Исследование образования кумулятивных протонов в протон-ядерных взаимодействиях в интервале энергии 0,5-2,1 Гэв/нуклон тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

П О

.....

( У к

ОБЪЕДИНЕННЫМ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ Лаборатория сверхвысоких энергий

На правах рукописи

ХУРЭЛБААТАР БЭГЗСУРЭН

ИССЛЕДОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ КУМУЛЯТИВНЫХ ПРОТОНОВ В ПРОТОН-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ В ИНТЕРВАЛЕ ЭНЕРГИИ 0.5 - 2.1 ГЭВ/НУКЛОН.

Специальность 01.04.23 - физика высоких энергий

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук,

профессор Никитин В.А.

Дубна 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1. Рождение релятивистских протонов на ядрах на большие углы

1.1 Постановка задачи 8

1.2 Модели эмиссии быстрых протонов на большие углы 10

1.2.1 Модель Амадо - Волошина 10

1.2.2 Модель прямого выбивания нуклона 13

1.2.3 Модель коррелированных кластеров 15

1.2.4 Механизм кратных взаимодействий 20

1.2.5 Каскадный механизм 21

1.2.6 Модель фазового пространства 21

1.3 Заключение (к 1-й главе) 21

Глава 2. Эксперименты на пучках поляризованных протонов.

2.1 Введение 22

2.2 Инклюзивные измерения анализирующей способности 23

2.3 Корреляционный эксперимент 25

2.3.1 Измерения анализирующей способности в реакции

с/1 +с р + (р,<1) + X при энергии 0.8 ГэВ/нуклон 25

2.3.2 Электроника и сбор информации 26

2.3.3 Анализ данных и результаты измерений 28

2.4 Заключение (к 2-й главе) 29

Глава 3. Программа расчета внутриядерного каскада в ядро-ядерных взаимодействиях.

3.1 Введение 31

3.2 Основные физические предложения модели 31

3.3 Описание поляризованных протонов 34

3.4 Зависимость сечения от поляризации 36

3.5 Описание внутриядерных кластерных структуров 38

Глава 4. Измерение анализирующей способности реакции р | С = рр(д)Х при энергии поляризованных протонов 500 МэВ.

4.1 Введение 39

4.2 Экспериментальная установка и метод измерения 39

4.3 Двухчастичные корреляционные спектры 44

4.4 Кинематика квазиупругих реакций 46

4.5 Моделирование взаимодействия

поляризованных протонов с ядром 48

4.6 Измерение анализирующей способности Ау 49

4.7 Обсуждение результатов 51

4.8 Заключение (к 4-й главе) 53

Глава 5. Ядерная прозрачность

5.1 Введение 54

5.2 Результаты и обсуждения 55

5.3 Заключение (к 5-й главе) 57

Глава 6. Кулоновское взаимодействие заряженных пионов в СС- и СТа- взаимодействиях при 4.2 А ГэВ/с

6.1 Введение 59

6.2 Методика эксперимента 59

6.3 Экспериментальные результаты 60

6.4 Заключение (к 6-й главе) 62

Заключение 64

Литература 65

Введение

В последние годы сформировалось и интенсивно развивается новое направление ядерной физики высоких энергий по исследованию механизма образования быстрых частиц в области, кинематически запрещенной для рассеяния налетающей частицы на свободных нуклонах.

В рамках этой темы проведено большое количество экспериментов и теоретических работ в области малых (Е < 1 ГэВ) и больших (Е > ЗГэВ) энергий. Ставится задача получить новую информацию о структуре ядра и механизме взаимодействия частиц высокой энергии с ядрами, которая полезна и для понимания структуры элементарных частиц.

Эмиссия быстрых протонов назад в протон - ядерных взаимодействиях происходит с образованием ядра отдачи с некоторым импульсом. Возникает важный вопрос: существует ли это ядро отдачи до взаимодействия первичной частицы с высоко - импульсным нуклоном и испусканием последнего, или процесс идёт через многократные столкновения с низкоимпульсными нуклонами ядра?

В области высоких энергий (Е0 < БГэВ) эти процессы называются кумулятивными, а их интерпретация ведется в терминах кварк-партонной структурной функции ядра [4]. При этом из эксперимента получают распределения портонов в ядре ПО продольному и попречному импульсу, /(х,р_|_), X — р\\/р\\,тах- Через функция / выражают сечения в кумулятивной области адрон-ядерных и лептон-ядерных взаимодействий. В области низких энергии нуклоны N принято считать бесструктурными частицами и сводить адрон-ядерные процессы к однократному или многократному N^1-рассеянию с учетом фермиевского движения нуклонов в ядре. В то же время надо иметь в виду тот факт, что модель независимых частиц не учитывает пространственные корреляции нуклонов внутри ядра. Иными словами надо учитывать поведения ядерной материи при малых относительных расстояниях между нуклонами ядра.

Настоящая работа посвящена детальному изучению проблемы эмиссии быстрых протонов назад, механизму их образования.

В работе рассматриваются некоторые модели, предложенные различными авторами, применяемые для описания механизма образования быстрых протонов на больший углы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации представлены результаты исследования образования кумулятивных протонов в протон-ядерных взаимодействиях в интервале энергии 0.5 - 2.1 ГэВ/нуклон.

Модифицированная каскадная модель ядро-ядерных взаимодействий дополнена моделированием процессов взаимодействия поляризованных пучков с ядрами, с кластерными структурами в ядрах.

В рамках этой модели показано, что анализирующая способность Ау реакции р | С = рр(с1)Х при энергии поляризованных протонов 500 МэВ в области квазиупругого рр и рс1 рассеяния качественно согласуется с соответствующей величиной для упругого рассеяния. Исследована роль многократных перерассеяний налетающего протона и нуклонов отдачи ядра мишени, а также ферми-движения внутриядерных нуклонов на поведение ядерной прозрачности, наблюдаемой в ВМЬ - эксперименте.

Представлены результаты исследований влияния многозарядных фрагментов ядра-снаряда на образование заряженных пионов с малыми поперечными импульсами. Показано, что существует эффект зарядовой корреляции между этими фрагментами и системами заряженных пионов.

Актуальность проблемы. В последние годы сформировалось и интенсивно развивается новое направление ядерной физики высоких энергий по исследованию механизма образования быстрых частиц в области, кинематически запрещенной для рассеяния налетающей частицы на свободных нуклонах.

В рамках этой темы проведено большое количество экспериментов и теоретических работ. Основная причина, по которой эта проблема остаётся привлекательной, заключается в том, что простые расчёты с однократным рассеянием на нуклоне ядра и обычным распределением внутреннего движения нуклонов, предсказывают величину сечений на несколько порядков меньше, чем наблюдаемые экспериментально. Поэтому ожидалось, что решение этой проблемы даст новую информацию о структуре ядра и механизме взаимодействия частиц высокой энергии с ядрами, которая полезна и для понимания структуры элементарных частиц.

Цель работы. Целью работы является исследование особенностей поведения быстрых частиц в адрон-ядерных взаимодействиях и создание качественной модели этого феномена, которая способна описывать адрон-ядерные взаимодействия на основе данных уже проведённых и планируемых экспериментов.

Научная новизна.

Выделены два различных механизма, отличающиеся разным знаком анализирующей способности и дающие соизмеримый вклад в эмиссию быстрых протонов под углами близкими к 90° в реакции с1 ^ +С —р+(р, <£)+Х при энергии 800 МэВ/нуклон.

Впервые дубненский вариант модели внутриядерного каскада сформулирован с учётом спиновых степеней свободы нуклонов, что позволяет вычислять поляризационные эффекты.

Обнаружен эффект кулоновского взаимодействия заряженных пионов, связанный с зарядовой корреляцией между положительными фрагментами ядра-снаряда и пионной системой с отрицательным зарядом в СС- и СТа- взаимодействиях при 4.2 А ГэВ/с.

Впервые измерена анализирующая способность квазиупругого выбивания дейтерия в протон-ядерной реакции.

Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы для проверки теоретических моделей и окажутся полезными в исследовании волновой функции ядра. Новый вариант каскадной модели важен для оптимального планирования дальнейших экспериментов по адрон-ядерной тематике.

На защиту выносятся

1. Результаты измерений анализирующей способности д, t +С + +С р + (р, д) + А реакций при энергии 0.6 2.1 МэВ/нуклон.

2. Разработка алгоритма и создание программы для моделирования процессов взаимодействия поляризованных пучков с ядрами, с кластерными структурами в ядрах.

3. Результаты исследования роли стандартных механизмов в поведении цветовой прозрачности, полученные с помощью модифицированной каскадной модели для адрон-ядерных взаимодействий.

4. Результаты исследований влияния многозарядных фрагментов ядра-снаряда на образование заряженных пионов с малыми поперечными импульсами в ядро-ядерных взаимодействиях.

Публикации . Основные результаты диссертации изложены в работах: 1. Г.Г. Безногих, В.А. Будилов, А. Голембевский, Н.К. Жидков, А.П. Ларичева, В.В. Мялковский, В.А. Никитин, П.В. Номоконов, А.В. Павлюк, И.А. Руфанов, М. Трайкова, А. Филипковский, Б. Хурэлбаатар: Анализирующая способность реакций d | +С ->■ р + X и d | +С ->• p+p(d) + X при энергиях 0.6--2.1 ГэВ/нуклон.

ЯФ 54. (1991) 1333.

2. G.G.Beznogikh, V.A. Budiilov, A. Filipkowski, A. Golembewski, В. Khurel-baatar, А.P. Laricheva, V.V. Mialkowski, V.A. Nikitin, P.V. Nomokonov, A.V. Pavlyuk, I.A. Rufanov, M. Traikova, N.K. Zhidkov:

Analyzing power in d f С pX and d t С —>■ pp{d)X reactions for fast protons scattered at large angles,

JINR Rapid communications No4(50)-91, 5, 1991.

3. Ц. Баатар, А.А. Кузнецов, В.Б. Любимов, Р. Тогоо, Б. Хурэлбаатар: Кулоновское взаимодействие заряженных пионов в С С- и СТа- взаимодействиях при 4.2 А ГэВ/с,

Краткие сообщение ОИЯИ No4(84)-97, 57, Дубна, 1997.

4. G.J. Musulmanbekob, М.В. Tokarev, В. Khurelbaatar: On Color Transparency,

JINR preprint, 1998, E2-98-370.

5. Ж.Ж. Мусульманбеков, Б. Хурэлбаатар: Модифицированная каскадная модель,

Препринт ОИЯИ, 1999, Р2~99~£~9>

6. B.Khurelbaator, V.S.Kiselev, R.Kh.Kutuev, G.Musulmanbekov, V.A.Nikitin, P.V.Nomokonov, A.V.Pavlyuk, I.A.Rufanov, R.Ya.Zulkarneev, A.D.Avezov, A.A.Gafarov, Yu.N.Koblik, D.A.Mirkarimov, A.V.Morozov, V.A.Pirogov, G.A.Radyuk, B.S.Yuldashev, D.Hutcheon, S.Yen, V.Chaloupka, V.Dougherti, G.Liang, H.Lubatti, W.Weitcamp:

Measurement of analyzing Power of the Reactions C(p,pp)X and C(p,pd)X at polarized Proton Beam 500 MeV.

JINR preprint, 1999,B2-99-37,

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения и содержит 68 страниц, включая 2 таблиц, 38 рисунок. Библиография имеет 81 наименований.

СОДЕРЖАНИЯ РАБОТЫ

Во введении подчеркнута актуальность исследования адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий, сформулирована цель работы, приведено краткое содержание диссертация и перечислены основные положения, защищаемые автором.

В первой главе сформулирована постановка задачи. В данной главе рассматриваются некоторые модели, предложенные для описания образования быстрых протонов назад, такие как: модель однократного рассеяния, модель прямого выбивания

нуклона, модель коррелированных кластеров, механизм кратных взаимодействий, каскадный механизм и модель фазового пространства.

При рассмотрении моделей надо иметь ввиду, что механизм образования кумулятивных протонов можеть быть различным для высоких и промежуточных энергий. Это следует хотя бы из того, что сечения образования протона с одной и той же энергией для промежуточных энергий на два-три порядке меньше, чем для высоких.

Глава 2 посвящена исследованию поляризационных эффектов при образовании быстрых протонов при промежуточных энергиях. Даётся краткий обзор экспериментов на пучках поляризованных протонов. Она также содержит описание экспериментальной установки для измерения анализирующей способности. На ней измерена анализирующая способность (Ау) реакции & ^ +С ~~^ Р + X при энергии 0.6 -г 2.1 ГэВ/нуклон.

В третьей главе приводится описание каскадной модели ядро-ядерных взаимодействий. Показано, что протонный пучок с произвольной поляризацией Р можно рассматривать как состоящий из полностью поляризованной части и неполяризован-ной части, смешанных в отношении Р/(1 — Р). В модель включены внутриядерные кластерные структуры и их взаимодействие с пучком.

В четвертой главе изучаются корреляционные спектры двух частиц и соот-ветсвующая им анализирующая способность реакций рС—>ррХ, рС—т-рс1Х. Одна из частиц - протон, регистрируется под углами 70, 84, 98 градуса с энергией более 40 МэВ, другая - протон или дейтон, под углами 24.5 или 30 градусов с противоположной стороны пучка. В этой же главе также описан метод измерения и экспериментальная установка.

Эксперимент, выполнен на пучке поляризованных 500 МэВ протонов циклотрона ТШиМЕ (Канада) и является продолжением эксперимента, рассмотренного в главе 2.

В пятой главе исследована влияние механизмов фермиевского движения и перерассеяния на величину цветовой прозрачности Т = ал/(Аам), наблюдаемой в Е834 - эксперименте в Брукхайвене. Проведены расчеты сечения квазиупругого процесса р + А —> рр + X при всгп ~ 90° в рамках каскадной модели адрон-ядерных столкновений. Изучена зависимость отношения Т от импульса налетающего протона рь-Полученные результаты для Т сравниваются с экспериментальными данными. Найдена сильная зависимость величины Т от углового аксептанса 5.

Глава 6 посвящена изучению влияния многозарядных фрагментов ядра-снаряда на рождение малоэнергетичных заряженных пионов под малыми углами в СС-, СТаи Ср- соударениях при 4.2 А ГэВ/с в условиях регистрации заряженных частиц в 47г- геометрии.

В заключении сформулированы основные выводы диссертации.

Глава 1

Рождение релятивистских протонов на ядрах на большие углы

1.1 Постановка задачи.

В неупругих рА реакциях образуются высокоэнергичные протоны в задней полусфере, кинематически запрещенной для рассеяния налетающего протона на свободных нуклонах.

Первыми указаниями на вышеупоминутые проблемы в процессах взаимодействия адронов с ядрами стали результаты по упругому рс/-рассеянию протонов с энергией 660 МэВ [1] и квазиупругому выбиванию дейтронов из легких ядер на пучке протонов 675 МэВ [2], проведённые группами Лексина и Мещерякова в 1956 году в Дубне. Эти результаты послужили основой для гипотезы о существовании в ядрах флуктуаций плотности ядерного вещества, сформулированной Д. И. Блохинцевым [3] в 1957 году.

Новый этап в изучении рассматриваемой проблемы начался с предсказания

А. М. Балдиным [4] и экспериментального обнаружения группой В. С. Ставин-ского [5] так называемого кумулятивного эффекта, т.е. частиц, рождение которых запрещено законами сохранения в столкновениях свободных нуклонов.

Было сделано большое количество инклюзивных измерении в диапазоне энергии пучка протонов от 200 МэВ до 400 ГэВ [6, 36, 22, 15, 7, 8, 9, 10, 11] и несколько экспериментов с измерением корреляций выхода двух протонов при энергиях 300-800 МэВ [12, 43, 46, 13].

В 1975 году Френкель и др. измеряли протоны с высокими энергиями (до 400 МэВ при 180° при энергии пучка протонов 600 и 800 МэВ ) [14]. С тех пор было предложено несколько моделей для объяснения экспериментальных данных. Несмотря на большие усилия, эта проблема не решена полностью. В экспериментальных работах [15] показано, что сечение образования быстрых протонов назад (БПН) при взаимодействии частицы а с ядром А в реакции

а + А = р + X

экспоненциально падает с ростом импульса р. При энергии пучка больше 1 ГэВ сечение слабо зависит от массового числа мишени А, также, как от типа и энергии налетающей частицы а.

На рис. 1.1 -т- 1.3 показаны графики зависимости дифференциального сечения cfta/dp3, = Вхехр(—ахр2/2тх) от р2/тх для образования частиц x=p,d и t в задней полусфере.

d<j/<i3p cm2[(GeV/c)3 ster mic!]"1

p2/2m (MeV)

Рис. 1.1: Дифференциальное сечение для образования протонов при 180°.

Прямая линия показывает описание данных функцией (¿3а/ф3 = Вхехр(—ахр2/2тх). Надо подчеркнуть, что добавление полиномиальных членов типа

Вхрпехр(—ахр2/2тх) с п = ±1 не улучшает х2- ах слабо чувствительна к п, отличие при п = ±1 в ах меньше, чем 10 4-15% . Из этих графиков можно сделать следующие заключения:

• Дифференциальное сечение падает экспоненциально с р2 и хорошо описывается формой Вхрпехр(—ахр2/2тх).

• Величина ах слабо зависит от атомного номера А.

• Имеется большое различие параметра аГ1 для и

• Дифференциальное сечение возрастает с А, причем а пропорционально Ап,п > 1.

• А-зависимость тем больше, чем больше величина д2- инвариантный переданный импульс.

• А-зависимость более заметна для дейтронов, чем для протонов; Для тритона больше, чем для дейтрона.

В следующих разделах рассматриваются некоторые модели, предложенные для описания явления БПН.

73 IE—28 3

я

800 MeV • Ag

* Та

ъ 1E~30 о

dPt

Be С

1E-33

100

200

300

p2/2md (MeV)

Рис. 1.2: Дифференциальное сечение для образования дейтрона при 180°.

1.2 Модели эмиссии быстрых протонов на большие углы.

1.2.1 Модель Амадо - Волошина.

Простейший прямой процесс - это однократное рассеяние. Его механизм, предложенный Амадо и Волошиным [16], описывается ниже.

Однократное рассеяние требует, чтобы виртуальный протон-мишень до столкновения двигался в заднем направлении с высоким импульсом. Быстрое падение выхода протонов с высокой энергией, наблюдённое Франкелем и др., с этой точки зрения, есть прямое обнаружение быстро падающего распределения импульса в ядрах. Амадо и Волошин вводят параметризацию этого распределения, и используют механизм однократного рассеяния. Параметры распределения импульса получены из данных по квазиупругому рассеянию электро