Исследование взаимодействия ПИ-мезонов с атомными ядрами при низких и промежуточных энергиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

САНКТ'-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 ОЛ на правах рукописи

" НОЯ 1995

АВДЕЕВА Татьяна Михайловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПИ-МЕЗОНОВ С АТОМНЫМИ ЯДРАМИ ПРИ НИЗКИХ И ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЭНЕРГИЯХ

0i.04.i6 - физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор К.А.ГРВДНЕВ

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудв

Ю.А.КАЛАШНИКОВ

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.Н.ФОМЕНКО

кандидат физико-математических наук А.В.ПОЗДНЯКОВ

Ведущая организация - С.-Петербургский государственный

технический университет

Защита диссертации состоится 23 ноября 1995г. вjJ_ час. J£_ j на заседании диссертационного совета Д.063.57.14 по заг диссертаций на соискание ученой степени док-физико-математических наук в Санкт-Петербургской государстве] университете по адресу: 199034, С.-Петербург, Университет! наб. д. 7/9.

С диссертацией моино ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета.

Автореферат разослан ■ о 1995г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат ф.-м. н.

/^Г О.В.Чубинский-Наде;

-э-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Аотуальность темы.

Проблема взаимодействия %-мезонов с атомными ядрами при низких и промежуточных энергиях является одеой из наиболее важных в ядерноа физике. Исследуя пион-ядерные процессы: упругое и неупругое рассеяние, пионные атомы, мсжео извлекать информацию о структуре и свойствах атомных ядер, анализировать механизмы взаимодействия пионов с системой связанных нуклонов, изучать механизмы реакций.

В настоящее время большая интенсивность шонных пучков, производимых на современных мезонных фабриках, позволяет получать экспериментальные данные с высокой степенью точности. С развитием экспериментальной техники появляется иовые возможности исследования процессов с участием пионов, например, реакции с поляризованными ядрами-мишенями. Поэтому задача теоретического описания шон-ядерного взаимодействия приобретает особое значение. Кроме того, надежные теоретические расчеты необходимы и для планирования будущих экспериментов.

Актуальность поставленных задач связана с решением следующих фундаментальных проблем: описание аномальных состояний тонных атомов: изучение спиновых эффектов в рассеянии пионов поляризованными ядрами: описание пион-ядзрного взаимодействия на основе конкретных физических процессов взаимодействия шонов с нуклонами.

Цель диссертационной работы.

í. Теоретическое изучение возможности прямого заселения глубоких состояний тяжелых %- мезоатомов в knock-out реакциях.

2. Анализ поведения асимметрии в упругом рассеянии тс- мезонов поляризованными ядрами со спином 1/2.

■з. Построение пион-ядерного потенциала на основе древесной модели пион-нуклонного взаимодействия.

Еаучвая новизна и практическая ценность.

Рассмотрен способ исследования глубоких состояний тяжелых х- мезоатомов (которые нельзя наблюдать традиционным методом рентгеновской спектроскопии) - прямое заселение с помощью knock-out реакции, когда из ядра- мишени выбивается валентный нуклон, а шон захватывается в связанное состояние.

Дифференциальные сечения таких реакций для ядра- мишени 209в i максимальны в области энергий налетающего шона - 20 - з<з МэВ и составляют ~ i |дбарн/ср.

Предложены варианты knock-out реакции, имеющие большие примерно на порядок в отличие от случая 209bí дифференциальные сечения: реакции с выбиванием в сплошай спектр валентного протона с оболочки и реакции с выбиванием нейтрона. В

первом случае большая величина сечения обусловлена малоа передачей углового момента, а во втором - большими значениями амплитуд 1~п- рассеяния по сравнению с амплитудами рассеяния.

Построен пион-ядерный потенциал на основа древесной модели пион-нуклонного взаимодействия с учетом ядерного релятивизма в рамках Дираковской феноменологии.

Отталкивание в s- частя полученного потенциала определяется, главным образом, слагаемьм, пропорциональным ядерноа платности. Другие, нелинейные по плотности слагаемые представляют собой поправки к потенциалу в поверхностной области.

Из сравнения с экспериментальными данными по штанным атомам определены параметры потенциала во и со в кзадратачнш: по плотности членах, отвечающих за реальное поглощение пианов нуклонами и процессы второго порядка по плотности.

С полученным потенциалом . проведены расчеты "энергий 7-переходов и ширин уровней пионных атомов от 12с да 238и и дифференциальных сечений упругого рассеяния пионов на ядрах при низких энергиях.

Вперзые проведены расчеты дифференциальных сечений и асимметрии в упругом рассеянии пионов поляризованными ядрами оболочки. Исследовано поведение асимметрии в реакции

<иГ,2951) при энергиях налетагалих шоксв ниже и выше Дэз-резонансэ. Рассмотрены наиболее интересные в экспериментальном плане случаи: упругое рассеяние (тг-,2951) и (и+,31р) при тп= хео МэВ.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах отдела ядерной физики НШ5 СПбГУ; на 44 и 45 Мендз-'народных совещаниях го ядерног спектроскопии и структуре атомного ядра, С.-Петербург, 1994, 1995г.

Об'ем работа.

Диссертация состоит из введения, четырех глаз, заключения и двух приложений, содзржг 120 страниц, в том числа 7 таблиц и :в рисунков. Библиографических список литературы включает 53 наименования.

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 5 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность исследования пион-ядерного взаимодействия при низких и промежуточных энергиях, кратко описано содержание работы.

В первой главе проводится обзор основных проблем, рассматриваемых в диссертации: физики шон-нуклонного взаимодействия, пионных атомов и спиновых эффектов в рассеянии пионов поляризованными ядрами.

Интерес к изучении пионных атомов связан с сильным пион-ядерным взаимодействием, которое искажает спектр %-«езоатомов на низколежаших орбитах. Отклонения от чисто электромагнитного спектра, измеряемые с высокой точностью,

являются уникальным источником информации а пион-ядерной систе в области энергии вблизи порога.

Рассмотрены оптический пион-ядерный потенциал в моде Кисслшгера- Зриксонов /1/ и потенциал в импульсном приближени полученный с учетом ядерного релятивизма в рамках Дираковск феноменологии /2/. Все существующие потенциалы неплохо описыва наблюдаемые сдвиги энергии и ширины уровней шонных атома: Ситуация драматически меняется, когда шон достигает орби сдвиги и ширины которых составляют несколько десятков кэВ < з< орбиты в тяжелых мезоатомах). Для таких орбит наблюдает* аномальное поведение их ширин и сдвигав отнсснгель; предсказании оптической модели. Теоретические значения завыше! в 1.5 - з раза. Естественна ожидать усиление эффекта для боле глубоких 2р-, is- состояния. Поскольку такие состояния i удается наблюдать традиционным методом из-за маль кнтенсивностея переходов кежду глубокими уровнями, то возникав задача о прямом заселении таких орбит. В качестве бозможнь способов изучения глубоких состояний штанных атоме рассматриваются píon-transfer /з/ и knock-out /а/ реакции.

В последнее время развитие экспериментальной техники да; BosMa.fíHocTb использовать поляризованные ядра- кишеяи в реакции с пионами. В данной главе рассмотрены вопросы, посвященЕь исследованию асимметрии в упругом рассеянии пиояс поляризованными мишенями. Дается определение асимметрии анализируются факторы, определяющие ее знак и абсолютно значение. Делается обзор современных теоретических расчетов экспериментальных данных па рассеянию пионов поляризованным ядрами оболочки: 13С и 15м.

Большинство используемых в теоретических расчета пион-ядерных потенциалов получены в импульсном приближении, т есть t- матрица -им- взаимодействия для свободного и связанког нуклонов одна и та se и построена на основе экспериментальны длин и об'емов рассеяния. Представляется интересным получит потенциал, используя t- матрицу да- рассеяния, вклвчзющу конкретные физические процессы взаимодействия пиона с нуклоном : учесть эффекты связанности нуклонов, в ядре. С этоа целы рассматривается древесная модель та- взаимодействия, состояща.

из t- канальных диаграмм обмена о- и р- мезонами, s- и и-канальных диаграмм с нуклоном и А- изобарой в промежуточном состоянии /5/, которая является первой моделью, одновременно описывающей s- и р- волновые амплитуда та- рассеяния в области энергия шона до 150 МэВ.

Вторая глава посвящена изучению глубоких состояний тяжелых х- мезоатомов. Поскольку глубокие состояния не удается наблюдать методом рентгеновской спектроскопии, предлагается использовать knock-out реакцию

кГ -Ь (N,2+1) р + 2 ) (1)

для исследования таких орбит. Дается вывод формулы для расчета дифференциального сечения knock-out реакции. Как показывают

9G9

первые оценочные расчеты /4/, выполненные для ядра-мишени. в i.

X" ♦ 2e?Bi ^р + 208Pb,x"s>2p (2)

максимальное значение сечения оказывается малым ^ 1 [лбарн/ср, что естественно вызовет определенные трудности при постановке экспериментов.

Далее рассматриваются варианты knock-out реакции, имеющие большие сечения. Это реакции на мишенях, в которых валентный протон находится на sir2- оболочке, и реакции с выбиванием в сплошной спектр нейтрона. Большая величина сечения в первом случав связана с меньшей передачей углового момента М = е. i

209

но сравнению с реакцией на bí. где вэлветный протон находится на оболочке и Al =4, 5; а во втором случае - с большими

значениями амплитуд кГп - рассеяния по сравнению с амплитудами t~p- рассеяния. Показано, что в реакциях на 205ti с выбиванием в сплошной спектр протона с 3s^2- оболочки

х" + 205тг р + 204Hg.it~s 2р (3)

значение сечения в максимуме при захвате пиона в is-состояние на порядок больше, чем в случае 209вь В реакциях на U9Sn с выбиванием в сплошной спектр нейтрона с 3s - оболочки

% + 119Sn -» n + U8Sn,X~g 2р (4)

каксимальное значение сечения составляет ^ 10 рбарк/ср. Характерной особенностью угловых распределений knock-out реакции ia ядрах si/z- оболочки является увеличение дифференциального

сечения под нулем при нулевой передаче .углового момента.

В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные со спиновыми аффектами в упругом рассеянии пионов поляризованными ядрами 1р1/2- и 2з^2- оболочек. Дается вывод потенциала пиан-ядернаго взаимодействия в импульсном пространстве, численные метода решения уравнения Липгмана-Швингера для комплексного потенциала и учета кулоновского взаимодействия в импульсном пространстве. Влияние спин-зависящег части пион-ядерного потенциала приводит к появлению право-левой асимметрии в рассеянии шанав поляризованными ядрами. Так как асимметрия является результатом интерференции спин-независящей и спин-зависадей частей амплитуды рассеяния и обратно пропорциональна дифференциальному сечению, то ее знак определяется фазовым сдвигом между этими частями амплитуды, а максимальные значения находятся в областях дифракционных минимумов в дифференциальном сечении. В случае ядер 1р

13 1 «5

оболочки: си N спин-зависяцая часть амплитуды имеет две составляющие: монопольную и кзадрупольную, роль которых в формировании асихметрии обсуждалась в работе /б/. Интересным является рассмотрение взаимодействия пионов с ядрами 2з1У2-обалочки: 2931 и 31р. В этом случае сшга-зависящая часть имеет только монопольную составляющую. Проведены расчета дифференциальных сечеииг -и асимметрии в упругом рассеянии пионов

13 29 31

на ядрах с. эй р при разикх энергиях налетающих пионов. Подученные результаты для 13с согласуются с результатами других авторов /б/. Как следует та результатов расчетов для 2931 и 31Р, наиболее интересными в экспериментальном плане являются случаи рассеяния <тс~,295х> и (х+,31Р) при энергии тп=180МэВ, когда в дифферзнциальном сечении наблюдаются три дифракционных минимума, а в асимметрии - соответственно три максимума (рисл).

Четвертая глава посвящена построению пиан-ядерного потенциала на основе древесной модели тел- взаимодействия с учетом ядерного релятивизма в рамках Дираковскоа феноменологии. Проводится вывод потенциала, основанный на учете конкретных физических процессов взаимодействия шона с нуклоном: ^

0 (град)

Рисунок 1. Дифференциальное сечение и асимметрия в упругом рассеянии на 29Э1 при г = 180 МэВ.

канальные диаграммы обмена а- и р- мезонами, б- и и- канальные диаграммы с нуклонам и Л-изобарая в проме!куточном состоянии.

Подученный потенциал кроме стандартных е- части, пропорциональной ядерной плотности р и р- части, пропорциональной ур? ' имеет слагаемые, . пропорциональные лапласиану ядерной: плотности Ар, плотности кинетической энергии рк и скалярному произведению, содержащему градиент плотности ^р.

гш^и = -ах (ьор + ь^р + ГоАр + Г^йр + кврк + + <у1в.*р) +

(vi .^р) + В рг) + 47С v ( -=-+ с р2)<7

10 1 + 41С?(соР +С4р)

В пион-ядерЕом потенщале (5) введены феноменологические слагаемые, пропорциональные квадрату ядерной плотности, учитывающие реальное поглощение пиона нуклонами и процессы второго порядка по плотности, а также в р- волновом члеЕе стандартам образом учтен эффект Лорентц-Лоренца.

В данной модели коэффициенты потенциала ьо. ь^ со. с1 выражаются не через длины и об'емы рассеяния как обычно, а представлены в виде вкладов от различных процессов та-взаинодэйсгвия. Отличие связанных нуклонов и Л- изобары от свободных учитывается введением эффективных масс вуклоЕа и А-изобары в ядре.

п03 в1дб

1ф = ~ф " 1 + а Р. (6)

ш ^ ш.

а

где а - известная константа ядерного спин-орбитального потенциала, получаемая та данных па рассеянию нуклонов на ядрах. При этом коэффициента потенциала становятся зависящими от радиуса, причем при г оо, когда и3^ = всв коэффициенты ьо. Ь1> со. ci стремятся к значениям, соответствующим свободному да-рассеянию (рис. 2).

Отталкивание в з- части полученного потенциала определяется, главным образом, слагаемым, пропорциональным ядерной плотности, и составляет ~ 20 МзВ в центре ядра. Другие, нелинейные по плотности слагаемые представляют собой поправки к

г (фи)

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00

б -

Л

о.оо 0.01 0.02 --0.03 -0.04 -0.Об

| I I I I I I

0.60 -I

0.40

о.эо

Г (фы)

' » ■ I ■ ■ ' ' I ' ' ■ ' 1 ' ■ ' ■ 1 ' ' « м I ' ' ' | ' I ' м

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 6.00 8.00 7.00

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 6.00 3.00 7.00 -0.0? 1 1 1 '■' ' ' ' ' ' 1 1 1 ' 1 ' 1 1 1 1 1 ' ' 1 1 ' 1 1 1 ' 1 1 1

-о.оа -

-0.08 -

-0.10

г (фи)

0 0.«

0.30

0.10 I < I I 1 I м I | I ) I I | I I I I 1 ■ 1 I м 'I ч I ) | I I I I 1

о.оо 1.оо г.оо з.оо 4,оо б.оо е.оо 7.оо

Г

Рисунок 2. "КоЦфишенти моделшою потенциала Ь0, Ь1( с0, с, для ядра "О - сплошные кривые, экспериментальные значения коэффициентов Ь0, Ь,, с0, с1 - штриховые.

о

потенциалу в поверхностной области.

По сдвигам анергии и ширинам уровней is в 1бо и 2р в 40са проведен подбор параметров во и со в феноменологических слагаемых потенциала, пропорциональных квадрату ядерной шгатноста. С полученным потенциалом проведены расчеты энергий и ширин уровней в тс-мезоатомах от 12с до 238и. Сравнение результатов показывает согласие с экспериментом в описании энергия 7- переходов и ширин неаномальных уровней шонных атомов на уровне стандартных оптических моделей при существенно меньшем числе параметров. Рассчитанные дифференциальные сечения упругого рассеяния мезонов на ядрах при низких энергиях также хорошо согласуется с экспериментальными данными.

В заключении перечислены основные результаты и выводы дис сертационног работы.

В приложениях I и 2 на основе рассмотрения пионеых и нукланньа моментов как операторов в координатном пространстве, действующих на соответствующие волновые функции, дается связь между слагаемыми потенциала (5), пропорциональными Lp, рк и vp?, и скалярными произведениями пионных и нуклонных моментов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩГУ

1. Рассмотрена knock-out реакция - как возможность заселения глубоких состояний тяжелых х- мезоатомов.

2. Изучены варианты реакции, в которых значения дифференциальных сечений больше примерно на порядок чем в случае 209bí: реакции на мишенях, имеющих валентаый протон на оболочке и на мишенях, имевдих валентный нейтрон.

3. Проведен анализ поведения асимметрии в упругом рассеянии пионов на ядрах 2s - оболочки при кинетических энергиях налетаюшэго пиона нкге и выше Аза- резонанса. Показано, что наиболее интересными в экспериментальном плане являются случаи

-13— 4-

тс ,31) и (тс , р) упругого рассеяния при тп= 18<з МзВ.

. Нэ основе древесной модели да-взаимадеяствия построен ион-ядерньа потенциал с учетом ядерного релятивизма в рамках ираковскоа феноменологии.-Потенциал характеризуется большим з-олновым отталкиванием и содержит два свободных параметра вместо ести в стандартной оптической модели.

Параметра потенциала во и со определены из сравнения с «спердаенгальвыми данными по шоннш атомам. Результаты граведанных расчетов знергиа у- переходов и ширин уровней

1 У "Р^Й

ионных атомов от с до и и дифференциальных сечений гпрутого рассеяния х- мезонов на' ядрах при' низких энергиях юказывают согласие с экспериментом того же порядка, что , и в ¡тандартных оптических моделях.

Список цитируемся литературы.

L. Ericson М. . Ericson Т. Optical properties of lou-energy Pions in nuclei.// Ann. Phys. v.36. 1966. p. 323-362.

2. Birbrair B.L.. Gridnev A.8., Lapina L.P.. Petrunin A.A.. Smirnov A.I. Lou energy pion-nucleus interaction and nuclear relativism.// Nucl. Phys- v.A547, 1992. p. 645-652.

3. Toki H. Yanazaki T. Deeply bound pianic state.s of heavy • nuclei.// Phys. Lett. Б 213, 1938. p. 129-133.

4. Birbrair 8.L., Gridnev A.8.. Kalashnikov Yu.A.// ETHS-IMP-INTERNAL Reports (PSI) N 91-2, 1991.

Бирбраяр Б.Л., Грвднев А.Б., Калашников Ю.А. Захват х-мезоЕов из сплошного спектра в нижние мезоатомные состояния 208рь.//Язв. АН СССР. сер. физ. т.К, ni, 1991, с,63-55. .

5. Goudsait P.F.A. , Leisi H.J.. Matsinos Е., Birbrair B.L. . Gridnev А. В. The extended tree-level model for the Pion-nucleon interaction.//.ETHZ-IMP PR/93-2, 1993.

6. Siexel P.8., Gibbs W.R, Pion scattering by spin 1/2 nuclei.// Phys. Rev. С v.43, 1993, p. 1939-1947.

Резулътаты диссертации опубликованы в работах:

1. Авдеева Т.М., Калашников Ю.А. К вопросу о глубоких . состояниях в тяжелых тс-- атомах.// Тез.докл. 43 совещания

по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. Л., Наука, 1983, С.Г70.

2. Бирбраир Б.Л,, Гркцкев А.Б., Авдеева Т.Н., Калашников Ю.А. Лифференпдальные сечения резкдай захвата и- мезонов из сплошного спектра в глубокие мезоатомЕые состояния.// Тез. докл. 44 совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. СПб., Наука, 1994, с.289.

3. Бирбраир Б.Л., Гркцнев А.Б., Авдеева Т.М., Калашников Ю.А. кпоск-ои1-реакщи (%~,%~р), {и~,тг~п) с захватом пиона в связанное состояние.//Изв. РАН сер. физ., т.58, N 11, 1894, с.106-111..

4. Авдеева Т.К., Калашников Ю.А. СгжЕОВые эффекты в упругом рассеянии пионов на ядрах 2з1/2- оболочки // Тез.докл. 45 совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра. СПб., Наука, 1995, с. ЗГ7.

5. Авдеева Т.К., Калашников Ю.А. Спиновые зффекты в упругом рассеянии пионов поляризованными ядрами.// Изв. РАН сер. физ.т.59, N5, 1885, с. 38 - 44.