Содержание к диссертации
Введение 7
1. Вводные замечания Т
2. Общая характеристика диссертации. 6. Общий план последующего изложения АЪ
7. Выводы
Глава 1. История поиска 7-мезонных ядер и основные направления в их исследовании Ц
1.1. Развитие концепции атомных ядер, включая представление об мезонных ядрах
1А
1.2. Физические проблемы, стимулирующие развитие представления об мезонных ядрах 46
1.3. Условия формирования связанного состояния мезона и ядра М
1.4. Краткая история поиска мезонных ядер
1.5. Основные направления в исследовании ц- мезонных ядер
1.5.1. Энергетические уровни Вд{у\) и Eg(Sn) 32.
1.5.2. Амплитуда процесса r/N —ї rjN 35
1.5.3. Влияние ядерной среды на характеристики 77-мезона и 5п(1535) резонанса 37
1.5.4. Исследование процесса
1.5.5. Кварк-глюонная структура TN- взаимодействия 32
1.5.6. Возможность существования мезонных ядер для
1.5.7. Потенциал т/А-взаимодействия
1.6. Перспективы экспериментальных исследований мезонных ядер на ускорителях с использованием пучков
1.7. Выводы 55
Глава 2. Метод идентификации 77-мезонных ядер
2.1. Схема образования, эволюции и распада т\- мезонных ядер. Роль 5и(1535)-резонанса Ь\
2.2. Идентификация 77-мезонных ядер по регистрации коррелированных 7гУУ-пар, возникающих от распада S\\{\bZb) -резонанса внутри ядра з
2.3. Применение метода идентификации т?- мезонных ядер 67
2.4. Выводы. §9
Глава 3. Постановка эксперимента по обнаружению ту-мезонных ядер на 7-пучке синхротрона
3.1. Возможность поиска г;-мезонных ядер в реакциях фоторождения на синхротроне ФИАН "ПАХРА" 70
3.2. Кинематика процесса фоторождения 77-мезонов на нуклонах и ядрах 1Л
3.3. Электронный синхротрон ФИАН "ПАХРА"
3.4. Формирование 7-пучка 75
3.5. Стратегия эксперимента
3.5.1. Геометрия расположения установки на 7-пучке вокруг мишени
3.5.2. Использование процесса для калибровки 2 4 спектрометров по (7Г+п) событиям
3.5.3. Процедура проведения измерений
3.6.Выводы. Ъ5
Глава 4. Автоматизированная двух-плечевая спектрометрическая установка 26
4.1. Структура установки (л-, п -спектрометры, АЕ- детекторы)
4.2. Электроника и способы съема информации. $8
4.3. Тестирование детекторов в космических лучах 50
4.4. Калибровка спектрометров на 7-пучке
4.5. Двухплечевая спектрометрическая система регистрации частиц по времени пролета с единым стартом 4.6. Последовательность операций при спектрометрии частиц по времени пролета 96
4.7. Формирование сигнала "старт" 9S
4.8. Определение скоростей регистрируемых частиц з9
4.9 Точность определения скоростей и энергий ЕІ частиц 400
4.10. Выводы 402.
Глава 5. Результаты эксперимента и обработка экспериментальных данных 403
5.1. Экспериментальные двухмерные распределения по скоростям регистрируемых частиц ЛЬЪ
5.2. Разделение (тт°п) и (7г+п)-событий по минимальным потерям энергии
АЕ регистрируемых частиц в АЕ -детекторах 7г -спектрометра 405
5.3. Последовательность обработки экспериментальных данных
5.4. Получение двухмерных распределений по скоростям /% регистрируемых частиц в интервале АР = [0; 1] ( решение обратной задачи) ФР
5.5. Получение двухмерных энергетических распределений ЕІ{ТХ+) И ЕІ(П)
из распределений по скоростям fi"CT регистрируемых частиц ( после решения обратной задачи) МЛ
5.6. Спектры по суммарной энергии Е(Еж+,Еп) коррелированных (л"+п)-пар при Еугпах = 650 и 850 МэВ AAA
5.7. Влияние ядерной среды на характеристики 5,ц(1535)-резонанса
5.8. Импульсное распределение (7г+п)-пар от распада 5п(1535)-резонанса, связанного в ядре ІІУ
5.9. Измерение дифференциального сечения Jy- фоторождения (7г+п)-пар на 12С для Е1Гпах = 650 МэВ
5.10. Измерение дифференциального ((О ) = (Qn) = 90°) сечения фоторождения 77-мезонных ядер для АЕу = (850 — 650) МэВ
5.11. Определение полных сечений at(7r+n)(nA) фоторождения 77-мезонных ядер
5.12. Выводы 423
Глава 6. Обсуждение результатов.
6.1. Обнаружение 7]-мезонных ядер.
6.2. Критерии образования 77-мезонных ядер
6.2.1. Пороговый эффект по энергии Е
6.2.2. Резонансная структура (7г+п)-выходов в области энергии 4 26 образования 5ц(1535) резонанса ;
6.2.3. Идентификации 77-мезонных ядер 427
6.2.4. Поперечный импульс (тг+тг)-пары, возникающей при распаде 5и(1535)-резонанса. А 2.%
6.3. Энергия связи Sn (1535) резонанса в ядре и оценка энергии связи 7?-мезона в ту-мезонном ядре А7.%
6.4. Сечения фоторождения 77-мезонных ядер 4 50
6.5. Сечение калибровочного процесса 7 +12 С — ж+ +п + X
6.6. Выводы
Заключение
а) Физика
б) Методика
Приложение 1. Спектрометрия частиц по времени пролета АК2.
П1.1. Вычисление координат ХІУІ - точки прохождения частицы через AWL детектор
ПІ.2. Определение {,)-времен пролета частицей расстояний
П1.3. Определение расстояний
ПІ.4. Определение скоростей /%- частиц АЧЦ.
Приложение 2. Расчет сечений фоторождения 7г+-мезонов на 12С по измеренным (7г+п)-выходам в позиции Е-углах = 650 МэВ (00 = 0„ = 50° ЩЦЬ
Приложение 3. Оценка интегрального по энергии теоретического полного сечения фоторождения 77-ядер на 12С
Благодарности. 4Б А
Публикации по теме диссертации. 432 Ссылки
Введение к работе
Настоящая работа посвящена обнаружению и изучению 77-мезонных ядер, ядерной системы нового типа, содержащей, кроме нуклонов, 77-мезон или 5ц(1535) -нуклонный резонанс (рис.1.).
Эта-мезонные ядра, т,А, квази-связанные состояния 77-мезона нли Sn (1535)- резонанса и ядра А, формально близки к известным гиперядрам, в состав которых кроме обычных нуклонов входит Л- или Е-гиперон. Как и гиперядра, 77-мезонные ядра нестабильны, распадаются, предположительно, за время гх/2 Ю-22 с. в результате сильного взаимодействия и этим отличаются от гиперядер, время жизни которых составляет 10 10 сив основе распада которых лежит слабое взаимодействие.
Возможность существования 77-мезонных ядер, их свойства и возможности обнаружения таких экзотических ядерных систем впервые были рассмотрены К.Хайдером и Л. Лиу в 1986 году [1,12]. Они же предложили назвать связанные состояния 77-мезона и ядра: 77-мезонные ЯДРА, подчеркивая этим отличие их от мезонных АТОМОВ.
В последующем изложении мы для краткости будем зачастую использовать название т/-ядра,опуская слово "мезонные".
В последующие годы появилось достаточно большое количество теоретических работ, освещающих различные аспекты физики 77-ядер [16,25,26,27,30,32,35,39, 40,44, 49,91]. Появились также работы,рассматривающие возможность существования мезон-ядерных связанных систем с участием и,р и р - мезонов [31,37].
Следует отметить, что давно обсуждавшаяся проблема существования связанной системы 7Г -мезона в s-состояиии с ядром нашла решение. В работе [92] получены данные, свидетельствующие об отталкивательном характере пА взаимодействия для 7г-мезона в s-состоянии и о невозможности иметь квази-связанную систему 7Г-мезона в s-состоянии и ядра. Таким образом, 77-мезонные ядра,повидимому, являются наинизшим по энергии возможным связанным состоянием мезон-ядерной системы.
До 2003 года, насколько нам известно, практически не было прямых экспериментальных работ, подтверждающих существование 77-мезонных ядер. В конце 2003 года появилась работа [41], в которой были приведены предварительные результаты по фоторождению Не -ядер. В работе [2], выполненной в Врукхейвене в 1988 году, был получен отрицательный результат. В то же время результаты экспериментальных работ [3, 4, 5] косвенно указывали на возможность существования квази-связанных состояний 77-мезона с ядром. Таким образом, настоящую работу [6]выполненную в 1998-99 годах, можно считать первой и единственной до 2003 года, экспериментальной работой, в которой был получен положительный результат по обнаружению 77- мезонных ядер. Работа была выполнена в ФИАН с использованием 7-квантов тормозного излучения 1 -ГэВ-ного электронного синхротрона ФИАН " ПАХРА". В работе изучалась реакция:
Непосредственными задачами настоящего исследования на разных этапах работы являлись :
• развитие модели образования, эволюции и распада 77-мезонных ядер и на ее основе разработка нового метода идентификации 77-мезонных ядер.
• обоснование возможности проведения поиска 77-мезонных ядер в реакциях фото-рождения;
• разработка и создание двух-плечевой спектрометрической установки для поиска 77-мезонных ядер в 712С -реакции;
• проведение эксперимента по обнаружению VA -ядер на пучке 7-квантов тормозного излучения электронного синхротрона ФИАН "ПАХРА" с энергией 1 ГэВ;
• получение и обработка экспериментальных данных;
• обсуждение полученных экспериментальных результатов, указывающих на обнаружение 77-мезонных ядер в уА-реа.кщт и на влияние ядерной среды на характеристики 5,ц(1535) резонанса, возникающего в ту-мезонном ядре;
Актуальность работы. Работа посвящена экспериментальному исследованию возможности образования связанной ядерной системы - 77-мезона и ядра А, так называемых 77-мезонных ядер. Проблемы существования 77-мезонных ядер и их исследование оказываются в настоящее время актуальными как в физике элементарных частиц, так и в физике ядра.
Возможность образования Tj-мезонных ядер была впервые проанализирована Лиу и Хайдером в 1986 г. [1,12], которые показали, что такие ядра могут существовать. Ими были рассчитаны уровни энергий и ширины уровней 77-мезона в таких ядрах. Ими же был предложен эксперимент по поиску г?- мезонных ядер в реакции с 7г+-мезонами [12]. Однако, эксперимент, проведенный в Брукхейвенской лаборатории в 1988 году, имел отрицательный результат - 77-мезонные ядра не были обнаружены [2]. В этой связи дальнейшие экспериментальные исследования, направленные на обнаружение 77-мезонных ядер представляются актуальной задачей.
Цель работы . Цель работы состояла в развитии модели образования и эволюции 77 - мезонных ядкр и на основе этой модели разработке метода идентификации 77-мезонных ядер и проведении эксперимента по поиску 77-мезонных ядер в фотомезонных процессах с использованием 7-кв&нтов тормозного излучения 1 ГэВ-ного электронного синхротрона ФИАН. При этом учитывался отрицательный результат поиска 77-мезонных ядер АО в Брукхейвене, когда регистрировалась только одна частица - протон, вылетающий под малыми углами вперед, и его регистрация была затруднена как плохим соотношением эффект/фон ( 1), так и сильным размытием характеристик протона по углу Эр и энергии Ер из-за ферми распределения нуклонов в ядре.
В настоящей работе была предложена модель формирования, эволюции и распада 77-мезонных ядер. Основная идея, заложенная в модели, состояла в предположении о возникновении в ядре 77-мезонов в результате фоторождения 5ц (1535) -нуклонного резонанса и его последующего распада на r]N -пару. Далее в ядре для 77-мезонов малой энергии возникала последовательность актов образования и распада 5ц -резонанса по -каналу: rjN —» 5ц — TJN с завершающим распадом на -KN -пару. Для идентификации т/-ядра использовалась регистрация этой коррелированной по углу и энергии (nN) -пары.
Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в экспериментальном обнаружении 77-мезонных ядер в реакции фоторождения и обнаружении энергетического сдвига АЕ в положении максимума распределения по суммарной энергии E(n+N) -пар , возникающих от распада 8ц(1535)-нуклонного резонанса внутри 77-мезонного ядра, по сравнению с аналогичным распределением для распада свободного 5ц(1535)-резонанса. Величина АЕ может рассматриваться как оценка энергии связи 5ц - резонанса в г? -ядре или как оценка изменения эффективной массы 5ц - резонагса в ядерной среде. Факт обнаружения 77-мезонных ядер состоял в появлении резонансной структуры в выходе (7riV)-nap при энергии конца спектра тормозного излучения Е7тах = 850 МэВ, когда энергия 7-квантов была достаточна для фоторождения ту-мезона на нуклоне (Епорог = 707 МэВ) и в отсутствии какой-либо структуры при энергии конца спектра тормозного излучения Еутах— 650 МэВ, когда энергия 7-квантов была ниже порога фоторождения 77-мезона.
Научная и практическая ценность работы. После отрицательного результата, полученного в 1988 г., в Брукхейвене, в эксперименте по поиску 77-мезонных ядер в (7Г+, Л)-реакции, в течение последующих 10 лет не было осуществлено ни одного эксперимента, кроме настоящей работы, направленного на обнаружение 77-мезонных ядер. Общественное мнение состояло в том, что потенциал взаимодействия 77-мезона с нуклоном недостаточен, чтобы образовать связанные состояния 77-мезона и ядра А, даже для средних и тяжелых ядер [8].
Однако, в последующие годы были осуществлены более подробные анализы nN — 7TJV; TTN — rjN; jN — rjN и 7N — 7ЛГ реакций из которых были получены новые оценки длины рассеяния ап , характеризующей силу 77- -взаимодействия [9,10,11] . Было показано, что реальная часть длины рассеяния Re апн в 3 -г 4 раза больше по сравнению с величиной, используемой Лиу и Хайдером. Это означало, что сила взаимодействия 77-мезона с нуклоном должна быть достаточна, чтобы образовать связанные 77-мезон-ядро-состояния.
Решающим аргументом в пользу необходимости проведения новых экспериментальных исследований по обнаружению т7-мезонных ядер явилась работа Лебедева, Трясу-чева [16], в которой рассматривалась возможность формирования 77-мезонных ядер в фотореакциях.
В этой работе были рассчитаны полные сечения фоторождения 77-мезонных ядер для ядер-мишеней 12С, 160. Сечения имели резонансный характер в области энергий j-квантов АЕ = 700 — 900 MeV и величина сечений составляла ядер 160, что представлялось достаточной величиной для осуществления экспериментальных поисков 77-мезонных ядер.
Настоящая работа явилась первой (и до 2003 года единственной) работой, в которой был получен положительный результат по поиску 77-мезонных ядер в фотореакциях. Результат настоящей работы по измерению сечения фоторождения 77-мезонных ядер хорошо совпадают с предсказаниями работы Лебедева и Трясучева [16].
Для реализации эксперимента, в результате которого были получены первые данные, свидетельствующие о существовании квази-связанных состояний 77-мезона и ядра, так называемых 77-мезонных ядер, было необходимо осуществить ряд принципиальных и практических разработок, составивших основу проведенной работы.
Прежде всего было необходимо предложить и обосновать новый метод идентификации 77-мезонных ядер.который, в отличии от метода работы [2], не содержал бы некорректности, связанной с ферми-распределением нуклонов в ядре и позволил бы выделить эффект на большом уровне фоновых событий.
В настоящей работе был предложен метод идентификации 77-мезонных ядер, состоящий в регистрации и измерении углов вылета и энергий коррелированных (7ГІ\Г)-пар, возникающих от распада 5и-резонанса внутри 77-мезонного ядра, как завершающего распада в последовательности t]N - 5ц — 7riV [17].
Для реализации этого метода была создана автоматизированная 2-х плечевая спектрометрическая установка, основанная на использовании сцинтилляционных спектрометров, измеряющих времена U пролета частицей определенной базы пролета L{ [18]. Особенность установки состояла в том, что при регистрации двух частиц (7г+-мезона и нейтрона) использовался единый сигнал "старт". Двухплечевая спектрометрическая установка была отлажена и прокалибрована на 7-пучке с использованием процесса квазисвободного фоторождения jn — тг+тг на углеродной мишени [50, 51, 52, 54] . Кроме статистической обработки результатов измерений проводилось преобразование временных ti распределений в распределения по скоростям /% частиц, а затем в распределения по энергиям Е{ частиц [56-63].
Дальнейшая обработка состояла в получении спектра по суммарной энергии (тг+п) пары и сравнение этого спектра со спектром распада свободного 511(1535) резонанса.
Таким образом , на защиту выносятся следующие результаты :
• получение экспериментальных данных, свидетельствующих об образовании 77- мезонных ядер в реакции фоторождения - нового типа атомных ядер, представляющих собой связанную ядерную систему 77-мезона и ядра.
• развитие модели образования, эволюции и распада 77- мезонных ядер и на ее основе разработка метода идентификации 77-ядер. Метод состоит в регистрации и измерении энергии и углов вылета компонент коррелированной (7гЛГ)-пары, возникающей в результате распада в ядре 5ц(1535)-нуклонного резонанса.
• разработка и создание экспериментальной спектрометрической установки, состоящей из 2-х СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ спектрометров, измеряющих времена пролета Ї частицей определенной базы Lj.
Разработка и создание пакета программ математического обеспечения работы установки (on-line программы) и пакета программ сбора и обработки экспериментальных данных (off-line программы).
• разработка стратегии постановки эксперимента с использованием процесса фоторождения (7г+п) - пар и проведения эксперимента по поиску VA - ядер на пучке 7 - квантов тормозного излучения электронного синхротрона ФИАН "ПАХРА" с энергией ускоренных электронов 1 ГэВ.
• получение экспериментальной оценки энергии связи Eg(Sn) Sn -резонанса и оценки энергии связи Eg{rj) г}- мезона , связанных в т] -ядре.
• измерение дифференциального сечения фоторождения 77-мезонных ядер на ядре-мишени 12С для интервала энергий 7-квантов АЕ 150 МэВ, расположенного выше порога рождения 77-мезонов на нуклоне іГ7порог = (707 МэВ).
• измерение дифференциального сечения фоторождения (7г+п)-пар на ядре 12С для углов вылета в(тг+) = 6(п) = 50° и для Е1тах = 650 МэВ. Этот процесс использовался в работе в качестве калибровочного процесса.
Аппробация работы и публикации. Результаты настоящей работы докладывались на Международных конференциях :
1. Int.Conference "Mesons and Nuclei at Intermedium Energies", 1994, Dubna,Russia
2. Int.Conference on Particle and Nuclear Physics with CEBAF at Jefferson Lab. Dubrovnic, Croatia,1998.
3. Int. Workshop " Relativistic Nuclear Physics from hundreds MeV to TeV", 2000, Stara Lesna, Slovak Republic.
4. IX Int. Seminar "Electromagnetic Interactions of Nuclei at Low and Medium Energies" ,2000, Moscow, Russia.
5. Int. Conference "Particles and Nuclei" CIPANF-2000, Quebec, Canada
6. Int. Conference at NSTAR 2001, Mainz, Germany.
7. Int.Lomonosov Conference ,2001, Moscow, Russia.
8. Int. Baldin Seminar on Relativistic Physics,2002, Dubna, Russia
9. Int. 3th Sakharov Conference on Physics, 2002, Moscow, Russia.
а также на сессиях ОЯФ РАН и на семинарах ОФВЭ и ОКЛ ФИАН. Основное содержание работы опубликовано в 25 научных статьях, список которых приводится в конце диссертации.
Вклад автора. Вклад автора в настоящую работу определяется его лидирующим участием (руководитель группы и руководитель грантов РФФИ ) в подготовке научного проекта эксперимента ; в разработке принципа идентификации 77-мезонных ядер; в разработке и создании 2-х плечевой спектрометрической установки; проведении эксперимента; обработке данных эксперимента; в анализе полученных результатов и в подготовке материалов для публикаций и выступлений на конференциях и семинарах.
6. Общий план последующего изложения
В Главе 1 дана краткая история поиска 77-мезонных ядер и сформулированы основные направления в исследовании 77-мезонных ядер,которые представляют наибольший интерес в настоящее время.
В Главе 2 описан метод идентификации 77-мезонных ядер, разработанный в ФИАНе.
В Главе 3 описана постановка эксперимента по поиску 77-мезонных ядер на тормозном 7-пучке синхротрона ФИАН.
В Главе 4 описана экспериментальная двух плечевая спектрометрическая установка.
В Главе 5 представлены результаты измерений и их обработка.
В Главе 6 проводится обсуждение результатов, полученных в эксперименте.
К основным результатам следует отнести вывод об обнаружении связанных состояний 77-мезона и ядра А , так называемых 77-мезонных ядер , а также вывод о влияние ядерной среды на характеристики Srn(1535) нуклонного резонанса. Приводится оценка энергии связи 5ц (1535) резонанса и 77-мезона в ядре с А = 11.
В Заключении приведены основные выводы работы.
В Приложениях представлены более подробные данные по некоторым вопросам методики, затронутых в настоящей работе, а также приведены детали осуществления эксперимента и обработки полученных результатов.
7. Выводы
Основные выводы по содержанию Введения состоят в следующем:
• представлена структура, основное содержание и результаты диссертации. Отмечены актуальность,научная новизна и практическая ценность представленной работы, вклад автора и аппробация работы, приведен список конференций и семинаров, на которых докладывались результаты работы.
