Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Взаимодействие нуклонов с легкими ядрами при промежуточных энергиях (Обзор литературных данных)
1. Общие характеристики ядерных реакций в малонуклонных системах 7
2. Основные экспериментальные данные 9
3. Нерелятивистские диаграммы Фейнмана и ядерные вершинные константы . 20
4. Заключение 23
Глава II. Получение и обработка экспериментального материала
1. Введение 26
2. Просмотр и обмер фотоснимков 27
3. Подготовка данных для геометрического восстановления и кинематического анализа 29
4. Геометрическое восстановление и кинематический анализ 31
5. Идентификация и каталогизация событий 33
6. Система сервиса 38
7. Анализ ошибок измерений и проверка правильности их учета 44
8. Заключение 49
Глава III. Изучение реакции fte.+jo- p+p+cC при импульсе ядер3Не 2,5ГэВ /с
1. Введение 53
2. Экспериментальные результаты. Сравнение с предсказаниями полюсной модели 56
3. Выводы и заключение 63
Глава ІV. Исследование основных характеристик реакции +р->р+р+р+/1 при импульсе ядер 3Не 2,5 ГэВ/с.
1. Введение 68
2. Экспериментальные результаты них сравнение с теоретическими расчетами 68
3. Заключение 79
Глава V. Определение ядерной вершинной функции и ядерной вершинной константы распада He-pd из реакции f/zjD+ppd при импульсе ядер гелия 2,5 ГэВ/с
1. Введение 80
2. ЯВФ и ЯВК распада 3Уе.-рг1 в потенциальной модели. 80
3. Диаграмма квазисвободного рр- рассеяния 82
4. Методика отбора событий, отвечающих диаграмме квазисвободного рр- рассеяния на ядре 3Не 84
5. Полученные результаты и выводы 89
Заключение 95
Благодарности 98
Литература 99
- Нерелятивистские диаграммы Фейнмана и ядерные вершинные константы
- Подготовка данных для геометрического восстановления и кинематического анализа
- Экспериментальные результаты. Сравнение с предсказаниями полюсной модели
- Методика отбора событий, отвечающих диаграмме квазисвободного рр- рассеяния на ядре 3Не
Введение к работе
Изучение взаимодействии элементарных частиц с легчайшими ядрами играет важную роль в исследовании свойств нуклон-нуклонных взаимодействий, структуры ядра и позволяет получить информацию о возможных механизмах ядерных реакций. Фундаментальный характер для адронной физики имеет природа и количественные оценки взаимодействия между нуклонами. Об этом взаимодействии можно судить, исследуя верпшнные функции ядер и структуру ядерных волновых функций,
К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал по взаимодействию частиц с легкими ядрами. Практически все последние работы по этой тематике выполнены с применением электронной аппаратуры для регистрации продуктов реакции. Общей чертой этих экспериментов является ограниченная область измерения кинематических переменных. Методика пузырьковых камер в этом смысле обладает преимуществом, так как позволяет изучать распределения по любым переменным в практически полном фазовом объеме.
Настоящая работа посвящена изучению реакций
ІЇЄ.+р-+ jo+p-f-cC (J)
&fe+p-+p+p+p+a (2)
при импульсе налетающего ядра 3Не 2,5 ГэВ/с, а также определению ядерной вершинной функции и ядерной вершинной константы распада ^На-*рсС . Для изучения этих реакций применялась жидководо-родная пузырьковая камера ИТЭФ диаметром 80 см.
Изучаемые реакции имеют ярко выраженный характер прямых процессов, в которых происходит квазиупругое рассеяние протона (в антилабораторной системе) на частицах ядра. Эти процессы привлекают внимание физиков тем, что экспериментальные данные в этом случае допускают детальный теоретический анализ.
Диссертация состоит из пяти глав.
В первой главе представлен обзор имеющихся в литературе экспериментальных данных по реакциям квазиупругого рассеяния на легких ядрах (3Не и 3Н) и их сравнение с рядом теоретических моделей прямого взаимодействия.
Вторая глава посвящена описанию постановки эксперимента и методике обработки экспериментального материала. Подробно рассмотрена обработка событий по программам геометрического восстановления и кинематического анализа, идентификация и каталогизация событий, сервисная система для работы с физической статистикой.
В третьей главе приведено изложение полученных результатов для реакции (I). Рассмотрены основные распределения: по косинусу угла квазиупругого рр- рассеяния, по углу Треймана-Янга, по импульсам вторичных протонов, по эффективным массам продуктов реакции, по импульсу дейтрона-спектатора. Эти распределения сравниваются с расчетами по полюсной модели.
В четвертой главе представлены результаты исследования реакции (2). Приведены распределения по основным импульсным, угловым и массовым характеристикам четырехнуклонной системы в конечном состоянии. Эти распределения сравниваются с предсказаниями полюсной модели, учитывающей взаимодействие нуклонов-спекта-торов в конечном состоянии.
Пятая глава посвящена определению из экспериментальных данных по реакции (I) ядерной вершинной функции и ядерной вершинной константы распада ядра 3Не на joaL - систему. Проведено сравнение полученных результатов с имеющимися в настоящее время экспериментальными и теоретическими данными,
В заключении кратко изложены основные результаты исследования.
Материалы диссертации были доложены на HI Семинаре по проблемам физики высоких энергий в Дубне (1984 г.), на II Симпозиуме по нуклон-нуклонным и адрон-ядерным взаимодействиям в Гатчине (1984 г.), на IX Европейской конференции по проблеме нескольких тел в Тбилиси (1984 г.), на Сессии отделения ядерной физики АН СССР 1984 года, а также представлены на XXII Международную конференцию по физике высоких энергий в Лейпциге (1984 г.).
Нерелятивистские диаграммы Фейнмана и ядерные вершинные константы
Все расчеты проводились без свободных параметров. Обнаружено хорошее согласие эксперимента с теоретическими расчетами.
В работе /53/, выполненной на линейном ускорителе в Сакле, изучался процесс электрорасщепления ядра 3Не. Пучок электронов с энергией 600 МэВ направлялся на мишень из жидкого 3Не. Продукты реакции Не-Се,е!р) регистрировались двумя спектрометрами при двух значениях углов разлета. Экспериментальное разрешение по недостающей массе ( 1,2 МэВ ) позволило разделить реакции s/fe.(4 tefc)a и Ak(e,e f)pri . Целью эксперимента было определение спектральной функции (см. &&) в (I.I)). Систематическая ошибка эксперимента составляла Q%. Функции плотности импульсного распределения протонов в ядре Ф) » совпадающие с точностью до множителя с вершинными функциями ядра 3Не, были получены интегрированием спектральной функции &(%е) в различных интервалах недостающей энергии & . При интегрировании в области пика сечения, отвечающего процессу #е(е,е р)оі при Е 5,5 МэВ, была получена функция р&(р) » соответствующая вершинной функции распада Ме- ясі . При интегрировании по непрерывному спектру до " 20 МэВ была получена функция &fi) для Результаты эксперимента сравнивались срасчетами по л /54/, в которых использовалась волновая функция трехчастичного состояния, полученная из уравнений Фаддеева с использованием потенциала Рейда. Сравнение проводилось также с результатами вариационных расчетов. Обнаружено достаточно хорошее согласие теории и эксперимента до значений импульсов спектаторов 150 МэВ/с. В более жесткой части спектра теоретические значения систематик чески превышают экспериментальные. Область 150 - 200 МэВ/с является "пограничной", в которой "сшиваются" данные измерений при двух углах. Замечено более, чем 1Ъ% - ное расхождение экспериментальных данных в этой области. Это объяснено следующими причинами: а) некорректной экстраполяцией off&& сечения процесса о - рассеяния; б) присутствием неучтенного взаимодействия в конечном состоянии; в) более сложными неучтенными процессами. К обсуждению результатов этой группы мы еще вернемся в главе У.
Подведем итоги рассмотрения экспериментальной ситуации, проведенного в порядке возрастания энергии от 20 до 600 МэВ. Основное внимание в рассмотренных экспериментах уделялось двум процессам: квазиупругому рассеянию и взаимодействию спектаторов в конечном состоянии. Эти процессы играют различную роль при разных энергиях. Если при малых энергиях квазиупругим рассеянием можно пренебречь, и рассматривать реакцию, как идущую через механизм составного ядра, то при увеличении энергии ядерные реакции все больше приобретают черты прямых процессов.
Начиная с энергии 150 МэВ доминирующим механизмом рассматриваемы реакций является полюсной. ..
Для описания реакций применяется ряд моделей: импульсное приближение с плоскими или искаженными волнами, полюсное приближение. Все спектры (р,2р) реакций и спектры реакций {Р,СО[) при энергиях: больше 60 МэВ хорошо описываются плосковолновым импульсным приближением. Однако, существенным недостатком этого приближения является расхождение его с экспериментом в абсолютной нормировке сечения и с необходимостью, в связи с этим, нормировать теоретические данные на экспериментальные»
Взаимодействие спектаторов в конечном состоянии необходимо оценивать при любых энергиях. При малых энергиях оно в основном определяет ход сечения, при больших его нужно оценивать относительно основного процесса квазиупругого рассеяния.
Начальное взаимодействие важно при малых энергиях ( 50 МэВ) и приводит к уменьшению сечений без изменения формы спектров. При больших ( - 100 МэВ) энергиях им можно пренебречь.
Эффекты схода с массовой поверхности в двухнуклонных амплитудах необходимо учитывать при энергиях меньше 200 МэВ. В области энергий более 300 МэВ эти эффекты пренебрежимо малы и можно использовать реальные амплитуды рассеяния.
Из этого краткого обзора, а также из результатов проведенных ранее расчетов для эксперимента с зеркальным ядром 3Н /73/, можно сделать вывод, что при энергии нашего эксперимента (318 МэВ) полюсная модель со взаимодействием нуклонов-спектаторов в конечном состоянии является оптимальным теоретическим подходом, позволяющим описать в абсолютной нормировке и без свободных параметров свойства рассматриваемых реакций.
Во всех рассмотренных экспериментах для изучения реакций использовались различного вида спектрометры. Доступная для изучения область фазового пространства зависит от конкретной постановки эксперимента. Однако, общей чертой этих экспериментов является то, что в них изучаются определенные кинематические переменные в ограниченной области их изменения. По сравнению с этим методика пузырьковых камер, по которой проведен наш эксперимент, обладает несомненным преимуществом, так как позволяет изучать распределения по любым переменным в практически полном фазовом объеме.
Подготовка данных для геометрического восстановления и кинематического анализа
В последнее время на 80-см жидководородной пузырьковой камере ИТЭФ /56/ проводятся эксперименты по изучению взаимодействий легких ядер.
В рамках этой экспериментальной программы камера экспониро-валась в сепарированном пучке ядер 3Не с импульсом 2,5 ГэВ/с. Схема эксперимента, при которой быстрое ядро рассеивается на неподвижном протоне-мишени имеет то преимущество, что в этом случае частицы-спектаторы имеют большой импульс в лабораторной системе координат и могут быть легко измерены, тогда как при использовании покоящегося ядра-мишени частицы-спектаторы имеют малый импульс, и существенная часть их обычно в эксперименте не регистрируется. Высокая эффективность регистрации спектато-ров, как методическая особенность постановки эксперимента, имеет большое значение, так как угловые и импульсные распределения частиц-спектаторов обусловлены в первую очередь чисто ядерными эффектами, исследование которых является целью эксперимента.
Другой методической особенностью нашего эксперимента является W" - геометрия, позволяющая исследовать ядерные процессы практически в полном фазовом объеме» Такая постановка эксперимента дает возможность детально и всесторонне изучать механизмы реакций. Эта особенность является также существенной для изучения структуры ядра, в частности для определения вершинных функций и констант.
Для получения пучка ядер 3Не внутренний пучок протонного синхротрона ИТЭФ с импульсом 9,7 ГэВ/с сбрасывался на алюминиевую мишень. Из вторичного пучка системой отклоняющих магнитов и квадрупольных линз выделялись частицы с магнитной жесткостью 1,25ГэВ/с (импульс 2,5 ГэВ/с для двукратно заряженных частиц), которые затем пропускались через двухступенчатый электростатический сепаратор. В сформированном пучке ядер 3Не разброс по импульсам не превышал 0,5%. Примесь однократно заряженных частиц в пучке составляла 2%. При просмотре фотографий треки первичных однократно заряженных частиц легко отделялись от треков ядер 3Не по ионизации.
Всего получено около 60 000 фотографий при импульсе ядер 3Не 2,5 ГэВ/с. Средняя загрузка составила 5 частиц на фотографию. Производился двукратный просмотр фотографий, эффективность которого превышала 95$, Далее отобранные события поступали на измерительные установки: автоматический сканирующий прибор ПСП-2 (типа &pJ ) и полуавтоматические приборы ПУОС. После обмера снимков производилась программная обработка информации, результаты которой записывались на архивные ленты данных. Завершающим этапом обработки являлся статистический анализ всей совокупности событий с соответствующими физическими результатами.
На этапе просмотра отмечаются фотографии, содержащие взаимодействия в выделенной области камеры размером 33x33 сиг, ограниченной крестами на иллюминаторе камеры. Номер кадра, лучевость и "видимая" ионизация вторичных следов заносятся в специальные журналы.
После этого фотопленки поступают на измерительные установки, где операторы измеряют события. Результаты измерений записываются на магнитные ленты (блок-схема на рис. I).
При измерении на автоматическом приборе имеется дополнительный этап фильтрации отсканированного (измеренного на установке ПСП-2) снимка до нужных информационных пределов. Для этого на ЭВМ БЭСМ-6 работает специально написанная программа, основанная на известном принципе минимального целеуказания оператором /65/.
Высокое качество измерений на автоматическом сканирующем приборе является одним из условий, которые делают возможным применение при обработке нашего эксперимента автоматической идентификации событий /64/.
После этапа измерения данные на магнитных носителях находятся в виде, зависящем от измерительной установки. В нашем эксперименте, как уже упоминалось, установки были двух типов: полуавтоматические столы ПУОС и автоматическая установка типа НрД ШП-2. Помимо этого предполагалось использование новых автоматических измерительных столов АИСТ. Для унификации программы геометрии и кинематики в применении к этим установкам была создана программа, транслирующая формат измерительных приборов в единый входной формат для программы н Жя . На блок-схеме рис. I эта программа обозначена HYZ X/KP . Работает она на БЭСМ-6 и может иметь в качестве входного носителя ленты БЭСМ-6 с результатами измерения событий на приборах ПУОС или ПСЇЇ-2, либо может читать ленты типа ЕС с событиями, измеренными на столах АИСТ, В последнем случае в программу введены процессоры, отбирающие события только с нужным номером эксперимента, ибо на нее могут попадать события других экспериментов, измеряемых одновременно с нашим.
Кроме основной функции - преобразования формата, программа HWXfiCP осуществляет ряд контролирующих операций с целью на начальном этапе выявить ошибочные события. Она проверяет полноту измерения, то есть наличие всех координат реперных крестов, вершины события, достаточного числа точек на каждом треке. В программе предусмотрен грубый фит точек трека окружностью или прямой, при котором выясняется возможность аппроксимации с удовлетворительной ошибкой точек треков. Введен специальный процессор, уточняющий положение вершины события, ибо при большой "невязке" треков в вершине геометрическая программа бракует события.
Основной причиной брака событий на этом этапе обработки являются недостаточно квалифицированные ручные измерения. Для событий, поступающих с автомата ЇЇСЇЇ-2 удалось добиться практически 100$ -ной трансляции событий. В качестве выходной информации программа HYJUWP ДЛЯ каждого события выдает один блок на ленте типа ЕС, который поступает на вход ню д -системы.
Экспериментальные результаты. Сравнение с предсказаниями полюсной модели
Для этого на картах задается следующая информация: пределы А и В и индекс локализации Q. , которым является один из параметров, записываемых для каждого события в каталог /51/. При этом допустимы любые комбинации условии, объединенные логическими операциями "и" или "или". Это дает возможность выделить совокупность событий по любым признакам. С карт сає вводятся данные по исправляемым событиям (по формату (x-ro ze) ), которые содержат номера событий и номера новых гипотез, которые нужно присвоить этим событиям. После ввода начинается циклическое считывание зон каталога CAT и контроль на принадлежность данного события к списку подлежащих исправлению событий. В случае принадлежности происходит изменение в номере гипотезы. Помимо этого происходит формирование списка мл нужных ЕС МЛ, где лежат иае# - выходы событий из входного списка свє . Список #TL ( г &л mp&s ST) распечатывается на АЦПУ, а список событий 1В записывается в буферную область на диск (см. рис.2). После этого на магнитофоны ставятся нужные ЕС МЛ Н&г , а также ЕС МЛ записи sr(sxTe/ z?jr s-з г# st/eiv/teY тре), и одна из программ системы t ezr осуществляет по списку L перепись нужных мюев- - выходов на одну ЕС МЛ - 2 ST.
Таким образом, в результате работы режима 0 мы получаем: расширенную ленту суммарных результатов ЕЗ&Г , на которой собраны нюья - выходы заказанных для редакции событий; список событий, подлежащих исправлению L& , содержащий новые и старые номера гипотез. На этом этапе производится исправление каталога.
Далее в режиме I производится формирование новой & т на ОСНОЕЄ результатов режима 0. После ввода управляющих карт программа ЄШТ41 считывает в память с диска список событий после режима 0 (см. рис. 2). Далее начинается циклическое считывание событий с &3 ST ф Для каждого события выясняется по списку є старый номер гипотезы (и канал) и новый номер гипотезы (и канал). По старому номеру канала в соответствующий массив &єг-(&{.єг&г и&гг& LX&T) заносится номер события. Этот массив предназначен для последующего вычеркивания события из 2 &г . После этого по новому номеру гипотезы по банкам W0& - выхода ищутся 4-ве-кторы частиц, отвечающие новой гипотезе. Они заносятся в другой массив &$л-(г ят зипцъ/гу т/}рє 2 х 2тто/г&) , соответствующий новому номеру канала. Все эти массивы, отвечающие каналам, которые участвовали в перевыборке, записываются в буферную область на диске. В результате мы имеем: список &L , в котором записаны в разбивке по каналам номера событий, которые нужно убрать из этих каналов; массив 2 s/9 , содержащий 4-векторы частиц, которые нужно добавить в соответствующие каналы на -2 взамен убираемых.
После этого программа E2?mz осуществляет окончательное формирование исправленной &&Т" , используя промежуточные результаты, полученные программой зат-п . Программа после ввода управляющих карт последовательно, по каналам, зонам и событиям, считывает старую Z?ST( T0/ ) . До этого в память считаны массивы z L . Для каждого события проверяется, принадлежит ли оно соответствующему списку на выбрасывание. Если да, то ставится признак брака в номер события, если нет, то программа переходит на следующее событие. После прочтения одной ..зоны (и её исправления) происходит её копирование на ленту новой 2 sr(2 s7ze ) Когда считывается последнее событие в канале, на ленту новой &ST-добавляются события из соответствующих массивов &&9 . Таким образом, после работы системы в режимах 0 и I мы получаем исправленную 3 ST , то есть из нее убраны (поставлены в номера событий признаки брака) 4-векторы энергии-импульса частиц из ошибочных каналов, найдены в лентах HY&AA - выхода и дописаны в другие каналы 4-векторы верных гипотез. Исправления в каталоге сделаны простой заменой неверного номера гипотезы на верный.
В режиме 2, который работает автономно, производится чистка каталога и Я-ST от попавших туда неверных событий. Выделение этого режима вызвано методической возможностью появления довольно большого количества дублей, а также просто неверных событий, загрязняющих статистику. Работа режима 2 - первая необходимая процедура статистического анализа после получения физической статистики. После ввода управляющих карт для проведения чистки г єс (см. рис. 2) начинается циклическое считывание зон каталога л г. В каждой зоне каталога для каждого события проверяется его принадлежность списку гхк? . При совпадении номера события и номера гипотезы события из каталога со списком - оно вычеркивается из каталога и одновременно вычеркивается в списке & , чтобы при наличии дублей было вычеркнуто лишь одно событие. Аналогичная процедура используется при исправлении &&г , которое производится после правки каталога. Введены специальные счетчики, контролирующие совпадение исправленных событий в каталоге и &$т . При аварийном несовпадении исправлений каталога и &т выдается диагностическая печать.
Методика отбора событий, отвечающих диаграмме квазисвободного рр- рассеяния на ядре 3Не
При расчетах в плосковолновом приближении (невзаимодействующие нуклоны-спектаторы в конечном состоянии) полное сечение реакции (ІУ.І) оказывается равным 83,3 мбн, то есть более чем вдвое превышает экспериментальное. Этот факт подчеркивает важность учета взаимодействия нуклонов-спектаторов в конечном состоянии. Похожая ситуация была ранее описана в работе /73/ для реакции Mp- f f n/i .
Для того, чтобы подчеркнуть основную роль процесса квази-ynpyroro/ - рассеяния в реакции (ІУ.І), на рисунках штриховой линией показан вклад диаграмм 14 г-е в общие распределения. Непрерывная кривая соответствует суммарному вкладу диаграмм 14 а-е с ограничением (ІУ.2).
На рис. 15 приведено распределение по импульсам протонов в системе покоя ядра 3Не. В распределение включены импульсы всех трех протонов. Это распределение имеет острый максимум в области а 70 МэВ/с, который в основном описывается диаграммами 14 г-е и отвечает квазисвободному о/і - рассеянию. Видно, что полюсная модель вполне удовлетворительно описывает это характерное для реакции (ІУ.І) распределение. Хорошее описание квазиупругого пика позволяет сделать вывод, что эффекты схода с массовой поверхности в / -амплитудах малы и в пределах точности наших экспериментальных данных ими можно пренебречь.
Распределение по инвариантной массе рр- системы приведено на рис. 16. В него включены все три комбинации. Подавляющий вклад в область околопорогового максимума дают диаграммы 14 г-е. Однако, их вклад этим не ограничивается и в области больших масс они также играют заметную роль.
В этом заключается одно из существенных отличий реакции (ІУ.І) от реакции /JD- jOjOK/L из работы /73/. Диаграммы 1а я (см. рис. 1а- а из работы /73/), соответствующие квазисвободному / ъ - рассеянию, и I е, соответствующая квазисвободному рр- рассеянию, давали вклады в различные области фазового пространства /73/, Поэтому наложением кинематических ограничений было возможно разделить вклады диаграмм I &-сС и I е.
В нашем случае трудно разделить вклады от диаграммой а-в, отвечающих квазисвободному рр- рассеянию, от диаграмм 14 г-е, соответствующих квазисвободному on. - рассеянию, так как из--за перестановок тождественных протонов распределения получаются размытыми, и соответствующие диаграммы дают вклады в перекрывающиеся области фазового пространства.
Штрих-пунктирной кривой показан суммарный вклад диаграмм 14 а-е, вычисленный без учета взаимодействия нуклонов-спектато-ров в конечном состоянии. Существенно отметить, что в этом случае вклад диаграмм 14 а-в возрастает в четыре раза по сравнению с вычисленным при учете полной волновой функции непрерывного спектра W - системы, а вклад диаграмм 14 г-е увеличивается очень мало. Этот эффект уже был подчеркнут в работах /2,73/ и говорит о том, что перекрытие волновой функции основного остояния ядра 3Не с синглетной волновой функцией непрерывного спектра, расчитаннои с использованием сепарабельного потенциала Ямагучи, гораздо сильнее, чем с триплетной.
Некоторые отличия расчетной кривой от экспериментального распределения можно объяснить тем, что область применения сепарабельного приближения для двухчастичной 2г _ матрицы ограничена небольшими значениями эффективных масс. Кроме того, в расчетах не учитывались интерференция диаграмм 14 а-е и вклады 2) - компонент волновых функций ядра 3Не и непрерывного спектра № - пары. Однако, эти эффекты невелики и, как можно видеть из рис. 16, полюсная модель в нашем приближении достаточно хорошо описывает экспериментальные распределения»
На рис. 17 представлено распределение по инвариантной массе / п - системы (все три/ 1 - комбинации), которое также удовлетворительно описывается расчетной кривой. Как и в предыдущих распределениях, области фазового пространства, в которые дают вклад диаграммы 14 а-в и 14 г-е, перекрываются.
На рис. 18 приведены распределения по косинусу угла между импульсами первичного и вторичного протонов 3 s (все комбинации) в системе покоя ядра 3Не (а) и по косинусу угла между импульсами первичного протона и нейтрона & && _ в той же системе (б).
