Studies on muon showers underground

Summary

The 4 m² spark chamber telescope array of the Mt. Cappuccini Laboratory, Torino, at 40 m w.e. underground was operated for about 830 h recording muon showers. The data were analysed with respect to the multiplicity distribution of the shower particles, and to local interactions initiated in the chamber absorbers. Regarding the multiplicity analysis a semi-empirical expression for the likely shower size dependence of a structure function of the analytical form proposed by Vernovet al. was derived and applied with systematically varied parameters. The comparison of the observed rates of multiples with those calculated with a variety of parameters showed that a satisfactory agreement can be attained only if one admits a variation with the shower size of the parameters, and an enhanced muon/electron ratio at the lower primary energies, possibly indicative of an increased abundance of primary heavy nuclei. This would conform with the idea of a two-component primary composition in which a pulsar-produced fraction, enriched in heavy nuclei, dominated only at medium energies. The records on multiplicative interactions, and on large-angle scattering, were analysed by comparing their rates observed for shower particles with those found in single-muon check runs. The results are consistent with the assumption that all shower particle interactions are electromagnetic in nature, and that nonconventional components like mandelas are absent. Only making extreme allowances for statistical fluctuations the data can be made compatible with a mandela flux as large as that suggested by Baruchet al., provided that the mandela attenuation length is less than 1500 g/cm² of rock.

Riassunto

L’apparato visualizzante a camere a scintilla del Laboratorio del Monte dei Cappuccini ha rivelato per circa 830 ore alla profondità di 40 m a.e. sciami di muoni. È stata studiata la distribuzione di molteplicità delle particelle e le interazioni di queste entro l’apparato. Dall’analisi in molteplicità viene derivata una funzione di struttura semiempirica ottenuta introducendo in quella proposta da Vernovet al. una dipendenza dalla grandezza dello sciame. Un soddisfacente accordo tra la frequenza sperimentale della molteplicità di sciame e quella teorica può essere raggiunto solo se la funzione di struttura dipende dalla grandezza dello sciame e se viene innalzato per le basse energie dei primari il rapporto muone/elettrone. Questo può indicare una maggiore abbondanza di nuclei primari pesanti nell’intervallo di energia in questione in accordo con l’idea di un possibile contributo da pulsar. L’analisi delle interazioni moltiplicative e della diffusione a grande angolo delle particelle di sciame viene eseguita mediante confronto con muoni singoli. I risultati sono consistenti con l’ipotesi che tutte le interazioni delle particelle di sciame siano di natura elettromagnetica e che le componenti non convenzionali tipo Mandela siano assenti. Solo mediante estreme interpretazioni delle fluttuazioni statistiche i dati possono essere resi compatibili con il flusso di Mandela, suggerito da Baruchet al., purché la lunghezza di attenuazione sia minore di 1500 g/cm² di roccia.