Исследование рождения пи-мезонов при взаимодействии протонов с ядрами в области промежуточных энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

ГУБЕР Фёдор Фридрихович

ИССЛЕДОВАНИЕ РОЖДЕНИЯ ПИ-МЕЗОНОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПРОТОНОВ С ЯДРАМИ В ОБЛАСТИ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЭНЕРГИЙ

01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-1998

Работа выполнена в Институте ядерных исследований РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор А.Б.Курепин

Официальные оппоненты: док-гор физико-математических наук

А.И.Малахов

доктор физико-математических наук В.Г.Нвдорезов

Ведущая организация: РНЦ «Курчатовский институт»

Защита состоится"_ 1998 г. в часов

на заседагаш диссертационного совета Д 003.21.01 Института ядерных исследований РАН (117312, Москва, проспект 60-летия Октября, д.7а)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН Автореферат разослан "

м -

¿£/Cf МЯ^У^ 1998 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Б.А.Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В последние годы появился целый ряд экспериментов, в которых при исследовании различных реакций, в частности, реакции двойной перезарядки пионов, наблюдались достаточно узкие структуры в функции возбуждения ядер при очень высоких (более 100 МэВ) энергиях возбуждения. Экспериментальное наблюдение узких максимумов в спектрах возбуждения ядер при таких больших энергиях не находит объяснения в традиционных моделях атомного ядра, связанных с однонуклонными и коллективными многонуклонными состояниями, и может свидетельствовать о проявлении ненуклонных степеней свободы. Поскольку ширина таких резонансов составляет несколько МэВ, их интерпретация как барионных состояний в ядрах возможна лишь при условии изменения свойств барионных состояний в ядерной материи. При значительной энергии связи барионных состояний в ядрах сдвиг их эффективной массы может приводить к существенному уменьшению их ширины.

Экспериментальное наблюдение таких резонансов является чрезвычайно трудной задачей. Для их исследования необходимо выбирать такие реакции и такую постановку экспериментов, в которых фоновые нерезонансные процессы были бы сильно подавлены. Рождение пионов при взаимодействии протонов с ядрами является одной из подходящих для этой цели реакций, т.к. является реакцией с большой передачей импульса и должно быть чувствительно к структуре ядра на малых расстояниях и к нуклон-нуклонным корреляциям в ядре. Однако, детальный анализ этой реакции при энергиях налетающих протонов 600-800 МэВ показал, что в этой области энергий энергетические спектры пионов достаточно хорошо описываются с учётом взаимодействия налетающего протона с отдельными нуклонами адра. При энергиях налетающих протонов меньше 400 МэВ, рождение пионов с энергией больше 30 МэВ кинематически запрещено для реакции образования пионов под углом больше 90 при взаимодействии

протона со свободным нуклоном. Ферми движение нуклона в ядре несколько уменьшает это ограничение, но, тем не менее, дифференциальное сечение рождения пионов остается достаточно небольшим и не превышает нескольких мкбн/МэВ/ср.

Это сечение сравнимо с сечением реакции двойной перезарядки пионов на ядрах при низких энергиях пионов, которая, как известно, также представляет собой уникальное средство для исследования корреляций между двумя нуклонами в ядре на малых расстояниях. Обнаруженный в функции возбуждения реакции двойной перезарядки пионов узкий пик при энергии пионов 50 МэВ не описывается в рамках стандартных моделей с учётом поглощения и перерассеяния пионов. Для его объяснения М.Щепкиным и др. была предложена модель, которая описывает поведение функции возбуждения в области энергии пионов 50 МэВ как возбуждение дибарионного резонанса с массой 2,063 ГэВ в системе ¡tNN. Этот дибарнон, названный сГ, рассматривается как ненуклонное Jp = 0 возбуждённое состояние дейтрона с энергией возбуждения 190 МэВ и шириной около 0,5 МэВ.

Существование узких дибарионов с массами 2,063 — 2,143 ГэВ интенсивно обсуждается в литературе. Предсказывается, что любая КХД модель структуры адрона должна с необходимостью приводить к существованию таких дибарионов. Тот факт, что эти резонансы распадаются практически исключительно по ícNN каналу и имеют малые ширины, делает их экспериментальное наблюдение достаточно сложным. Эксперимент по поиску d' в реакции рр -» á'n+, с распадом d' —> тс'рр был проведён недавно в Упсале (Швеция) на ускорителе CELSIUS. Энергия протонов 730 МэВ, при которой проводился этот эксперимент, лишь ненамного превышает порог этой реакции 710 МэВ). В спектре инвариантных масс я' рр был обнаружен узкий пик, соответствующий массе 2,063 ГэВ со статистическим отклонением 4сг от плавного нерезонансного фона.

Порог образования этого резонанса в реакции pCu—* п~ d'X составляет

около 340 МэВ. Можно ожидать, что эффект рождения дибариона d' в этой реакции может проявиться при детальном исследовании функции возбуждения ядер и анализе формы полученных энергетических спектров пионов и в реакции рСи—> ж'Х в этой области энергий протонов.

Таким образом, детальное исследование функции возбуждения и формы пионного спектра в области энергий протонов 340 - 360 МэВ в реакции рА—* зг+Х может позволить выделить даже очень небольшой вклад из-за других возможных каналов образования пионов как за счёт пороговых эффектов рождения пионов на кластерах в ядре, так и за счёт возможного изменения свойств пион-нуклонных резонансов в ядре, а также других механизмов образования пионов.

И, действительно, в ряде экспериментов, проведённых в Дубне и Сакле (Франция), по исследованию рождения пионов при взаимодействии протонов с ядрами меди и гафния было обнаружено усиление выхода низкоэнергетических пионов с кинетической энергией меньше 70 МэВ, вылетающих под углом 90° при энергии протонов 348-350 МэВ. Экспериментальное ограничение на ширину этого резонанса в функции возбуждения ядра составляет < 5 МэВ. Следует отметить, что в двух других экспериментальных работах, выполненных на мезонной фабрике TRIUMF и на ускорителе CELSIUS, также наблюдалась нерегулярность в поведении функции возбуждения при энергиях протонов около 350 МэВ, но статистически значимого эффекта при этих энергиях налетающих протонов не обнаружено. Необходимы новые эксперименты, которые позволили бы получить надёжные экспериментальные доказательства существования этого эффекта в реакции рСи—»л+Х.

Целью диссертационной работы является получение экспериментальных данных по рождению л' - мезонов под углом 90 в столкновениях протонов с ядрами меди с высокой статистической точностью и с малыми систематическими погрешностями и исследование функции возбуждения ядра при энергии налетающих протонов 340 - 364 МэВ с шагом по энергии налетающих протонов 1-2 МэВ.

Научная новизна работы состоит в детальном измерении и исследовании поведения функции возбуждения в реакции рСи —> л+Х. Подтверждено существование узкой резонансной структуры в функции возбуждения этой реакции при энергии протонов 348 - 350 МэВ. Показано, что эта резонансная структура обусловлена усилением выхода низкоэнергетичных пионов.

Практическая ценность данной работы заключается в следующему

- создана экспериментальная зона в конце туннеля линейного ускорителя Московской мезонной фабрики, включающая канал транспортировки протонов, магнитный спектрометр CI.AM.SUD для регистрации пионов, систему диагностики пучка, систему радиационного контроля и необходимую инфраструктуру для проведения различных экспериментов в этой зоне с низкоинтенсивным пучком протонов с энергией до 600 МэВ;

- разработана процедура вывода низкоинтенсивного протонного пучка на мишень с плавным изменением энергии протонов в диапазоне от 340 до 364 МэВ;

- разработана методика измерений сечений рождения пионов с помощью магнитного спектрометра (ХАМБИГО в условиях высоких фоновых загрузок детекторов;

- измерены двойные дифференциальные сечения рождения пионов на ядре меди под углом 90 при энергии налетающих протонов в диапазоне от 340 до 364 МэВ с шагом 1 -2 МэВ.

Апробация работы: Результаты, положенные в основу диссертации, докладывались на научных семинарах ИЯИ РАН; ОИЯИ, г.Дубна; сессиях Отделения ядерной физики АН СССР ( ИТЭФ, 1996 г.); на семинарах и программных комитетах в ТШЦМР (Канада), 1996 г.; в ШКЕЫ (Япония), 1997 г.; в 1№1\;, отделение Катания (Италия), 1997 г.; на международных конференциях "Применение ускорителей в исследованиях и индустрии", (Дентон, США) 1995, 1996 гг.); международном симпозиуме по проблемам модульных ИБС и сетей (Санкт-Петербург, 1996г.) и опубликованы в 9

работах.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методические результаты:

- '"создание экспериментальной зоны в конце туннеля линейного ускорителя Московской мезонной фабрики для проведения экспериментов с низкоинтенсивным пучком протонов в диапазоне энергий налетающих протонов до 600 МэВ;

- методика вывода низкоинтенсивного пучка протонов на исследуемую мишень с плавным изменением энергии в диапазоне от 340 до 364 МэВ;

- методика измерений сечений рождения пионов в реакции рСи—► я+Х с помощью магнитного спектрометра СЬАМБЦО в условиях высоких фоновых загрузок детекторов.

2. Экспериментальные результаты:

- измерение сечений рождения мезонов под углом 90 при взаимодействии протонов с ядрами меди в диапазоне энергий от 340 до 364 МэВ с шагом 1 - 2 МэВ, позволившее подтвердить существование узкой резонансной структуры в функции возбуждения ядра при энергии протонов 348 - 350 МэВ;

- анализ формы спектров пионов в этой области энергий налетающих протонов, показавший, что резонансная структура в функции возбуждения обусловлена усилением выхода низкоэнергетичных пионов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Изложена на 123 страницах, включая 36 рисунков, 6 таблиц и список литературы, в который входят 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная и практическая ценность решаемых в диссертации задач. Отмечена специфика реакции рождения пионов в протон-ядерных взаимодействиях для исследования узких структур в функции возбуждения ядер при очень высоких энергиях возбуждения, которые наблюдались в ряде экспериментов при энергии

протонов около 350 МэВ. Реакция рождения пионов при взаимодействии протонов с ядрами является реакцией с большой передачей импульса. Поэтому она должна быть чувствительна к структуре ядра на малых расстояниях и к нуклон-нуклонным корреляциям в ядре. При этом важным фактором является правильный выбор процессов и кинематических условий, при которых эти эффекты могут проявиться. Рождение пионов под углом 90° на ядре меди при энергии протонов в области 350 МэВ позволяет существенно подавить фоновые процессы, т.к. выход пионов в взаимодействии при этом сильно подавлен. Поэтому даже небольшой вклад из-за других возможных каналов образования пионов может проявиться при исследовании функции возбуждения ядра в этой реакции.

Отмечается, что узкие структуры в функции возбуждения ядер наблюдались и в других реакциях. В частности, в реакции двойной перезарядки пионов на ядрах при энергии пионов 50 МэВ наблюдается узкий пик в функции возбуждения целого ряда ядер, который не описывается в рамках стандартных моделей. Для его объяснения М.Щепкиным и др. была предложена модель, которая описывает поведение функции возбуждения в области энергии пионов 50 МэВ как возбуждение дибарионного резонанса в системе яКМ, названного сГ. Подчёркивается, что порог образования этого резонанса в реакции (р, % <Г) на ядре меди составляет около 340 МэВ и наблюдение таких резонансных структур в протон-ядерных взаимодействиях возможно при детальном исследовании функции возбуждения ядер в этой области энергий протонов и анализе формы энергетических спектров пионов.

Сформулированы цель и задачи работы. Дана краткая характеристика диссертации и основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе, состоящей из двух разделов, даётся подробный анализ современного состояния исследования аномального рождения пионов при взаимодействии протонов с ядрами в области энергии протонов 350 МэВ. В первом' разделе приводятся результаты существующих экспериментов по измерению функции возбуждения ядер в этой области энергии налетающих

8

протонов и обсуждаются сигналы, свидетельствующие о наличие узкой резонансной структуры в функции возбуждения ядра при энергиях около 348-350 МэВ. Показано, что в ряде экспериментов, проведённых в Дубне и Сакле, наблюдается статистически значимый эффект в функции возбуждения ядер при этих энергиях протонов, который проявляется в виде усиления выхода низкоэнергичных пионов. В ряде других экспериментов, проведённых на мезонпых фабриках TRIUMF в Канаде и PSI в Швейцарии, а также, совсем недавно, на ускорителе CELSIUS в Швеции, статистически значимого эффекта не обнаружено, хотя и наблюдается нерегулярность в поведении функции возбуждения в области энергии протонов 350 МэВ.

Во втором разделе, обсуждаются имеющиеся теоретические модели для описания свойств наблюдаемой на эксперименте аномалии в поведении спектров пионов при энергии налегающих протонов 350 МэВ.

Во второй главе, состоящей из пяти разделов, приводится описание экспериментальной установки и детектирующей аппаратуры. Для проведения данного эксперимента была создана специальная экспериментальная зона в конце туннеля линейного ускорителя Московской мезонной фабрики. Она состоит из канала транспортировки протонов, магнитного спектрометра CLAMSUD для регистрации пионов, системы диагностики и мониторирования пучка в экспериментальной зоне и системы автоматизированного контроля гамма излучения и нейтронов.

Канал транспортировки пучка прогонов из линейного ускорителя мезонной фабрики на мишени Т1 и Т2 экспериментальных установок показан на рис. 1. В состав электромагнитного оборудования канала входят дипольные магниты Ml и М2, квадрупольные линзы Q1-Q3 и корректирующий диполышй магнит КМ. Каждый из магнитов Ml и М2 отклоняет пучок протонов в горизонтальной плоскости на угол 8°. В качестве линзы Q1 используется одна из линз дублета 4,5К20х2-2200 линейного ускорителя. Градиент соля в этой линзе устанавливался так, чтобы отклонение пучка на мишени Т1 и Т2 осуществлялось бездисперсным образом. Линзы Q2 и Q3 конструктивно объединены в дублет. Градиенты в

этих линзах можно изменять независимо, и с помощью этих линз пучок протонов фокусировался на мишень. Корректор КМ позволял создавать в рабочем объеме этого магнита поле до 0.0075 Тл и обеспечивал небольшое независимое отклонение пучка по вертикали и горизонтали. С помощью этого магнита корректировалось положение пучка на мишени.

Согласование эммитанса пучка линейного ускорителя с аксептансом канала, обеспечивающее минимальные потери частиц и приемлемые фоновые условия на экспериментальных установках, осуществлялось подбором градиентов в дублетах линз D1-D3. Управление токами в магнитах Ml, М2, Q2, Q3, корректоре осуществлялось дистанционно из контрольно-измерительного помещения. Управление токами в линзе Q1, дублетах D1 -D3 - непосредственно со стоек питания в галерее источников питания линейного ускорителя.

Оптика канала транспортировки рассчитывалась с помощью программ TRANSPORT и DECAY TURTLE. Проведённые расчёты показали, что при энергии протонов около 350 МэВ, выбранная оптическая схема канала транспортировки позволяет с приемлемым уровнем потерь провести и сфокусировать пучок на мишени с диаметром менее 3 мм.

Для регистрации пионов, образующихся в реакции рСи —> п+Х, использовался магнитный спектрометр CLAMSUD, который был предоставлен итальянскими участниками эксперимента (Национальный институт ядерной физики, отделение Катании и Университет Катании, Италия). Схема магнитного спектрометра CLAMSUD представлена на рис. 2. Он состоит из дипольного магнита, двух дрейфовых камер MW1 и MW2 и двух плоскостей сцинтилляционных годоскопов В и С, расположенных за фокальной плоскостью спектрометра, а также сцинтилляционного годоскопа А, установленного перед магнитом спектрометра. Магнит спектрометра установлен на поворотной платформе так, что плоскость отклонения магнита, т.е. плоскость в которой осуществляется импульсный анализ, -вертикальная, а плоскость, в которой происходит вращение спектрометра, т.е. плоскость рассеяния, - горизонтальная. Дипольный магнит имеет

специальную непараллельную конфигурацию полюсов, позволяющий фокусировать заряженные частицы в обеих плоскостях с достаточно большим угловым и импульсным захватами спектрометра. Описывается процедура расчёта с использованием программы GEANT и ряда магнитооптических программ основных параметров магнитного спектрометра, таких как положение фокальной плоскости, зависимости телесного угла от импульсного захвата спектрометра и других характеристик спектрометра.

Приводится детальное описание сцинтилляционых годоскопов, конструкции дрейфовых камер и их основные параметры.

Метод идентификации частиц основан на измерении их времени пролета между сцинтилляционными детекторами, установленными перед магнитом и соответствующими сцинтилляционными детекторами за фокальной плоскостью спектрометра. Времяпролётная база составляла около 2,5 м., что позволило надёжно идентифицировать пионы при большом уровне фоновых загрузок детекторов.

Импульс пиона определялся по координате частицы в фокальной плоскости спектрометра, измеренной с помощью дрейфовых камер. Кроме того, с помощью дрейфовых камер измерялись угловые распределения частиц в фокальной плоскости спектрометра, что позволило уменьшить фон мюонов от распада пионов на лету и фон случайных совпадений в фоновой подложке времяпролетных спектров пионов.

Подробно описана схема формирования триггера и система сбора и обработки экспериментальных данных спектрометра CLAMSUD. Сигналы с фотоумножителей сцинтилляционных годоскопов поступали на входы формирователей с постоянным порогом и, затем, на схемы совпадений для выработки триггера. При моделировании прохождения частиц через CLAMSUD с использованием программы GEANT2 было показано, что при заданной геометрии расположения детекторов фокальной плоскости срабатывание одного из детекторов плоскости В сопровождается срабатыванием одного из трёх соответствующих детекторов плоскости С.

Это свойство использовалось для организации триггера. Совпадения между сигналами, приходящими от каждого из сцинтилляционных детекторов в плоскости В, с соответствующими сигналами со сцинтилляционных детекторов в плоскости С, объединялись посредством логического "ИЛИ" и полученный сигнал поступал, затем, на совпадение с сигналом от одного из стартовых сцинтилляционных детекторов А при условии отсутствия сигналов VETO от камер и системы считывания. Длительность сигналов и соответствующие задержки подбирались таким образом, чтобы иметь совпадение от сигналов, соответствующих прохождению пиона через спектрометр.

Система сбора и обработки экспериментальных данных спектрометра CLAMSUD обеспечивала считывание амплитудной и временной информации с 24 сцинтилляционных детекторов годоскопов В и С, 4 сцинтилляционных детекторов годоскопа А, информации с дрейфовых камер и системы мониторирования протонного пучка.

Преобразование временной и амплитудной информации с детекторов в цифровую осуществлялось с помощью 8-входовых 12-битных преобразователей время-цифра 2228A TDC - Le Сгоу и 12 -входовых 11 битных 2249А ADC Le Сгоу, соответственно.

Система ЬСАМАК Le Сгоу 4290 осуществляла предварительную обработку временной информации с дрейфовых камер. Эта система была установлена рядом с камерами в экспериментальной зоне.

Многопроцессорная система сбора и обработки данных построена на основе КАМАК, VME шины и компьютера Macintosh-11. Два процессора VME (16 MHz, 68020) осуществляли считывание данных в память и предварительную обработку данных в реальном времени. Мёртвое время системы считывания составляло ~ 400 мксек.

В последнем разделе второй главы приводится описание системы диагностики пучка в экспериментальной зоне. Система диагностики пучка ускорителя не рассчитана на работу ири импульсных токах меньше 1 шА. Поэтому в экспериментальной зоне использовалась специально

12

разработанная система диагностики низкоинтенсивного пучка протонов. Абсолютная интенсивность пучка измерялась цилиндром Фарадея, который был установлен в конце канала транспортировки, и служил одновременно ловушкой пучка. Измерение относительной интенсивности пучка осуществлялось посредством сцинтилляционного монитора, расположенного под углом 90° относительно пучка протонов и направленного на исследуемую мишень.

Для контроля положения пучка и его профиля на мишени в процессе настройки пучка использовалась полиэтиленовая плёнка с нанесенным слоем люминофора на основе сернистого цинка. Эта плёнка была укреплена на мишенной рамке и автоматически устанавливалась вместо мишени в камере рассеяния в процессе настройки пучка. Телевизионная камера была установлена рядом с камерой рассеяния. Визуальное наблюдение за положением пучка и его профилем на этой плёнке велось через специальное окно в вакуумной камере. После настройки канала люминофор выводился мишенным механизмом из пучка, и на его место устанавливалась исследуемая мишень.

Для минимизации потерь пучка при его выводе и настройке канала, а также для контроля потерь пучка в рабочих измерениях, использовалась специальная автоматизированная система контроля гамма излучения и нейтронов состоящая из 5 датчиков нейтронов и 5 датчиков гамма-излучения, расположенных вдоль канала транспортировки протонов.

В третьей главе, состоящей из двух разделов, излагается методика плавного изменения и измерения энергии прогонпого пучка линейного ускорителя и приводится описание разработанной методики вывода и настройки пучка заданной энергии на мишени.

Линейный ускоритель Московской мезонной фабрики является сильноточным ускорителем протонов с номинальной энергией 600 МэВ и средним током пучка до 500 микроампер. В данном эксперименте средняя интенсивность пучка не превышала нескольких сотен пикоампер, т.к. временная структура пучка (длительность макробанча 65 мксек при частоте

13

повторения макробанчей 50 Гц, а также наличие микроструктуры с длительностью микробанча 0.2 нсек при частоте повторения 198.2 Мгц) не позволяла использовать большую интенсивность из-за пиковых загрузок детекторов спектрометра.

Для измерения функции возбуждения требовалось, чтобы энергия протонов на выходе ускорителя могла меняться в интервале 340-364 МэВ с шагом 1-2 МэВ. Расчётные значения энергии пучка на выходе 20-го и 21-го резонаторов линейного ускорителя составляют 344,67 и 364,26 МэВ, соответственно. Регулирование энергии вблизи указанных значений в диапазоне от +2 МэВ до -4 МэВ обеспечивалось изменением фазы при номинальном значении амплитуды поля в резонаторе. Регулировка энергии в более широком диапазоне происходила за счёт перехода к нерезонансному режиму ускорения. Применялось комбинированное регулирование энергии пучка, как за счёт изменения амплитуды в пределах 1-0.5 от номинального значения, так и за счёт изменения фазы.

Для измерения энергии пучка использовался времяпролётный метод с использованием двух датчиков гармоник тока, один из которых установлен непосредственно на выходе резонатора N 21, а второй на выходе резонатора N 22. Расстояние между этими датчиками 12.6 м. Ошибка измерения энергии пучка данным методом составляет ~ 0.5%. Основной вклад в определение абсолютной энергии пучка вносят систематические погрешности. Среднеквадратичная величина собственной нестабильности энергии пучка составляет порядка ±1 МэВ для диапазона энергий протонного пучка 340364 МэВ.

Энергия пучка протонов измерялась для каждого значения энергии дважды - перед началом набора статистики и после его окончания. Разница между измеренными значениями энергии протонов в диапазоне 340-364 МэВ, составляла < 0.5 МэВ.

Вывод пучка с заданной энергией на мишень осуществлялся в несколько этапов. На первом этапе энергия ускорителя настраивалась на требуемую величину. Настройка происходила на частоте повторения

макроимпульсов 1 Гц и пиковым токе ~1-5 шА. При этом, первый поворотный магнит канала отключатся (для предотвращения переоблучения детекторов) и пучок направлялся в ловушку пучка, установленную на прямом' направлении. На втором этапе, после настройки и измерения энергии пучка ускорителя, интенсивность пучка понижалась практически до требуемой в эксперименте интенсивности посредством расфокусировки пучка в тракте инжекции, а затем его обрезания на круглом коллиматоре на выходе канала инжекции и на вертикальном и горизонтальном коллиматорах при энергии 160 МэВ. При этом включался первый поворотный магнит М1 канала транспортировки пучка и пучок транспортировался на исследуемую мишень Т2 и далее на цилиндр Фарадея. Частота повторения макроимпульсов последовательно поднималась до 10 и 50 Гц. Настройка канала ' заключалась в минимизации потерь пучка вдоль канала и в оптимизации положения и профиля лучка на мишени. Наблюдение за пучком велось визуально, по телевизионному изображению свечения люминофора под воздействием пучка протонов, а также по показаниям 5 датчиков нейтронов, которые были расставлены вдоль канала, и цилиндра Фарадея. На третьем этапе, после настройки канала и минимизации потерь пучка вдоль канала, люминофор выводился из пучка и на его место устанавливалась исследуемая мишень. При этом, проверялось отношение сигнал/фон по соотношению количества триггеров с мишенью и без мншени. При хорошей настройке канала это отношение составляло ~ 300-1000.

В четвертой главе, состоящей из пяти разделов, описывается методика обработки экспериментальных данных. Энергетические спектры пионов в реакции рСи -> я+Х измерялись в диапазоне энергий пионов от 15 до 120 МэВ при угле вылета пионов 90°. Чтобы перекрыть этот диапазон энергий пионов, измерения проводились для 4-х значений магнитного поля в спектрометре СЬАМ81Л), соответствующих центральным импульсам спектрометра 82,3; 122,2; 147,4 и 191,5 МэВ/с. Процедура расчёта двойных

дифференциальных сечений рождения пионов состояла из

последовательности операций, каждая из которых подробно описывается в диссертации:

- идентификация пионов по времяпролётному спектру и вычисление эффективности идентификации пионов с учётом кластерное™ событий в камерах;

- уменьшение фоновой подложки во времяпролётных спектрах пионов за счёт введения дополнительных ограничений на угловые распределения пионов в фокальной плоскости спектрометра;

- восстановление импульсных (энергетических) спектров пионов, измеренных для каждого из 4-х значений магнитного поля спектрометра;

- нормировка спектров, измеренных для каждого значения магнитного поля, с учетом "живого" времени системы сбора экспериментальных данных и поправок на распад пионов и эффективность идентификации пионов;

- «сшивка» энергетических спектров пионов, измеренных для разных значений магнитных полей спектрометра, в результате которой восстанавливался энергетический спектр пионов в диапазоне энергий пионов от 15 до 120 МэВ;

- расчёт двойных дифференциальных сечений — рождения

сИ'.сК^

пионов.

Приводятся табличные значения двойных дифференциальных сечений реакции рСи —> 71+Х при угле рождения пионов 90. На рис.3 показаны зависимости двойных дифференциальных сечений рождения пионов в этой реакции при угле вылета пионов ©, =90° от энергии пионов для четырёх значений энергий налетающих протонов - 340, 348, 350 и 356 МэВ. Статистические ошибки в сечениях не указаны, чтобы не усложнять рисунок. Но они ненамного превышают размер используемых на рисунке символов и составляют около 3 % в максимуме спектра и около 5 - 7% на его краях. Анализ вклада статистических и систематических ошибок в величины измеренных сечений приводится в последнем разделе этой главы.

В пятой главе, состоящей из четырёх разделов, проводится анализ и обсуждение полученных экспериментальных спектров. Анализируются зависимости от энергии налетающих протонов дифференциальных сечений и отношений дифференциальных сечений, измеренных для энергетических диапазонов пионов 15 - 30 , 35 - 60, 50 - 80 и 75 - 120 МэВ. Показано, что в области энергий налетающих протонов 340 - 364 МэВ полученные сечения

¿а

рождения пионов плавно растут с ростом энергии протонов, за

исключением области энергий 348 - 350 МэВ, в которой наблюдается заметное (до 30%) усиление этих сечений. На рис. 4, в качестве примера, показана зависимость дифференциального сечения рождения к мезонов от энергии налетающих протонов для диапазона энергий пионов 35 - 60 МэВ. Прямая линия - аппроксимация этой зависимости линейной функцией (без учёта экспериментальной точки при 348 МэВ). Отклонение точки при 348 МэВ от этой линейной зависимости составляет около 10 стандартных ошибок. Аналогичное поведение наблюдается и для всех других энергетических диапазонов пионов, при которых проводились измерения.

Анализ отношений дифференциальных сечений, измеренных для разных диапазонов энергий пионов, показал, что наблюдаемое усиление отношений дифференциальных сечений при энергии налетающих протонов около 350 МэВ обусловлено усилением выхода низкоэнергетичных пионов в этой области энергии протонов.

Систематические ошибки в измерениях дифференциальных сечений составляли около 7%, а в отношениях сечений - около 10-12%, и связаны, в основном, с нормировкой спектров. Для уменьшения влияния систематических ошибок был проведён анализ формы энергетических спектров пионов в зависимости от энергии налетающих протонов для двух диапазонов энергий пионов: 50 - 80 и 75 - 120 МэВ. Эти энергетические диапазоны делились на две части и вычислялись отношения выходов пионов в этих частях спектра. При этом, систематическая ошибка, связанная с нормировкой спектров, исключается. Полученные отношения выходов

пионов, как функция энергии налетающих протонов, показаны на рис. 5. Видно, что в области энергии протонов 350 МэВ наблюдается статистически значимое отклонение от плавного поведения, что, в свою очередь, свидетельствует об усилении выходов низкоэнергетичных пионов при этих энергиях протонов. Для диапазона энергий 75 - 120 МэВ показаны результаты измерений, полученные в двух независимых сеансах. Видна хорошая повторяемость значений отношений, полученных в этих измерениях, кроме значения отношения при энергии протонов 350 МэВ. Такое поведение можно объяснить, если предположить наличие узкой резонансной структуры в области энергии протонов 350 МэВ. При этом, надо учесть, что точность установки энергии протонного пучка составляла около 0,5 МэВ, а с учетом собственного энергетического разброса пучка - +1 МэВ. Систематическая ошибка в вычислении данных отношений не превышает, по оценкам, 5%.

Была проведена оценка статистической значимости полученных при энергии протонов 350 МэВ отклонений этих отношений выходов пионов от плавной зависимости. Показано, что вероятность отклонения этого отношения ог плавной зависимости из-за статистических флуктуаций числа пионов в "мягкой" и "жёсткой" частях спектра пионов крайне мала. Исследовалось также возможность влияния на эти отношения смещения положения пучка на мишени в процессе измерений. Показано, что наблюдаемый эффект нельзя объяснить нестабильностью положения пучка на мишени.

Использовался и другой метод анализа формы энергетических

спектров пионов. Инвариантное сечение Е ^ а для двух диапазонов

<ХЕ<К1

энергий пионов: 50 - 80 и 75 - 120 МэВ. апроксимировалось функцией а ■ е~"т° , где Г-кинетическая энергия пиона, а а и Г,- параметры. Следует отметить, что эта апроксимация также не зависит от нормировки спектра пионов и, следовательно, от соответствующих систематических ошибок. При энергии протонов 350 МэВ также наблюдается статистически значимое

отклонение параметра Т„ от плавной зависимости, а полученное при этой энергии протонов значение параметра 7^-16,1 ± 1,0 МэВ совпадает со значением, полученным ранее в экспериментах в Дубне и Сакле.

В последнем разделе этой главы приводится сравнение полученных экспериментальных данных с данными других экспериментов и с существующими теоретическими моделями. Для описания свойств этого эффекта, и в первую очередь малой ширины резонансной структуры в функции возбуждения ядра, имеется несколько моделей. Показано, что свойства наблюдаемой резонансной структуры достаточно хорошо описываются в модели, предложенной А.Курепиным и К.Оганесяном, в которой резонансное усиление выхода низкоэнергетичных пионов описывается посредством образования и распада высоковозбуждённого ядерного состояния с испусканием двух пионов. Полученные экспериментальные данные не противоречат также моделям образования локализованного состояния Д-изобары и образования связанной Куперовской пары в ядре. Предложена гипотеза о возможной интерпретации наблюдаемого эффекта через образование и распад дибариона с!. Обсуждается ряд предложений по исследованию наблюдаемого эффекта в других экспериментах.

В заключении сформулированы следующие основные выводы диссертации:

1. Создана экспериментальная зона в конце туннеля линейного ускорителя Московской мезонной фабрики для проведения экспериментов с низкоинтенсивным пучком протонов в диапазоне энергий налетающих протонов до 600 МэВ.

2. Разработана методика вывода низкоинтенсивного пучка на исследуемую мишень с плавным изменением энергии протонов в диапазоне 340-364 МэВ.

3. Разработана методика измерений сечений рождения пионов с помощью магнитного спектрометра СЬАМЗПО в условиях высоких фоновых загрузок детекторов, что позволило получить надёжные экспериментальные данные.

4. Измерены двойные дифференциальные сечения рождения тС мезонов при взаимодействии протонов с ядрами меди в диапазоне энергий от 340 до 364 МэВ с шагом 1-2 МэВ. Подтверждено с хорошей статистической точностью существование узкой резонансной структуры в функции возбуждешм ядра при энергии протонов 348 - 350 МэВ с шириной менее 4 МэВ.

5. Проведён анализ формы спектров пионов в зависимости от энергии налетающих протонов. Показано, что наблюдаемая в функции возбуждения резонансная структура обусловлена усилением выхода низкоэнергетичных пионов.

6. Форма спектров пионов и абсолютные значения двойных дифференциальных сечений рождения пионов в реакции р + Са +Х , хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными в экспериментах в Сакле.

7. Показано, что полученные экспериментальные данные могут быть описаны в модели основанной на гипотезе о существовании узких высоковозбуждённых состояний ядер, которые могут распадаться с испусканием двух пионов, а также моделью, основанной на гипотезе о формировании Л - болла в ядрах.

8. Для объяснения аномального поведения функции возбуждения в реакции р + Си-^к* +Х, предложена гипотеза о резонансном образовании и распаде дибариона сГ в реакции двойного пионообразования при взаимодействии протонов с энергией 350 МэВ с ядрами меди.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ф.Ф.Губер и др., "Проект установки для исследования рождения пионов на ядрах в нуклон-ядерных взаимодействиях" В сб.: Международный

семинар по физике промежуточных энергий, ноябрь 27 - 30 1989 г., М., 1990, стр.131.

2.-Badala et al., "Preliminary results with the CLAMSUD pion spectrometer at the Moscow Meson Factory", Nucl. Instrum. and Meth. B99(l995) p.657.

3. В.Н.Асеев ... Ф.Ф.Губер и др., "Исследование рождения положительно заряженных пионов в реакции рСи - > л' X в области энергии пионов 350 МэВ", препринт ИЯИ -0965/97, ноябрь 1997 г.

4. A.Anzalone, ... F.F.Guber et al., "Architecture and performance of the CLAMSUD data acquisition and control system", Труды международного симпозиума по проблемам модульных ИБС и сетей,, 1996, стр. 187.

5. A.Badala, ... F.Guber et al., "Pion production from proton-nucleus collisions: recent results at the Moscow Meson Factory", CP392, Application of Accelerators in Research and Industry, ed. By J.L.Duggan and I.L.Morgan, AIP Press, New York, 1997, p.293.

6. V.Aseev, ...F.Guber et al., "Search for a narrow resonance structure in pion production from p+Cu near 350 MeV", Phy.Rev. C56(1997) p.R596.

7. В.Н.Асеев ... Ф.Ф.Губер и др., "Исследование рождения положительно заряженных пионов в реакции рСи в области энергии пионов 350 МэВ", принята к публикации в журнале "Ядерная физика", 1998.

8. S.Yen, ... F.Guber et al., "Search for the d* and d dibarions in p+d", in Proceedings of 7-th Intern. Symposium on Meson-Nucleon Physics and the Structure of the Nucleón, Vancouver, Canada, July 28 - August 1, 1997, p.254.

9. V.Aseev,.....F.Guber et al., "Anomaly structure in pion production on

nuclei at proton energies near 350 MeV", International Nuclear Physics Conference, August 24-28, 1998, France, Paris, Abstract of contributed papers, p.72.

-^/////////^/////////////////^^^^

Рис 1. Схема расположения магнитного спектрометра С1АМЭио в экспериментальной зоне в конце туннеля линейного ускорителя Московской мезонной фабрики. М1,М2 - дипольные магниты канала транспортировки протонов на мишени Т1 и Т2, 01-03 - квадрупольные линзы канала транспортировки, КМ - корректирующий магнит, РС -цилиндр Фарадея, МЭ -магнитный спектрометр СЬАМвиО, 00-04, - квадрупольные дублеты линейного ускорителя, ВБ- ловушка пучка, И-13 - квадрупольные линзы канала транспортировки пучка в основной экспериментальный зал.

Рис 2. Схема магнитного спектрометра С1_АМЗио. ЭС - камера рассеяния с мишенью Тг, А, В и С - сцинтилляционные годоскопы спектрометра, МММ и MW2 - дрейфовые камеры.

10

к1й О

* кг

о ф

К

п в X

в

о

-г-1-1-1-1-1-г-

"I—I-1-г-

о 340 МэВ

а 348 МэВ

х 350 МэВ

© 356 МэВ

□ *

х

® р

X

0 ® а

Х г,

о к х в

О X

о

о

о я о

В

ОХ ^ й

I О о

_1_I ' ' I_I_1_1_1

25

50

75

100 125

Т*, МэВ

I—I—I—I

| 1

□

□

8

□

В

'4

□

К

6

о

о

4

2

1_I ,1

Рис. 3. Зависимость двойных дифференциальных сечений £ а

аТ^аО

рождения я* мезонов от энергии пионов в реакции рСи -> п при угле вылета пионов 90° для энергий налетающих протонов 340, 348, 350 и 356 МэВ.

Тр, МэВ

Рис. 4. Зависимость дифференциального сечения --- рождения

¿¡О.

я* мезонов от энергии налетающих протонов для диапазона энергий пионов 35 - 60 МэВ. Прямая линия - алроксимация этой зависимости линейной функцией.

340

345

350

355

360

365 Тр, МэВ

4.

3.5 3

- 2.5 а

2 1.5 1

340

350

355

360

365 Тр, МэВ

Рис. 5. Отношения 11; выходов пионов в зависимости от энергии налетающих протонов, измеренные при центральных импульсах спектрометра 147,4 МэВ/с (а) и 191,5 МэВ/с (б).

¿У/ -

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

ГУБЕР Фёдор Фридрихович

ИССЛЕДОВАНИЕ РОЖДЕНИЯ ПИ-МЕЗОНОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ПРОТОНОВ С ЯДРАМИ В ОБЛАСТИ ПРМЕЖУТОЧНЫХ ЭНЕРГИЙ

01.04.16. - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор А.Б.Курепин

Москва - 1998

Содержание

*

Введение 3

Глава 1. Современное состояние исследования рождения пи-мезонов при взаимодействии протонов с ядрами в области энергии 350 МэВ 12

1.1 Экспериментальный статус проблемы......................................... 12

1.2 Интерпретация аномального рождения пионов в протон-ядерных взаимодействиях в области энергий протонов 350 МэВ................... 27

Глава 2. Постановка эксперимента 33

2.1 Экспериментальная зона в конце туннеля линейного ускорителя Московской мезонной фабрики......................................................34

2.2 Канал транспортировки протонов...............................................35

2.3 Магнитный спектрометр СЬАМБХЮ........................................... 38

2.3.1 Результаты моделирования основных параметров спектрометра... 40

2.3.2 Детекторная система магнитного спектрометра СЬАМБ!®..........45

2.3.2.1 Сцинтилляционные детекторы спектрометра........................45

2.3.2.2 Дрейфовые камеры спектрометра.......................................46

2.4 Формирование триггера спектрометра.........................................51

2.5 Организация системы сбора и обработки экспериментальных

данных................................................................................53

2.6 Система диагностики пучка в экспериментальной зоне....................57

2..6.1 Система измерения интенсивности пучка и контроля его

положения на мишени........................................................ 57

2.6.2 Цилиндр Фарадея.............................................................. 59

2.6.3 Сцинтилляционный монитор................................................61

2.6.4 Автоматизированная система радиационного контроля гамма излучения и нейтронов..........................................................62

Глава 3. Методика вывода и настройки пучка протонов

линейного ускорителя 64

3.1 Методика плавного изменения и измерения энергии протонного

пучка линейного ускорителя..........................................................64

3.2 Экспериментальная процедура вывода пучка требуемой энергии на мишень.................................................................................65

Глава 4. Обработка экспериментальных данных 69

4.1 Идентификация пионов и вычисление эффективности идентификации с учётом кластерности событий в камерах и поправки на угловое распределение пионов в фокальной плоскости спектрометра...............73

4.2 Построение импульсного спектра пионов для заданного центрального импульса спектрометра.............................................................76

4.3 Нормировка и "сшивка" энергетических спектров пионов.................. 77

4.4 Вычисление двойных дифференциальных сечений рождения пионов в реакции рСи-»тс+Х....................................................................79

4.5 Статистические и систематические ошибки змерений........................84

Глава 5. Анализ и обсуждение экспериментальных

результатов 85

5.1 Зависимости дифференциальных сечений рождения пионов —,

вЮ.

измеренных при 4-х фиксированных значениях магнитного поля в спектрометре, от энергии налетающих протонов.............................87

5.2 Отношения дифференциальных сечений, полученных для разных энергетических диапазонов спектров пионов, как функция энергии налетающих протонов...............................................................93

5.3 Анализ формы энергетических спектров,пионов, измеренных при 2-х фиксированных значениях магнитного поля в спектрометре,

в зависимости от энергии налетающих протонов.............................93

5.4 Обсуждение полученных результатов................. .........................105

Заключение 113

Литература 115

Введение

В последние годы появился целый ряд экспериментов, в которых при исследовании различных реакций наблюдались достаточно узкие структуры в функции возбуждения ядер при очень высоких (более 100 МэВ) энергиях возбуждения. Экспериментальное наблюдение узких максимумов в спектрах возбуждений ядер при таких больших энергиях не находит объяснения в традиционных моделях атомного ядра, связанных с однонуклонными и коллективными многонуклонными состояниями, и может свидетельствовать о проявлении ненуклонных степеней свободы. При этом, поскольку ширина таких резонансов составляет несколько МэВ, их интерпретация как барионных состояний в ядрах возможна лишь при условии изменения свойств барионных состояний в ядерной материи. При значительной энергии связи барионных состояний в ядрах сдвиг их эффективной массы может приводить к существенному уменьшению их ширины.

Экспериментальное наблюдение таких резонансов является чрезвычайно трудной задачей. Для их исследования необходимо выбирать такие реакции и такую постановку экспериментов, в которых фоновые нерезонансные процессы были бы сильно подавлены. Рождение пионов при взаимодействии протонов с ядрами является одной из подходящих для этой цели реакций, т.к. является реакцией с большой передачей импульса и должно быть чувствительно к структуре ядра на малых расстояниях и к нуклон-нуклонным корреляциям в ядре. Однако, детальный анализ этой реакции при энергиях налетающих протонов 600-800 МэВ [1-4] показал, что в этой области энергий энергетические спектры пионов достаточно хорошо описываются исходя из учета взаимодействия налетающего протона с отдельными нуклонами ядра [5]. Двойные дифференциальные сечения рождения пионов в этой области энергий протонов достаточно велики и составляет порядка нескольких десятков мкбн/МэВ/ср. Это объясняется большим элементарным сечением реакции NN-NN71 при этих энергиях, соответствующих рождению А-изобары. Изобарная модель [6] также

качественно описывает рождение пионов • при взаимодействии протонов с ядрами.

При энергиях налетающих протонов меньше 400 МэВ рождение пионов --с энергией больше 30 МэВ кинематически запрещено для реакции образования пионов под углом больше 90° при взаимодействии протона со свободным нуклоном. Ферми движение нуклона в ядре несколько уменьшает это ограничение, но, тем не менее, сечения рождения пионов остаются достаточно небольшими и не превышают нескольких мкбн/МэВ/ср [7 - 12]. Таким образом, детальное исследование функции возбуждения и формы энергетических спектров пионов в этой области энергий протонов в реакции рА—► 7г+Х, может позволить выделить даже очень небольшой вклад из-за других возможных каналов образования пионов как за счет пороговых эффектов рождения пионов на кластерах в ядре, так и за счет возможного изменения свойств пион-нуклонных резонансов в ядре, а также других механизмов образования пионов.

И действительно, в ряде экспериментов [13 - 19] по рождению пионов

о

на ядрах меди и гафния под углом 90 было обнаружено резонансное усиление выхода низкоэнергетичных пионов с кинетической энергией меньше 70 МэВ при энергии налетающих протонов 348-350 МэВ. Экспериментальное ограничение на ширину этого резонанса в функции возбуждения ядра составляет < 5 МэВ. Следует отметить, что в двух других экспериментальных работах [20, 21] статистически значимого эффекта при этих энергиях налетающих протонов не наблюдалось. Хорошие условия для исследования рождения пионов при взаимодействии протонов с ядрами имеются в Упсале (Швеция) на ускорителе CELSIUS. Однако, использование только струйных газовых мишеней и, следовательно, достаточно низкая светимость ограничивает статистическую точность полученных результатов, опубликованных _ недавно [21]. Тем не менее, в реакции р + Кг я+ + X обнаружено усиление выхода пионов низкой энергии при энергии протонов около 350 МэВ, но статистическая точность эффекта составляет только два стандартных отклонения, при отношении пика к фоновой подложке 2,1.

Необходимы новые эксперименты, которые позволили бы получить надёжные экспериментальные доказательства существования этого эффекта в данной реакции.

Существует целый ряд теоретических моделей, предложенных для описания свойств наблюдаемой на эксперименте аномалии в поведении спектров пионов при энергии налетающих протонов 350 МэВ. Это модели, в которых усиление выходов пионов низкой энергии объясняется посредством

л

образования дибариона Рз с массой 2220 МэВ и его распадом по тсКЫ каналу [13], за счёт повышенной прозрачности ядер для пионов с энергией около 50 МэВ [22]. Но они не дают объяснение малой ширины наблюдаемой структуры в функции возбуждения ядер. Свойства наблюдаемой резонансной структуры достаточно хорошо описываются в модели, предложенной А.Курепиным и К.Оганесяном [23, 24], в которой резонансное усиление выхода низкоэнергетичных пионов описывается посредством образования и распада высоковозбуждённого ядерного состояния с испусканием двух пионов, а также в моделях образования локализованного состояния Д-изобары [25, 26] и образования связанной Куперовской пары в ядре [27]. Подробный анализ существующих экспериментов по исследованию этого эффекта и теоретических моделей для его интерпретации приводится в следующей главе.

Другой реакцией, в которой экспериментально наблюдался достаточно узкий пик при высоких энергиях возбуждения, является реакция двойной перезарядки пионов на ядрах. Эта реакция, из-за закона сохранения заряда, может идти только не менее чем на двух нуклонах ядра. Поэтому, она всегда рассматривалась как уникальное средство для исследования корреляций между двумя нуклонами в ядре на малых расстояниях. Однако, и в этой реакции, как и в случае рождения пионов в протон-ядерном взаимодействии, всё зависит от правильного выбора условий проведения эксперимента. Так, детальное исследование реакции двойной перезарядки пионов на ядрах в области энергий А резонанса и выше показало, что основные особенности поведения сечения этой реакции хорошо описываются с учётом поглощения

и перерассеяния пионов. И только относительно недавно, в многочисленных теоретических работах [28 - 33] было показано, что наибольшая чувствительность к короткодействующим корреляциям в ядрах на внутриядерных расстояниях 1-2 ферми и менее может проявиться в этой реакции при энергиях пионов значительно ниже области А резонанса. И, действительно, в энергетической зависимости дифференциальных сечений реакции двойной перезарядки пионов на ядрах 12С [34] и 56Ре [35, 36] под углом 5° наблюдается широкий максимум в области энергий пионов, соответствующей возбуждению Д-изобары и узкая резонансная структура в области энергии пионов 50 МэВ. Эта резонансная структура не описывается в рамках стандартных моделей с учетом поглощения и перерассеяния пионов. С другой стороны, угловое распределение пионов в этой области исключает и возможность описания этого эффекта как пион-ядерного резонанса. Для объяснения этой резонансной структуры была предложена модель [37-41], которая описывает поведение функции возбуждения в этой реакции в области энергии пионов 50 МэВ как возбуждение дибарионного резонанса в системе яМЫ. Впервые идея о существовании такого резонанса, названного сГ, была высказана в работах [42, 43], хотя дибарионные резонансы с малой массой предсказывались в КХД моделях и ранее [44, 45]. Из анализа экспериментальных данных по реакции двойной перезарядки были получены следующие параметры для дибариона сГ: Ми = 2.065 ГэВ, Г « 5 МэВ и 1р=0 , Т=0. Этот дибарион сГ рассматривается как ненуклонное .1Р = 0 возбуждённое состояние дейтрона с энергией возбуждения около 190 МэВ и шириной « 0.5 МэВ.

Тот факт, что этот резонанс распадается практически исключительно по каналу и его малая ширина делает его экспериментальное

наблюдение достаточно сложным. Необходимо выбирать такие реакции, типа реакции двойной перезарядки пионов, в которых фоновые процессы были бы сильно подавлены. Авторы работы [39, 46] сделали оценку вклада сечения образования сГ в полное сечение реакции рр -» ррл; 71+ вблизи

порога двойного пионообразования этой реакции, которая составляет 3-10%. Эксперимент по поиску d' в реакции рр —» d'n+, с распадом d' -» 7i"pp, был выполнен в Упсале (Швеция) на ускорителе CELSIUS. И, действительно, в спектре инвариантных масс п" рр был обнаружен узкий пик, соответствующий массе 2,063 ГэВ со статистическим отклонением А а от плавного нерезонансного процесса рождения двух пионов [47].

Порог образования этого резонанса в реакции pCu—> сГХ составляет около 340 МэВ. Можно ожидать, что эффект рождения дибариона d' в этой реакции может проявиться при детальном исследовании функции возбуждения ядер и анализе формы полученных энергетических спектров пионов и в реакции pCu—> п+Х, в этой области энергий протонов.

И, наконец, примером ещё одного класса экспериментов, в которых наблюдался узкий пик (шириной < 0,8 МэВ) в функции возбуждения ядра при энергии возбуждения 133 МэВ, является эксперимент, выполненный совсем недавно в GSI (Германия), по поиску глубокосвязанного пи-

9ПЯ

мезоатомного состояния в реакции Рв (d, Не) [48]. Это дискретное состояние рассматривается как новый класс ядерных резонансных состояний при энергии возбуждения 130-140 МэВ, которое лишь на несколько МэВ ниже абсолютного порога рождения пионов.

Для того, чтобы понять природу наблюдаемых в целом ряде реакций узких резонансных структур в функции возбуждения ядер при очень высоких энергиях возбуждения, требуются дальнейшие эксперименты по исследованию свойств этих состояний. И, в первую очередь, необходимо подтвердить и исследовать экспериментально с высокой статистической точностью резонансную структуру в реакции рождения пионов при взаимодействии протонов с ядрами, обнаруженную ранее в ряде экспериментов.

Целью_диссертационной работы является получение

+ 0

экспериментальных данных по рождению п - мезонов под углом 90 в столкновениях протонов с ядрами меди с высокой статистической точностью и с малыми систематическими погрешностями и исследование

функции возбуждения ядра при энергии налетающих протонов 340 - 364 МэВ с шагом по энергии налетающих протонов 1-2 МэВ.

Научная новизна работы состоит в детальном измерении и исследовании поведения функции возбуждения в реакции рСи —> я+Х. Подтверждено существование узкой резонансной структуры в функции возбуждения этой реакции при энергии протонов 348 - 350 МэВ. Показано, что эта резонансная структура обусловлена усилением выхода низкоэнергетичных пионов. ......

Практическая ценность данной работы заключается в следующем;

- создана экспериментальная зона в конце туннеля линейного ускорителя Московской мезонной фабрики, включающая канал транспортировки протонов, магнитный спектрометр СЬАМ81Ю для регистрации пионов, систему диагностики пучка, систему радиационного контроля и необходимую инфраструктуру для проведения различных экспериментов в этой зоне с низкоинтенсивным пучком протонов с энергией до 600 МэВ;

- разработана процедура вывода низкоинтенсивного протонного пучка на мишень с плавным изменением энергии протонов в диапазоне от 340 до 364 МэВ;

- разработана методика измерений сечений рождения пионов с помощью магнитного спектрометра СЬАМ81Ю в условиях высоких фоновых загрузок детекторов;

- измерены двойные дифференциальные сечения рождения пионов на ядре меди под углом 90 для энергий налетающих протонов в диапазоне от 340 до 364 МэВ с шагом 1-2 МэВ.

Апробация работы: Результаты, положенные в основу диссертации, докладывались на научных семинарах ИЛИ РАН; ОИЯИ, г.Дубна; сессиях Отделения ядерной физики АН СССР (ИТЭФ), 1996 г.; на семинарах и программных комитетах в ТШиМБ (Канада), 1996 г.; в ШКЕИ (Япония), 1997 г.; в 1№М, отделение Катании (Италия), 1997 г.; на международных конференциях "Применение ускорителей в исследованиях и индустрии",

(Дентон, США), 1995, 1996 гг.; международном симпозиуме по проблемам модульных ИВС и сетей (Санкт-Петербург), 1996 г. и опубликованы в 9 работах.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Изложена на 123 страницах, включая 36 рисунков, 6 таблиц и список литературы, в который входят 112 наименований.

Во введении обоснована актуальность, научная и практическая ценность решаемой в диссертации проблемы. Подчёркивается специфика реакции рождения пионов в протон-ядерных взаимодействиях при промежуточных энергиях для исследования узких структур в функции возбуждения ядер при очень высоких энергиях возбуждения, которые наблюдались в ряде экспериментов при энергии протонов около 350 МэВ.

Отмечается, что узкие структуры в функции возбуждения ядер наблюдались и в других реакциях. В частности, в реакции двойной перезарядки пионов на ядрах при энергии пионов 50 МэВ наблюдается узкий пик в функции возбуждения целого ряда ядер, который не описывается в рамках стандартных моделей.

Обосновывается необходимость детального исследования функции возбуждения ядер при взаимодействии протонов с ядрами в области энергий протонов 350 МэВ.

Сформулированы цели и задачи работ�