Исследование поляризации в реакции (p, 2p) с протонами S-оболочек ядер 6Li, 12C, 28Si и 40Ca при энергии 1 ГэВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова»

УДК 539.12

005043613

На правах рукописи

КИСЕЛЁВ Александр Юрьевич

Исследование поляризации в реакции (р, 2р) с протонами в-оболочек ядер 61л, 12С', 28Б1 и 40Са при энергии 1 ГэВ

01.04,16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Гатчина 2012

1 7 мдм 2012

005043613

Работа выполнена в Отделении физики высоких энергий Федерального государственного бюджетного учреждения «Петербургский институт ядерной физики им. Б. П. Константинова».

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук О. В. Миклухо, ФГБУ «ПИЯФ».

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Я. А. Бердников, • ФГБОУ ВПО «СГОГПУ»,

кандидат физико-математических наук В. П. Кондратьев, ФГОУ ВПО «СПбГУ».

Ведущая организация:

Лаборатория физики высоких энергий ОИЯИ, Дубна.

г. в ^

Защита состоится « > 2012

на заседании диссертационного совета Д-002.115.01 при ФГБУ «ПИЯФ» по адресу: 188300, Ленинградская область, г. Гатчина, Орлова роща.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «ПИЯФ».

Автореферат разослан <

Ученый секретарь диссертационного совета

I

012 г.

И. А. Митропольский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Возможная модификация внутренних свойств нуклонов, промежуточных бозонов и, как следствие, параметров нуклон-нуклонного взаимодействия в ядерной среде является одним из важных предметов исследования в современной ядерной физике.

Около 30 лет назад в экспериментах но глубоко неупругому рассеянию мюонов на ядрах дейтерия и железа в CERN было установлено, что зависимость отношения структурных функций нуклонов F?{Fe)IF?{D) от переменной скейлинга xBj не согласуется с представлениями о ядре как о системе слабо связанных нуклонов, внутренние свойства которых идентичны свойствам нуклонов в свободном состоя-

шш (т. н. ЕМС-эффект [1]).

Существуют различные теоретические модели, предсказывающие модификацию свойств адронов (масс, размеров, констант взаимодействия) в ядерной среде. В рамках квантовой хромодинамики [QCD) модификация масс нуклонов и мезонов может быть следствием частичного восстановления киральной симметрии.

Одним из экспериментальных способов исследования влияния ядерной среды на свойства адронов является изучение квазиупругого рассеяния протонов на ядрах. При высоких энергиях протонного пучка (> 100 МэВ) механизм этой реакции хорошо описывается в рамках импульсного приближения с искажёнными волнами. Реакция в этом случае может рассматриваться как рр-рассеяние в поле ядерных сил.

На рубеже 90-х годов прошлого столетия было проведено несколько экспериментов по инклюзивному квазиупругому рассеянию поляризованных протонов на ядрах [2-4], в которых было обнаружено заметное падение анализирующей способности Av и поляризации вторичных протонов по сравнению с предсказаниями, сделанными в рамках нерелятивистского импульсного приближения с искажёнными волнами (DWIА). Учёт релятивистских поправок к этому приближению, обусловленных модификацией масс нуклонов в ядерном веществе [5], позволил улучшить описание широкого набора экспериментальных данных.

Исследование эксклюзивного квазиупругого рассеяния на ядрах в реакциях типа (р. 2р) имеет существенные преимущества, поскольку

кинематика реакции в этом случае строго определена. Для рассматриваемой задачи это даёт возможность отбирать события, связанные с рассеянием на й'-оболочках ядер (отсутствует т. н. эффективная поляризация, затрудняющая модельное рассмотрение) при нулевом импульсе ядра остатка (кинематика близка к свободному рр-рассеянию; есть возможность модельной оценки ядерной плотности [6)). Первые такие эксперименты были поставлены в научных центрах ИСКР [6] и ТНГОМР [7] около 15 лет назад и показали, что анализирующая способность Ау падает с ростом плотности ядерной материи в эффективной области рр-взаимодействия.

К моменту начала эксперимента (2000 г.), описываемого в диссертации, наблюдался значительный дефицит данных, необходимых для дальнейшего развития теоретических моделей.

Основная цель работы

Цель данного эксперимента состояла в одновременном измерении поляризации обоих вторичных протонов в реакции (р, 2р) с протонами 5-оболочек ядер на синхроциклотроне ПИЯФ при энергии 1 ГэВ. Набор исследуемых ядер выбирался так, чтобы обеспечить разную среднюю плотность ядерной материи в эффективной области рр-взаимодейетвия в широком диапазоне изменения энергии связи протона ядра. Эксперимент в Гатчине при энергии 1 ГэВ был нацелен на исследование природы поляризационных эффектов, обнаруженных ранее в и

ТШиМР при меньших энергиях протонного пучка.

Научная новизна работы

Впервые выполнено измерение поляризации в реакции (р, 2р) на ядрах при энергии 1 ГэВ, существенно превосходящей энергии поляризованных протонных пучков в ЫСКР (392 МэВ) и ТИГОМР (504 МэВ). При более высоких энергиях реакция (р, 2р) с большей степенью достоверности может рассматриваться как протон-протонное рассеяние в ядерной среде. В отличие от указанных выше более ранних экспериментов, нацеленных главным образом на измерение анализирующей способности рассеяния, в данной работе измерялись поляризации обоих вторичных протонов в конечном состоянии реакции (р. 2р). В условиях несимметричной по углам вылета и энергиям вторичных протонов

кинематики реакции сравненне наблюдаемой поляризации лидирующего протона и протона отдачи даёт дополнительную информацию для проверки применимости различных физических моделей.

Научная и практическая ценность работы

Основные физические выводы работы подтвердили наблюдения, сделанные по результатам экспериментов в RCNP и TRIUMF при меньших энергиях протонного пучка. Падение поляризации вторичных протонов в реакции (р, 2р) с ростом плотности ядерной материи в эффективной области рр-ъзгммодействия и энергии связи протона ядра, описываемое для лидирующего протона в рамках релятивистского приближения с учётом модификации дираковских спиноров взаимодействующих нуклонов в ядерном веществе, указывает на наличие нетривиального эффекта ядерной среды. Вместе с тем обнаружено, что поляризации лидирующего протона и протона отдачи отличаются друг от друга, причём величина этого отличия растёт с ростом энергии связи протона ядра. Данный эффект не описывается в рамках существующих моделей.

Разработанное программное обеспечение системы считывания информации (DAQ) и анализа данных используется в других экспериментах на синхроциклотроне ПИЯФ (исследование поляризации в упругом и квазиупругом рассеянии протонов на ядре 4Не в 2004-2008 гг.; измерение корреляционного параметра Спп в упругом рр-рассеянии и реакции (р, 2р) на ядрах 4Не и 12С в 2007-2009 гг.; испытание прототипов сцин-тилляционных счётчиков для эксперимента PANDA в 2009 г.).

Программный код для обслуживания системы считывания пропорциональных камер CROS3 был интегрирован в DAQ эксперимента OLYMPUS в научном центре DESY (Гамбург) и успешно использован в первом физическом сеансе на ускорителе DORIS в начале 2012 г.

Часть алгоритмов анализа данных была использована в трековой реконструкции эксперимента HERMES в DESY и Monte-Carlo-моделировании установки в эксперименте OLYMPUS. Одним из примеров является способ получения информации о распределении вещества вдоль траектории вторичных протонов путём «сканирования» геометрической базы данных эксперимента с использованием интегрированных в программу обработки данных функций пакета GEANT3.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих международных научных конференциях: "14th International Spin Physics Symposium", Osaka 2000; "Nuclear Physics in 21st Century", Berkeley 2001, на международном совещании "1st International Workshop on Quasi-Free Scattering with Radiactive Ion Beams" (А. Ю. Киселёв) в Тренто в 2008 году, а также на семинарах ОФВЭ ПИЯФ.

Работа выполнялась при поддержке гранта Президента Российской Федерации для научных школ № 3383.2010.2, гранта Министерства образования, науки, спорта и культуры Японии, а также гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 02-02-17142.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объём работы составляет 119 страниц, включая 35 рисунков и 19 таблиц. Библиография содержит 78 ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Сделан исторический обзор вопросов, связанных с возможной модификацией свойств адронов в ядерной среде. Рассмотрены теоретические предпосылки данного явления и имеющиеся экспериментальные результаты. Подчёркнута актуальность темы и необходимость проведения дополнительных исследований для дальнейшего развития физических моделей.

Глава 1. Экспериментальная установка

Сформз'лированы требования к установке, необходимой для проведения корреляционных экспериментов данного типа. Описана структура двухплечевого магнитного спектрометра, использованного в настоящей работе (см. рис. 1). Подробно рассмотрена временная структура протонного пучка синхроциклотрона ПИЯФ, определявшая методику набора и обработки данных. Описаны использовавшиеся в эксперименте мишени. Приведены основные параметры фокусирующих магнитных спектрометров МАП и НЭС, регистрировавших лидирующий протон и протон

б

pcs ^ёр?

I ! Spectrometer NES

\ \ 02

%

012 Q11

M1..HB

ШШП ci то vc 04 аз

Spectrometer MAP

s1"Si^pC1(Ft) S2%i PC1

<KSpC2

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: Q1 4- Q12 - квадрупольпые линзы, СО + CS .....коллиматоры, DO Ч- D2 ..... дипольные магниты, ТО ~ мишень,

PCI ~ РС8 - пропорциональные камеры, T1 ~ Т2 - углеродные анализаторы, SI — S4 - сцинтилляционные счётчики

отдачи в реакции (р, 2р). Рассмотрено устройство времяпролётной системы эксперимента и монитора светимости, а также поляриметров в

каналах спектрометров МАП и НЭС.

Более подробно освещены вопросы, связанные с организацией электронно-измерительной системы эксперимента, логики триггера первого уровня и системы считывания. Приведена блок-схема электроники эксперимента. В деталях рассмотрены проблемы, связанные с необходимостью набора данных в условиях высокой фоновой загрузки от инклюзивных процессов. Рассмотрены методы, использованные для увеличе-

ния производительности системы считывания, позволившие добиться требуемого по условиям эксперимента быстродействия. Описана система контроля за набором данных в процессе эксперимента.

Глава 2. Методика обработки экспериментальных данных

Описана общая структура использовавшегося в обработке результатов эксперимента программного обеспечения. Подробно рассмотрены алгоритмы реконструкции событий и измерения поляризации вторичных протонов в упругом рр-рассеяшш и в реакции (р, 2р).

Треки вторичных протонов в фокальной зоне спектрометров восстанавливались но координатной информации с пропорциональных камер, установленных перед блоками углеродных анализаторов (см. рис. 1). По этим трекам с использованием полученных по результатам Monte-Carlo-моделирования параметров оптики спектрометров реконструировались импульсы протонов в точке взаимодействия в мишени.

Величина энергии протонного пучка, растущая в процессе вывода из ускорителя, определялась по оригинальной методике путём привязки к высокой частоте ускорителя с использованием временной структуры событий от фона случайных совпадений.

Кинематика реакции рассчитывалась по параметрам протонного пучка и реконструированным магнитными спектрометрами трекам вторичных протонов. Разрешение но энергии отделения протонов ядра составляло в эксперименте adE ~ 2,04-2,5 МэВ в зависимости от размеров мишеней.

Одно из ключевых мест в описании отведено измерению разности времён пролёта в каналах спектрометров МАП и НЭС как основному критерию подавления фоновых событий. Достигнутое в эксперименте разрешение по этой величине составило <7toF ~ 200 250 пс.

Особое внимание уделено оценке поляризации протонов по азимутальной асимметрии вторичного рассеяния на углеродных анализаторах. Треки протонов после рассеяния восстанавливались по координатной информации с пропорциональных камер, установленных за анализаторами. Анализ проводился с использованием функций пакета MINUIT из библиотеки CERNLIB, интегрированных в программу обработки данных, и т. н. likelihood-статистики х\ [8]. Измеренное азимутальное распределение фитировалось функциональной зависимостью

~ 1 4- ех cos ф + си sin ф, где ф - азимутальный угол рассеяния, ех - асимметрия в горизонтальном направлении, пропорциональная измеряемой поляризации. Более высокие гармоники не требовались при фитирова-иии по крайней мере до уровня статистической ошибки величины поляризации < 0,005.

Подробно рассмотрены принципы учёта фона случайных совпадений и оптимизации статистической ошибки измерения путём разбиения событий на группы с разным соотношением сигнал/фон по имеющимся критериям отбора.

Рассмотрена процедура выстройки пропорциональных камер поляриметров, осуществлявшаяся по оригинальной методике, с использованием треков протонов, претерпевших многократное кулоновское рассеяние на малые углы на материале анализаторов.

Глава 3. Моделирование установки методом Monte-Carlo

Описаны структура программного обеспечения и основные результаты моделирования, проводившегося с использованием пакета GEANT3.

По результатам моделирования представлены общие характеристики спектрометров (геометрический аксептанс, ожидаемое разрешение по реконструируемым параметрам при использовавшихся в эксперименте размерах мишеней и расположении регистрирующих детекторов).

Приведены оценки разрешения по корреляционным параметрам (энергия отделения, вертикальная координата точки взаимодействия в хмишени) в сравнении с реально наблюдавшимися в аиализе данных величинами.

Описана процедура подстройки параметров установки, в частности нормировки магнитных полей спектрометров, по результатам сравнения моделированных и измеренных в эксперименте данных в упругом рр-рассеяшш.

Рассмотрена методика получения информации о распределении вещества вдоль траектории вторичных протонов, необходимой для оценки ионизационных потерь.

Представлена Monte-Carlo-методика извлечения параметров оптики магнитных спектрометров, требующихся для работы алгоритмов трековой реконструкции.

Глава 4. Представление экспериментальных данных

Приведены результаты калибровочных измерений поляризации в упругом рр-рассеянии, проводившихся несколько раз в течение каждого сеанса. Сделан вывод, что при использовании общепринятых параметризаций анализирующей способности поляриметры МАП и НЭС несколько завышали измеренное значение поляризации по сравнению с предсказанием текущего фазового анализа SP07 [9]. Кроме того, наблюдались небольшие, порядка ±0,015 по абсолютной величине, флуктуации от сеанса к сеансу. В целях устранения связанной с этим систематической ошибки калибровка в упругом рр-рассеянии использовалась для перенормировки параметризаций анализирующей способности согласно данным фазового анализа при оценке поляризации в реакции (р, 2р).

Представлены спектры по энергии отделения протона ядра для всех мишеней (см. в качестве примера рис. 2).

Рис. 2. Спектр по энергии отделения протона в реакции (р, 2р) на мишени 12С. Подложка от фона случайных совпадений выделена более тёмным цветом. Указано положение 5- и Р-оболочек. Диапазон спектра, использованный для анализа в данной работе, заштрихован

Для каждой серии измерений приведены полученные данные по поляризации в реакции (р, 2р) с протонами ¿"-оболочек исследованных |

ядер. Даны характеристики использовавшихся мишеней и кинематические условия эксперимента. Проведён статистический анализ совместности данных, набранных в одинаковых условиях, но в разных сеансах измерения. Сделан вывод, что существенных систематических отклонений не обнаружено.

Глава 5. Исследование систематической неопределённости измерения поляризации

Подробно рассмотрены возможные источники систематической ошибки в поляризационном эксперименте.

Зависимость измерения поляризации от входного аксептанса спектрометров МАП и НЭС исследовалась посредством проведения специальных методических измерений в упругом рр-рассеянии, в которых вторичные протоны фокусировались в разные области фокальных плоскостей спектрометров. Сделан вывод, что связанной с этим эффектом систематической ошибки не наблюдается.

Точность выстройки пропорциональных камер оценивалась по величине отклонения средних планарных углов многократного кулоновского рассеяния от 0,000°. Установлено, что связанная с выстройкой систематическая ошибка определения поляризации не превышала ±0,003 и ±0,001 для поляриметров МАП и НЭС соответственно.

Эффективность камер оценивалась путём использования треков вторичных протонов, отклонившихся на малые углы в результате многократного кулоновского рассеяния на веществе анализаторов и была постоянной для каждой плоскости в пределах ~ 0,1 % в течение одного сеанса.

Стабильность работы установки в длительных сеансах на мишенях 12С и 28Si контролировалась по постоянству величины поляризации инклюзивных событий, составлявших большую часть набираемой статистики.

Суммарная систематическая ошибка измерения, оцененная по результатам проведённых исследований, составила ±0, 015 для обоих поляриметров.

Глава 6. Анализ результатов эксперимента

На рис. 3 приведены измеренные значения поляризации вторичных протонов в реакции (р, 2р) с протонами ^-оболочек ядер и результаты расчётов с использованием различных моделей рассеяния.

0.9

с 0.8 о

О 0.6 CL.

0.5 0.4

0.3 0.2 0.1 О

Рис. 3. Поляризация лидирующего протона (Рг) и протона отдачи (Ра) в реакции (р, 2р) при переданных импульсах д ~ 3,2 4- 3,7 фм-1 как функция энергии связи протона ядра. Указана эффективная ядерная плотность в области рр-взаимодействия для каждого исследованного ядра в единицах плотности насыщения ядерной материи р0 ~ 0,19 фм~3. Нанесённые кривые соответствуют импульсному приближению с плоскими (Р1У/А) и искажёнными (0\У1А) волнами, а также описанной в тексте модели 0\¥1А*, в которой массы взаимодействующих нуклонов преобразуются в зависимости от ядер- I

ной плотности (Л'/д.)

Нерелятивистское рассмотрение в рамках импульсного приближения с плоскими волнами (Р\У1А), основанное на параметрах свободного рр-рассеяния. не в состоянии описать экспериментальные данные. При этом расчёт в рамках импульсного приближения с искажёнными волнами (БичА) даёт лишь незначительную поправку к результатам, полученным с использованием РШ1А. Это свидетельствует о малости тривиального эффекта ядерной среды ..... деполяризации

вторичных протонов в результате иротон-нуклонных перерассеяний.

— Ö-P1 0,= 21.О°-2б.О"

• - Р2 0г=53.2°

'H 40Ca 6U ,2C 2BSf

(2S) (1S) (1S) (IS)

р/ p0 , , 1 , , 0.07 , , 1 , . 0.19 . I , . 0.31 , 1 .... 1 . . -0.30

0 10 20 30 40 50

Proton separation energy, MeV

Нерелятивистская модель ГЛ\'~1А* с учётом релятивистских поправок, обусловленных модификацией дираковских спиноров взаимодействующих нуклонов в ядерном веществе (кривая на рис. 3), даёт хорошее описание экспериментальных данных по поляризации лидирующего протона в реакции (р, 2р) с ядрами.

-о

з

Q.-0.05

„I -0.1

-0.15 -0.2 -0.25 -0.3 -0.35

Рис. 4. Отклонение измеренной в эксперименте поляризации Ркхр от импульсного приближения с плоскими волнами Pia для спектрометров МАП и НЭС. Нанесённая кривая соответствует модели [M"N) на рис. 3

На рис. 4 приведена величина разности экспериментальных значений поляризации и расчётов в рамках PWIA в зависимости от эффективной ядерной плотности р/р0 в области рр-взаимодействия. Модель DWIÄ* в целом удовлетворительно описывает данные по поляризации лидирующего протона в реакции (р, 2р) на ядрах. Данные для протона отдачи в реакции (р, 2р) не описываются в рамках существующих на сегодняшний день моделей модификации свойств адронов в ядерной среде.

При расчётах в рамках PWIA использовалась текущая параметризация фазового анализа SP07 [9]. Расчёты в рамках DWIA, включая DWIA* с релятивистскими поправками, проводились с помощью

: О : • leading proton recoil proton ©2=53.2*

— i............... i MN

T 9 i 1

•

Е- ( >

Z wCa (2S) 'Li (1S) KC WSI (1S> (1S)

Е 0.07 , , 1 , , 0.19 -0.30 , . I . . .

Effective density р/ р

С 0.6

о

о

Q.

0.4

0.3

0.2

0.1

9.

Рис. 5. Поляризация лидирующего протона (Pi) и протона отдачи (Р2) в реакции (р, 2р) на ядре 12 С при различной величине переданного импульса q в единицах фм_ . Пунктирная кривая соответствует поляризации в упругом рр-рассеянии, рассчитанной с помощью текущего фазового анализа SP07 [9]. Остальные кривые те же, что и на рис. 3

Ь О -Р,

• -Р '2C(P.2P)

DWIA

PWIA____

в = 13.2° в,= 63.9°

в,= 17.Г в ¿=59.7° I

0 =22.7° ©,= 53.2°

2.5 3 3.S 4

Momentum transfer, far'

компьютерного кода ТНШЖБЕЕ [10]. Методика оценки эффективной плотности изложена в работе [6].

На рис. 5 приведены данные по поляризации в реакции (р, 2р) на ядре 12С в диапазоне переданных импульсов д ~ 2,0 4- 3,4 фм-1. Видно, что модель Г)\\/ТIА* с модификацией только масс нуклонов неудовлетворительно описывает данные для лидирующего протона при величине переданного импульса д < 2,6 фм""1. Это может указывать на необходимость учёта модификации свойств не только взаимодействующих нуклонов. но и мезонов - переносчиков сильного взаимодействия [11, 12].

Заключение содержит основные результаты проделанной работы, выносимые на защиту:

1) С помощью двухплечевого магнитного спектрометра и поляриметров на основе пропорциональных камер впервые экспериментально измерены поляризации обоих вторичных протонов в реакции (р, 2р) с протонами ¿»-оболочек ядер 61л, 12С, 2881 и 40Са при энергии 1 ГэВ.

2) Разработаны методика и программное обеспечение для быстрого считывания информации с электроники спектрометра, позволившие эффективно регистрировать корреляционные события в реакции (р, 2р) в условиях высокой фоновой загрузки от инклюзивных процессов. Создан пакет программ для обработки данных эксперимента и моделирования установки методом Monte-Carlo.

3) Установлено, что экспериментально измеренные значения поляризации в реакции (р, 2р) с протонами ¿'-оболочек ядер существенно отличаются от предсказываемых в рамках импульсного приближения с использованием параметров свободного протон-иротониого рассеяния. Показано, что величина этого отличия определяется плотностью ядерной материи в эффективной области рр-взаимодействия и коррелирует,

также с энергией связи протона ядра.

4) Показано, что при больших переданных ядру импульсах (g ~ 3,2-Ь 3,7 фм-1) величина поляризации лидирующего протона может быть описана в релятивистском приближении с учётом модификации дираковских спиноров взаимодействующих нуклонов в ядерной среде. Интерпретировать в рамках этого подхода данные, полученные на ядре 12С при значениях переданного импульса q < 2,6 фм-1, не уда-

ется. 5

5) Обнаружено, что поляризации лидирующего протона и протона отдачи в реакции (р, 2р) существенно отличаются по величине. В рамках нерачятивнстского импульсного приближения с искажёнными волнами показано, что это отличие не может быть связано с деполяризацией вторичных протонов, вызванной протон-нуклонными перерассеяниями в ядерной среде.

Опубликованные по теме диссертации работы:

1) Miklukho О. V., ..., Kisselev А. Yu. et al. Study of Nuclear Medium Effects on Polarization in (p, 2p) Scattering at 1 GeV // Czech. J. Phvs.

C. 2002. V. 52. P. 293-300.

2) Andreev V. A., ..., Kisselev A. Yu., Kopytin M. A., Miklukho О. V. et al. Polarizations for Proton Knockout Reactions from S1/2 Orbits at 1 GeV U Phys. Rev. C. 2004. V. 69. P. 024604.

3) Miklukho О. V., ..., Kisselev A. Yu. et al. Investigation of Nuclear Medium Effect on Characteristics of Proton-Proton Scattering at 1 GeV //

PNPI High Energy Physics Division Main Scientific Activities 2002-2006. 2007. P. 184-191.

4) Miklukho О. V., Kisselev A. Yu. et al. First Precise Measurement of Polarization Correlation Parameter Cnn in Elastic pp-Scattering Using Unpolarized Proton Target and Unpolarized 1 GeV Proton Beam // Preprint PNPI-2782. Gatchina, 2008. 29 p.

5) Miklukho О. V., Kisselev A. Yu. et al. Measurement of the Polarization Correlation Parameter Cnn in the pp-Elastic Scattering with an Unpolarized Proton Target and an Unpolarized 1 GeV Proton Beam // Phys. Atom. Nucl. 2010. V. 73, № 6. P. 927.

6) Miklukho О. V., Kisselev A. Yu. et al. Polarization and Spin Correlation Parameters in Proton Knockout Reactions from 51/2 Orbits at 1 GeV // http://arxiv.org [nucl-ex] 1203.4057vl

Литература

[1] Aubert J. J. et al. (EMC) // Phys. Lett. B. 1983. V. 123. P. 275.

[2] Glashausser C. et, al. // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 58. P. 2404.

[3] Chan C. et al. // Nucl. Phys. A. 1990. V. 510. P. 713.

[4] Hausser О. et al. // Phys. Rev. С. 1991. V. 43. P. 230.

[5] Horowitz С. J., Iqbal M. J. // Phys. Rev. C. 1986. V. 33. P. 2059.

[6] Hatanaka K. et al. // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 78. P. 1014.

[7] Miller C. A. et al. // Phys. Rev. C. 1998. V. 57. P. 1756.

[8] Baker S. and Cousins R. // NIM. 1984. V. 221. P. 437.

[9] Arndt R. A. et al. // Phys. Rev. C. 2007. V. 76. P. 025209.

[10] Chant N. S., Ross P. G. // Program THREEDEE. 1998. 31 p.

[11] Brown G. E., Rho M. U Phys. Rev. Lett. 1991. V. 66. P. 2720.

[12] Krein G. et al. // Phys. Rev. C. 1995. V. 51. P. 2646.

Отпечатано в типографии ФГБУ «ПИЯФ»

188300, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 93, тир. 100, уч.-изд. л. 1; 16.04.2012 г.

61 12-1/936

Федеральное государственное бюджетное учреждение

КИСЕЛЁВ Александр :

Исследование поляризации в реакции (р, 2р) с протонами Б-оболочек ядер 61л, 12С, 2881 и 40Са

при энергии 1 ГэВ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

«Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова»

УДК 539.12

Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук Миклухо О. В.

Гатчина 2012

Potius sero, quam nunquam

Оглавление

Введение 3

1 Экспериментальная установка 11

1.1 Протонный пучок синхроциклотрона ПИЯФ.............11

1.2 Мишенное устройство....................................................15

1.3 Двухплечевой спектрометр..............................................16

1.4 Монитор светимости...........................21

1.5 Электронно-измерительная система..................21

2 Методика обработки экспериментальных данных 33

2.1 Трековая реконструкция и расчёт кинематики реакции......35

2.2 Измерение разности времён пролёта..................43

2.3 Измерение поляризации протонов...................48

2.4 Учёт фона случайных совпадений......................................55

2.5 Выстройка пропорциональных камер.................61

3 Моделирование установки методом Monte-Carlo 69

3.1 Характеристики магнитных спектрометров . . ...........71

3.2 Параметры протонного пучка.....................73

3.3 Калибровка программы реконструкции................76

4 Представление экспериментальных данных 81

4.1 Поляризация в упругом рр-рассеянии.................81

4.2 Поляризация в реакции (р, 2р).....................84

5 Исследование

систематической неопределённости измерения поляризации 94

5.1 Зависимость поляризации от входного аксептанса спектрометров . 94

5.2 Влияние выстройки пропорциональных камер............97

5.3 Оценка эффективности пропорциональных камер.......... 98

5.4 Контроль за стабильностью работы установки............ 99

5.5 Влияние фона в экспериментальном зале...............102

5.6 Интегральная оценка..........................102

6 Анализ результатов эксперимента 103

6.1 Импульсное приближение с плоскими волнами...........103

6.2 Импульсное приближение с искажёнными волнами.........105

6.3 Модель с модификацией масс нуклонов ................107

6.4 Поляризация протона отдачи......................109

6.5 Модификация свойств промежуточных бозонов...........110

Заключение 112

Литература 113

Введение

Предметом настоящей диссертации является экспериментальное исследование влияния ядерной среды на свойства адронов и параметров нуклон-нуклонного взаимодействия.

Первые экспериментальные указания на влияние ядерной среды на внутренние свойства нуклонов были получены около 30 лет назад. В экспериментах по глубоко неупругому рассеянию мюонов с энергией до 280 ГэВ на ядрах дейтерия и железа в CERN было установлено, что зависимость отношения структурных функций нуклонов F^(Fe)/F^(D) от переменной скейлинга Xßj не согласуется с представлениями о ядре, как о системе слабо связанных нуклонов, внутренние свойства которых идентичны свойствам нуклонов в свободном состоянии (так называемый ЕМС-эффект [1]).

Существуют различные теоретические модели, предсказывающие характер модификации свойств нуклонов и/или промежуточных мезонов в ядерной среде. Согласно модели [2] модификация дираковской волновой функции нуклона является следствием взаимодействия с притягивающим скалярным и отталкивающим векторным потенциалами ядра. В контексте квантовой хромодинами-ки модификация масс нуклонов и мезонов может быть следствием частичного восстановления киральной симметрии [3, 4, 5]. При этом свойства симметрии лагранжиана эффективного взаимодействия приводят к тому, что уменьшение масс должно подчиняться следующему закону [3]:

ll4»!S»i»!4JS(<l (l)

mN та тр тш т„

где /,г - константа распада пиона; гп-дг, тР1 тш и тж - массы нуклона, р, со и 7г мезонов, соответственно; та - масса эффективного скалярного мезона <т; значок "*" обозначает те же величины в ядерной среде.

Квазиупругое рассеяние протонов на ядрах

Одним из экспериментальных способов исследования влияния ядерной среды на свойства адронов является изучение квазиупругого рассеяния протонов на ядрах.

Механизм реакции при энергии налетающего протона в несколько сот МэВ хорошо описывается в рамках импульсного приближения с искажёнными волнами (£>1VIА) [6, 7, 8]. При этом протон-ядерное рассеяние в основных чертах выглядит как рассеяние на одном отдельном нуклоне. Роль остальных нуклонов ядра сводится к формированию усреднённого потенциала ядерных сил, определяющего как свойства одночастичной волновой функции нуклона, на котором произошло рассеяние, так и параметры "поглощения" налетающего протона и вторичных нуклонов. Параметры волновой функции основного состояния ядра достаточно жёстко задаются экспериментальными данными по упругому электрон-ядерному рассеянию. Оптические потенциалы извлекаются из данных по упругому нуклон-ядерному рассеянию. "Существенная" часть взаимодействия сводится к свободному нуклон-нуклонному (N14) рассеянию, параметризованному в рамках фазового анализа (см. например [9]) с использованием многочисленных экспериментальных данных по нуклон-нуклонному и мезон-нуклонному рассеянию.

Таким образом, квазиупругое рассеяние протонов на ядрах может в первом приближении рассматриваться как протон-нуклонное рассеяние в поле ядерных сил. В частности, в рамках ИШ1А поляризационные характеристики протон-ядерного рассеяния должны в основных чертах повторять нуклон-нуклонное рассеяние. При этом поляризационные переменные, такие как анализирующая способность Ау, оказываются менее чувствительными к модельным параметрам, чем дифференциальные сечения, так как в них входят отношения измеряемых величин, что приводит к частичному сокращению имеющейся неопределённости. Кроме того, как было продемонстрировано в работе [10], многократное рассеяние при энергиях порядка 1 ГэВ имеет лишь незначительное влияние на поляризационные характеристики.

Экспериментальные данные по инклюзивному рассеянию

На рубеже 90-х годов прошлого столетия было проведено несколько экспериментов по инклюзивному квазиупругому рассеянию поляризованных протонов на ядрах.

В эксперименте [11] в ЬАМРР по рассеянию поляризованных протонов на ядрах 208 РЬ при энергии 500 МэВ и средней энергии возбуждения ядра ш ~ 66 МэВ было проведено систематическое измерение параметров передачи поляризации в области квазиупругого пика. Наиболее интересным явлением оказалось то, что поляризация Р рассеянных протонов в центре квазиупругого пика оказалась на ~ 40 % меньше, чем в свободном -/УЛ^-рассеянии в сходной кинематике.

В эксперименте [12], также поставленном в ЬАМРР, в инклюзивном рассеянии протонов на ядрах 40Са при энергии 319 МэВ исследовался коэффициент переворота спина блгдг = (1 — Дл/дг)/2 в диапазоне до 40 МэВ по ш. Было показано, что нетривиальным образом отличается от случая свободного -/УТУ-рассеяния как при малых, так и при больших значениях и.

Анализ экспериментальных данных в рамках релятивистского импульсного приближения [13] показал, что наблюдаемое уменьшение поляризации может быть обусловлено влиянием ядерной среды на дираковскую волновую функцию взаимодействующих нуклонов. При этом однако не удалось описать зависимость наблюдаемого эффекта от ш. Было отмечено, что подобное изменение поляризации не предсказывалось ни одной из имевшихся на тот момент нерелятивистских теорий.

Существенное подавление поляризации Р и анализирующей способности Ау по сравнению со свободным ТУТУ-рассеянием наблюдалось в эксперименте [14] в ТШиМР на ядре

12С

при энергиях 290 и 420 МэВ и переданном импульсе q ~ 1.75 фм-1 (и ~ 80 МэВ). Упомянутая выше модель релятивистского импульсного приближения [13] успешно описала этот эффект, за исключением поведения коэффициентов передачи поляризации 0$ь и при более высокой энергии (420 МэВ). Было отмечено равенство Р и Ау в пределах ошибок измерения (что, вообще говоря, должно строго выполняться только в упругом ТУТУ-рассеянии).

В работе [15] по рассеянию поляризованных протонов на ядрах ЪАРе при

энергии 290 МэВ в ТЯШМР отмечено, что совокупность накопленных данных не описывается исчерпывающим образом в рамках как нерелятивистского, так и релятивистского импульсного приближения.

В поставленном в ЯСИР эксперименте по упругому рассеянию поляризованных протонов на ядрах 58 N1 при энергии до 400 МэВ [16] исследовалась зависимость дифференциального сечения йа/сЮ и асимметрии Ау от угла рассеяния в системе центра масс. Было показано, что использованная нерелятивистская модель [17] удовлетворительно описывает только данные по Ау при минимальной энергии (192 МэВ). Расчёты в рамках двух различных моделей релятивистского импульсного приближения [18, 19] также не смогли описать всю совокупность экспериментальных данных, в частности сечение рассеяния на углы больше 30°. В то же время удовлетворительного описания данных удалось добиться изменением констант связи а и ю мезонов в -/УЛ^-взаимодействии на ~ 25 % в рамках той же самой релятивистской модели [19].

В релятивистском подходе нуклон-нуклонные взаимодействия описываются на языке обмена промежуточными бозонами - переносчиками сильного взаимодействия. В работе [20] было продемонстрировано, что изменение свойств промежуточных мезонов может существенно влиять не только на величину сечения, но и на спиновые характеристики, такие как поляризация Р и коэффициент корреляции поляризаций Спп. Авторы отметили также, что сравнение экспериментальных данных по дифференциальным сечениям с расчётами в рамках импульсного приближения существенно затруднено сильной зависимостью последних от заложенных в модель параметров оптических потенциалов. Напротив, поляризационные характеристики оказались гораздо более устойчивыми к этим параметрам.

Корреляционные эксперименты

Заметным недостатком инклюзивных экспериментов по квазиупругому рассеянию является тот факт, что результатом измерения (в рамках импульсного приближения) является сумма вкладов от процессов рассеяния на нуклонах разных оболочек. В результате усложняется теоретическая интерпретация данных. Исследование эксклюзивного квазиупругого рассеяния на ядрах имеет существенные преимущества, поскольку кинематика реакции в этом случае строго

определена. Это даёт возможность отбирать события, связанные с рассеянием на определённых оболочках, при известном импульсе ядра-остатка. Более аккуратно могут быть учтены эффекты, связанные со сходом с массовой поверхности. Использование реакций типа (р, 2р) или (р,рп) позволяет отдельно изучать протонные и нейтронные оболочки.

В конце 90-х годов прошлого столетия с целью изучения влияния ядерной среды на свойства протон-протонного рассеяния было поставлено несколько экспериментов данного типа.

В экспериментах [21, 22] в реакции (р, 2р) с протонами ¿"-оболочек ядер вЫ, 12С, 16О и 40Са на поляризованном протонном пучке с энергией 392 МэВ в ДС-ЛГР измерялись дифференциальное сечение, асимметрия Ау и коэффициенты передачи поляризации при угле рассеяния лидирующей частицы 25° -т- 42° в лабораторной системе отсчёта. Кинематика реакции выбиралась таким образом, чтобы импульс ядра-остатка был в среднем равен 0 МэВ/с. Было отмечено существенное падение анализирующей способности в зависимости от средней плотности ядерной материи в эффективной области рр-взаимодействия.

В эксперименте [23], поставленном в ТКШМР при энергии 504 МэВ, исследовалась зависимость асимметрии Ау и коэффициентов передачи поляризации 1)55 и 1?51, в реакции (р, 2р) с протонами Р- и ¿"-оболочек ядра 16 О от энергии лидирующего протона в диапазоне углов 20° Ч- 25° в лабораторной системе отсчёта. Было отмечено, что имеющиеся модели хуже всего описывают поведение Ау и для случая ¿^/г-оболочки, волновая функция которой имеет максимум в центре ядра.

К 2000 году, когда на синхроциклотроне ПИЯФ начались эксперименты по данной тематике, наблюдался значительный дефицит данных, необходимых для дальнейшего развития теоретических моделей.

Постановка задачи

Экспериментальной задачей данной работы являлось измерение поляризации обоих вторичных протонов в реакции (р, 2р) с протонами ¿'-оболочек ядер 6Ы, 12С, 28вг и 40Са на неполяризованном пучке синхроциклотрона ПИЯФ с энергией 1 ГэВ в несимметричной по углам вылета рассеянных протонов кинематике, при нулевом импульсе ядра-остатка. Набор исследуемых ядер вы-

бирался так, чтобы обеспечить разную среднюю плотность ядерной материи в эффективной области рр-взаимодействия в широком диапазоне изменения энергии связи протона ядра.

Эксперимент в Гатчине при энергии 1 ГэВ был призван ответить на вопрос, является ли обнаруженное в более ранних эксклюзивных экспериментах в научных центрах RCNP и TRIUMF падение анализирующей способности в квазиупругом рассеянии поляризованных протонов с ростом плотности ядерной материи спецификой кинематических условий данных экспериментов (в частности, недостаточно высокой энергии пучка) или реальной манифестацией изменения фундаментальных свойств адронов в ядерной среде.

Выбор кинематики и других условий проведения эксперимента, поставленного в ПИЯФ, был обусловлен следующими соображениями:

- Протоны на ^-оболочках ядер могут считаться неполяризованными, что упрощает связь между поляризационными наблюдаемыми в (р, 2р) реакции и в свободном нуклон-нуклонном рассеянии. В случае оболочек с орбитальным моментом L Ф 0 протоны в реакции (р, 2р) имеют т.н. эффективную поляризацию [24], что затрудняет модельное рассмотрение.

- Сравнение с теоретическими моделями упрощается также и потому, что кинематика реакции с точностью до сдвига, вызванного конечной энегией связи выбиваемого нуклона в ядре, близка к кинематике свободного рр-рассеяния. Off-shell эффекты при энергии пучка ~ 1 ГэВ должны быть малы [25, 26].

- При энергии налетающих протонов ~ 1 ГэВ вклад многократного рассеяния (т.н. multi-step процессов) должен быть заметно подавлен по сравнению с типичными энергиями в несколько сот МэВ, при которых проводились предыдущие эксперименты (см. например [10]).

- Одновременное измерение поляризации лидирующего протона и протона отдачи, имеющих существенно разную энергию, позволяет экспериментально контролировать эффект деполяризации вторичных протонов в ядерной среде.

- При нулевом импульсе ядра-остатка имеется возможность произвести

модельную оценку плотности ядерной материи в эффективной области рр-взаимодействия (см. более подробно [21]).

- Сечение выбивания протона с ¿-оболочки имеет максимум при нулевом импульсе ядра-остатка. Напротив, вклад оболочек с ненулевым орбитальным моментом должен быть подавлен.

- Как показано в [23], при нулевом импульсе ядра-остатка должна быть меньше неопределённость, связанная с выбором параметров оптических потенциалов.

Состав и структура диссертации

Основу настоящей диссертации составляют материалы, опубликованные в работах [27, 28, 29] и обзорной статье [30]. Экспериментальные данные были набраны в серии измерений, проведённых в 2000-2010 гг. Методика обработки частично изложена в работах [31, 32].

Экспериментальная установка и схема обработки данных претерпели существенные изменения за прошедший период времени. Ниже приведены наиболее значимые этапы модернизации:

- В 2001 г. offline1 программное обеспечение эксперимента переведено на платформу Linux. Алгоритмы обработки событий написаны на языке С с использованием библиотек CERNLIB [33], включая пакеты MINUIT [34] и GEANT3 [35].

- С 2006 г. DAQ2 эксперимента реализована в виде пакета модулей ядра и пользовательских программ под операционной системой Linux.

- В 2007 г. система считывания пропорциональных камер CROS1 заменена на более производительную версию CROS3 [36].

- В 2008 г. в поляриметры спектрометров МАП и НЭС включены 4 дополнительные пропорциональные камеры для более эффективного отбора событий с высокой множественностью.

1 относящийся к обработке экспериментальных данных по окончании сеанса измерения

2data acquisition, система набора и считывания информации в эксперименте

- В 2009 г. для повышения разрешения по разности времён пролёта вторичных протонов в спектрометрах МАП и НЭС произведена модернизация сцинтилляционных счётчиков триггерной системы. В систему считывания включён многоканальный TDC в стандарте VME.

В тексте диссертации как правило описывается состояние эксперимента на момент проведения сеансов 2009-2010 гг., в которых была набрана большая часть полезной статистики. Проводится анализ совместности экспериментальных данных, набранных в различных сеансах на одних и тех же ядрах в сходных кинематических условиях.

Диссертация состоит из данного введения, шести глав и заключения. В конце приводится список литературы. Изложение построено следующим образом:

- В первой главе описывается устройство протонного пучка ускорителя ПИЯФ и схема экспериментальной установки, включая систему считывания информации и контроля за набором данных. Рассма�