Электророждение кумулятивных протонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МБ од

\ ;и011 вЭЙкнСКИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

АМАРЯН МОСКОВ ДКАМАЛОВИЧ

ЭЛЕКТРОРОВДЕНИЕ КУМУЛЯТИВНЫХ ПРОТОНОВ

Специальность: 01.04.16 - Физика атомного ядра и

элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ <диссертации на соискание учевдй степени кандидата физико-математических наук

ЕРЕВАН-1993 г.

Работа выполнена в Ереванском физическом институте

t - * î >j . 1

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

ЕГИЯН К.Ш.

■ •"•,"' .ai

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

ЛЕКСИН Г.А. (ИТЭФ) кандидат физико-математических наук ГЕВОРКЯН O.P. (ЕрФИ)

Î. • Vi-r 1

Ведущая организация: Ереванский Государственный Университет

Защита состоится " ¿7*" 1993 г. в

"IV" часов на заседании специализированного совета Д 034.03.01 при Ереванском физическом институте (375036, г. Ереван, ул. Братьев Алиханянов, д. 2).

С диссертацией , можно ознакомиться в ,• библиотеке Ереванского физического института.

Автореферат разослан " 2 С " Ct ¡л^&АЯ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат физико-математических наук

В.А. Шахбазян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена экспериментальному исследованию короткодействующих нуклонных корреляций в ядрах в процессе электророждения кумулятивных протонов.

Актуальность работы. В последние два десятилетия не ослабевает интерес к исследованиям процессов образования частиц на ядрах в кинематической области, запрещенной (КЗО) для рассеяния на свободном нуклоне. Обширный экспериментальный материал, накопленный в пучках различных первичных частиц, подтвердил гипотезу кумулятивного эффекта /I/ и позволил выявить общие закономерности образования частиц в КЗО, объединенные под названием ядерного скейлинга /2/.

Одновременно с этим полученные данные стали ярким свидетельством проявления нетривиальной структуры ядер и недостаточности описания их в терминах самосогласованного среднего поля Хартри - Фока с одночастичными волновыми функциями нуклонов. По мере накопления экспериментальных данных стали развиваться многочисленные теоретические модели, выдвигаемые для их описания /3,4,5/. В настоящее время стало общепризнанным, что для объяснения всей совокупности экспериментальных данных по кумулятивному рождению необходимо привлечение новых объектов (корреляций, кварковых ' мешков, флуктонов и т.д.), со своими квантовомеханическими свойствами. Особый импульс развитию идей о нетривиальной структуре ядер придало открытие ЕМС-эффекта /8/.

Значительные усилия в последние два десятилетия были приложены к изучению структуры коррел1троваш1ых нуклонных состояний в ядрах в реакциях типа (е,ер) на мэлоэнергичных электронных пучках sacley /7,8,9/, bates /10/, nikhkf /II/, проведенных в основном в квазиупругой кинематике.

Идеальным способом выделения сильнокоррелированных внутриядерных состояний, объединяющим в себе как преимущества кумулятивного метода, так и совпадательных реакций электророждения вышеуказанного типа является исследование реакции <е,ер) с регистрацией кумулятивного протона.

з

Цель работы. Основная цель настоящей работы заключается в следующем:

1. Измерение энергетических спектров электронов с

первичной энергией 1.94 ГэВ, рассеянных под угол &е = 15 ± 2° в

совпадении с протонами - вылетающими под углами в диапазоне © = п п

66 + 140 в энергетическом интервале Тр = 82.5 н- 200 МзВ в реакции е ч 12С •» е' + р + X.

2. Измерение энергетических спектров кумулятивных протонов при фиксированных значениях переданной энергии к и четырехимпульса о2 и сравнение их характеристик с аналогичными, полученными как на пучке реальных фотонов, так и на пучках адронов и нейтрино высоких энергий.

3. Для достижения поставленной цели создать экспериментальную установку, в том числе магнитный спектрометр для регистрации электронов и пробежный спектрометр для регистрации протонов.

4. Провести анализ полученных данных с точки зрения наиболее популярных теоретических моделей, претендующих на объяснение образования частиц в КЗО.

Научная новизна работы. Впервые проведены измерения образования кумулятивных частиц в реакции электророждения.. Впервые изучены изменения спектров рассеянных электронов в зависимости от степени к.умулятивности протонов совпадения. Впервые исследовано поведение энергетических спектров кумулятивных протонов при фиксированных значениях V и а2.

Проведено сравнение полученных данных с расчетами по моделям: ферми-движения, промежуточных реакций захвата и дм ч NN. прямого и спектаторного' механизма малонуклонных корреляций.

Практическая ценность работы. Созданная экспериментальная установка "ДЕиТРОН-2" служит базой для проведения долгосрочной программы по изучению реакций типа е + л-* е"+пр+х, где п>1.

Измеренные дифференциальные сечения могут:

быть использованы для оценки выходов реакций при проведении экспериментов злетророждения с регистрацией протона отдачи, как в кумулятивной, так и в квазиупругой области

включены в общий банк данных и использованы при анализе

гэг-ультзтоз как традиционного направления исследования (е.е'р) I озкщм просо штаге на электронных ускорителях, так и г^мулятжиого рохжэпкя частиц на я,прах.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались на Всесоюзных рабочих совещаниях по прэдэлыюй фрагментации ядер (Москва, ИТЭФ - 1987, Ереван, ЕрФИ - 1389), на ежегодных конференциях в снв.лр (США) - 1986 - 1990, на .чо»адуп"родщ!1 х конференциях в COA (panic - 1990), (Бпг1сп'з-32) па научных семинарах в ОИЯИ, ИТЭФ, Университете Вирдаиния (США), Еря!.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы. Она изложена на 113 страницах машинописного текста, включая 43 рисунка, 6 таблиц и 75 наименований цитируемой литературы.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 9 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РА60ТЫ

Во введении обосновывается актуальность экспериментального исследования электророждения кумулятивных частиц, делается краткий обзор экспериментальной и теоретической ситуации по кумулятивному рождению. Обосновывается эффективность исследования энергетических спектров рассеянных электронов в совпадении с протонами отдачи, а также энергетических спектров кумулятивных протонов при фиксированных значениях v и Q2.

Глава I. посвящена анализу сложившегося традиционного подхода к экспериментальному и теоретическому исследованию реакции'(е,ер) на ядрах. Подчеркнута важность изучения реакции

е + А^е' + р + (А-1) (I)

с регистрацией (ер) в совпадение для исследования одной изцентральных проблем современной ядерной физики - выявление характеристик взаимодействия и свойства сильносвязанных внутриядерных нуклонов. Показано, что пользуясь представлением pwia когда сечение реакции (I) может быть представлено в

фзкторизовакпс:,; виде

С2С- / ¿3Р . <!3Р = к С ., б;р , е ) (2)

С р е1, с п

можно изучать как се,т - элементарное сечение взаимодействия с связаннык нуклоном, так и е(рп, е^) - спектральную функтпа ядра, описывающую вероятность найти в ядре нуклон с импульсом р и энергией е„.

В традиционном подходе /12/ кинематика изучения реакции (I) выбиралась "правильной", т.е. протон в (е',р) совпадении является частицей отделения и имеет импульс и энергию в точном соответствии с законами сохранения для двухчастичного столкновения.

Однако здесь имеются два важных ограничения: - Поскольку предполагается, что регистрируемый протон является частицей отдачи, то недостающую энергию Еи = Ее - -т г.о:-:а-;о определить лишь до значения массы п - мезона. При е^ > с ест уверенности, что вместо недостающей энергии не родилась новая частила (п - мезон) . Для исключения последнего требуется детектировать и идентифицировать ядро-остаток А-1, что является весьма трудной задачей при больших А. Менаду тем, во-первых, именно при больших А можно говорить о ядерной (сформированной) срздс г с ее влиянии на свойства нуклонов и, во-вторых, пз;,;енеш>з характеристик нуклонов становится, по-видимому, нашолез чувствительным именно при больших Еп > -Второе ограничение заключается в том, что при "правильной" кинематике свойства сильносвязанных нуклонов можно исследовать только в канале реакции (4), т.е. в канале квазиупругого рассеяния электрона на сильносвязанном нуклоне. Остальные (неупругие) каналы для этой цели трудно использовать (нужно существенно осложнить эксперимент•с регистрацией больше одного адрона в конечном состоянии).

Далее показано, что перечисленные трудности можно преодолеть, используя другой (альтернативный) метод исследования характеристик сильносвязанных нуклонов. Это метод регистрации нуклонов с импульсом большим, чем граничный ферми-импульс» например, когда Рр ^ 0.4 ГэВ/с. в кинематически запрещенной области.

Проведен обзор и сделан анализ имеющихся данных по образованию таких (кумулятивных) частиц вообще и кумулятивных

о

го лсследованиз 1гл сготтгтзо.ч выделения ;h:;líi:h ядра. Показано, тьигиг: внутриядерных

оно,

:ол

Г'*

оолонуклонные корреляции. . :н установка "Дейтрон-2" и

уделено

гарзгстэрзкгпвс :-;ту~я>С2ях фонов',п-: и реальных со5ыт:п

Магнитны:! поеннагзпачзн д

лгтгг/гг!

:отр

•:::ггсоттг.:'"..'.":оя системы тракта Г.:-о во некого синхротрона, оологовлнля энергетических и '«юз /13/. Особое внимание .ллттора - однея из важнейших :;с:ггеле:1 определяющее отложение :впадатсльных экспериментах. установки "Дейтрон-2" /14/

система

">ТГГ *

лзлептоз ::о::тоо::зтрз Pin. inri

регистрации рассеянных электронов. Описаны 'омовения '.^пульса на басе отлоняю^его магнита СП-57 л шогопрсволочных пропорциональных камер составляющих 7 t по нтгровлеп::::) частиц. Пртподзны результаты

режО'СиИИ . счетчика с злении 'л . 'сэндвич",

свинцовыми

; тэт СО*'""1" ■:.: счетчиков "■нов методе:: \;оге.

:::и пролета г: целить птэ: от ло::::;::л

ccojoo внимание удолоно огосэнаэ систолл /15/, состояло/-: из газового порогового черенково:; Лрзсаогигл наполненном при атмосферном сг.люгнлляцмошю-свпщозого ливновзго детектора т состоя рл из .юсяти ецгашшлтороз, прослсо:::: плитз: л тол^инол 5:о.;.

I горое плечо установки "Доятрон-2" иг?-.:, прс^еглыи спектрометр на основа 7-:r: ещагг;:л::.т::с /II/. Описана процедура идантнфшеацни протонов ч измерения ионизационных потерь при фитссировптпг: í Ззкяэчвгеяьныа параграф главы 2 noca:::;л событии (ер) совпадения. Методом пзмэрепнл о;: менду элзктронншя и протонным плечом удается чотп истинных совпадений и оценить уровень :'..лл совпадение.

Глава Е диссертаций тс;;: иг^д.ггсшунпо

зкспоримвт-ашш:. данных по г ¡;:жтроро,доцк.1 ^кулотншшх. протонов на ялрс углерода в слздукшш. ыа.е;датическт1х условиях: при начально!, энергии электронов Ео=1.94 ГоВ, сродаек угле рассеяния = 15°, кинетической энергии протонов

Тр= (80-200) 1.;эВ, угле вылета протонов относительно оси пучка в--интервале о > = (66°-140°).

На р;:с.1 приведен спектр рассеянных электронов в совпадении с протонами вылетающими в квазиупругой кинематике

рис.1

<о > = 66° (жирная кривая, данные уменьшены в 100 раз) и протонами вылетающими в заднюю -полусферу &ер = 112-148 (открытые квадрата). Для сравнения на том же рисунке приведен спектр инклюзивного (е,е*) рассеяния (точечная кривая, данные уменьшены в 1000 раз), померенные на той же установке. Как видно, спектр электронов существенно изменился при переходе в кумулятивную область (задняя полусфера).

На рис.2 приведено отношение спектров электронов с протоном в кумулятивной области к спектру протонов в квазиупругой области. Уже простое сравнение, как видно, показывает что доля протонов от квазиупругой области, попавших

в

].;г:т;;' принтам в кинематически к'.прошенную область ^т;1ся пз уровне нескольких процентов, в то время как эвпгг чгсть 1-умулятившх протонов образуется вне области шуппугпго рассеяния.

; I I 1 1 * I X * I

- т

_ I

1.3 \Л 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

Ее'[СеУ]

рис.2

Наряду со спектрами рассеянных электронов в совпадении с тонами во всем их аксептансе, подучены и анализируются 'ргетические спектры протонов под разными углами в совпадении 1лектронами во всем их угловом и импульсном диапазоне.

Кроме этого удалось посмотреть как ведет себя параметр лона То экспоненциального представления инвариантных сечений энергии виртуального фотона. На рис.3 приведена зависимость от при угле вылета протонов 140°. Как видно, начиная с >ргии примерно 400 МэВ его значение выходит на константу и шадает с аналогичными мировыми, полученными в пучках разных :тиц и не меняющимся при начальных энергиях в сотни ГэВ (один постулатов ядерного скейлинга). В данном случае интерес швает весьма ранний по сравнению с адронэми выход на плато.

10Ь

со

со

40

20

То с.:-^)

1?* 140"

л " V ** » 1 »

200 400 СОО

У(н'ЬУ) рис.

гоо

:-:сггз

тгг

Исследование зависимости То от о" в диапазоне указывает на тенденцию слабого наклона с ростом перо данного четырохшп/дьса.

В главе 4 проводится обсушющ.о результатов и проводится их сразпон::з полученными на основе некоторых, на:.;.'!'.:: теоретических модзлея, основанных на учето: промежуточных роакцма «а захвата -л -> ; спектаторного ;.;о>:ан:13.ма г.глокугслопных корраля:;-..:

Сравнении расч&тов по модели учзгз показало, что теоретически.! расчет на четыре экспериментально измеренного :: роз::з спал--»' квазиупругого гглка. •

На риз..: приведены экспериментальные рассеянны:: злшсгроюз в совпадении с прстсна:,;:: цуч Кривые: I - м." :.::); - (дм парной корре ляшл; - спектлторнь;:; 5 - сумма умззаас::;: процессов,

Аналогичное сравнение проведено В обоих ./чзя.; подгЕзрлхгзтся : малонукло• горгиллиид (.\Ж) /17.' кумулятав;;..;.: протонов.

мзмеро'Ши.л па.,::, роста павзметр?.

.зптзльны:; ".'.ч^'л/.рл:;:

..:)•. 3 - г:р:;.. пеоне::

1

ю

'г ? 77

íic'ÍGoVl

p:ic. 4

2 7.. с, для более корректного сравпзп :п полученных данных с »дск&запганж расчетов по ннк ir. есого набора данных были збраны соответствующие рассеяния па парной корреляции и же депо сравнение с теорзтическш.-д: кривыми. Показано что в ж случае согласие с экспериментом улучшается.

/чилпзируются ТЭКЖ8 СШКТрЫ протонов до и после отбора по 'юг.-атике парной корреляции, что позволяет привлечь их в 'ЮСТкО дополнительной шфорт'.ацин при обсуждении вклада ханизмз МНК в различных кинематических областях.

В приложен™ приводятся таблицы измеренных ффоренциалышх сечений при углах »ер = 66°, 90°, 120 , 140 я всего интервала энергетического захвата пробежного тектора, а таже пяти отдельных, более точных значений энергии стонов. Отдельной таблицей приводятся значения сечений при ■лах протонов 120° и 140° после отбора по кинематике парной рреляции.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты [ссертационнса работы: I. Создана экспериментальная установка "ДЕйТРОН-2",

позволяющая проводить как инклюзивные так и корреляционные измерения в реакциях фото- и электророждения частиц на ядрах.

2. Впервые выполнена серия' / исследований по электрофрагментации ядер в кумулятивные протоны. При первичной энергии электронов Ее = 1.84 ГэВ:

- изучены энергетические спектры электронов, рассеянных под углом 15° на ядре при триггере от протонов совпадения с энергией (85-200) МэВ и при трех углах регистрации &0р = 66°, 120°, 140°. Показано, что происходит существенное изменение спектров в зависимости от степени кумулятивности (от изменения угла) протонов

- исследованы энергетические спектры протонов под углом 120° и 140° при триггере от. рассеянных под углом 15 ± 2° электронов при различных значениях переданной энергии f. При угле ö = 140° начиная с v > 350 Мэв параметры наклонов TQ выходят на плато, приближаясь к аналогичным, полученным при инклюзивном фото и - адронорождении кумулятивных протонов.

3. Разработан пакет программ для:

расчета характеристик магнитного и пробежного спектрометров

- съема и обработки экспериментальных данных по реакции (е,е*р) на ядрах.

4. Созданы программы и проведены расчеты сечений реакции

то

С(е,ер) согласно моделям:

- Ферми движения

- п "d" захвата

- образования КП через рассеяние промежуточных д -резонансов (ды -> nn) nn)

- малонуклонных корреляций

5. Показано, что спектры электронов совпадения с протонами,

вылетающими под угол ■£> = 120° и £> = 140° достаточно

ир ор

хорошо описываются, расчетами по модели малонуклонных корреляций. При угле &0р = 120° при v в области д -рождения наблюдается превышение экспериментальных данных над суммой расчетов по всем моделям. В области "dip"-a

данные при ®Qt) = 120° совпадают с предсказаниями МНК. При угле $Qp = I4Û0 согласие'теории с экспериментом лучше. При этом по моделям ^"d" захвата и дн -» мп удается объяснить лишь ~ 20% процентов экспериментальных данных. Расчеты по модели ферми движения на четыре порядка меньше экспериментальных данных.

Отбор событий по кинематике образования КП через рассеяние на сильнокоррелированной паре внутриядерных нуклонов улучшило согласие экспериментальных данных по спектрам электронов с расчетами по МНК. . Отбор событий по кинематике пары показал, что параметры наклонов энергетических спектров протонов при = 120° в

П Г

области "dip"-a и данных при = 140 одинаковы, что

ер

подтверждает справедливость образования КП по модели МНК.

Основное содержание диссертачии отражено в следующих ¡нациях:

1. Лланакян К.В., Амарян М.Дж, Демирчян P.A. и др.

Газовый пороговый черенковския счетчик установки "ДЕйТРОН-2". - Препринт ЕФИ - 1034(84) - 87, Ереван 1987.

2. Аланакян К.В., Амарян М.Дж, Асрян Г.А. и др. Характеристики электронного пучка, выведенного в зал малого фона ЕрФИ на установку "ДЕйТРОН-2". Препринт ЕФИ - 1035(85) - 87, Ереван IS87. н 1987.

3. Ajvazyan R.V., Alanaliyan K.V., Amaryan M.J. et al. t'aßnetic Spectro^ne ter of the "DEUTEROH-2" Set-Up. -Preprint YERPHI - 1155(32) - 09, Yerevan 1989.

4. Alanakyan К.У., Лиагуап M. J., Asryan G.A. et al. Integral Ranne Spectrometer of the "I)EUTEROH-2" Set -Up. - Preprint YERPHI - 1154(31) - 89. ) - 89, Yerevan 1909.

5. ibarynn I1.J., Demirchyan R.A., Erjiyan K.Sh. et al. The "DEUTERON-2" Set -Up for Investigation of Electrcnucleor Reactions. - Preprint YERPHI - 1195(72) - 09, Yerevan' 1909.

6. Alanakyan K.V., Amaryrm M.J., Asryan G.A. et al. rr/e Rejection System of the "DEUTERON-2" Set - Up. -

Preprint. YKUPIII - nb,".(3C» - H!), Yerevan 1909. n 1989.

7. Alanakyan K.V., Amaryan M. J-, Aoryan G.A. ot al. '0 (e,e'p) Reaction on 'C'. with Backward Protono. Preprint Yi'JîPIlI - 1303(00) - 90, Yerevan 1990. n 1990.

8. Alanakyan K.V., Amaryan M.J., Aoryan Ci.A. et i Spectra ol' Cumulative Protons in e + C -> is' + p + Reaction. - Preprint YKRPHI - I3bl{4t>) - 91, Yerev; 1991.

9. Amaryan M.J., Aoryan G.A., Demirchyan R.A. et î Study of Short—Range Correlations in 'nght Nuclei Processes of Electron Scattering in Coincidence wi Backward Nucléons and A-Ioobars. - Preprint YERPH1 1108(71) - 88, Yerevan 1988.

ЛИТЕРАТУРА

1. Балдип A.M., Герасимов С.Б., Гиорденеску Н. и дз Кумулятивное г.езонообразование. - ЯФ, 1973 т. 18, вып. I, ст] 79 - 85.

2. Баюков Ю.Д., Воробьев Л.С., Лексин Г.А. и др. Эффект масштабной инвариантности при обратном рассеянии протонов энергией несколько ГэВ ядрами. - ЯФ, 1973, т. 18, вып.6, ст{ 1246 - 1250.

3. Балдин A.M., Ставипский B.C. Предельная фрагментащ ядер (кумулятивный эффект). Труды v международного семинара i проблемам физики высоких энергий, стр. 361 - 373, Дубна 1978.

4. Frankfurt. L_, Strikmort М. Hard Nuclear Ргосоязсз ai Microscopic ¡¡uclear Structure. - Fh'/s. Rep. 160, Hos.53c6, 193 p. 235 - 427.

5. Ефремов А.В. Кварк - партонная картина кумулятивногс рождения. ЭЧАЯ, т.13, вып. 3, 1982, стр. 613 - 634.

6. Aubert J.J., Bauaompierre G-, Beciio К.И. et al. The ratio of nucleon structure functions F„ for iron ai deuterium. - Phys. I,ett., 1303, v.123B, p.275 - 278.

7. Buo3iere A., -Mougey Л., Phan Xuan Ho et al. Quasi -Free Electron Scattering on "^C and ^Ca. - Lett. Nuot

Cimento, 1971, v.2, Ы.22, p. 1149 - 1153. - 1153.

8. Mougey J. (e,e'p) Reactions Present Status and Future Trends. - Nucl. Fhys., 1981, v. A358, p.293 - 306.

9. Jans E., Bernheim M_, Brüssel H-X. et al. The Quasi -Free ^He(e.e'p) Reaction. - Hisel- Phys., 1987, v. A475, p. 687 - 719.

10. Lourie R.W., Bagahei H., Bertozzi W. et al. Reaction

12

C(e,e*p) in the dip region. - Fhys. liev. Lett, 1986, v. 56, U. 22, p. 2364 - 2367.

11. Do Witt Hubertrs P. Proton Spectral Functions and Momentun Distributions in Nuclei from High - Resolution (e.e'p) experiments. - • J- Phys. G : Nuçl. Part. Phys., 1990, v. 16, p. 507 - 544.

12. Campos Venuti G., Cortelessa G., Farchi G. et aL

40

Proton Angular Distribution fron the Ca(e,e'p) Reaction. — HucL Fhys., 1373, v. Л205, p. 628 - 640.

13. Аланакян K.B., Амарян !,!.№, Асрян Г.А. и др. Характеристики электронного пучка, выведенного в зал малого фона ЕрФИ на установку "ДЕЙТРОН-2". Препринт ЕФИ - 1035(85) -87, Ереван 1887.

14. Aövazyan R.V., Alanalryan K.V., Ainaryan M.J. et al. Magnetic Spec trcine ter of the "BÏÏUTER0H-2" Set-Up. - Preprint YERPHI - 1155(32) - 89, Yerevan 1ЯВ9.

15. Alanabyan K.V., Лаагуап M.J., Asryan G.A. a t. al. n/n Rejection System of the "DEUTER0Ü-2" Set - Up. - Preprint YERPHI - 1153(30) - 89, Yerevan 1S89.

16. Аланакян K.B., Амарян М.Дч, Демирчян P.A. и др. Газовый пороговый черенковский счетчик установки "ДЕиТРОН-2". -Препринт ЕФИ - 1034(84) - 87, Ереван 1987.;

17. Frankfurt h.h-, Strilrrvîn Ü.I. Hinh ~ епегяу ptinnoinona, short - rarsße. nuclear structure c.tid CCD. - Phys. Ropcrt.n, l<)81, v.7G, p.215 - 317. ' '' ' . ...