Введение к работе
Актуальность проблемы. В последние годы появился целый ряд экспериментов, в которых при исследовании различных реакций, в частности, реакции двойной перезарядки пионов, наблюдались достаточно узкие структуры в функции возбуждения ядер при очень высоких (более 100 МэВ) энергиях возбуждения. Экспериментальное наблюдение узких максимумов в спектрах возбуждения ядер при таких больших энергиях не находит объяснения в традиционных моделях атомного ядра, связанных с однонуклонными и коллективными многонуклонными состояниями, и может свидетельствовать о проявлении ненуклоннъгх степеней свободы. Поскольку ширина таких резонансов составляет несколько МэВ, их интерпретация как барионных состояний в ядрах возможна лишь при условии изменения свойств барионных состояний в ядерной материи. При значительной энергии связи барионных состояний в ядрах сдвиг их эффективной массы может приводить к существенному уменьшению их ширины.
Экспериментальное наблюдение таких резонансов является чрезвычайно трудной задачей. Для их исследования необходимо выбирать такие реакции и такую постановку экспериментов, в которых фоновые нерезонансные процессы были бы сильно подавлены. Рождение пионов при взаимодействии протонов с ядрами является одной из подходящих для этой цели реакций, т.к. является реакцией с большой передачей импульса и должно быть чувствительно к структуре ядра на малых расстояниях и к нуклон-нуклонным корреляциям в ядре. Однако, детальный анализ этой реакции при энергиях налетающих протонов 600-800 МэВ показал, что в этой области энергий энергетические спектры пионов достаточно хорошо описываются с учётом взаимодействия налетающего протона с отдельными нуклонами ядра. При энергиях налетающих протонов меньше 400 МэВ, рождение пионов с энергией больше 30 МэВ кинематически запрещено для реакции образования пионов под углом больше 90 при взаимодействии
протона со свободным нуклоном. Ферми движение нуклона в ядре несколько уменьшает это ограничение, но, тем не менее, дифференциальное сечение рождения пионов остается достаточно небольшим и не превышает нескольких мкбн/МэВ/ср.
Это сечение сравнимо с сечением реакции двойной перезарядки пионов на ядрах при низких энергиях пионов, которая, как известно, также представляет собой уникальное средство для исследования корреляций между двумя нуклонами в ядре на малых расстояниях. Обнаруженный в функции возбуждения реакции двойной перезарядки пионов узкий пик при энергии пионов 50 МэВ не описывается в рамках стандартных моделей с учётом поглощения и перерассеяния пионов. Для его объяснения М.Щепкиным и др. была предложена модель, которая описывает поведение функции возбуждения в области энергии пионов 50 МэВ как возбуждение дибарионного резонанса с массой 2,063 ГэВ в системе rcNN. Этот дибарион, названный сГ, рассматривается как ненуклонное Jp = 0 возбуждённое состояние дейтрона с энергией возбуждения 190 МэВ и шириной около 0,5 МэВ.
Существование узких дибарионов с массами 2,063 — 2,143 ГэВ интенсивно обсуждается в литературе. Предсказывается, что любая КХД модель структуры адрона должна с необходимостью приводить к существованию таких дибарионов. Тот факт, что эти резонансы распадаются практически исключительно по 7tNN каналу и имеют малые ширины, делает их экспериментальное наблюдение достаточно сложным. Эксперимент по поиску d' в реакции рр -> А'п+, с распадом d' -* л'рр был проведён недавно в Упсале (Швеция) на ускорителе CELSIUS. Энергия протонов 730 МэВ, при которой проводился этот эксперимент, лишь ненамного превышает порог этой реакции (~ 710 МэВ). В спектре инвариантных масс л' рр был обнаружен узкий пик, соответствующий массе 2,063 ГэВ со статистическим отклонением 4сг от плавного нерезонансного фона.
Порог образования этого резонанса в реакции pCu—* if d'X составляет
около 340 МэВ. Можно ожидать, что эффект рождения дибариона о" в этой реакции может проявиться при детальном исследовании функции возбуждения ядер н анализе формы полученных энергетических спектров пионов и в реакции рСи—> л+Х в этой области энергий протонов.
Таким образом, детальное исследование функции возбуждения и формы пионного спектра в области энергий протонов 340 - 360 МэВ в реакции рА—* зг+Х может позволить выделить даже очень небольшой вклад из-за других возможных каналов образования пионов как за счёт пороговых эффектов рождения пионов на кластерах в ядре, так и за счёт возможного изменения свойств пион-нуклонных резонансов в ядре, а также других механизмов образования пионов.
И, действительно, в ряде экспериментов, проведённых в Дубне и Сакле (Франция), по исследованию рождения пионов при взаимодействии протонов с ядрами меди и гафния было обнаружено усиление выхода низкоэнергетических пионов с кинетической энергией меньше 70 МэВ, вылетающих под углом 90 при энергии протонов 348-350 МэВ. Экспериментальное ограничение на ширину этого резонанса в функции возбуждения ядра составляет < 5 МэВ. Следует отметить, что в двух других экспериментальных работах, выполненных на мезонной фабрике TRIUMF и на ускорителе CELSIUS, также наблюдалась нерегулярность в поведении функции возбуждения при энергиях протонов около 350 МэВ, но статистически значимого эффекта при этих энергиях налетающих протонов не обнаружено. Необходимы новые эксперименты, которые позволили бы получить надёжные экспериментальные доказательства существования этого эффекта в реакции рСи— л+Х.
Целью диссертационной работы является получение экспериментальных данных по рождению л+ - мезонов под углом 90 в столкновениях протонов с ядрами меди с высокой статистической точностью и с малыми систематическими погрешностями и исследование функции возбуждения ядра при энергии налетающих протонов 340 - 364 МэВ с шагом по энергии налетающих протонов 1-2 МэВ.
Научная новизна работы состоит в детальном измерении и исследовании поведения функции возбуждения в реакции рСи —* л+Х. Подтверждено существование узкой резонансной структуры в функции возбуждения этой реакции при энергии протонов 348 - 350 МэВ. Показано, что эта резонансная структура обусловлена усилением выхода низкоэнергетичных пионов.
Практическая ценность данной работы заключается в следующему
- создана экспериментальная зона в конце туннеля линейного
ускорителя Московской мезонной фабрики, включающая канал
транспортировки протонов, магнитный спектрометр CLAMSUD для
регистрации пионов, систему диагностики пучка, систему радиационного
контроля и необходимую инфраструктуру для проведения различных
экспериментов в этой зоне с низкоинтенсивным пучком протонов с энергией
до 600 МэВ;
- разработана процедура вывода низкоинтенсивного протонного пучка
на мишень с плавным изменением энергии протонов в диапазоне от 340 до
364 МэВ;
- разработана методика измерений сечений рождения пионов с
помощью магнитного спектрометра CLAMSUD в условиях высоких
фоновых загрузок детекторов;
- измерены двойные дифференциальные сечения рождения пионов на
ядре меди под углом 90 при энергии налетающих протонов в диапазоне от
340 до 364 МэВ с шагом 1 -2 МэВ.
Апробация работы: Результаты, положенные в основу диссертации, докладывались на научных семинарах ИЯИ РАН; ОИЯИ, г.Дубна; сессиях Отделения ядерной физики АН СССР ( ИТЭФ, 1996 г.); на семинарах и программных комитетах в TRIUMF (Канада), 1996 г.; в RJKEN (Япония), 1997 г.; в INFN, отделение Катания (Италия), 1997 г.; на международных конференциях "Применение ускорителей в исследованиях и индустрии", (Дентон, США) 1995, 1996 гг.); международном симпозиуме по проблемам модульных ИВС и сетей (Санкт-Петербург, 1996г.) и опубликованы в 9
работах.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Методические результаты:
'"создание экспериментальной зоны в конце туннеля линейного ускорителя Московской мезонной фабрики для проведения экспериментов с низкоинтенсивным пучком протонов в диапазоне энергий налетающих протонов до 600 МэВ;
методика вывода низкоинтенсивного пучка протонов на исследуемую мишень с плавным изменением энергии в диапазоне от 340 до 364 МэВ;
методика измерений сечений рождения пионов в реакции рСи—> л+Х с помощью магнитного спектрометра CLAMSUD в условиях высоких фоновых загрузок детекторов.
2. Экспериментальные результаты:
- измерение сечений рождения я мезонов под углом 90 при
взаимодействии протонов с ядрами меди в диапазоне энергий от 340 до 364
МэВ с шагом 1 - 2 МэВ, позволившее подтвердить существование узкой
резонансной структуры в функции возбуждения ядра при энергии протонов
348 - 350 МэВ;
- анализ формы спектров пионов в этой области энергий налетающих
протонов, показавший, что резонансная структура в функции возбуждения
обусловлена усилением выхода низкоэнергетичных пионов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Изложена на 123 страницах, включая 36 рисунков, 6 таблиц и список литературы, в который входят 112 наименований.
