Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Экспериментальная установка и система сбора и обработки информации 15
1. Общие требования 15
2. Мишень и детекторы 17
3. Электронная система установки 18
4. Дальнейший отбор событий 21
Глава II. Измерение сечения рассеяния рм -атомов в газообразном водороде 25
1. Метод эксперимента 25
2. Измерения и обработка 28
3. Моделирование диффузионного процесса 32
4. Результаты эксперимента 34
Глава III. Перехват мюонов с водорода на гелий 40
1. Постановка эксперимента 40
2. Измерения и обработка данных 46
3. Полная обработка данных 49
4. Результаты эксперимента 52
Заключение 56
Литература 58
- Электронная система установки
- Дальнейший отбор событий
- Моделирование диффузионного процесса
- Измерения и обработка данных
Введение к работе
Физика экзотических атомов, зародившаяся практически одновременно с началом детального изучения мезонов и других элементарных частиц, в настоящее время представляет собой обширную область исследований, охватывающую вопросы, касающиеся характеристик частиц и ядер, их взаимодействия, проблем квантовой электродинамики'1' . Своеобразный и интересный раздел в ней составляет изучение мезонных атомов водорода и процессов, в которых они принимают участие. Особое внимание к мезоатомам водорода обусловлено тем, что они, во-первых, представляют собой важный для теории пример взаимодействия мезонов с протонами и простыми малонуклон-ными системами '*' , во-вторых, являяоь электрически нейтральными, малыми, по сравнению с обычными атомами, объектами, они способны проникать сквозь*электронные оболочки атомов и вступать во взаимодействие с ядрами, инициируя таким образом совершенно особую группу явлений: перехват мезонов на ядра более тяжелых изотопов водорода и других элементов, образование мезомолекул, катализ в них ядерных реакций синтеза '3'. Наиболее широко в исследованиях мезоатомных процессов используются м -мезоны, их относительно большое время жизни и отсутствие сильного взаимодействия с ядром позволяют реализовать "полный список" возможных событий. При этом, однако, в подавляющем числе работ, посвященных мюонным атомам и молекулам водорода, за рамками рассмотрения оставалась сравнительно быстрая стадия формирования мезоатома, и исследова- - 4 -лись лишь медленные, сравнимые со скоростью распада мюона, процессы с участием /Vм"» 0M-% Тм -атомов, находящихся в основном состоянии. С другой стороны, пионные атомы водорода, существующие лишь в возбужденном состоянии, представляют возможность сосредоточить внимание именно на атом этапе их жизни, а также получить информацию об атомном захвате мезонов, останавливающихся в водородосодержащих химических соединениях и смесях'4' '. Следствием такого разграничения интересов явилось то, что аа - и 7Г- атомные процессы в водороде исследованы соот- ветственно при малых (^ 10 ) и больших (^10~х) атомарных концентрациях примесей других веществ.
Необходимо отметить, что хотя довольно полная картина мезо-атомных и мезомолекулярных процессов была построена еще в 50-х годах, последующие исследования, наряду с подтверждением многих первоначальных предположений и оценок, встречались также с трудностями и сюрпризами - от устойчивых расхождений между теорией и экспериментом в отдельных вопросах, что вынуждало неоднократно возвращаться к более основательным расчетам и измерениям, до обнаружения качественно новых явлений - таких как, например, влияние химической связи на вероятность образования мезоатомов в сложных веществах (см/4' и ссылки в ней), что привело к созданию новой области исследований - мезонной химии, или установление резонансного характера механизма образования мезомолекул изотопов водорода /6»7', возродившее надежду на возможность технического использования мюонного катализа термоядерных реакций.
Определенные затруднения в течение многих лет вызывали и вопросы, которым посвящена данная диссертация. Это - выяснение действительного значения сечения упругого рассеяния уСШ-ато-мов в водороде и - второе - поиск процесса перехвата мюонов с с водорода на гелий. Рассмотрим постановку этих проблем.
I. Рассеяние рм -атомов в водороде Интерес к процессу рЛ4 + Н^-** рМ+Н^ (I) возник в связи с задачей измерения скорости ядерного захвата мюонов в газообразном водороде, что позволяет установить численные значения констант мюон-нуклонного слабого взаимодействия/8' . Захват м -мезонов ядрами водорода происходит из основного состояния рм -атомов, причем его скорость существенно зависит от взаимной ориентации спинов мюона и протона: для состояний о/и -системы с полным моментом F = 0 и р = I значения скорости различаются почти на два порядка и равны соответственно 664 с""1 и 11,9 с""1' '. Поэтому при интерпретации результатов таких экспериментов необходимо учитывать факторы, определяющие заселенность уровней сверхтонкой структуры Р/4" атома. В значительной мере эти факторы связаны с характеристиками процесса (I), поскольку именно столкновениями мезоатома с атомами водорода определяется динамика его замедления и возможность переходов между подуровнями рм -системы F - 0;?/- = I.
Теория и эксперимент неоднократно обращались к процессу (I), начиная с 1958 года. В таблице I приведены результаты расчетов и измерений сечения упругого синглет-синглетного рассеяния рм -атомов на протонах. В первой части таблицы отделены работы, предшествующие началу наших исследований этого вопроса (1975 г.). Очевидна практически полная неопределенность ситуации, сложившейся к тому моменту: большие расхождения как между теорией и экспериментом, так и в каждой группе данных. Причины неустойчивости расчетных оценок анализировались в '16', а после выхода работы '19'(1983 г.) их можно, по-видимому, считать преодо-
Таблица I Сечение упругого рассеяния рм -атомов на протонах (в ед. КГ^ом2) ленными. Как стало ясно, расчеты сечения упругого рассеяния (I) методом адиабатического представления в задаче трех тел крайне чувствительны к размеру используемого адиабатического базиса. Двухуровневое приближение, хорошо "работавшее" при расчете других процессов, в данном случае имитирует реально отсутствующий эффект Рамзауэра и, следовательно, совершенно недостаточно. В '19' был реализован алгоритм решения многоканальной задачи рассеяния, и приведенный в таблице I результат получен при учете 162 состояний дискретного и сплошного спектров.
Таким образом, задача исследования упругого рассеяния рм-атомов в водороде стала представлять дополнительный интерес, связанный со стимулированием и апробацией точных методов расчета мезоатомных процессов. И, наконец, решение вопроса о сечении процесса (I) вписывается в развиваемую в настоящее время программу детальных исследований мезоатомных и мезомолекулярных процессов в водороде, подчиненную задаче нахождения оптимальных условий для катализа ядерных реакций синтеза мюонами'20'.
Как указывалось выше, значительным оказалось и расхождение между двумя экспериментальными результатами'12'13', полученными разными методами. Общим в этих работах является то, что движение рм -атома в газообразном водороде, сопровождаемое его рассеянием на атомах (молекулах) водорода, рассматривается как диффузный процесс. Двигаясь по ломанной траектории, рм- атом за время своей жизни удаляется от места образования на некоторое расстояние, зависящее от ряда факторов, в том числе и от величины сечения (I). Измеряя количественные характеристики распределения "прямолинейных" пробегов мезоатомов, можно определить сечение их упругого рассеяния. Основанные на таком подходе мето-ды различаются тем, какие именно характеристики распределения измеряются и каким способом.
В эксперименте'**', выполненном с диффузионной камерой высокого давления, непосредственно измерялись длины пробегов в водороде, имеющем примеси в виде паров спирта. Важной составной частью постановки опытов и обработки полученных данных являлось определение суммарной скорости неупругих процессов для Анатомов (главным образом вклада в нее перехвата мюонов с протонов на атомы примеси С и 0) и учет этих факторов при анализе распределения по пробегам.
В работе группы ЦЕРН-Болонья' ' данные о сечении рассеяния (I) были получены из анализа выхода и временного распределения У - квантов, возникающих в результате диффузии ш -атомов к тонким металлическим фольгам, расположенным внутри газовой водородной мишени. При достижении фольги мезоатомом мюон перехватывается с протона на её атом і? , образуя возбужденный
2/и - атом, который, переходя в основное состояние, испускает мезорентгеновские ft -кванты с энергиями, характерными для данного элемента. Особенностью такой постановки является возможность использования остановок мюонов непосредственно в Фольге для нормировки - определения отношения числа образующих-
Действительно, в измерении с мишенью, в которой установлены фольги, но газ отсутствует, число ^М -атомов легко определимо - оно равно количеству останавливающихся мезонов. Однако, необходимо учитывать в вероятностях испускания У- квантов определенных линий у мезоатомов 2ом , образовавшихся вследствие прямой посадки мюонов и в результате перехвата мюонов с РМ-атомок 2I'. В эксперименте '*' это учтено не было. Заметим также, что в основном измерения с водородом мезоны, останавливающиеся в фольге, являются источником значительного фона. В целом, изложенная идея позволила применить для исследования процесса диффузии мезоатомов электронную методику.
Значительное расхождение между первыми экспериментальными результатами требовало проведения новых измерений. Группой Бо-лонья-ЦЕШ был\тфинят цикл исследований '*±/1 основанный на прежней методике, однако предварительно были изучены различия в характеристиках мезорентгеновского излучения Ач\л -атомов, образующихся разными путями: при прямой посадке мюона на атом
А*> и вследствие перехвата его с протона на этот атом ' 2' (вещество фольги было изменено: вместо золота - алюминий). Результаты исследований приведены в таблице I. Практически одновременно был проведен и эксперимент в Дубне'32', с использованием методики, отличающейся от постановки итальянской группы. Эта работа и её результаты отражены в данной диссертации.
2. Перехват мюонов на гелий
Характерным свойством мюонных атомов водорода является способность, легко проникая сквозь электронные оболочки обычных атомов, приближаться к их ядрам и вступать с ними во взаимодействие. В случае, если ядро принадлежит более тяжелому изотопу водорода или другому элементу i? , весьма вероятным результатом взаимодейотвия является переход мюона к этому ядру (перехват) с образованием нового мезоатома в возбужденном состоянии: P/m+Ii-*Zm fP (2)
Сечение перехвата связано со скоростью мевоатома соотношением Q'V-oonst' '4i, поэтому этот процесс удобно описывать приведенной константой Лрм,Ие ~ скоростью перехвата (2) в жидком водороде при одинаковых количествах ядер водорода и примеси 2 в единице объема, равных П0 = 4,22»1022ядер/сиг. В таблице 2 приведены экспериментальные данные о величинах
Урл, для дейтерия и благородных газов. Эта совокупность данных не лишена некоторых противоречий, тем не менее очевидно, что для всех элементов, за исключением гелия, скорость процесса (2) примерно пропорциональна 2 ' ' и весьма высока, так что даже в газообразном водороде при давлении 10 атм. примеси концентраций 10 - 10 достаточно, чтобы практически все образующиеся рм -атомы перезаряжались на её ядрах. Перехват на гелий обнаружен не был. Как показал С.С.Герштейн, рассмотревший механизм перехвата (2)' , высокая скорость этого процесса обусловлена наличием пересечений мезомолекулярных термов систем рм +2- и А* +-р . В случае гелия такие пересечения отсутствуют, и процесс оказывается подавленным, его скорость оценивалась как Арм,Не ^ Юс". Позже был проведен
Таблица 2 Измерение скоростей перехвата мюонов с водорода на другие атомы ^рлі,2- , вед. I0I0c . - II - более детальный анализ этой модели, с учетом как пересечений, так и псевдопересечений термов z34"36/, и сделан вывод об отсутствии их у элементов с I <2< 5. Оценка скорости перехвата на гелий составила величину Урм,Ие ~ 5,5.106 с**1 '36', что согласовывалось с имевшимися экспериментальными оценками.
С другой стороны, в экспериментах с тг -мезонами, останавливающимися в газообразных смесях типа Н%_ + z? (где і? есть: Не , А/е ,Аъ ,Къ , Х-е ,ЛУ и С (?_ ), при концентрациях Cg ^ 0,1 был обнаружен перехват пионов с рТГ -атомов на все примеси 2г , в том числе и гелий, который по скорости перехвата в их ряду не выделяется /37>38/. это не противоречит запрету, рассмотренному выше, так как в данном случае речь идет о мезоатомах, существующих только в возбужденных состояниях, на которые механизм запрета может не распространяться. То, что перехват пионов обнаруживается при довольно больших концентрациях примеси, объясняется следующим '38'. Девозбуждение Р7Г-атома происходит преимущественно за счет его столкновений с атомами водорода. Несколько таких соударений достаточно, чтобы пион перешел на низние уровни системы plT , где он захватывается протонами, и мезоатом прекращает свое существование. Перехват может быть заметным, если, за время девозбуждения произойдут также столкновения мезоатома с атомами примеси. Отсюда следует, что атомарные плотности водорода и примеси должны быть сопоставимы, то есть С2 ^ 0,1.
Остановимся на методе описания процессов атомарного захвата и перехвата ТГ -мезонов в омеоях водорода с другими элементами, развитом в работе Z38'. В этих экспериментах проводились измерения с различными примесями zr в широком диапазоне их концентраций (0,05 ^Св < 2). В каждом случае (точка ( -?, с )) определялась величина IX/77- (г?у с) - вероятность того, что пион, остановившийся в смеси n^i? , образует мезоатом во дорода и после перехода на нижние уровни — будет захвачен протоном. Эта вероятность представляется в виде: \fJh(?lc) = (^Agc)'J , (з)
Здесь U^/2, с) - вероятность посадки пиона на водород, Wcvpl^c) - вероятность того, что в процессе девозбуждения of - атома не произойдет перехват мезона на атом I? Эти величины, в свою очередь, выражаются через А в -отношение сечений захвата мезона атомами примеси 5г и водорода и А ? - отношение скорости перехвата пиона на атомы 2? к скорости девозбуждения мезоатома рТГ . Совокупность экспериментальных данных /37»38/t как показано в этих работах, удовлетворительно описывается зависимостью (3) при значениях параметров:
Невозможность интерпретации этих данных путем рассмотрения только атомного захвата, то есть с помощью зависимости Wr(B-jC) = = Wfrfcjc) = (4+Агс) при Ag-CVflstfcJ , послужила основанием для вывода о существовании перехвата пионов на атомы примеси, конкурирующего с девозбуждением, и введения параметризации (3) и (4), Однозначность этого вывода оспаривается в некоторых теоретических работах /39»4/t в которых на примере расчетов атомного захвата мезонов в смеси /-/*2-указывается на возможность сильной зависимости величины Ag от концентрации примеси и на большие её значения, чем это следует из (4): /9//е s 5-Ю вместо 1,84' 38', что позволяет объяснить результаты эксперимента без привлечения предположений - ІЗ - о перехвате. В тоже время эти расчеты критикуются в работе' ', где найдено, что хотя зависимость АНе(с) и существует, но она слабая, и в целом результат этого расчета А^с ^ *>45
СЯ Л*7 ,8/ близок к экспериментальному, чем подтверждает вывод /0'»ои' о существовании перехвата.
Очевидно, что по аналогии с 77" -мезонами можно ожидать, что существует перехват мюонов с возбужденных Р№ -атомов на гелий: рм f- He -, Ие/^ -hp * (5 a) и тогда этот процесс может быть обнаружен в опытах с достаточно большой концентрацией гелия в водороде '38'. Первоначально задача эксперимента, вошедшего в данную диссертацию, ограничивалась именно этой целью: обнаружением перехвата (5 а). Что касается перехвата мюонов из основного состояния РМ -атомов: PA* -h Не -* Нем +Р , (5 б) то имевшиеся теоретические оценки его скорости Лам /Ve^IO с*"1 /qq ос/ '/ ' /оо.оо/ не давали оснований для учета этого процесса в условиях эксперимента. Однако, как это будет показано ниже, соответственно упрощенная интерпретация данных, полученных в нашем эксперименте, не дала самосогласованных результатов, из чего следовала необходимость анализа всей имеющейся информации без каких-либо ограничивающих предположений. Другим фактором, стимулировавшим такой анализ, был вывод более поздней работы '42', в которой рассмотрен новый механизм перехвата (5 6), связанный о промежуточным образованием мезомолекулы рмН&. , и получено более высокое значение скорости процесса: / рі/йр* = = 4,4*10 с . В конечном счете, эксперимент, отраженный в диссертации, представил собой исследование обеих форм перехвата мюонов на гелий (5 а) и (5 б) в газообразном водороде с приме- сями гелия при концентрациях О-0,05'43, '.
4. Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
Во введении рассмотрена экспериментальная и теоретическая ситуация в некоторых разделах физики мезонных атомов водорода, сложившаяся ко времени проведения экспериментальных работ, вошедших в диссертацию, показана необходимость дальнейших исследований в этой области, сформулированы цели и задачи двух конкретных экспериментов.
В главе I описана экспериментальная установка, использовавшаяся в серии работ по исследованию мю-мезоатомных и мезомолеку-лярных процессов в газообразном водороде. Излагается ряд реше- ний в вопросах организации сбора и обработки полученной инфор-. мации на линии с ЭВМ.
Электронная система установки
Как указывалось выше, значительным оказалось и расхождение между двумя экспериментальными результатами 12 13 , полученными разными методами. Общим в этих работах является то, что движение РМ -атома в газообразном водороде, сопровождаемое его рассеянием на атомах (молекулах) водорода, рассматривается как диффузный процесс. Двигаясь по ломанной траектории, рм- атом за время своей жизни удаляется от места образования на некоторое расстояние, зависящее от ряда факторов, в том числе и от величины сечения (I). Измеряя количественные характеристики распределения "прямолинейных" пробегов мезоатомов, можно определить сечение их упругого рассеяния. Основанные на таком подходе мето-ды различаются тем, какие именно характеристики распределения измеряются и каким способом. В эксперименте , выполненном с диффузионной камерой высокого давления, непосредственно измерялись длины пробегов в водороде, имеющем примеси в виде паров спирта. Важной составной частью постановки опытов и обработки полученных данных являлось определение суммарной скорости неупругих процессов для Анатомов (главным образом вклада в нее перехвата мюонов с протонов на атомы примеси С и 0) и учет этих факторов при анализе распределения по пробегам.
В работе группы ЦЕРН-Болонья данные о сечении рассеяния (I) были получены из анализа выхода и временного распределения У - квантов, возникающих в результате диффузии ш -атомов к тонким металлическим фольгам, расположенным внутри газовой водородной мишени. При достижении фольги мезоатомом мюон перехватывается с протона на её атом і? , образуя возбужденный и - атом, который, переходя в основное состояние, испускает мезорентгеновские ft -кванты с энергиями, характерными для данного элемента. Особенностью такой постановки является возможность использования остановок мюонов непосредственно в Фольге для нормировки - определения отношения числа образующих Действительно, в измерении с мишенью, в которой установлены фольги, но газ отсутствует, число М -атомов легко определимо - оно равно количеству останавливающихся мезонов. Однако, необходимо учитывать в вероятностях испускания У- квантов определенных линий у мезоатомов 2ом , образовавшихся вследствие прямой посадки мюонов и в результате перехвата мюонов с РМ-атомок 2I . В эксперименте это учтено не было. Заметим также, что в основном измерения с водородом мезоны, останавливающиеся в фольге, являются источником значительного фона. В целом, изложенная идея позволила применить для исследования процесса диффузии мезоатомов электронную методику.
Значительное расхождение между первыми экспериментальными результатами требовало проведения новых измерений. Группой Бо-лонья-ЦЕШ был\тфинят цикл исследований ±/1 основанный на прежней методике, однако предварительно были изучены различия в характеристиках мезорентгеновского излучения Ач\л -атомов, образующихся разными путями: при прямой посадке мюона на атом
А и вследствие перехвата его с протона на этот атом 2 (вещество фольги было изменено: вместо золота - алюминий). Результаты исследований приведены в таблице I. Практически одновременно был проведен и эксперимент в Дубне 32 , с использованием методики, отличающейся от постановки итальянской группы. Эта работа и её результаты отражены в данной диссертации.
Характерным свойством мюонных атомов водорода является способность, легко проникая сквозь электронные оболочки обычных атомов, приближаться к их ядрам и вступать с ними во взаимодействие. В случае, если ядро принадлежит более тяжелому изотопу водорода или другому элементу i? , весьма вероятным результатом взаимодейотвия является переход мюона к этому ядру (перехват) с образованием нового мезоатома в возбужденном состоянии:
Сечение перехвата связано со скоростью мевоатома соотношением V-oonst 4i, поэтому этот процесс удобно описывать приведенной константой Лрм,Ие скоростью перехвата (2) в жидком водороде при одинаковых количествах ядер водорода и примеси 2 в единице объема, равных П0 = 4,22»1022ядер/сиг. В таблице 2 приведены экспериментальные данные о величинах
Урл, для дейтерия и благородных газов. Эта совокупность данных не лишена некоторых противоречий, тем не менее очевидно, что для всех элементов, за исключением гелия, скорость процесса (2) примерно пропорциональна 2 и весьма высока, так что даже в газообразном водороде при давлении 10 атм. примеси концентраций 10 - 10 достаточно, чтобы практически все образующиеся рм -атомы перезаряжались на её ядрах. Перехват на гелий обнаружен не был. Как показал С.С.Герштейн, рассмотревший механизм перехвата (2) , высокая скорость этого процесса обусловлена наличием пересечений мезомолекулярных термов систем рм +2- и А +-р . В случае гелия такие пересечения отсутствуют, и процесс оказывается подавленным, его скорость оценивалась как Арм,Не Юс".
Дальнейший отбор событий
Газовая мишень может использоваться в двух вариантах: сосцинтилляторами детекторов 4 и 5 как из , так и пластическими. В первом случае обеспечиваются лучшие условия по достижимой чистоте водорода (у пластического сцинтиллятора давление насыщенных паров гораздо больше, чем у CsJ ) и по фоновым условиям, однако временные характеристики сцинтиллятора из CsJ хуже, что, в частности, потребовало принятия специальных мер для достижения приемлемой эффективности совпадений и антисовпадений при работе в этом варианте 5I . По своим температурным характеристикам два сцинтиллятора, дополняя друг друга, позволили проводить измерения с газовой мишенью при температурах от -150С до 130С 50 , причем в области -20С и ниже возможно использование сцинтилляторов из пластика (при больших температурах загрязнение водорода быстро возрастает), а при температурах от -60С и выше возможна работа с CsJ (при уменьшении температуры световыход этого сцинтиллятора падает).
Система газообеспечения позволяет заполнять мишень водородом, очищенным от примесей JET І до 10 объемных долей. Электронная система установки, являясь составной частью системы регистрации и отбора событий, в значительной мере определяет её организацию и функциональные возможности. В свою очередь структура и логика работы электроники обусловлены требованиями, предъявляемыми к установке со стороны эксперимента. Причем в той же мере, как сформулированные в I требования типичны для большинства исследований в области мю-атомных и молекулярных процессов, организация электроники во многих отношениях также традици-онна. Вместе с этим описываемая система отбора событий включает в себя ряд новых моментов, с чем связаны и некоторые схемные решения в электронной системе.
В предшествующих экспериментальных исследованиях отбор на аппаратурном уровне обеспечивал передачу в ЭВМ только тех событий, которые: (а) - сопровождались регистрацией хотя бы одной вторичной частицы, (б) - при условии отсутствия "сдвоенности" мюонов пучка, (в) - на этом же уровне дискриминировались заряженные и нейтральные частицы. Такой способ отбора имел свои недостатки, так как требовалось введение микросекундных задержек в аналоговые и логические цепи регистрирующей системы, и исключалась возможность оперативного изменения границ временных интервалов регистрации мюонов пучка, электронов, нейтронов, У -квантов и т.д. В данной же системе часть этих функций была передана ЭВМ и реализовывалась на этапах lton-cir e и л off-сй с обработки. Для формирования и передачи в ЭВМ соответствующей информации были созданы соответствующие электронные устройства и видоизменена "типичная" схема электроники эксперимента. Отбор на аппаратурном уровне производится лишь по условию (а).
На рис.2 приведена функциональная схема электроники. Сигнал, формируемый блоком выделения остановок по условию 2345, подается на вход схемы блокировки 55 , которая пропускает его на выходы и блокирует вход до прихода сигнала деблокировки. Триггеры Т2-Тб совместно со счетчиками 7 . , 7$- , 7Л , Ту 9Те и кварцевым генератором образуют стартстопные преобразователи время-код (используются счетчики КС 004 56 ). Общий старт подается с триггера Tj, который взводится импульсом 2345. Сигналы "Стоп" поступают раздельно с детекторов I, 5 и от групп детекторов " е "t " tf " и " /г " (последняя группа - счетчики нейтронов, использовавшиеся в 49 ). Каждая группа счетчиков имеет по одному каналу для измерения времени и амплитуды. Для указания, какой именно детектор в грутше сработал, предусмотрено установление соответствующих признаков в логическом регистре. Цепи амплитудного анализа и формирования логических признаков на рисунке не изображены. Время прихода предыдущего относительно момента остановки мюона измеряется счетчиком 7 , с предварительной установкой. На счетный вход счетчика подаются импульсы от кварцевого генератора. Каждый сигнал от детектора I (" М ") устанавливает счетчик в "0". Сигнал остановки (выход & 7/ ) закрывает счетный вход и вход "Запись 0".
Таким образом, аппаратура обеспечивает получение временной информации о предыдущих и последующих ( 7 , ) мюонах пучка, а также вторичных частицах, зарегистрированных детектора-ми5, " Я ", " " и " е ". Интервал регистрации нейтронов, электронов и У -квантов (длительность ворот) определяется величиной задержки I и составляет
Предварительный отбор событий на аппаратурном уровне производится следующим образом. Сигнал окончания ворот (импульс с выхода задержки I) взводит триггер Ту. В случае регистрации частицы сигнал с выхода U триггера Т7, задержанный на 100 мкс (задержка 2), является сигналом L , который инициирует передачу информации в ЭВМ. В случае же отсутствия сигналов с " /V ", " ", " е " - детекторов одновибратор 0В-І генерирует сигналы j? и о » которые сбрасывают информацию в счетчиках и возвращают аппаратуру в исходное состояние. Величина задержки 2 определяется быстродействием АЦП в каналах измерения амплитуд.
Передаваемая в ЭВМ информация о событии содержит: логический регистр признаков, указывающий на сработавшие в течение интервала Tj детекторы вторичных частиц; времена амплитудную информацию от групп " У ", " е " и " /г, "-детекторов. Кроме того, накапливались и периодически, через определенное число событий, передавались в ЭВМ мониторные счета І з» 234 (совпадения сигналов соответствующих мониторных счетчиков) и Мg - счет остановок 2345, а также вспомогательная информация: номер измерения и суточное время.
Моделирование диффузионного процесса
Далее рм -атом, находясь уже в основном состоянии, может отдать мюон атому гелия (если процесс (5 а) идет), может образовать мезомолзкда шш исчезнуть из-за распада мюона. Положим также, что в смеси есть малая добавка "пробного" газа - ксенона, такая, чтобы скорость перехвата мюона на ксенон была сравнима со скоростью его распада: Л е j[0 . доя рассматриваемых условий это соответствует концентрации сх& 10 , при которой влиянием ксенона на атомный захват мезона и каскад в мезоводороде можно пренебречь. Образующиеся ЛЄАЛ -атомы быстро исчезают вследствие захвата мюона ядром ксенона (скорость 10 с""1) или распада мезона (в поле ядра скорость Д, Аь). Что касается Нем -атомов и ррм -молекул, то они исчезают только из-за распадов мюонов. Таким образом, на втором этапе характерные времена процессов - микросекунды, следовательно, для них первый этап можно считать мгновенным, и числа мезоатомов, определенные в (16) и относящиеся к концу первого этапа, отнести к нулевому моменту времени. Теперь зависимость числа рассматриваемых объектов от времени может быть описана следующим обра- зом:
Смысл использованных здесь обозначений ясен из рис.8. Как видно, временное распределение пєм -атомов описывается в основном экспонентой exp (- 0 / , а в распределениях рлл- ж Хем-атомов доминирует экспонента елр (- 6) . Соответственно различаются и временные спектры вторичных частиц, рождающихся в процессах, „реванш р - ш Ну. - а.смаш: распадны электронов, каскадных Y -квантов и продуктов ядерного захвата мюонов на ксенон. Отметим, что А/еЛі -атомы дают только рас-падные электроны, а остальные частицы, и среди них - значительное число нейтральных, идут от РМ - и Аг л -атомов.
Использованный в эксперименте метод состоит в том, что при анализе временных спектров нейтральных и заряженных частиц, измеренных при некоторой концентрации гелия, определяются вклады в них от процессов, вызванных первоначально образованными Рл - и Нем -атомами. Возможность такого разделения обеспечивается различием соответствующих компонент спектров по форме, различны также соотношения между этими компонентами в спектрах нейтральных и заряженных частиц.
Определяемая таким образом величина IX/ есть вероятность того, что мюон, остановившийся в смеси водорода и гелия, будет захвачен именно на водород и образовавшийся рм -атом достигнет основного состояния, не отдав мюон атому примеси. Значения этой величины, найденные из измерений при различных концентрациях гелия, дают зависимость W[4 , несущую в себе информацию об атомном захвате мюонов и перехвате их с возбужденных атомов (5а). Заметим, что для определения W достаточно знать лишь относительные значения чисел мезоатомов.
Другим следствием анализа временных распределений является ответ на вопрос, зависит ли скорость \g от концентрации гелия. Поскольку, как определено в (17), \ oot\dlo) , то наличие такой зависимости явилось бы прямым указанием на существование перехвата из основного состояния (5 6): Луе 0.
Рассмотрим, как формируются спектры заряженных /У и нейтральных Grity частиц с учетом неточного их разделения. Ошибки в определении типа частиц обусловлены двумя главными причинами: неполной эффективностью регистрации счетчиком 5 заряженных частиц и, при регистрации основным детектором нейтральной частицы, попаданием в счетчик 5 сопровождающей её заряженной частицы либо мягкого -кванта. От Нем -атомов и РР/ -молекул идут только распадные электроны: где $2. -вероятность регистрации электрона детектором, a -вероятность регистрации электрона идентифицирующим счетчиком. От рм -атомов идут распадные электроны; после перехвата мюона на ксенон вылетает несколько каскадных У -квантов; далее идет интенсивный захват мюонов ядрами ксенона с вылетом нескольких частиц - как заряженных, так и нейтральных. Эта сложная картина упрощается благодаря тому, что при І7 0,4 мкс распределения во времени рм - и лем -атомов имеют одинаковый характер (17). Это позволяет представить все процессы в
Хе/и - атоме происходящими в один момент - во время гибели рм « атома. Из дальнейшего изложения станет ясно, что возникающая при этом ошибка на постоянный множитель будет автоматически учтена при нормировке. Теперь можно ввести параметры: , -суммарную эффективность регистрации акта исчезновения Р/и -атома (в том числе и за счет распада мюона) и 3 - вероятность того, что одновременно какая-либо частица будет зарегистрирована счетчиком 5. Тогда для спектров от Рл/ - и Хем - атомов получаем
Измерения и обработка данных
Соответствующая оценка скорости процесса (5 а), приведенной к плотности жидкого водорода, равнал-2»10 захватом пионов из r tb- - состояний рТ - мезоатомов, конкурирующим с перехватом и практически исключающим его из состояний с /v 4, в то время, как мюоны, вероятно, перехватываются и из этих состояний, причем, как это следует из результатов, примерно с той же интенсивностью , как перехват пионов и мюонов с уровней л 4. Из этого объяснения следует вывод о зависимости константы перехвата мюонов Лм от плотности водорода. Как известно, в перехвате пионов эффект плотности не наблюдался . Это обясняется тем, что как перехват, так и де-возбуждение с уровней л 4 обусловлены только столкновениями с другими атомами, скорости этих процессов одинаково зависят от плотности, а их отношение остается константой. Однако девоз-буждение с уровней ҐЬ - 2-4 в значительной мере определяется радиационными переходами, поэтому его скорость слабо зависит от плотности. Так, при изменении состояния водорода от газообразного при давлении I атм. до жидкого его плотность увеличивается в 10 раз, а время жизни уровня /V = 3 уменьшается всего в 10 pas / /. Следовательно, о-дотошен плотности водорода скорость перехвата с уровней П/ = 2-4 возрастает намного быстрее, чем скорость девозбуждения, что приводит к возрастанию вероятности перехвата. Экспериментальный поиск эффекта плотности в перехвате (5 а) явился бы как тестом развитой к настоящему времени картины перехвата мезонов из возбужденных состояний мезоатомов водорода, так и,возможно, источником новой информации о характеристиках процесса (5 а) при больших плотностях водорода.
Результаты диссертационной работы формулируются следующим образом: 1. Решены вопросы постановки серии экспериментов по исследо ванию мю-атомных и мезомолекулярных процессов на линии с ЭВМ. Мо дифицирована система регистрации и отбора событий, оптимизирова но распределение функций между электронной системой установки и ЭВМ. 2. В эксперименте с газообразным водородом измерено эффек тивное сечение рассеяния ш-атомов на молекулах водорода от о c(pM±Hi) - (42+8) «10 см , что соответствует сечению рассеяния на свободных протонах ъ($Мь) = (17,4+3,3)«10 см . При интерпретации данных применен простой способ учета связанности протонов в молекуле, использующий её классический аналог. Полученные результаты согласуются с последними теоретическими данными о оинглет-синглетном рассеянии рм -атомов на протонах и с последними экспериментами, проведенными в ЦЕРНе. Тем самым сечение этого процесса может считаться установленным. 3. В экспериментах с газообразными смесями водорода с гелием: а) обнаружен перехват мюонов с рм -атомов, находящихся в основном состоянии, на гелий и определена его скорость Л це = 7 Т = (3,6+1,0)»10 с , что согласуется с расчетом, основанном на предположении о мезомолекулярном механизме этого процесса; б) впервые для М -мезонов измерена зависимость \XScCj — вероятность образования в смеси водорода с гелием рм -атома в основном состоянии; сопоставление её с соответствующей функцией для П-мезонов ЩгСс) позволяет сделать, независимо от интерпретации М/ /с) -зависимости, вывод о существовании перехвата мюонов из возбужденных состояний РМ -атомов на гелий, причем более интенсивного, чем перехват пионов, что связывается с дополнительным вкладом в перехват мюонов нижних уровней РЛА - системы, в таком случае параметр Лм должен, в отличие от возрастать с ростом плотности водорода.
В заключение пользуюсь случаем выразить благодарность доктору физико-математических наук Петрухину В.И. за научное руководство, член-корреспонденту АН СССР Джелепову В.П. за внимание, поддержку и сотрудничество; Быстрицкому В.М., Суворову В.М., Филь-ченкову В.В., Хованскому Н.Н. за тесное сотрудничество, на основе которого была выполнена настоящая работа; Руденко А.И., Сомову Л.Н., Хемницу Г. за их вклад в подготовку и проведение экспериментов; Герштеину С.С, Пономареву Л.И., Зинову В.Г., Мележи-ку B.C., Меньшикову Л.И. за полезные обсуждения и ценные замечания; Медведю СВ. и его сотрудникам за обеспечение бесперебойной работы Измерительного центра ЛЯП.
