Введение к работе
Актуальность проблемы.
Минувшее десятилетие наполнено яркими событиями в ядерной физике промежуточных эпергий, которые связаны с вводом в действие новых экспериментальных установок для исследования взаимодействия элементарных частиц с ядрами. Значительный прогресс в экспериментальных исследованиях явлений ядерной физики стал возможен благодаря созданию нового поколения 47г-детекторов частиц, позволяющих регистрировать продукты реакций - частицы разного сорта (ядерные фрагменты, нуклоны, пионы, 7-кванты) - во всем интервале углов их вылета. Как правило, такие детекторы служат средством анализа реакций множественного рождения частиц или эмиссии нуклонов, ядерных фрагментов в ядерных реакциях, когда регистрация характеристик нескольких вторичных частиц позволяет восстановить картину события. Например, ускоритель CEBA.F в Национальном центре им.Томаса Джефферсона в США, который вступает в действие в настоящее время, позволит работать с монохроматическими 7-квантами с энергиями 0.5 < Е~, < 6 ГэВ. Значительная часть обширной экспериментальной программы па CEBAF по изучению процессов взаимодействия реальных или виртуальных 7-квантов с ядрами будет реализована с помощью An-детектора CLAS. А функционирование с 1983 г. накопительного кольца LEAR в ЦЕРН'е, позволяющего изучать взаимодействие антипротонов с кинетической энергией 0 < Тр < 1.22 ГэВ с протонами и ядрами, обеспечило получение детальной экспериментальной информации об антипротон-пуклонном (pN) и антипротон-ядерном (рА) взаимодействиях. В ходе экспериментов тоже использовались современные 4я--детекторы Crystal Barell, OBELIX, Beilin neutron ball, Berlin silicon ball.
Несмотря па разнообразие задач, решаемых с применением упомянутых выше ускорителей и детекторов, можно отметить общие тенденции и закономерности прогресса экспериментальных исследований, приводящих к необходимости построения теоретических моделей глубоконеупругого фотон-и адрон-ядерного взаимодействия при промежуточных энергиях, в результате которого происходит множественное образование адронов. Для обсуждаемых процессов N А и 7-А взаимодействия полная энергия, привносимая налетающей частицей в ядро, достигает несколнких ГэВ, поэтому решающую роль во взаимодействии налетающей частицы с ядром играют процессы, в которых число вторичных адронов велико (до 100), при этом заметная их часть образуется в результате распадов короткоживупгих мезопыых или барионных резонаисов. Изучение процессов взаимодействия большого числа вторичных частиц с ядром позволяет ответить на следующие вопросы:
-
Какова связь между пионной и нуклонной компонентами каскада частиц, возникающего внутри ядра в ходе глубоконеупругой ядерной реакции, и насколько отношение числа быстрых нейтронов к быстрым протонам отличается от NJZ-отношения ядра-мишени в глубоконе-упругих взаимодействиях на пучках различных элементарных частиц ?
-
Какая часть высвободившейся энергии в аннигиляции антинуклонов или поглощении фотонов (в том числе виртуальных в процессах куло-новского взаимодействия) передается ядерной системен как протекает процесс распада высоковозбужденного остаточного ядра ?
-
В какой степени ядерная среда влияет на свойства образовавшихся адронов, мезонкых и баркоппых резонансов и каковы вероятности их взаимодействия с внутриядерными нуклонами ?
-
Если механизм аннигиляции антинуклона в ядерном веществе может отличаться от аннигиляции в вакууме на отдельном нуклоне, то в какой степени вторичное взаимодействие аннигиляционных мезонов с ядром мешает выявить такие отличия в экспериментах по аннигиляции на ядрах ?
Общей особенностью аннигиляции антипротонов на ядрах и ядерного фотопоглощения является "исчезновение" налетающей частицы с полной передачей ее энергии многомезоннои системе, что отличает эти процессы от рА и 7гА взаимодействия, где среди продуктов реакции обычно присутствует лидирующая частица. Таким образом, аннигиляция аптлнуклонов на ядрах и фотопоглощение 7-квантов промежуточных энергий являются эффективными методами приготовления высоковозбужденных горячих ядер. При этом сводится к минимуму проявление коллективных эффектов (сжатие ядерного вещества, высокий угловой момент), что позволяет более надёжно изучать тепловые эффекты, имеющие одночастичную природу.
Сказанное выше объясняет необходимость построения единого теоретического подхода к явлениям глубоконеупругого фотон- и адрон-ядерного взаимодействия, который должен реализовывать следующие возможности:
-
Эксклюзивное описание полного набора открытых каналов (их число может достигать 100) множественного рождения адронов на внутриядерных нуклонах (включая мезонные и барионные резонансьт).
-
Корректное описание вторичных процессов, связанных с транспортом образовавшихся адронов через ядро.
-
Предсказание эксклюзивных характеристик взаимодействия, в том числе всевозможных корреляций между вылетающими частицами, а также характеристик остаточных ядер, в частности, распределений по энергии возбуждения, числу нуклонов, заряду, угловому моменту.
Вьнпеперечислеппые требования определили выбор модели внутриядерного каскада в качестве инструмента исследований. В отличие от ядерных реакций, инициированных протонами и пионами средних энергий, множественное мезонообразование в процессах поглощения фотонов средних энергий, а также в аннигиляции аптипротонов на ядрах (с учетом возможной примеси многонуклонпой аннигиляции) было изучено слабо, поэтому особое внимание в диссертации удаляется именно этим процессам.
Целью диссертации является развитие модели внутриядерного каскада для эксклюзивного описания процессов множественного образования ме-30I10B и мезонныхрезонансов на ядрах при промежуточных энергиях (до 10 ГэВ) и применение этой модели для систематического анализа существующих экспериментальных данных, а также для предсказания новых физических эффектов, проявляющих себя в рА—, fA—, я А—, рА— взаимодействиях.
Научная новизна данной работы состоит в том, что впервые в рамках модели внутриядерного каскада с использованием статистического подхода с изоспиновой и унитарной 8и(3)-симметрией для элементарных взаимодействий, приводящих к множественному рождению адронов, дано теоретическое описание широкого круга экспериментальных данных по поглощению реальных и виртуальных 7-квантов промежуточных энергий ядрами и по аннигиляции антипротонов на ядрах. Впервые изучена роль множественного пионообразовапия под действием виртуальных фотонов в процессах ку-лоновского расщепления ультрарелятивистских тяжелых ионов. С помощью анализа совокупности экспериментальных данных по рождению г} мезонов на ядрах антипротонами, протонами, пионами и ^-квантами, впервые в рамках одного подхода получены оценки сечений tjN-взаимодействия. Определены и исследованы физические эффекты, влияющие на корреляцию между множе-ственностями пиопов и протонов, рожденных в глубоконеупругих рА-, тгА-и NA- взаимодействиях.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что развитые теоретические методы использованы при анализе данных по антипротон- ядерному взаимодействию, полученных в ЦЕРН'е на установке LEAR в ходе экспериментов PS203, PS208 и других. Модель фотоядерных реакций для фотонов промежуточных энергий используется при подготовке эксперимента 93-019 на установке CEBAF и предложения эксперимента на установке GRAAL в Гренобле. Предсказания модели кулоновского расщепления ультрарелятивистских тяжелых ионов следует учитывать при проектировании детекторов, настроенных на регистрацию частиц под малыми углами к пучкам ускоренных на коллайдерах RHIC и LHC ионов.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
1) Разработан статистический метод эксклюзивного описания множествен
ного мезонообразования на нуклонах. Метод применен к:
а) фоторождению пионов в -уМ- взаимодействии при Еу < 10 ГэВ;
б) процессам рождения 7г,?;,цг,р-мезонов в одно- и двухнуклонной ан
нигиляции антипротонов при Рр < 10 ГэВ/с.
2) На основе данного метода разработана каскадная модель поглощения
фотонов средних энергий ядрами, с помощью которой:
а) впервые получено описание совокупности имеющихся эксперимен
тальных данных по фотопоглощению монохроматических 7-ква.н-
тов;
б) предсказаны сечения рождения пионов и образования фрагмен
тов промежуточной массы в процессах кулоновского расщепления
ультрарелятивистских тяжелых ионов при энергиях строящихся
коллайдеров RHIC к LHC.
3) С помощью модели внутриядерного каскада, обобщенной на случай
одно- и двухнуклонной аннигиляции антипротонов на ядрах:
а) предсказаны характеристики, чувствительные к присутствию двух-
нуклонного механизма аннигиляции;
б) показано влияние изотопических эффектов в двухнуклонпом по
глощении антипротонов на величину отношения выходов быстрых
нейтронов к быстрым протонам.
4) Впервые в рамках одной модели проанализированы данные по рожде-
. нию pw мезонов антипротонами, протонами, пионами и 7-квантами.
Из такого анализа получены оценки сечений 7;іУ-взаимодействия.
5) Показано, что вид корреляции пр(п„) множественностей протонов и
пионов, рождённых в неупругих взаимодействиях частиц средних энер
гий с ядрами, определяется эффектами локального уменьшения ядер
ной плотности в процессе развития каскада, перерассеянием и двухну-
клошшм поглощением тг-мезонов.
Апробация работы и публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались на научных семинарах ИЯИ РАН, ИТЭФ, Национальной лаборатории Фраскати, Института Нильса Бора, на международных конференциях: Пион-нуклонная и нуклон-нуклонная физика (Гатчина, 1989), Нуклон-антинуклонная физика, NAN'91 и NAN'93 (Москва, 1991, 1993), Физика антипротонов низких энергий, LEAP'94 (Блед, 1994),
Физика на пучках частиц средних энергий (Юлих, 1994). Исследования, но материалам которых написана диссертация, были выполнены в ИЯИ РАН с 1987 по 1997 год. Результаты диссертации опубликованы в 10 работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 154 страницах, включая 63 рисунка, 15 таблиц и список литературы, содержащий 157 наименований.
