essere ottenuti solo adottando un particolare modello per la loro produsione e propagazione. Si può comunque inferire che, se particelle di questo tipo esistono, la loro sezione d’urto di produzione deve essere piccola anche per valori dell’energia fra 10 000 e 50 000 GeV. Un modello particolare, discusso nell’Appendice III, fornisce limiti superiori nella regione di 10 µb per la produzione di particelle circa dieci volte più pesanti dei nucleoni.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. (1).
    M. Gell-Mann:Phys. Lett.,8, 214 (1964);G. Zweig: CERN Report No. 8182/Th 401 (1964).ADSCrossRefGoogle Scholar
  2. (2).
    Searches for quarks in the cosmic radiation have been carried out by:A. W. Sunyar, A. Z. Schwarschild andP. I. Connors:Phys. Rev.,136, B 1157 (1964);T. Bowen, D. A. Delise, R. M. Kalbach andL. B. Mortara:Phys. Rev. Lett.,13, 728 (1964);D. A. Delise andT. Bowen:Phys. Rev.,140, B 458 (1965);T. Massam, Th. Müller andA. Zichichi:Nuovo Cimento,40 A, 589 (1965);J. C. Barton andC. T. Stockel:Phys. Lett.,21, 360 (1966);H. Kasha, L. B. Leipuner andR. K. Adair:Phys. Rev.,150, 1140 (1966);R. C. Lamb, R. A. Lundy, T. B. Novey andD. D. Yovanovitch:Phys. Rev. Lett.,17, 1068 (1966);H. Kasha, L. B. Leipuner, T. P. Wangler, J. Alspector andR. K. Adair:Phys. Rev.,154, 1263 (1967). Accelerator experiments have been performed by:L. B. Leipuner, W. T. Chu, R. C. Larsen andR. K. Adair:Phys. Rev. Lett.,12, 423 (1964);D. R. O. Morrison:Phys. Lett.,9, 199 (1964);H. H. Bingham, M. Dickinson, R. Diebold, W. Koch, D. W. G. Leith, M. Nikolic, R. Ronne, R. Huson, P. Musset andJ. J. Veillet:Phys. Lett.,9, 201 (1964);V. Hagopian, W. Selove, R. Ehrlich, E. Leboy, R. Lanza, D. Rahm andM. Webster:Phys. Rev. Lett.,13, 280 (1964);W. Blum, S. Brandt, V. T. Cocconi, O. Czyzewski, J. Danysz, M. Jobes, G. Kellner, D. Miller, D. R. O. Morrison, W. Neale andJ. G. Rushbrooke:Phys. Rev. Lett.,13, 353 (1964).Google Scholar
  3. (3).
    G. Damgård, P. Grieder, K. H. Hansen, C. Iversen, E. Lohse, B. Peters, T. Rengarajan, E. Lillethun andA. Klovning:Proc. Int. Conf. on Cosmic Rays (London, 1965), p. 808.Google Scholar
  4. (4).
    P. Franzini, B. Leontić, D. Rahm, N. Samios andM. Schwartz:Phys. Rev. Lett.,14, 196 (1965);D. E. Dorfan, J. Eades, L. M. Lederman, W. Lee andC. C. Ting:Phys. Rev. Lett.,14, 999 (1965).ADSCrossRefGoogle Scholar
  5. (5).
    B. K. Chatterjee, G. T. Murthy, S. Naranan, B. V. Shreekantan, M. V. Srinavasa Rao andS. C. Tonwar:Proc. Int. Conf. on Cosmic Rays (London, 1965), p. 805.Google Scholar
  6. (6).
    L. W. Jones, D. E. Lyon jr.,P. V. Ramana Murthy, G. De Meester, R. W. Hartung, S. Mikamo, D. Reeder, A. Subramanian, F. E. Mills, C. A. Radmer, W. R. Winter, B. Cork, B. Dayton, A. BenVenutti, E. Marquit, P. D. Kearney andA. E. Bussian: in press.Google Scholar
  7. (7).
    G. Cocconi:Handbuch der Physik, vol. 46/1 (Berlin, 1961).Google Scholar
  8. (8).
    K. Greisen:Progress in Cosmic Ray Physics, vol.3 (Amsterdam, 1956).Google Scholar
  9. (9).
    K. Greisen:Ann. Rev. Nucl. Sci.,10, 63 (1960).ADSCrossRefGoogle Scholar
  10. (10).
    J. C. Barton andM. Slade:Proc. Int. Conf. on Cosmic Rays (London, 1965), p. 1006.Google Scholar
  11. (11).
    Y. Pal andB. Peters:Mat. Fys. Medd. Dan. Vid. Selsk.,33, No. 15 (1964).Google Scholar
  12. (12).
    B. Peters:Creation of particles at cosmic ray energies, CERN 66-22.Google Scholar
  13. (13).
    J. Bjørnboe andZ. Koba:Suppl. Progr. Theor. Phys.,37/38, 192 (1966).ADSCrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Società Italiana di Fisica 1968

Authors and Affiliations

  • J. Bjørnboe
    • 1
  • G. Damgård
    • 1
  • K. Hansen
    • 1
  • B. K. Chatterjee
    • 2
  • P. Grieder
    • 3
  • A. Klovning
    • 4
  • E. Lillethun
    • 4
  • B. Peters
    • 5
  1. 1.Niels Bohr InstituteUniversity of CopenhagenCopenhagen
  2. 2.Tata Institute of Fundamental ResearchBombay
  3. 3.University of BernBern
  4. 4.University of BergenBergen
  5. 5.Danish Space Research InstituteLyngby

Personalised recommendations