Введение к работе
1.1. Актуальность темы
В 2008 году в ЦЕРН планируется ввести в эксплуатацию Большой Адрон-ный Коллайдер (LHC), который обеспечит протон-протонные столкновения с энергией в системе центра масс 14 ТэВ, что в семь раз превышает энергию существующего в настоящее время коллайдера Tevatron (Лаборатория Ферми, США). В стадии проектирования находится Международный Линейный Колайдер (ILC с энергией е+е~ столкновений 91-500 ГэВ), Компактный Линейный Коллайдер (CLIC с энергией 2,5 ТэВ), Мюонный Кольцевой Коллайдер (с энергией 10 ТэВ). По мере того как используются частицы всё более высоких энергий растёт значение симуляции адронных и электромагнитных ливней, как при планировании новых ускорителей, так и при разработке детекторов экспериментальных установок. Для решения этой задачи была создана международная коллаборация Geant4, разрабатывающая математическое обеспечение на языке нового поколения СН—Ь [1]- Транспортный код Geant4 использует новейшие модели взаимодействия частиц высоких энергий с веществом. Одной из таких моделей является модель Кирального фазового объёма (CHiral Invariant Phase Space, CHIPS), в которой ядро рассматривается как единый объект, в котором в результате ядерных реакций возникают локальные возбуждения, называемые в модели квазмонами. Даже при самых малых энергиях фрагментация ядра моделируется на кварк-партонном уровне с учётом кластеризации нуклонов в ядре. Отсутствие в модели каскадирования позволяет ускорить моделирование и органически включить в моделирование ядерных реакций странные частицы.
Пакет программ адронной физики CHIPS, используемый в транспортном коде Geant4, является математическим обеспечением нового поколения. С версии G4.8.3 он рекомендован для моделирования остановок заряженных адронов, фото- и электрон-ядерных реакций, для взаимодействий нейтрино с веществом, для упругих и квази-упругих реакций, а также для адронных реакций при высоких энергиях в виде связки с моделью кварк-глюонной струны (QGSC=QGS+CHIPS).
В то же время модель Кирального фазового объёма позволяет объяснить физические явления, которые не находят объяснения в других моделях. Например, распад мюона на нейтрино и кварк-антикварковую пару позволил не только объяснить, но и с хорошей точностью воспроизвести спектры жёстких нуклонов в реакции \і~-захвата атомным ядром.
Для создания модели был обобщён и воплощён в виде компьютерных программ опыт исследований, накопленный в области ядерной физики высоких энергий за последние годы. Ключевую роль в объяснении многих явлений играет ядерная кластеризация, природа которой до сих пор не ясна. Кластеризация нуклонов в ядре является одной из актуальных тем исследования в ядерной физике. Именно решению этой проблемы посвящена теоретическая и экспериментальная части диссертации.
1.2. Цель диссертационной работы
Первой целью диссертационной работы является доказательство необхо-имости исследования кластеризации нуклонов в ядрах. Учёт кластеризации нуклонов позволяет значительно улучшить моделирование выходов жёстких ядерных фрагментов в ядерных реакциях при высоких энергиях, а также позволяет обосновать аппроксимацию ядерной глории в упругом рассеянии нуклонов назад на лёгких ядрах. Второй целью является доказательство правомочности рассмотрения ядерных реакций на кварк-партонном уровне даже при самых малых энергиях. Убедительными доводами в пользу этого является описание спектра масс адронов, состоящих из лёгких кварков, а также моделирование жёсткой части спектров нуклонов в реакции ядерного //"-захвата. Третьей целью является обобщение и параметризация накопленных экспериментальных данных о сечениях ядерных реакций. Проведена уникальная параметризация фото-ядерных сечений взаимодействия и дифференциальных сечений упругого нукон-ядерного рассеяния.
1.3. Научная новизна и практическая ценность
Модель Кирального фазового объёма — это первая модель кваркового уровня, охватывающая не только ядерные реакции при высоких и промежуточных энергиях, но и реакции при самых малых энергиях. Впервые одна и та же модель используется, как для обяснения статических свойств (массы адронов, кластеризация нуклонов), так и для описания ядерных реакций. Впервые при моделировании ядерных реакций тяжёлые ядерные фрагменты формируются не путём слипания отдельных нуклонов, а в результате кварк-обменного выбивания из ядра уже готовых нуклонных кластеров. Впервые проанализированы и аппроксимированы обширные базы данных по фото-ядерным полным сечениям реакции, по упругим дифференциальным нуклон-ядерным сечениям, и проведена непертурбативная аппроксимация нуклонных структурных функций во всём диапазоне Q2 от нуля до 20000 ГэВ2. Впервые проведено экспериментальное исследование эффекта ядерной опалесценции в пион-ядерных реакциях при высокой энергии.
Результаты проведённых исследований и их воплощение в компьютерные программы практически необходимы для моделирования современных детекторов элементарных частиц и уже использованы в международном транспортном коде Geant4. Пакет программ адронной физики CHIPS нашёл своё применение не только при моделировании детекторов элементарных частиц, но и в моделировании пучков лучевой терапии, для оценки доз облучения астронавтов, а так же при расчёте радиационной стойкости физических детекторов и электронной аппаратуры.
1.4. Положения, выносимые на защиту
-
Описание спектра масс адронов, состоящих из лёгких кварков.
-
Моделирование спектров ядерного захвата остановившихся отрицательных адронов и \i~-мезонов.
-
Моделирование фото- и электрон-ядерных реакций.
-
Моделирование взаимодействия нейтрино с веществом и рождения массивных лептонных пар в адронных столкновениях.
-
Параметризация дифференциального сечения упругого рассеяния нуклонов на ядрах, включая эффект ядерной глории.
-
Моделирование неупругих адрон-ядерных реакций, включая квазиупругие реакции и реакции диффракционного рождения адронов.
-
Экспериментальное исследование эффекта ядерной опалесценции, как одного из возможных механизмов ядерной кластеризации.
1.5. Личный вклад диссертанта
Диссертант — автор модели Кирального фазового объёма (CHIPS), реализованной в виде пакета программ на языке программирования СН—Ь- Он является держателем авторских прав всех классов пакета программ CHIPS [2]. Им написаны тестирующие программы, позволяющие сравнивать результаты моделирования с имеющимися экспериментальными данными. Собраны уникальные базы данных для сечений фото-ядерных взаимодействий, дифференциальных упругих протон-ядерных сечений и произведена их аппроксимация. По его инициативе и при его лидирующем участии были созданы три установки для исследования эффекта ядерной опалесценции, при создании которых он сыграл ключевую роль в автоматизации измерений и в последующей обработке накопленных данных. Диссертант играл лидирующую роль в подготовке результатов исследований, включённых в диссертацию, к публикации. Под его руководством в 1995 году Сергеем Кулешовым была защищена кандидатская диссертация "Фрагментация ядра при ограни-
ченной переданной ядру энергии в пион-ядерных взаимодействиях при 3,15 ГэВ/си 1,4ГэВ/с" [3].
1.6. Апробация работы и публикации
По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ в отечественных (ЯФ, ПТЭ) и зарубежных (Eur. Phys. J., IEEE Trans. Nucl. Sci.) журналах. Результаты работы докладывались на ежегодных митингах международной коллаборации Geant4 (Ванкувер, 2003; Катанья, 2004; Бордо, 2005; Лиссабон, 2006; Манчестер, 2007), а также на СНЕР'04 (Интерлакен, 2004), NSS-MIC (Рим, 2004), "Горизонты науки" (Милан, 2005), АСАТ'07 (Амстердам, 2007) и на семинарах ИТЭФ.
1.7. Объем и структура диссертации
