Введение к работе
Актуальность темы.
Электромагнитные взаимодействия адронов и ядер уже иного лет представляют одну из наиболее активно и плодотворно разрабатываемых областей фундаментальной физиші. Исследования в этой области дают возможность проверить основополагающе принципы квантовой теории поля и современных концепций сильного взаимодействия. Зондирование адроков и ядер реальными и виртуальными фотонами имеет исключительные особенности из-за отоутствия внутренней структуры рассеиваемой частицы и свойств электромагнитного ззакмодействия. возможности варьирования не.только энергии, но и массы и поляризации бомбардирующей частиш. В области промежуточных энергий исследование электромагнитного взаимодействия сосредоточено на изучении мезонних обменных токов в ядрах, свойств куклонных резо-нансов в ядерной среде, динамики нуклок-нуклошых взаимодействий, структурных особенностей ядер. Важнейшую роль в этой программе отводится экспериментам по Фотообразованжэ мезоьов на нуклонах и ядрах, электро- и Фоторасщеплению ядер ( е первую очередь дейтрона - простейшего из ядер). . ,
Реакции фотореждекия тонов на нуклонах исследуются с момента ввода в строй электронных ускорителей с энергией выше порога рождения пионов. На первом этапе исследований были получены систематические и достаточно точные данные по дифференциальным поперечным сечениям реакций. Главная цель экспериментов этого этапа заключалась з определении комплексных однонуклоннах амплитуд реакций фоторождения пионов. Количественные сведения об амплитудах реакций, полученные из мультипольного анализа, позволяет непосредственно проверять справедливость таких принципов, . как дисперсионные соотношения, теоремы алгебры токов, правила сумм.
Для определения мультипольних амплитуд, описывающих процесс фотороадени?. пионов на нуклонах, кроме сведений о сечении необходим еще набор поляризационных 'данных, определяемых концепцией "полного опыта". Поэтому второй, продолжающийся до настоящего зремени. этап исследования связан с измерениями спиновых наблюдаемых реакций фоторождония писнов: поляризации конечных нуклонов.
асимметрии рождения пионов на поляризованных мишенях и асимметрии рождения пионов поляризованными фотонами.
Многие из экспериментов по исследованию фоторонщения пионов на ядрах были проведеш с целью получения сведений об однонуклон-кой амплитуде фотсрождения пионов на нейтроне. Возможность получения таких сведений связана с тем. что при энергиях фотонов выше порога рождения пионов мокно считать, . что налетающие на ядро фотоны взаимодействуют с отдельными нуклонами ядра. При таких энер-" гиях длина волны фотона становится меньше среднего расстояния между нуклонами в ядре. В фотомезонных экспериментах, выполненных на ядерных мишенях, были получены главным образом сведения о поперечных сечениях фотообразования пиО- и пи" -мезонов на нейтроне. Сведений о. поляризационных наблюдаемых получено крайне мало.
Основная честь исследований фотообразования мезонов на ядрах связана с получениям информации о механизмах реакций фоторождения пионов, структурных особенностях ядер, взаимодействии пионов и барионных резонансов с нуклонами и ядра: и. Большинство из этих опытов выполнено на пучках тормозных фотонов методом регистрации одной из частиц в конечном состояния. Корреляционные эксперименты не проводились из-за технических трудностей, связанных с высокой скважностью электронных ускорителей первого поколения. Новый более информативный зтап исследования проблемы фоторождекия пионов на ядрах связывается с проведением корреляционных (совпадатель-ных) экспериментов, .позволяющих более надежно выделять каналы' и механизмы реакций, выявлять более тонкие детали ядерной структуры. Описываемые в данной работе корреляционные двухплечевые эксперименты были основаны на методе регистрации пионов и протонов' на.: совпадении. Цель первых экспериментов заключалась в установлении важнейших закономерностей эксклюзивных реакций фоторождения пионов на ядрах: зависимости сечения реакции (гамма, рпиО) от массового числа, зависимости сечения для реакции (гамма, рпи")- от заряда ядра, энергетические спектры протонов в этих реакциях. Нарят ду с этим, в эксклюзивных реакциях были исследованы энергетические зависимости поляризации эмиттируемых протонов в реакциях фоторождения пиО- и пи"- мезонов на ядре углерода.
В 8С-х годах проявился широкий интерес к парциальным двухступенчатым реакциям фоторовденкя пионов на ядрах. Особенность парциальных реакций фоторождевдя гогоноз на ядрах заключается в том.
что фиксирование перехода мезду ядерными состояниями оставляет в результате действия законов сохранения углового момента и четности вклад только части'элементарной амплитуды фоторождения пионов. Эта особенность открывает возможность изучать поведение тех отдельных частей амплитуд, которые не надежно определена из фотоме-зонных реакций на нуклоне. В частности, при неупругом фоторождения нейтральных пионов на ядре L16 можно выделять возбужденные состояния с различным изоспином и таким образом исследовать изотопическую структуру амплитуды фотообразовакия пионов. В реакции упругого фоторождения нейтральных п'.-онов на ядре ге;ля поперечное сечение определяется вкладом спинок-:, зависимой части изовекторной амплитуды Фоторождения пионов. Несмотря на активные теоретические исследования парциальных реакций фоторождения нейтральных пионов экспериментов, посвященных изучению этого вида реакций, проведено крайне мало. В данной работе были начаты исследования двухступенчатых парциальных реакций неупругого фотообразования нейтральных пионов на ядрах L.16 и С12 с регистрацией радиационных переходов возбужденных ядер и измерения сечения упругого когерентного фоторождения нейтральных пионов на ядрах гелия в малоисследованной кинематической''области небольших импульсов, передаваемых ядру.
Последние годы отмечены оживлением в изучении процессов электро- и фоторасщепления дейтрона в области энергий ниже порога рождения пиона. Были получены новые экспериментальные и теоретические результаты, которые указывали, что при рассмотрении этих процессов необходимо учитывать, кроме сднонуклонных токов, еще обменные мезонные токи, кварковые и изобарные конфигурации. По этой причине возросла потребность в более детальном экспериментальном исследовании процесса фоторасщепления дейтрона - измерении поляризационных наблюдаемых, которые более чувствительны к малым динамическим эффектам Ш-взаимодействия. .
Асимметрия фоторасщепления дейтрона линейно- поляризованными Фотонами была измерена в широкой области изменения кинематических параметров. Однако область, соответствующая передним углам вылета протонов и энергиям фотонов (40-100) МэВ, оказалась не доступной для измерений на имевшихся пучках поляризованных фотонов (Харьков, Фраскати). Это обстоятельство стимулировало проведение измерения угловой и энергетической зависимостей асимметрии фоторасщепления дейтронов линейно поляризованными фотонами, генерируемы-
va на моЕокристэллччеокой мііїєнк Томского синхротрона. Параметры пучка синхротрона "Сириус" позволили- применить метод рп -совпадений для зудаления реэкцик фоторасщепления дейтрона поляризованными фотонами е мало исследованной кинематической области.,
Экспериментов по электро- или фоторасщеплению тензорно-поля-рягеванпых дейтрокоз не проводилось ранее. Описываемые в данной диссертации исследования чеупругого рассеяния электроноз на ка--лые уг.лн на гзнзорко-полярлзозанньи дейтронах позволили впервые получить информацию о тензорной анализирующей способности процессов фотодезштеграццн -дейтрона. Э№ опчты на внутренней мишени накопителя электронов ВЗ.ТП-2 имеют еще и принципиальное методическое значение. Известно, что в последние годы активно развиваются дза подхода к постановке экспериментов с непрерывной генерацией событий: применение для отой цели "растянутых" сильноточньк пучкоЕ. выведенных из ускорителя, и использование накопителей с внутренней сверхтонкой мишенью. Первый традиционный подход развивается на Западе, а новый подход был предложен и успешно реализуется б Новосибирске. С целью подтверждения практических возможностей этого подхода для исследования фотоядерных и фотомезонных процессов были проведены описызаемые в данной работе измерения асиммегши расщепления поляризованных дейтронов виртуальными фотонами, полученными на накопителе ВЭШ-2 в режиме сверхтонкой внутренней мкшени.
Основные цели работы. Намеченные цели исследований заключались в следующем:
1.Разработать и создать комплекс регистрирующей аппаратуры для исследования корреляционным методом электро- и фотоядерных процессов при промежуточных, энергиях.
2.Исследовать основные закономерности реакций фоторождения пиО- и гаг-мезонов с эмиссией протонов на ядрах с различным массовым числом для выявления механизма реакций, влияния взаимодействия протоков и пионов в конечном состоянии, для изучения распределения нуклонов в ядрах.
3. Провести измерение энергетической зависимости поляризации протонов в эксклюзивных реакциях фоторождения пиО- и пи'-мезонов на ядре углерода для определения применимости модели фоторождения пионов на квазисвободных нуклонах, деполяризующего влияния ядер-
ной среды и для получение ног of; мн'їлрмациіі о поляризации протонов в реакции фоторождения гоГ- мезонов на нейтронах.
4.Реализовать мотолику регистрация на совпадении продуктов реакций для бьдєпон::^ нарцисль.-:ых каналов упру; ого и неупругого фотсрокдения нейтральных пио^со на легких ядрах. Провести измерения, дифференциальных сєчєн:і.'і упругого v. неунругого парциальных каналов Деторождения і'єйірадьньк шюлос на лагимх ядрах. Подучить первые сведения о характере углоеого распределения фотоксв, излучаемых в фиксированных радиационных переходах ядер С12 и Ы6, которые возбуждаются при неупругом ^о эрс:кдзнкн нейтральных пионов.
5.Измерить энергетические зави жести асимметрии фотодезин-теграцки дейтронов лкнейко-пеляризоьянпнмп фотонами б малоисследованной области энергий оточов шхе порога рождения пйсиов и
иерР.ДНИХ УГЛОВ ЕНЛеТ'о ПрОТОНОЙ ДЛИ ОПреДйЛ'ЛЧШ влмжз оОкечных
мезокных токов, взаимодействия в конечном осстолннк и заполнения пробела в тероБсй систематике экспериментальна дакккх.
б. исследовать корреляционным мито дом процесс неупругого рассеяния электронов на дейтроне при малых углах рассеяния, поиненяя метод сверхтонкой- внутренней поляризованной мишени в электронном накопителе. Провести измерения компоненты асимметрии фоторасщепления тензорно-поляриьоЕанного дейтрона в области энергий фотонов ют" порога рождения мезонов для выявления вкладов кезонны/. обменных токов, релятивистских эффектов.
Основные р є з у л ь т а т ы, п р е д с ? а : л л е-ы к е к з а ц ч т й.
1. Разработка и создание регистрируйте?! аппаратуры для исследования корреляционным неголом п.тектро- и фотоядс-рчых процессов при средних энергиях: чэренкоЕскиэ спекгрдаетры полного поглощения, сциш'илллциокнке гакма-спектроу.етры полного поглощения, сцинтклляционные детекторы заряженных частиц и нейтронов, время-пролетные системы каносекундного диапазона, трековые искровые камеры различного типа. Результаты измерения и анализ зависимости времени формирования и флуктуации зремени формирования от плотности первичной иониэацяи в искровом разрядном промежутке.
2.Экспериментальная установка для исследования эксклюзивных реакций фотообразования пиО- и пи"-мезонов на ядрах. Корреляционная методика исследования эксклюзивных фотомезонных реакций, сс-
кованная на регистрации пионов и протонов на совпадении . Результаты расчета выходов и распределений, полученных методом моделирования исследуемых процессов с учетом конкретных параметров экспериментальной установки.
3. Измерения А-зависимости выхода фотопротонов. Результаты измерений зависимостей дифференциальных поперечных сечений для реакций фоторовдения пиО- и пи"-мезонов с эмиссией протонов от-массового числа ядра-мишени и энергии прогонов.
4.Методика и экспериментальная установка для измерения поляризации протонов, образованных в эксклвзиввых реакциях фоторозде-ния пионов на легких ядрах. Результаты измерения энергетических зависимостей поляризации протонов, вылетающих из ядер углерода з эксклюзивных реакциях фоторождэния пиО - и пи" - мезонов. Поведение поляризации протонов в реакции гамма + п - р + пи" для энергий падающих фотонов (520- 820) МэВ.
5. Результаты измерения дифференциального сечения упругого рождения нейтральных пионов в области малых импульсов, переданных ядру гелия.
6.Экспериментальная установка и методика измерения дифференциального сечения неупругого фоторождения нейтральных пионов в парциальных реакциях, сопровождающихся возбуждением и последующим радиационным переходом ядра- мишени.
-
Результаты измерения дифференциальных выходов и сечения неупругого фоторождения нейтральных пионов на ядре Ы6 с возбуждением уровня (0+,1: 3.56 МэВ). Измерение углового распределения излучения при радиационном переходе возбужденного ядра лития из состояния (С-»-, 1) в основное. Результата измерения дифференциаль- , ного сечения неулругого фоторовдения нейтральных пионов на ядрах С12 с возбуждением уровня (2+,0; 4,44 МэВ) и углового распределения ядерных фотонов, излучаемых при радиационном переходе возбужденного ядра углерода из состояния (2+.0) в основное.
-
Методика и экспериментальная установка для исследования фоторасщепления дейтронов поляризованными фотонами в области передних углов вылета протонов и для энергий фотонов ниже порога рождения пионов.
-
Результат" измерения энергетической зависимости, асимметрии фоторасщепления дейтерия фотонами с энергией (50-100) КэБ для углов вылета протонов 90, 60. 45.
^ШШ$ . . .^ ^JU«. ^Jtf^"».;-~laft.^H«fib :Лі:
'10. Экспериментальная установка и метод для исследования фотоядерных процессов, индуцируемых виртуальными фотонами при рассеянии электронов на внутренней сзерхюнкой мишени накопителя.
11.Результаты измерения янергетический зависимости компоненты тензорной анализирующей способности фоторасщепления ?ензорно-по-ляризованных'дейтронов для угла вылета проточов 45 r области энергий фотонов ниже порога рождения пионов.
Научная новизна работы. . Впервые экспериментально исслед. -гали зависимое П' флуктуации и времени формирования разряда в иск, :.вой камере от плотное ш первичной ионизации в разрядном промежутке.
Впервые экспериментально исследовано длл ядер с различным массовым числом фотсроадение шС- и пи -мезонов, сопровождающееся зиісоиєй протонов. Получало, что поведений "Л-загасимо-оти" выходов реакцій согласуется с модель» фотсобразозания пионов на кза-зисвободнкх нуклонах ядер.
Впервые измерена энергетическая зависимость поляризации протоков, вылетающих из ядра утлэоедэ. в оксктазквнкх процессах Фо-торождекия пиО- и пи -мезонов и показано, что деполяризующее влияние эффектов взаимодействия в конечном состоянии не велико. Получены но^ке данные о поляризации протонов отдачи при рождении яи"-мезонов на нейтронах.
Рпервые измерено дифференциальное сечение при неунругем іото-ро?;ден:ш нейтральных пиочев на ядре углерода с возбуждением уровня ядра(2+. 0; 4,44 МэВ) и получено, '-то распределение излучения при радиационном переходе возбужденного ;-дра на основной уровень отличается от изотропного. Впервые измерено угловое раепраделс-нио вторичных ротонов в парциальном: канале нсупругсго фотороздепнл нейтральных пионов на ядре . лктия-6 с возбуждением уровня {0+,1:3.56 МзВ) и получено, что распределение излучения при радиационном девозбулдзнии ядра не отличается от изотропного.
Впервые получены экспериментальные данные об асимметрии фоторасщепления дейтрона линейно-поляризованными фотонами с энергиями ниже порога рождения пионов для углов вылэта протонов 45 и G0 и показана важная роль механизмов, связанных с обменом мезонами и структурой нуклона.
Впервые проведено исследование процесса растепления поляризо-
- S -
ванных дейтронов виртуальными фотонами на сверхтонкой внутренней мишени электронного накопителя.
Впервые измерена асимметрия фоторасщепления тензорно-поляризованных дейтронов и получено, что для процесса фоторасщепления тензорно-поляризованных дейтронов в области энергий фотонов ниже порога рождения пионов существенны вклады обменных кезонных токов.
Научная значимость" результатов работу.
Полученные количественные соотношения между временем формирования разряда и величиной первичной ионизации в разрядном промежутке помогли устранить пробелы в представлениях об искровом газовом разряде и нашли применение при разработке газоразрядных детекторов.
Установлены экспериментальные зависимости сечений эксклюзивных реакций фоторождения нейтральных и заряженных пионов от массового числа ядра. Исследования процессов фотообразования пионов, сопровождающихся эмиссией протонов из ядер, подтвердили справедливость модели импульсного приближения для теоретического описания процессов этого типа в исследованной кинематической области, практчческуи возможность .получения новой информации о структуре ядра и поведении поляризационных наблюдаемых в фотоыезонных реакциях на нейтроне. Результаты измерений послужили основой для более детального исследования этих процессов в отечественных и зарубежных экспериментах.
Результаты по асимметрии фоторасщепления дейтрона поляризованными фотонами существенно дополнили мировую систематику данных по поляризационным измерениям в энергетической области ниже порога фотообразования пионов для передних углов вылета протонов.
Результаты исследования парциальных реакций фоторождения нейтральных пионов на легких ядрах позволяют проверять справедливость модельных представлений о структуре малых мультипольних амплитуд.
Экспериментальные данные о тензорной анализирующей способности процесса фоторасщепления поляризованных дейтронов инициировали многочисленные 7зорегические исследования проблемы фоторасщепления поляризованных дейтронов, указали на существенное влияние мезонних обменных токов в исследованной кинематической области.
" В целом совокупность результатов и полонений, полученных в исследовании корреляционным методом фотомезонных реакций на ядрах и фоторасщепления ядра дейтерия с измерением спиновых характеристик этих процессов, можно квалифицировать как новое крупнее достижение в развитии физики электромагнитных взаимодействий при промежуточных энергиях.
Практическая значимость работы. Полученные в работе результаты используются в теории электромагнитных взаимодействий адронов >: ядер для проверки различных моделей и механизмов взаимодействия.
Разработана методика и начат этап практического исследования фотоядерных и фотомезонных процессов на виртуальных фотонах, получаемых методом рассеяния электронов на внутренней сверхтонкой мишени электронного накопителя.
Созданный комплекс экспериментальной аппаратуры, установок и методик может быть использован и уже использовался при проведении других экспериментов в области физики ядра к частиц промежуточных энергий.
Апробация работы и публикации.
Материалы диссертации представлялись и докладывались на Международной конференции по бесфильмовым искровым и стримерным камерам (Дубна,1969), Международном симпозиуме по взаимодействиям электронов и фотоноз в резонансной области (Токио, 1975), (6.7,8) - Международных семинарах по электромагнитный взаимодействиям ядер при малых и средних энергиях ( Москва, 1988, 1990,1992 гг.). ва ХП-Международной конференции по частицам и ядрам (Массачусетс. 1ЭЭО г). Международном симпозиуме по современным достижениям звдерной физики ( Новосибирск, 1987 г). Международном совещании по зкепериыентам на накопителях ( Новосибирск, 1990 г). Итоговых конференциях по, электромагнитным взаимодействиям (Харьков 1970,1972,1974 гг.). Всесоюзных семинарах по электромагнитным взаимодействиям адронов в резонансной области энергий (Харьков, 1981, 1983,1985 гг. ), Научных конференциях отделения ядерной физики АНОССР ( Тбилиси,1971 г.. Москва, 1983 г.), ежегодных сес-риях отделения ядерной Физики АН СССР по ядерной физике и физике элементарных частиц (Москва, 1973-1975. 1978, 1979, 1981-1982,
1986.1988 гг.,Ленинград 19"5 г.). Совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре ядра ( Ленинград, 1976. 1980 г.), Сессиях совета по физике электромагнитных взаимодействий ОЯФ АНССС? (Москва, 1972-1978,1985-1988 гг), а также на научных семинарах ХФТИ (Харь-коз). ЕрФИ (Ереван), ИЯФ СО РАН (Новосибирск). ФИ РАН (Москва).
Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в виде 43 статей б ведущих отечественных физических журналах-(Ядерная физика. Писька в журнал экспериментальной физики, Письма в журкап технической фиоики. Приборы и техника эксперимента, Известия ВУЗов и др. ) и.зарубежных ( Physics Letters. Lettere al Nuovo Clmento, Nuclear Instrum. and Methods и др.;. в авторских свидетельствах. Экспериментальные результата, полученные в диссертации, попользованы в обзорах и компилляциях, изданных в 1982-1993 гг. известными учзными. Многие из экспериментальных результатов, полученных впервые в диссертации, были подтверждены в последующих экспериментах на отечественных и зарубежных ускорителях.
Структура и обь&м диссертации.
Диссертация содержит Введение, шесть глав. Заключение и список литературы. Каждая глава снабжена кратким резюме ее подержания. Основные выводы диссертации приведены в Заключении. Объем диссертации составляет 317 страниц, в том числе: 97 рисунков, -14 таблиц, 218 наименований цитированной литературы.
