Введение к работе
Актуальность работы. За последние годы все возрастающее внимание в мировой литературе уделяется малонуклоннш системам (3Н, %е, %е ). Такой интерес обусловлен тем, что малонуклонные системы имеют особый статус в ядерной физике. Благодаря большому прогрессу в развитии теоретических подходов к микроскопическому описанию легчайших ядер экспериментальное исследование лептонних и адронных взаимодействий с такими ядрами дает зозюкность наиболее полного сравнения теории с экспериментом. При взаимо-действиях элементарных частиц с легчайшими ядрами можно наде:хно выделять механизмы реакций, т.к. of-f-shet эффекты, воаимо-действие в конечном состоянии ( FSl ) и процессы многократного рассеяния з этом случае меньше, чем для тяжелых ядер, и, в принципе, поддамся расчету. Поэтому, изучая динамику тленно мало-нуклонных систем, мокно наиболее однозначно к достоверно установить границу применимости традиционного описания ядра, основанного только на парном взаимодействии нуклонов.
Сформулируем занима'сщие на сегодняшний день центральное место вопросы физики малонуклониых систем промежуточных энергий (шшетическая энергия на нуклон-0,3-3 ГзВ) :
I. Экспериментальная проверка существующих теоретических представлений о структуре волновых функций (в.ф.) легчаПиагс ядер.
П. Существование двух- и трехбарионных резонансов,
Ш. Механизм ппонообразовакия на легчлГг-их ядрах.
ІУ. Вмлет адроноз в кинематически зктос.ценну;:; для ззаимодс;'1. -
- 4 -ствия на отдельном нуклоне область (КЗО). Применимость гипотезы ядерного скейлинга для легчайших ядер.
Однозначных ртветов на поставленные вопросы пока нет.
Остановимся несколько более подробно на этих проблемах.
I. Реалистический .^-потенциал должен правильно воспроизводить не только наблюдаемые фазы NN -рассеяния, статические свойства и в.ф. дейтрона, энергию связи, зарядовые и магнитные формфактори ядер JHe, Н и Не, но также еще одну фундаментальную и независимую характеристику ядра - ядерные вершинные функции (ЯБ5), определяемые как интеграл перекрытия между в.ф.' ядра и спектаторного ядерного фрагмента (например, дейтрона или (эЛ'-пары в случае ядра Не). Как известно, в.ф. трехнуклонного ядра характеризуется двумя импульсами Якоби: относительным импульсом пары р* и импульсом третьей частицы относительно этой пары q (в системе покоя ядра последний совпадает с суммарным импульсом пары). Пожалуй, единственной физически наблюдаемой величиной, из которой можно извлечь информацию о поведении в.ф. трехнуклонного ядра одновременно от двух импульсов Якоби, является ЯШ распада ядра на три нуклона. Так что ЯВФ оказываются бо-
3 3 лее чувствительными к структуре в.ф. ядер Н и Не, чем, скажем,
формфактори (при вычислении формфакторов и других наблюдаемых по р и q проводится интегрирование). Иными словами, ЯВш обеспечивают одну из наиболее жестких проверок правильности выбора NN-потенпиала в рамках уравнений Фаддеева.
В литературе чаще используется, термин - "спектральная функция". Такая функция совпадает с квадратом ЯШ>, поделенным на квадрат пропагатора, в случае двухчастичного распада трехнуклон-
ного ялра и есть квадрат ЯБ, умноженный на кинематический фак
тор рт/г, , в случае трехчастичного распада.
Анализируя известную нам экспериментальную ит>срмачп:-з, мс>~:-ко сказать, что до настоящего времени не было ні: одно? работы по определение ЛБі, в которой э рамках единой методики был б:-: проведен анализ критериев полюсной доминантности Столько в по-люенсі,: поиблімснин ЯЗІ являются непосредственно наСлгдлл:д::г,: величинами), а ДБї полного развале трехнукдокного ядро била См изучена одновременно как функция двух переменим»: .акебн с явні?.' выделением ее оинглетного їло спину спектаторной пар;') вкладе.
Гі. Покалуй. са'дтм ;:нтрнгур::;нм и с:ї.:',": противоречив!".: г л"-зике иаяонуклоннн:: систем является вопрос о существо ьснни лвух-и трехбарконкід: резонанесв. На сегодн.сший день существует огромное количество работ, б ксторід: в той или икон море затрагивается и дискутируется эта тема.
Однако кз анализа экспериментальных данню: следует, что, несмотря на многочисленные работ;;, систематического поиска двух-и трехй арной::; ?: резенансез б рамках єдино"; методігки до сих пор проведено не бь:л:. Б основне;.: били рассмотрены инклюзивные и пслуинклеезивіше процессы. А вопрос - "бить ил;: не бкть" :.оюго-бариоіпко.! резонансам, по-видимому, будет решаться пр;: тдательнс:,1 н.зученпи зкеклеегивкнк реакции на болылоп статистике, с хорош:;.: массовке: разрешением и в полном фазовом сбі-сме. Эдесь есть возможность одновремс.'-гно следить за спектрами о.фггктивгел: масс систем, отличавшихся только третьей проекте Л пзоеппнз, есть гсемеенееть наблюдать за различию.::: послодс~енг.::;: нала-гае;,ае; на фазовий объем ограничений и, накенч;, сеть всемт-лнееть в рачках
"реалистичных" моделей проводить динамические расчеты фона.
Ш. При рождении пионов в ацрон-ядерных соударениях возникает вопрос о том, отличается ли механизм образования д -изобары в таких столкновениях от механизма ее образования в элементарном акте? До сих пор этот вопрос для легчайших ядер изучался при рассмотрении реакции р Не -» д ++JH. Представляет несомненный интерес продолжить изучение механизма образования д -изобары на примере других эксклюзивных реакций.
ІУ. Начиная с 1966 года, ведется широкое исследование ядерных реакций, когда вторичные адроны испускаются в кинематически запрещенную для взаимодействия на свободном нуклоне область (КЗО). Такие адроны впоследствии получили название "кумулятивных".
Особенности энергетических спектров кумулятивных адронов, образованных на тяжелых ядрах, изучены достаточно подробно.
Резюмируя экспериментальную ситуацию с легчайшими ядрами, надо сказать, что до настоящего момента не проведено систематического изучения кумулятивного эффекта для таких ядер. Данные о выходах кумулятивных нейтронов для ядер Не итіе, а также данные об образовании нуклонов, вылетающих в КЗО при взаимодействии адронов с ядром Н, вообще отсутствуют. Не изучен вопрос о том, меняет ли характер спектров кумулятивных нуклонов пионообразова-ние. Если для взаимодействия протонов с дейтронами кумулятивный
эффект изучался в эксклюзивной постановке опыта (ОИЯИ), то для
3 ч взаимодействия протонов с ядрами Не и Н в свете кумулятивного
образования нуклонов эксклюзивные каналы до сих пор не исследовались.
Пенду тем, любая новая информация о кумулятивном образовании нуклонов в соударениях адронов с легчайшими ядрами представляет несомненный интерес как с точки зрения выполнимости ядерного скейлкнга для легчайших ядер, так и с точки зрения проверки различных податей кумулятивного образования адронов. Это тем бс-лее интересно, т.к. структура в.ср. ядер "ле к Н, которая задается реаением классически?: уравнений -1'аддеэва с "реалистическими" N N -потенциалами (а теперь и с включением трзхнуклоккых сил или с включением кварковых степеней свободы з модели составных кварковых мешков), нам хорошо известна.
Таким образом, эксперименты по столкновению элементарных частиц с легчайшета ядрами могут дать ценную информацию о структуре таких ядер как в опытах по квазисвободнему рассеянга вперед, так и в опытах по рассеянию назад. Процессы с участием легчаГг.опх ядер позволяют изучать не только коллективный характер взаимодей-ствия пробных часин' с нуклонам! ядра, но и более надежно, чем для тяжелых ядер, выявлять на фоне "традиционных" механизмов (здесь есть принципиальная возможность их учета) механизмы экзотические, требукцие включения нснуклонных степеней свободы - пионов, д -изобар и кварковых эффектов. Сдннм из самых прямых способов наблюдать состояния со скрытым цветом является изучение спектров эффективных масс двух- и трехбарионных систем, образующихся при взаимодействиях лептонов и адронов с ядрами.
Целыч диссертационной -работы явился систематический, проведенный в рамках единой методики, анализ основна эксклюзивных каналов в Нр- v. Hep- взаимодействиях при промежуточных энергиях для того, чтобы, по -вог.можностн, наиболее полно мяучить у.гл'ї рчтутын'х пробл'",1 І-ІУ. Актуальность определялась :; имегиеп
место к началу исследований ( 1980 г.) (и сохранившейся, в основном, к настоящему моменту) экспериментальной ситуацией, когда существовали лишь разрозненные данные о взаимодействиях электронов и протонов с ядром "та в ограниченной области фазового пространства и, в основном, при низких энергиях. Спектры эффективных масс двух- и трехнуклонных систем вообще не изучались.
Получение данных в серии экспериментов, проведенных в одинаковой постановке опыта, позволило не только систематизировать экспериментальный материал об эксклюзивных ^р- и "тар- взаимодействиях, но и исключить значительную часть систематических ошибок, неизбежно возникающих при использовании данных разных экспериментов.
Для решения поставленных задач І-ІУ необходим прибор, которой дает возможность:1) получать абсолютные сечения ядерных реакций с погрешностью не свьше Ь-7%,', статистика должна быть не хуже нескольких мкбн на событие; 2) детектировать частицы в Мтг-геометрии; 3) надежно отделять тип заряженных частиц и 4) с высокой эффективностью и точностью измерять импульсы продуктов фрагментации ядра. Все эти возможности в интересующей нас области начальных энергий (0,3-1 ГэБ на нуклон) идеально реализуются в Ар -эксперименте (в рА -эксперименте существенно более низкая эффективность регистрации продуктов фрагментации ядра), используя в качестве мишени-детектора пузырьковую камеру достаточно больших размеров, помещенную в сильное магнитное поле, чтобы получить хорошее импульсное разрешение.
Обсуждаемый в диссертационной работе экспериментальный материал получен с помощью жидководородной пузырьковой камеры (КВК) ИТЭФ диаметром Ш см, помещенной в і.«.?.гшиное поле 2,05 Т
и экспонированной в сепарированных пучках ядер Ни Не с импульсами 2,5- и 5 ГэВ/с (кинетические энергии первичных протонов в системе покоя ядра равны соответственно 0,318 и 0,978 ГэВ).
Научная новизна проделанной работы заключается в следующем:
1) Впервые в рамках одной и той же методики при двух значе
ниях начальных импульсов ядер "ТІ и Tie 2,5 и 5 ГэВ/с получе-
ны экспериментальные данные как по полным сечениям Нр- и Нер-
взаимодействий, так и по полнил и дифференциальным сечениям ос
новных эксклюзивных каналов в *%р-и Hep- столкновениях с систе
матической погрешностью в абсолютной норшровке ~5 % и со статис
тической ошибкой в полных сечениях неупругих эксклюзивных кана
лов "1-5 %.
Практически в полном фазовом объеме представлены угловые, импульсные и массовые спектры вторичных частиц в реакциях как без пионообразования, так и с пионообразованием.
2) Впервые из реакций pCHe,pp)d и p(.3H,pn)d при на-
чальных импульсах ядер Не и Н 5 ГэВ/с изв-лечены ЯВІ распадов
JHe-»pd. и Н-*иА в области импульсов дейтронов-спектаторов О < ч. < ОіЗ ГэВ/с, которые в пределах ошибок хорошо совпадают дру с другом. Путем линейной экстраполяции ЯВ в полюс (найденные значения ЯВФ на интервале О < q < 0,16 ГэВ/с хорошо ложатся на наклонную прямую линию) получен только нижний предел на ядерную вершинную константу (ЯШ), т.к. показано, что ЯВІ в нефизической области при приближении к полосу резко возрастает.
3) Впервые из реакций рС5Нс, рр)ри и рСНе.ри)рр при
начальных импульсах ядра Не 2,5 и 5 ГэВ/с Шї распада Нс-*рР"
исследована одновременно как' функция двух переменных Якоби (сум
марного и относительного импульсов ч, и р в системе
- 10 -покоя ядра) в области спектаторных импульсов 0\>*\ -пар, нейтрона и рр -пары в ядре Не (распределение р и. -пар изучалось только при <\ =0, два последних распределения ранее вообще не рассматривались).
4) При извлечении ЯВФ двух- и трехчастичных распадов из
экспериментальных данных впервые был проведен детальный анализ
Критериев полюсной доминантности, в частности, такого важного,
Как критерий Треймана-Янга. В результате показано, что область
фазового пространства, отвечающая квазисвободному рА/ -рассея
нию ( Q.FS - область), выделяется с помощью введенных отборов
практически однозначно. Проведено сравнение полученных импульс
ных распределений с расчетами в потенциальной модели как для
НN-потенциалов, учитывающих только нуклонные степени свободы, так и для потенциала в модели составных кварковых мешковч( Q.CB). Показано, что ЯВФ, вычисленные с GLCB -потенциалом, в целом, значительно лучше описывают полученные экспериментальные данные по ИМ, чем ЯЙ5, вычисленные для "реалистических" потенциалов, учитывающих только нуклонные степени свободы.
5) В реакциях %р—p"d и %ep-»ppd выделены
QFS - область и область большой деструктивной интерференции me
ДУ Qft-рассеяниєм и /Vd -взаимодействием в конечном состоянии
( F SI ). Наоборот, в аналогичной реакции с пионообразованием
^Hep-»dpmr* эффект ?$ I оказался сильно подавленным.
6) На основе простой полюсной модели с ЯШ для различных
N/V -потенциалов в абсолютной нормировке и без свободных пара
метров проведены расчеты импульсных, угловых и массовых спектров
'- II -
вторичных частиц в эксклюзивных каналах Нр—р«і, Нер-ррЛ, Нр~ ppnn,iHef>-»dpnTr+,3Hep-»pt>nnV,JHcp-»3pn. Показано, что в QF.S-области эти расчеты разумно согласуется с соответствующими экспериментальными распределениями.
-
В реакциях с пионообразованием Hep-»cLpmt иНер~рргопг изучен механизм образования Л+* -изобары.
-
Впервые практически в полном фазовом объеме проведен систематический поиск двух- и трехбарионных резонансов в массовых спектрах систем /V/V ; тт <±, Л/Л/тг(Л/д) , hid, NNN,
NNN~it(N Ni±) с различными проекциями изотопических спинов. При этом везде динамическим фоном являлись расчеты, выполненные в рамках полюсной модели. Показано, что некоторые простые кинематические ограничения на область фазового пространства могут приводить к появлению узких (порядка нескольких десятков МэВ) максимумов, которые достаточно разумно воспроизводятся полюсной моделью.
9) Впервые в эксклюзивной постановке опыта получены инклю
зивные сечения образования протонов, вылетающих в кинематически
запрещенную для взаимодействия на свободном нуклоне область
о о
(КЗО), как в Hep- взаимодействиях, так и в Нр- взаимодействиях при импульсах налетающих ядер 5 ГэВ/с. Получена оценка отношения выходов кумулятивных протонов и нейтронов в Hep- взаимодействиях. В энергетической области 0-200 МэВ исследованы инвариантные функции распределения кумулятивных протонов. Показано, что полюсная модель в состоянии описать энергетические спектры кумулятивных протонов до энергий ~50 МэВ.
10) В процессе поиска дважды заряженных аномалонов (гипоте
тических частиц с аномально большим сечением) в Hep- взаимодей-
ствиях при импульсах ядра 5 ГэВ/с показано, как одна из весьма вероятных методических ошибок может приводить к имитации эффекта образования адамалонов.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
-
Обширные, статистически обеспеченные экспериментальные данные по эксклюзивным Нр- и 4iep -взаимодействиям при импульсах налетающих ядер 2,5 и 5 ГэВ/с получены с систематической погрешностью абсолютной нормировки ~ 5 % (такая точность на сегодня является одной из лучших в изучаемой области энергий). Представленные в работе импульсные, угловые и массовые спектры вторичных частиц (около 200) позволяют проводить практически в полном фазовом объеме детальные сравнения с различными моделями адрон-ядерного взаимодействия в области промежуточных энергий.
-
Полученные в едином эксперименте данные как о квазисвободном рассеянии нуклонов вперед, так и о рассеянии назад несут
3 3 новую информацию о структуре ядер Не и Н. В частности, полученные зависимости ЯВЇ полного распада от относительного импульса (или энергии отделения) р N -пары, а также энергетические зависимости спектров кумулятивных нуклонов налагают жесткие ограничения на вид трехнуклонной в.ф. и могут служить хорошим критерием для выбора N N -потенциала.
3) Полученный экспериментальный материал (который по своей
широте и точности измерений в изучаемой области энергий не имеет
аналогов в мире) и проведенный теоретический анализ могут послу
жить основой для дальнейшего развития как экспериментальных, так
и теоретических исследований в области физики малонуклонных
систем.
- ІЗ -
Личный вклад диссертанта. Диссертант непосредственно участвовал во всех этапах выполнения работы: в экспозициях на НВК -80 см и получении экспериментального материала, в обработке результатов измерений и анализе полученных данных. Диссертант принимал активное участие в обсуждении результатов и их подготовке к опубликованию.
На защиту выносятся:
-
Новый экспериментальный материал по полному сечению Невзаимодействий при импульсе налетающих ядер трития 5 ГэВ/с и по полным сечениям эксклюзивных каналов в "тір -взаимодействиях при импульсах ядер 2,5 и 5 ГЪВ/с и в Hep -взаимодействиях при импульсе ядер 5 ГэВ/с.
-
Импульсные, угловые и массовые спектры вторичных частиц практически в полном фазовом объеме для реакций без пионообраэова-ния Нр—рнА и іНе(>-*рн'1- при импульсе ядер 5 ГЪЗ/с,
'Hp-»ppvm при импульсе ядер 2,5 ГэВ/с и ^Hep-ppf" при импульсе ядер 5 ГэВ/с и анализ в QFS -области полученных дифференциальных сечений в рамках полюсной модели с ЯВ2 для различных MN -потенциалов.
3) Экспериментальное определение ЯВЗ распадов 'Hc—pd и
*Н—иА соответственно из реакций р(*Не,pp)d. и p(H,pn)d
при импульсе ядер 5 ГэВ/с.
4) Экспериментальное определение ЯВІ распада Не—ррп из
репкций рС*Нс,рр)Р" и р(.5Нс,р>ч)рр при импульсах Не 2,5 и
5 ГэВ/с. ЯВ5 исследована одновременно как функция двух импульсов Якоби с явным выделением ее синглетного (по спину спектаторной . р N -пары) вклада.
5) Импульсные, угловые и массовые спектры вторичных частиц
в полном фазовом объеме для реакций с шюпообразованием 1Нер->
dpmr и Нер-^рпптт1" при импульсе ядер 5 ГэВ/с и анализ полученных дифференциальных'сечений в рамках полюсной модели.
-
Инклюзивные сечения образования протонов, вылетающих в кинематически запрещенную для взаимодействия на свободном нукло-не область (ИЗО) в Hep- и Нр- взаимодействиях при импульсах налетающих ядер 5 ГэБ/с; анализ инвариантных функций распределения таких протонов для углового интервала 90-1Ш в энергетической области 0-00 МэВ.
-
Поиск дважды заряженных ансмалонос (гипотетических частиц с аномально большим сечением) в Нер- взаимодействиях при импульсах налетающего ядра й ГэБ/с.
Аппобаи'.ш работы. Материалы, изложенные в диссертации, неод
нократно докладывались на семинарах ИТ&5, на сессиях отделения
лі АН СССР, на IX Международной конференции по физике высоких
энергий и структуре ядра (Версаль, Франция, 1961), на конфе-
ренции по ядерно-физическим исследования:.!, посвященной 50-летию осуществления б СССР реакции расщепления атомного ядра (Харьков, I9S2), на семинаре "Программа экспериментальных исследований на мезонной фабрике ШЛ АН СССР (Звенигород, 1983), на УП Международном семинаре по проблемагл физики высоких энергий "Мультиквар-ковые взаимодействия и квантовая хромодинамика" (Дубна, 1964), ш IX Международном симпозиуме по динамике систем из нескольких частиц (Тбилиси, 1964), на симпозиумах "Нуклон-нуклонные и адрон-ядерные взаимодействия при промежуточных энергиях (Ленинград, 1964 и I96), на конференции по теории систем нескольких частиц с сильным взаимодействием (Киев, 19Ь5), на X Европейском симпозиуме по динамике систем из нескольких частиц (Балатонфюред, ВНР, I9b5), на XI международной конференции по динамике систем из нескольких частиц (Токио-Сендай, Япония, 1966), на Уіїі ііежду-
народной конференции по ядерной физике (Балатонфюред, ВНР, 1987), на Международных совещаниях по теории малочастичннх и кварк-адронных систем (Дубна, 1987 и І96Є), на XIX Международном семинаре по основным свойствам ядер и ядерных возмущений (Хнршег, Австрия, 1989), были представлены на ХЛ Международную рочестер-скуго конференцію по физике высоких энергий (Лейпциг, ГДР, 1964).
Основные результаты, воаедоие в диссертацию, изложены в 18 публикациях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, се-!Я5 глав и заключения, содержит 232 страницы, включат 9 таблиц и 58 рисунков. Список цитированной литературы насчитывает 233 наименования.
