Исследование образования гиперядер в реакции обмена странностью с медленными каонами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Андроненков Алексей Николаевич

Исследование образования гиперядер в реакции обмена странностью с медленными каонами

01.04.16 - Физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 [<!ПЧ 2011

Санкт-Петербург 2011

4850235

Работа выполнена на кафедре ственного университета

ядерной

физики Санкт-Петербургского государ-

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Краснов Леонид Васильевич

доктор физико-математических наук, Дьяченко Александр Трофимович, Петербургский государственный университет путей сообщения, Санкт-Петербург

кандидат физико-математических наук, Феофилов Григорий Александрович, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург

Ведущая организация:

ФГУП НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина»

Защита состоится «30» июня 2011 г. в 11:00 на заседании диссертационного Совета Д 212.232.16 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9, циклотронная лаборатория, ауд. 302.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СПбГУ.

Автореферат разослан » <М<М 2011 г.

Ученый секретарь п, . диссертационного Совета __Власников А.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В течение последних десятилетий изучение образования и распадов Л -гиперядер стало предметом весьма интенсивных экспериментальных и теоретических исследований. Эти ядра являются практически единственными представителями ядер, содержащих барионы, отличные от нуклонов, и которые могут быть образованы в количествах, позволяющих проводить исследование их спектроскопических характеристик, а также получить сведения о поведении Л -частицы в ядерной среде. Обнаружение существования связанных состояний странных барионов с нуклонами позволило расширить наши знания о сильном взаимодействии, первоначально интерпретируемом лишь как нуююн-нуклонное взаимодействие, в область нового класса взаимодействий странных адронов с нуклонной материей. С этой точки зрения, можно говорить о проявлениях в ядрах ненуклонных степеней свободы, связанных с дополнительным квантовым числом - странностью, которые невозможно описать, оставаясь в рамках традиционных моделей ядерных сил. Исследование гиперон-нуклонных и гиперон-гиперонных взаимодействий представляется одной из важнейших задач для построения фундаментальной картины взаимодействия адронов. Однако на возможность подобных исследований оказывают сильное влияние времена жизни гиперонов (~Ю-10 сек), которые слишком малы, чтобы получить вторичный пучок достаточной интенсивности. Для преодоления указанной трудности наиболее разумным представляется отыскание способа образовать гиперон непосредственно внутри ядра. В этом случае изучение гиперон-нуклонных и гиперон-гиперонных взаимодействий сводится к исследованию характеристик полученной гиперядерной системы. Кроме того, анализ связанных состояний гиперонов с нуклонами, позволяет исследовать структуру обычных ядер. При этом А -гиперон, например, может использоваться как пробная частица для получения информации о распределении нуклонов в ядрах. Большой интерес представляет и изучение распадов связанных систем странных барионов с нуклонами, дающее сведения о структуре гиперядер. Теоретические модели, применяемые для построения потенциала гиперон-нуклонного взаимодействия, как правило, не дают адекватного описания структуры гиперядерных систем. Поэтому этот потенциал подбирают феноменологически, подгоняя в расчетах положения уровней гиперядра и вероятности их распадов к экспериментальным значениям. Особый интерес представляет изучение слабых распадов гиперядер, являющееся связующим звеном между физикой гиперядер и актуальными проблемами слабых взаимодействий в физике элементарных частиц. Как известно, слабый мезонный распад гиперядра за-

прещен принципом Паули, за исключением самых лёгких гиперядер. В более тяжелых гиперядерных системах реализуется слабый безмезонный распад, дающий сведения о четырёх фермионом барион-барионном взаимодействии с изменением странности. Следует отметить, что исследования гиперядер и постановка экспериментов весьма сложны, что приводит к достаточно ограниченному количеству имеющегося экспериментального материала. Поэтому приведенные в диссертации результаты анализа экспериментальных данных, полученных на установке для изучения процессов образования и распада гиперядер (спектрометр Р1МЛ)А), могут существенно пополнить наши сведения о странных гиперядерных системах. Цель работы

Основной целью работы являлось исследование А -гиперядер в реакции обмена странностью (К~,ор,п~) с медленными каонами: изучение спектров возбуждения образующихся гиперядерных систем, их слабых мезонных и безмезонных распадов с выделением вкладов отдельных каналов, поиск нейтронно-избыточных Л -гиперядер. Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в качественно новом применении реакции (К~/ор,уГ) для изучения процессов образования и распада гиперядерных

систем. Используемая экспериментальная методика позволила достичь существенного выхода гиперядер в реакции обмена странностью с медленными каонами и проводить измерения с высоким энергетическим разрешением, что является следствием использования очень тонких мишеней и высокой монохроматичности пучка низкоэнергетических каонов. При этом применялся широкий спектр доступных в данное время современных экспериментальных средств. В частности, впервые в физике гиперядер для регистрации частиц-продуктов образования и распада гиперядер были применены прецизионные кремниевые микростриповые детекторы. В рамках одного эксперимента был проведён комплексный анализ экспериментальных данных, позволивший вести одновременные исследования функций возбуждения Л -гиперядер, их слабых мезонных и безмезонных распадов, поиск нейтронно-избыточных Л-гиперядер, а также изучение связанных систем К~ -мезонов с нуклонами. Среди новых результатов, полученных в диссертации, следует отметить: 1. Разработана методика временной синхронизации системы сиинтиллящюнных детекторов, основанная на регистрации синхронно испущенных е+е~ и К+К~ -пар в цилиндрическом спектрометре БЖиОА.

п

2. Впервые для регистрации пионов из слабых мезонных распадов гиперядер АЫ, д Ве, д1 В и > использован метод реконструкции траекторий заряженных частиц в магнитном поле сверхпроводящего соленоида.

3. Для гиперядер дП, д Ве и дТУ экспериментальным путем определены отношения ширины распада по мезонному каналу Л —> рк~ к ширине распада свободного Л -гиперона.

4. Экспериментально определено значение спина и чётности основного состояния гиперядра д N.

5. Минимальная зарегистрированная энергия протонов из безмезонных распадов Л -гиперядер впервые достигла 15 МэВ.

6. Впервые изучен слабый безмезонный распад гиперядра д Ы.

7. Для гиперядер из р -оболочки впервые определено отношение ширин безмезонных распадов с испусканием трёх нуклонов и с испусканием нейтрон-протонной пары.

Научная и практическая значимость работы

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для построения теоретических моделей, описывающих гиперон-нуклонные и гиперон-ядерные взаимодействия, а также при изучении слабых взаимодействий. Изучение функций возбуждения гиперядер представляет интерес как уточнение и подтверждение свойств различных гиперядерных систем. Исследованные в диссертации явления, происходящие с Л -гипероном в ядре (мезонные распады, безмезонные распады, безмезонные распады с выделением отдельных каналов), могут служить в качестве основы для будущего построения теоретического описания процессов распространения Л -гиперонов в ядерном веществе. Примененные в работе экспериментальные методики регистрации частиц и алгоритмы анализа данных могут быть использованы при постановке новых экспериментов как в области физики гиперядер, так и в области физики элементарных частиц. Положения, выносимые на защиту

1. Разработана и применена эффективная методика временной синхронизации системы сцинтилляционных детекторов, используемых в эксперименте БШЩ)А для временных измерений.

2. Исследованы спектры возбуждения гиперядер дС и дО.

3. Определены энергии связи основных и возбуждённых состояний гиперядер ЛС ИлО.

4. Проведён анализ данных по слабым мезонным распадам Л рк гиперядер iLi, iBe, и 1¿N.

5. Для гиперядер дLi, дBe, дВ и дN вычислены отношения ширин распада по мезонному каналу Л -» рк~ к ширине распада свободного Л -гиперона Г . /ГЛ.

6. Дня основных состояний гиперядер дLi, д#е и дД подтверждены значения спина и чётности Jn =1/2+, 1/2+ и 5/2+, соответственно. Для гиперядра дЛ' спин и чётность основного состояния определена впервые: J71 = 3/2+.

7. Проведён анализ данных по слабым безмезонным распадам Ар —> пр гиперядер дНе, nKLi и дС. При этом спектр протонов из распада дLi был изучен впервые. Минимальная зарегистрированная энергия протонов для указанных гиперядер также впервые достигла значения Ер =15 МэВ.

8. Для гиперядер д Не, дLi и дС получена оценка отношения числа протонов из распада Ар -> пр к общему числу образованных гиперядер д Z.

9. Для гиперядер дНе, nKLi, ^Ве, д1 В, дС, дС, дN и дО исследовано влияние на спектр протонов из безмезонных распадов взаимодействий в конечном состоянии (FSI эффект). Получена линейная зависимость эффекта FSI от массового числа А гиперядер.

10. Для тех же гиперядер впервые получена оценка отношения ширины распада по трёхчастичному каналу ЛNN—>nNN к ширине распада по каналу Кр-^пр. Получено также соотношение между шириной распада по каналу ANN —> nNN и полной распадной шириной по безмезонному каналу.

11. Получены спектры 7Г+ -мезонов из процессов образования нейтронно-избыточных гиперядер дН и д# в реакции (К~,ор,п+) с медленными каонами.

12. Исследованы связанные системы К~ -мезонов с нуклонами К~р , К'рр , КГррп и К~ррпп, образующиеся при взаимодействиях медленных каонов с ядрами.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на международной конференции "Sendai International Symposium on Strangeness In Nuclear And Hadronic Systems - Sendai08" (Сендай, Япония, 2008), обсуждались на научных семинарах кафедры ядерной физики СПбГУ и на совещаниях, проводимых в Национальном Институте Ядерной Физики Италии (Фраскати, Италия).

Публикации по теме диссертации

По результатам исследований опубликовано 9 работ [А1-А9]. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объём диссертации -171 страница, включая библиографию из 134 наименований. Диссертация содержит 68 рисунков и 11 таблиц. Вклад автора работы

Автор непосредственно участвовал в экспериментах, проводимых на элек-трон-позитронных пучках ускорительного комплекса БА<ШЕ Национального Института Ядерной Физики Италии. Участвовал в создании программного обеспечения для извлечения и анализа физических данных, полученных в эксперименте. Занимался обработкой самих экспериментальных данных. Принимал участие в подготовке публикаций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы, обоснована актуальность темы исследования, перечисляются основные положения, выносимые на защиту, и кратко излагается содержание отдельных глав.

В первой главе приведён обзор теоретических и экспериментальных работ по исследованию А -гиперядер. Рассмотрены различные экспериментальные методы, используемые для образования гиперядерных систем. К таким методам, прежде всего, относятся образование гиперядер в реакции ассоциативного рождения и в реакции обмена странностью на пионных и каонных пучках, соответственно. Последняя из реакций рассмотрена более подробно, так как исследуемые в диссертации А -гиперядра образуются именно в ней. Приведено сравнение реакции обмена странностью в условиях кинематики М. И. Подгорецкого и при использовании пучков медленных каонов. В реакции (К~1ор,п~) можно получить существенный

выход гиперядер, а использование современных методов идентификации частиц позволяет с высокой эффективностью регистрировать частицы-продукты образования гиперядерных систем. Энергия связи гиперядра при этом может быть однозначно определена по измерению импульса л" -мезона. Образующиеся в указанных реакциях А -гаперядра могут находиться как в основных, так и в возбужденных состояниях. Основное состояние А -гиперядра стабильно относительно сильных и электромагнитных взаимодействий, и его распад происходит по каналу слабого взаимодействия. Эволюция возбужденных состояний гиперядерных систем в результате испускания гамма-квантов, барионов и гиперфрагментов также завершает-

ся их слабым распадом из основного состояния. Основным каналом распада свободного Л -гиперона является его слабый мезонный распад. Когда Л -гиперон находится в гиперядре, такой распад сильно запрещён принципом Паули, и в гиперядрах реализуется другой способ распада - безмезонный. Полная распадная ширина Л -гиперядра по слабому каналу определяет его время жизни. При изучении процессов образования и распада гиперядер необходимо учитывать фоновые реакции, приводящие к образованию пионов. С этой целью в конце первой главы рассмотрены взаимодействия низкоэнергетических /^"-мезонов с веществом.

Во второй главе описана экспериментальная установка для изучения процессов образования и распада гиперядер - спектрометр FINUDA. Для получения пучка медленных каонов используется распад ф(1020)-мезонов, образующихся в

электрон-позитронном коллайдере DAONE. Энергия е+е~ -пучков (510 МэВ) соответствует максимальному сечению образования этих мезонов. Импульс распадных каонов составляет всего 127 МэВ/с, что приводит к возможности использования для образования гиперядер очень тонких мишеней, толщины которых на порядок меньше, чем толщины обычно используемых для получения гиперядер мишеней. Как следствие этого, энергетическое разрешение при регистрации пионов, возникающих в процессе (K~top,n~), составило порядка 1 МэВ, что является важным

фактором при изучении спектров возбуждения гиперядерных систем. В главе приведены описания ускорительного комплекса DA<&NE, спектрометра FINUDA в целом и каждого из его детектирующих модулей, используемых для регистрации частиц-продуктов образования и распада гиперядер. Спектрометр условно может быть разделён на две области: область взаимодействия, используемую для регистрации и идентификации частиц из распада ф(1020) -мезонов, а также е+е~ -пар, и внешний трековый детектор, служащий для обнаружения частиц из процессов образования и распада гиперядерных систем. В области взаимодействия расположены следующие детекторы (в порядке удаления от точки аннигиляции е+е~ -пучков): внутренний цилиндрический слой из 12 сцинтилляторов (TOFINO) и восьмигранная сборка из кремниевых микростриповых детекторов (ISIM). На внешних сторонах каждого из модулей ISIM расположены 8 мишеней, в которых тормозятся К~ -мезоны, и происходит образование гиперядер. Внешний трековый детектор состоит из сборки из 10 кремниевых микростриповых детекторов (OSIM), двух сборок из восьми пла-нарных дрейфовых камер, содержащих мало вещества (LMDC), и детектора из тонких газонаполненных трубок (STB). На наибольшем радиусе удаления от точки аннигиляции е+е~ -пучков расположен цилиндрический слой из 72 сцинтилляторов (TOFONE), образующий триггер первого уровня и используемый при регистрации

нейтронов и измерении времени пролета. Далее рассмотрена система отбора событий, служащая для подавления регистрации событий, не связанных с исследуемыми физическими процессами. Процедура отбора событий основана на сигналах триггера, состоящего из двух слоев сцинтилляционных детекторов, измерении энергетических потерь частиц (дискриминация е+е~ и К+К~-пар) и определении множественности сигналов в детекторе TOFONE.

Третья глава посвящена описанию алгоритмов анализа экспериментальных данных. Рассмотрен типичный пример реконструкции события, соответствующего образованию гиперядра в одной из мишеней. Для каждого из детекторов приведено описание процедур реконструкции координат частицы, пролетающей через спектрометр, основанных на: вычислении центра тяжести сработавших стрипов (в случае детекторов ISIM и OSIM), определении времени дрейфа электронов и использовании метода деления заряда (для детекторов LMDC), измерении времени задержки появления сигналов от сцинтилляционных вспышек на обоих конца сцин-тиллятора TOFONE и пространственной локализации сработавших трубок в детекторе STB. Определенные указанными способами координаты точек взаимодействия частиц с веществом детекторов позволяли восстановить их траекторию. Импульс частиц восстанавливался по искривлению их траекторий в магнитном поле спектрометра, а измерение ионизационных потерь позволяло определить их тип. Кроме того, для идентификации частиц были использованы также и времяпролётные измерения.

Помимо исследования процессов образования и распада гиперядер, необходимым этапом анализа экспериментальных данных было изучение фоновых процессов, используемых для контроля рабочих параметров спектрометра. Анализ данных, полученных при регистрации событий, генерируемых космическими лучами, позволил провести точную локализацию детекторов в пространстве относительно главной системы координат спектрометра. Любые неучтенные смещения детекторов оказывали существенное влияние на точность реконструкции траекторий частиц и, в итоге, на импульсное разрешение установки. Анализ данных по е+е~ -рассеянию позволил осуществить калибровку спектрометра, определить пространственное распределение области взаимодействия е+е~ -пучков, проконтролировать их энергию и угол пересечения, а также рассчитать светимость коллайдера БАФИЕ. Для определения импульсного разрешения спектрометра были использованы данные по распадам К+ -мезонов, образующихся при распаде ф(1020) -частицы на каонную пару. Измерение ширины мюонного пика, соответствующего распаду К+ , позволило определить, что Ар/р ~ 0.6% FWHM при импуль-

се мюонов 236 МэВ/с. Подсчёт событий в спектре распада К+ -мезонов был использован для оценки числа К~ -мезонов, участвующих в ядерных взаимодействиях.

С целью улучшения временного разрешения спектрометра была разработана методика временной синхронизации системы сцинтилляционных детекторов. Её принцип заключается в определении временных поправок для каждого из сцинтил-ляторов, и последующем линейном сдвиге временных спектров. Метод основан на регистрации пар синхронно испущенных из области взаимодействия частиц: е+е~ -пар из е+е~ -рассеяния первоначального пучка (для TOFONE) и К+К~ -пар из распада ф(1020) -мезонов (для TOFINO). Для определения временных поправок были использованы следующие данные: разность времен регистрации в сцинтипляторах двух синхронно испущенных частиц (должна быть равна нулю) и распределение времён прихода сигналов с обоих концов модуля от частиц, зарегистрированных в центре сцинтиллятора (должно быть симметрично относительно нуля). Полученные таким образом сдвиги временных распределений были использованы для нахождения искомых временных поправок.

В четвертой главе приведены результаты анализа экспериментальных данных по исследованию взаимодействий медленных .К--мезонов с веществом, приводящих, в частности, к образованию А-гиперядер в реакции (KJ,op,n~). Проделанные расчеты показали, что в случае образования Л -гиперядер в реакции (К~Юр,п~) импульсы п~-мезонов принимают значения, находящиеся в интервале 150 < рп- < 250 МэВ/с. С целью изучения характеристик спектрометра и определения вклада возможных фоновых процессов в спектры я" -мезонов, было проведено моделирование взаимодействий медленных К~ -мезонов с веществом методом Монте-Карло. Получено, что в указанную область спектров пионов из реакции K~top+AZ^AZ + п~ , дают вклад процессы образования квазисвободных Л -

гиперонов ( К'п —» Лп~ ) и распады 5Г -гиперонов на лету ( K~NN 1TN , 2Г —> пк~), которые были учтены при последующем анализе экспериментальных данных.

Для гиперядер дС и дО, образующихся в реакции К~ор+^Z-» д Z + в

мишенях 12С и ,605 был проведен анализ спектров я"-мезонов. Рассмотрение кинематики реакции (К~1ор,к~) показало, что энергии связи Л-гиперядер ВА могут быть определены по измерению импульсов пионов. На рис. 1 приведены полученные спектры возбуждения гиперядер д С и д О. Для д С пик с ВА =11.6 МэВ

10 15 20 25 30

Энергия связи (МэВ)

Рис. 1. Спектры возбуждения гиперядер д С и д О

15 20 25

энергия связи (МэВ)

соответствует образованию основного состояния гиперядра. Пики с Вк =8.4, 5.9, 3.9,1.6 и 0.27 МэВ - образование возбужденных состояний дС. В случае гиперядра дО, основному состоянию соответствует пик с 5Л = 12.4 МэВ. Пики с ВА= 6.8, 1.8 и -4.1 МэВ - образование возбужденных состояний д О.

Для изучения слабых распадов Л -гиперядер была использована следующая методика. Для основных состояний гиперядер, стабильных относительно электромагнитного и сильного взаимодействий, единственным способом распада являются процессы, обусловленные слабым взаимодействием, не сохраняющим странность. С целью идентификации образования основных состояний Л -гиперядер, был проведен расчет импульсов пионов, образующихся в реакции К~Хор+А1^>^1 + тС. В

указанном процессе могут образовываться как основные, так и возбужденные состояния гиперядер с испусканием пиона с определенным импульсом. Если энергия возбуждения не слишком велика, то возможен распад таких состояний в основное с испусканием гамма-квантов + у за времена, характерные для элек-

тромагнитного взаимодействия. В случае если энергия возбуждения лежит выше энергий связи нейтронов, протонов, дейтронов и тритонов в гиперядре, то возможно испускание этих частиц с образованием гиперфрагментов в основных состояниях. Соответственно, спектры пионов, возникающих в процессе (К~1ор,п~), были

разбиты на интервалы, отвечающие образованию основных состояний рассматриваемых гиперядерных систем.

Для отбора событий, обусловленных слабыми распадами основных состояний гиперядер, был использован метод совпадений, примененный к реконструированным траекториям частиц. Для поиска слабых мезонных распадов были отобраны события, соответствующие регистрации на совпадение двух пионов, траектории

Рис. 2. Спектры кинетической энергии пионов, образующихся при слабых мезонных распадах указанных гиперядер

которых начинались из одной точки в рассматриваемой мишени. Первый я -мезон соответствует образованию основного состояния гиперядра в реакции {К~1ор,тС), второй пион с импульсом р^- <115 МэВ/с - слабому мезонному распаду Л -> рп~ гиперядра. Аналогично, для идентификации слабых безмезонных распадов гиперядер были отобраны события с регистрацией на совпадение п~ -мезона из процесса образования основного состояния гиперядра (К~ор,п~) и протона с импульсом рр < 600 МэВ/с из распада Ар -> пр.

На рис. 2 приведены спектры кинетической энергии пионов из мезонных распадов гиперядер д Ы, ^Ве, д2? и д N, образующихся в мишенях 1Ы, 9Ве,

12С и 160. Сравнение полученных спектров с теоретическими расчетами, проделанными в работе [1], позволило определить спины и четности основных состояний

рассматриваемых гиперядер: ) = ]/2+, Уп(л95е?' ) = 1/2+, =

и ■/" ) = 3/2+. На рис. 3(а) показаны рассчитанные отношения ширин распа-

да по мезонному каналу (Г _) к ширине распада свободного Л -гиперона (ГЛ) как

функция массы гиперядра А. Полученные результаты хорошо согласуются с теоретическими расчетами этих отношений в работах [1Д].

0,50-, 0.450.«-0.3S. 0.30-

к °'20 ' 0.15 • 0.10 •

0.050,00.

(а)

(Ь)

Рис. 3. Зависимость отношений Г^. /Гл и Rp= / до от массы гиперядра А

03 и»5

■§ J

'Li+'Li

it Ть+н

4 V,,

n t

Li

l-r

n

ЙЙ:

l ^«oor CD L

2

o I

iQ> Л--

5 f

l!C

i +tt ■ '4.

о за to 60 M too «о ш tM lu гов о ю .а ICO _ _ _ ___ _

кинетическая энергия (МэВ) кинетическая анергия (МэВ) * " кинетическая энергия (МэВ)

Рис. 4. Спектры кинетической энергии протонов, образующихся при слабых безмезонных распа-

5 7 12 6 7 12

дах гиперядер д Не, д Li и Л С в мишенях Z,/, Li и С

На рис. 4 приведены спектры кинетической энергии протонов из безмезонных распадов гиперядер дНе, ]^Li и дС, образующихся в мишенях 6Li, 1 Li и 12С. Гиперядро д//е может быть образовано как в мишени 6Li, так и при распаде возбужденного состояния гиперядра д Li в мишени 1 Li, поэтому для него приведен суммарный спектр. Анализ спектров позволил определить отношение числа протонов из безмезонных распадов (A^/wo) к суммарному числу образованных

гиперядер (Nhyp):Rp = Npm'D / Nhyp. Зависимость этого отношения от массы гиперядра А приведена на рис. 3(b).

В случае если бы спектр протонов был бы обусловлен только безмезонными распадами гиперядер по каналу Ар —» пр, то его форма была бы симметрична относительно значения кинетической энергии 80 МэВ, соответствующей примерно половине энерговыделения в указанном процессе (Q порядка 178 МэВ). Как видно из рис. 4, форма спектра далека от симметричной. Такое поведение формы спектра может быть обусловлено двумя факторами. Во-первых, в спектр могут давать вклад

трёхчастичные распады с испусканием протонов Апр —> ппр. Во-вторых, на форму спектра могут оказывать влияние взаимодействия протонов в конечном состоянии (РБГ эффект). Данный эффект приводит к тому, что какая-то часть протонов из без-мезонных распадов оказывается в низкоэнергетической области спектра.

Для изучения указанных процессов был проведен дальнейший анализ спектров протонов из безмезонных распадов следующих гиперядер: дЯг, д£/, ^Ве, дВ, дС, дС, дЛги дО. Каждый из спектров был разделен на две области с Ер <11 и Ер > ц, где \х - соответствует кинетической энергии протонов порядка 80 МэВ. Теоретические расчеты показывают, что в этом случае область спектра с Ер>\1 соответствует безмезонным распадам по каналу Ар^пр, в то время как

при Ер < ц в спектр дают вклад как распады Лр->пр, так и распады Апр -» ппр

[3]. Кроме того, было учтено, что реальное число протонов из безмезонных распадов в области с Ер {Ер<\1) должно быть больше (меньше) числа зарегистрированных протонов вследствие эффекта РЭ1. Такой подход позволил сделать вывод, что зависимость эффекта Р81 от массы указанных гиперядер является линейной. Более того, были определены отношения ширины распада по каналу АНИ —» п№ к ширине распада с испусканием протона Ар -» пр и к полной распадной ширине по безмезонному каналу, которые для рассматриваемых гиперядер составили Г2/Тр = (0.43 ± 0.2) и Г21Тишо = (0.24 ± 0.1), соотвегсвенно.

В конце главы приведены результаты исследований редких процессов, происходящих при взаимодействии медленных К~ -мезонов с ядрами: образование нейтронно-избыточных Л -гиперядер и связанных систем .К"-мезонов с нуклонами.

Для поиска нейтронно-избыточных гиперядер была использована реакция (К~1ор,п+). Были получены спектры я+-мезонов, зарегистрированных на совпадение с пионами из слабых мезонных распадов нейтронно-избыточных гиперядер д Я и д Я. Анализ спектра для д Я привел к обнаружению пика, соответствующего образованию основного состояния указанного гиперядра с энергией связи порядка 4 МэВ. Для гиперядра д Я такого пика обнаружено не было.

Исследования связанных систем К~ -мезонов с нуклонами связано с наблюдением следующих процессов: К~1оррр Ар, К~!орррп -» Ас! и К~,орррпп -> At.

Образование таких систем было идентифицировано через исследование угловых корреляций между испущенными Л -гиперонами (мезонный распад которых приводит к образованию протона и пиона) и протоном (дейтроном, тритоном). Вычис-

ление инвариантной массы (Ар)-пары позволило определить энергию связи и ширину К~рр-состояния в ядрах 6 Li,1 Li и пС, равные 115 и 67 МэВ, соответственно. Подобный анализ для К~ррп-системы в ядре 6Li указывает на существование связанного состояния с энергией связи порядка 60 МэВ. Для К'ррпп -

системы в ядрах 6Li, 1 Li и 9 Be была зарегистрировано 40 событий, приводящих к образованию (А/) -пары, что соответствует относительной вероятности такого процесса (10 х Ю-4 / К~1ор).

Цитированная литература

[1] A. Gall!Nucl. Phys. A, Vol. 828 (2009), P. 72.

[2] Т. Motoba and К. Itonaga II Prog. Theor. Phys. Suppl., Vol. 117 (1994), P. 477.

[3] G. Garbarino et al., II Phys. Rev. C, Vol. 69 (2004), P. 054603.

Список публикаций по теме диссертации

[Al] М. Agnello, A. Andronenkov, G. Beer et al., Measurement of the proton spectra from Non-Mesonic Weak Decay of I He, ¿Li and дС //Nucl. Phys. A, Vol. 804 (2008), P. 151-161.

[A2] M. Agnello, A. Andronenkov, G. Beer et al., Correlated At pairs from the absorption of K~ at rest in light nuclei // Phys. Lett. B, Vol. 669 (2008), P. 229-234. [A3] B. Dalena, G. D^Erasmo, D. Di Santo et al., Timing resolution of the FINUDA scintillation detectors //Nucl. Instrum. Methods A, Vol. 603 (2009), P. 276-286. [A4] M. Agnello, A. Andronenkov, G. Beer et al, Mesonic and Non-Mesonic Weak Decay of hypernuclei with FINUDA //Nucl. Phys. A, Vol. 827 (2009), P. 303c-305c. [A5] M. Agnello, A. Andronenkov, G. Beer et al., New results on Mesonic Weak Decay of p -shell A -hypernuclei // Phys. Lett. B, Vol. 681 (2009), P. 139-146. [A6] M. Agnello, A. Andronenkov, G. Beer et al., Proton spectra from Non-Mesonic Weak Decay of p -shell A -hypernuclei // Phys. Lett. B, Vol. 685 (2010), P. 247-252. [A7] E. Botta, T. Bressani, F. De Mori et al., Recent results on Mesonic Weak Decay of A -hypernuclei // Int. J. Mod. Phys. E, Vol. 19, No. 12 (2010), P. 2566-2572. [A8] S. Bufalino, E. Botta, T. Bressani et al., New results on Non-Mesonic Weak Decay of A -hypernuclei with FINUDA // Int. J. Mod. Phys. E, Vol. 19, No. 12 (2010), P. 25732578.

[A9] S. Piano, N. Grion, E. Bonifazi et al., The search for antikaon nuclear bound states, recent results from FINUDA // Int. J. Mod. Phys. E, Vol. 19, No. 12 (2010), P. 2600-2605.

Подписано к печати 20.05.11. Формат 60 х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Печать цифровая. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 5166. Отпечатано в Отделе оперативной полиграфии Химического факультета СПбГУ 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, Университетский пр., 26 Тел.: (812) 428-40-43,428-69-19

Введение.

Глава 1. Экспериментальные методы исследования гиперядер.

1.1. Гипероны и гиперядра.

1.2. Образование Л-гиперядер.

1.3. Слабые распады Л-гиперядер.

1.4. Взаимодействие низкоэнергетических ^"-мезонов с веществом.

Глава 2. Спектрометр FINUDA.

2.1. Научная программа эксперимента.

2.2. Коллайдер DAONE.

2.3. Спектрометр FINUDA.

2.3.1. Устройство спектрометра.

2.3.2. Область взаимодействия спектрометра.

2.3.3. Внешний трековый детектор.

2.3.4. Внешний сцинтиллятор.

2.4. Система отбора событий.

Глава 3. Анализ экспериментальных данных.

3.1. Моделирование и реконструкция событий.

3.2. Реконструкция координат.

3.3. Идентификация частиц.

3.4. Анализ данных с космическими лучами.

3.5. Анализ данных по е+е~-рассеянию.

3.6. Анализ данных по распаду ^+-мезонов.

3.7. Определение места остановки А"-мезонов и их числа.

3.8. Временная корректировка TOF системы спектрометра.

Глава 4. Исследование образования гиперядер в реакции обмена странностью.

4.1. Спектр п -мезонов из реакции (Kstop, п ).

10 1А

4.2. Спектры возбуждения гиперядер дС и д О.

4.3. Слабые распады Л-гиперядер.

4.3.1 Мезонные распады Л-гиперядер дLi, дВе, д1 В и

4.3.2. Безмезонные распады Л -гиперядер АНе, д Li и АС.

4.3.3. Трёхчастичные безмезонные распады Л-гиперядер.

4.4. Исследование редких процессов при взаимодействии каонов с ядрами.

4.4.1. Поиск S -гиперядер.

4.4.2. Исследование нейтронно-избыточных Л-гиперядер.

4.4.3. Исследование связанных систем К~ -мезонов с нуклонами.

С момента первого наблюдения гиперфрагмента уже минуло более 50 лет. В течение всего этого времени усилия многих групп исследователей были направлены на изучение нового раздела физики ядра и элементарных частиц, которое получило собственное название - физика гиперядер. Открытие мезонов и странных частиц, а также доказательство существования связанных состояний странных барионов с нуклонами, позволило расширить наши: знания о сильном взаимодействии, первоначально интерпретируемом I лишь как нуклон-нуклонное взаимодействие, в область нового класса частиц?- ад-ронов. Исследование гиперон-нуклонных и гиперон-гиперонных взаимодействий является связующим звеном между традиционной для ядерной физики теорией ядерных сил и более общими представлениями барионной динамики. Вместе всё это служит для*изучения фундаментальной картины взаимодействия адронов. Однако на возможность подобных исследований оказывают сильное влияние времена жизни самих гиперонов, которые оказываются слишком малы (~10-10 сек), чтобы получить вторичный пучок небольшой энергии. Для преодоления указанной трудности наиболее разумным представляется отыскание способа образовать гиперон непосредственно внутри ядра. В этом случае изучение гиперон-нуклонных и гиперон-гиперонных взаимодействий сводится' к исследованию характеристик полученной гиперядерной системы. Кроме того, анализ связанных состояний гиперонов с нуклонами, позволяет исследовать структуру обычных ядер. При этом А-гиперон, например, может использоваться как пробная частица для получения информации о распределении нуклонов в ядрах. Большой интерес представляет и изучение слабых распадов связанных систем странных барионов с нуклонами. Как известно, из процессов, обусловленных слабым взаимодействием, наиболее изучены распады элементарных частиц и ядерный |3-распад. Слабые же распады гиперядер изучены очень плохо, а их теоретическое описание сталкивается со значительными трудностями. Для правильного понимания этих процессов необходимо как знание динамики слабого взаимодействия, так и корректный учёт влияния ядерной среды.

С целью отыскания ответов на стоящие перед физикой гиперядер вопросы, в Национальном Институте Ядерной Физики Италии был поставлен эксперимент РШ1ГОА. Для образования Л-гиперядер в эксперименте используется реакция обмена странностью на медленных К~ -мезонах:

Конструкция спектрометра и механизм получения гиперядер в указанной реакции позволяют с высокой статистикой вести, изучение процессов образования и распада гиперядер. Среди основных преимуществ эксперимента следует отметить возможность установки одновременно до восьми различных мишеней, а также малую их толщину, что приводит к возможности проводить измерения с высоким энергетическим разрешением. Кроме того, использование в спектрометре детекторов, содержащих мало вещества, позволяет с высокой точностью реконструировать траектории заряженных частиц-продуктов процессов образования и распада гиперядер. Следует отметить, что в эксперименте впервые в физике гиперядер для определения места остановки ^"-мезонов в мишенях, и, соответственно, места координат точки образования гиперядра, используются кремниевые микростриповые детекторы, позволяющие проводить прецизионные координатные измерения.

Цель работы и научная новизна

Целью работы являлся комплексный анализ широкого спектра экспериментальных данных, полученных на установке БШТЮА, при образовании различных гиперядерных систем в реакции обмена странностью на медленных каонах {К~(ор

Впервые были определены некоторые характеристики гиперядерных систем, а также уточнены результаты предыдущих экспериментальных и теоретических исследований. Среди этих характеристик: энергии связи, спины и чётности основных состояний, парциальные ширины слабых мезонных и безмезонных распадов.

Научная новизна работы заключается в качественно новом применении реакции (К~(ор,п~) для изучения процессов образования и распада гиперядерных систем. При этом использовался широкий спектр доступных в данное время современных экспериментальных и программных средств.

Положения, выносимые на защиту

1. Разработана и применена эффективная методика временной синхронизации системы сцинтилляционных детекторов, используемых в эксперименте Р1№ЮА для временных измерений.

1Л I /Г

2. Исследованы спектры возбуждения гиперядер лС и аО.

3. Определены энергии связи основных и возбуждённых состояний гиперядер 11С и 11о.

4. Проведён анализ данных по слабым мезонным распадам + ~ гиперядер д П, дВе, д£ и .

5. Для гиперядер дЫ, дВе, д1 В и дТУ вычислены отношения ширин распада по мезонному каналу ^ +1) + п~ к ширине распада свободного Л -гиперона Гя- /ГЛ .

6. Для основных состояний гиперядер ¿Ы, д Ве и д£ подтверждены значения спина и чётности = 1/2+, 1/2+ и 5/2+, соответственно. Для гиперядра дТУ спин и чётность основного состояния определена впервые: /л =3/2+.

7. Проведён анализ данных по слабым безмезонным распадам ^Z->A~2(Z -1) + р + п гиперядер ^Не, д/л и 1дС. При этом спектр протонов из распада был изучен впервые. Минимальная зарегистрированная энергия протонов для указанных гиперядер также впервые достигла значения Ер = 15 МэВ. с п Л *}

8. Для гиперядер ЛНе, ALi и ЛС получена оценка отношения числа прото

Л А О нов из распада д Z-> ~ (Z -1) + р + п к общему числу образованных гиперядер aZ.

9. Для гиперядер дНе, дLi, iBe, д1 В, дС, дС, и дО исследовано влияние на спектр протонов из безмезонных распадов взаимодействий в конечном состоянии (FSI эффект). Получена линейная зависимость эффекта FSI от массового числа А гиперядер.

10. Для тех же гиперядер впервые получена оценка отношения ширины распада по трёхчастичному каналу ANN -» nNN к ширине распада по каналу Ар —»пр. Получено также соотношение между шириной распада по каналу ANN —> nNN и полной распадной шириной по безмезонному каналу.

11. Получены спектры тс+-мезонов из процессов образования нейтронно-избыточных гиперядер дН и ЛЯ в реакции (Kstop,n ) с медленными каонами.

12. Исследованы связанные системы К~ -мезонов с нуклонами К~р, К~рр, К~ррп и К~ррпп, образующиеся при взаимодействиях медленных као-нов с ядрами.

Вклад автора

Автор участвовал в процессе набора экспериментальных данных на электрон-позитронных пучках ускорительного комплекса DAONE. В значительном объёме проводил обработку самих экспериментальных данных. Участвовал в создании программного обеспечения для извлечения и анализа физических данных, полученных в эксперименте.

Апробация

По результатам исследований опубликовано 9 работ:

1. M. Agnello, A, Andronenkov, G. Beer et al, "Measurement of the proton spectra1 from Non-Mesonic Weak Decay of ЦНе, nKLi and ^C Nucl. Phys. A, 804; 151— 161 (2008).

2. M. Agnello, A. Andronenkov, G. Beer et al., "Correlated At pairs.from the absorption of K~ at rest in light nuclei", Phys. Lett. B, 669, 229-234 (2008).

3. B. Dalena, G. D'Erasmo, D. Di Santo et al., "Timing resolution of the FINUDA scintillation detectors", Nucl. Instrum. Methods A, 603 276-286 (2009).

4. M. Agnello, A. Andronenkov, G. Beer et al., "Mesonic and Non-Mesonic Weak Decay of hypernuclei with FINUDA", Nucl. Phys. A, 827, 303c-305c (2009).

5. M. Agnello, A. Andronenkov, G. Beer et al., "New results on Mesonic Weak Decay of p -shell A -hypernuclei", Phys. Lett. B, 681,139-146 (2009).

6. M. Agnello, A. Andronenkov, G. Beer et al, "Proton spectra from Non-Mesonic Weak Decay of p -shell A -hypernuclei", Phys. Lett. B, 685, 247-252 (2010).

7. E. Botta, T. Bressani, F. De Mori et al, "Recent results on Mesonic Weak Decay of A-hypernuclei", Int. J. Mod. Phys. E, 19 (12), 2566-2572 (2010).

8. S. Bufalino, E. Botta, T. Bressani et al, "New results on Non-Mesonic Weak Decay of A -hypernuclei with FINUDA", Int. J: Mod. Phys. E, 19 (12), 2573-2578 (2010).

9. S. Piano, N. Grion, E. Bonifazi et al., "The search for antikaon nuclear bound states, recent results from FINUDA", Int. J. Mod. Phys. E, 19 (12), 2600-2605 (2010).

Основные результаты работы были также представлены на международной конференции "Sendai International Symposium on Strangeness In Nuclear And Hadronic Systems - Sendai08)" (Сендай, Япония, 2008) и обсуждались на научных семинарах кафедры ядерной физики СПбГУ.

Содержание работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объём диссертации — 171 страница, включая библиографию из 134 наименований.