Измерение спиновых наблюдаемых AOOnn, AOOsk, DOn"On, KOs"kO, KOs"sO, NOs"kn и NOs"sn в упругом np-рассеянии при энергиях 230-590 МэВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

На правах рукописи УДК 539 12 + 539 17

ФИНГЕР Михаэл

ИЗМЕРЕНИЕ СПИНОВЫХ НАБЛЮДАЕМЫХ А00пп, Атгк,

И N0Лп В УПРУГОМ ир-РАССЕЯНИИ 'Ч ПРИ ЭНЕРГИЯХ 230-590 МэВ

Специальность 01 04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2008

003445064

Работа выполнена в Лаборатории ядерных проблем им. В.П.Джелепова Объединенного института ядерных исследований.

Научные руководители.

Доктор физико-математических наук, профессор O.A. Займидорога Доктор физико-математических наук, профессор

Ю.М. Казаринов

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,

профессор Рафаипь Якубович Зулькарнеев

Доктор физико-математических наук,

профессор Сащшбек Байтемирович Нурушев

Ведущая организация:

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН, 188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Орлова роща

Защита состоится "_"_2008 г. в_ч_мин

на заседании диссертационного совета Д-520 009.03 при РНЦ «Курчатовский институт», 123182 Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт».

Автореферат разослан "_"_2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук £ („А АЛ. Барабанов

Общая характеристика диссертации

Актуальность проблемы Детальное знание свойств процесса нуклон-нуклонного (NN) взаимодействия имеет существенное значение так как эти свойства проявляются во многих областях ядерной и субъядерной физики и играют важную роль в физике сильных взаимодействий в целом В частности изучение NN-взаимодействий при промежуточных и высоких энергиях является важным источником информации о спиновой зависимости ядерных сил действующих между нуклонами Хотя в случае упругого NN-рассеяния с переданным импутьсом менее ~ 2 ГэВ/с мы имеем дело с относительно простым процессом до сих пор не существует его удовлетворительного теоретического описания При отсутствии строгой и законченной теории сильных взаимодействий (непертурбативной КХД) результаты экспериментов по упругому NN-рассеянию в широкой области энергий и углов рассеяния служат созданию и пополнению базы прецизионных данных Эти данные необходимы для выполнения феноменологических анализов таких как фазовый анализ и прямое восстановление амплитуд матрицы упругого NN-рассеяния а также будут решающими для проверки непертурбативных теорий сильных взаимодействий

Пузиков Рындин и Смородинский [Nucí Phys 1957 V3 Р436] на примере упругого А'Л'-рассеяния ввели понятие «потного эксперимента» Эксперимент по изучению реакции называется полным если в его результате получен такой набор экспериментальных наблюдаемых который позволит провести полное и исчерпывающее описание процесса В этой связи удобным и модельно независимым средством для описания основных свойств взаимодействия является формализм матрицы рассеяния см работы [By stncky J et al J Physique (France) 1978 V39 PI Lechanome-Leluc С et al Rev Mod Phys 1993 V 65 N 1 P 47] и ссылки указанные в этих работах В этом случае «.почный эксперимент» можно определить как совокупность экспериментов позволяющих измерить такой набор экспериментальных наблюдаемых который позволит осуществить прямое и однозначное восстановление спиновой структуры матрицы упругого AW-рассеяния

Наличие у нуклона спина позволяет записать матрицу упругого А'Л'-рассеяния в виде линейной комбинации восьми независимых членов построенных в общей форме из кинематических и спиновых переменных нуклонов участвующих в рассеянии и восьми инвариантных комплексных амплитуд, которые являются функциями угла рассеяния и энергии Предположения о сохранении пространственной четности и временной инвариантности, принципа Паули и изоспиновой инвариантности приводят к сокращению числа независимых слагаемых матрицы рассеяния до пяти членов В этом случае для однозначного построения матрицы рассеяния надо определить в каждом канале реакции с изоспином I = 1 и I = 0 пять функций и четыре их относительные фазы Для этого требуется осуществить как минимум девять разных опытов для каждого канала энергии и угла рассеяния Измерение разных спиновых наблюдаемых в упругом рр- и яр-рассеянии при разных энергиях и углах рассеяния позволяет решить эту задачу В области средних энергий < 1 ГэВ эта задача до начала наших исследований могла быть решена только для канала I = 1 Очень актуальной задачей являлось осуществление полного опыта в упругом нуклон-нуклонном взаимодействии в области средних энергий для канала I = О

Методически непростой характер спиновых экспериментов однако, делает задачу осуществления таких опытов довольно сложной Объединенный институт ядерных

исследований (ОИЯИ) был одним из научных центров, где развитие спиновой физики средних и высоких энергий началось с 1950-х годов Многие экспериментальные и теоретические исследования в области спиновой физики выполненные в ОИЯИ нашли позже свое развитие в ряде других лабораторий

Цель диссертационной работы - подготовка экспериментов и проведение измерений спиновых наблюдаемых А0опп Aoosk Donon K.0s-ko Kos-so- N0s-kn и N0s-sn в упругом яр-рассеянии при энергиях нейтронов 200 - 590 МэВ и в диапазоне углов рассеяния в системе центра масс 60° - 124°

Представленная работа является частью общей программы ОИЯИ по реализации полного эксперимента в упр>гом нуклон-нуклонном рассеянии для канала I = 0 в области средних энергий Для исследования упругого ир-рассеяния использовался уникальный пучок поляризованных нейтронов и протонная поляризованная мишень экспериментального комплекса NA2 Института им Пауля Шеррера (PSI)

Научная новизна работы

1 При участии автора диссертации в PSI введен в эксплуатацию спектрометрический комплекс для измерений одно- двух- и трехспиновых наблюдаемых в упругом пр-рассеянии при энергиях нейтронов 200 - 590 МэВ и в диапазоне углов рассеяния 60°

- 180° в системе центра масс использующий поляризованный нейтронный пучок и протонную поляризованную мишень

2 Отработана методика калибровки отдельных узлов спектрометрического комплекса для измерения много-спиновых наблюдаемых в упругом ир-рассеянии

3 Проведены прецизионные измерения энергетического спектра и поляризации нейтронов из зарядообменной реакции LC(;m)X с поляризованными протонами при энергии 590 МэВ

4 Определен коэффициент передачи поляризации D\ oko(0°) в реакции

5 При использовании разных комбинаций поляризационных состояний нейтронного пучка и протонов мишени и анализа спинового состояния протонов отдачи в упругом ир-рассеянии проведены измерения коэффициентов асимметрии Аоооп коэффициентов поляризации Рсоо коэффициентов корреляции поляризации Аоолп и Аооа коэффициентов деполяризации DonOn коэффициентов передачи поляризации Коь ко и Kos ьо и трехспиновых коэффициентов Nos и и Nos 5П в диапазоне энергий 230

- 590 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс 60° - 124° В совокупности получено более 350 значений спиновых наблюдаемых в указанной области энергий и \ глов рассеяния при этом многие из них получены впервые

Ценность полученных результатов

1 Экспериментальные достижения в осуществлении в рамках представленной диссертационной работы первых опытов с использованием поляризованного нейтронного пучка и протонной замороженной поляризованной мишени позволили осуществить в PSI широкую программу измерения спиновых наблюдаемых в упр>гом ир-рассеянии В совокупности с нашими данными было измерено 15 разных одно- двух- и трехспиновых наблюдаемых в упругом пр-рассеянии в диапазоне энергий 230 - 590 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс 60е- 180°

2 Полученные новые экспериментальные данные существенным образом расширили базу данных, касающихся спиновых наблюдаемых в упругом нейтрон-протонном рассеянии Новые результаты в совокупности с результатами полученными в экспериментах по изучению спиновых наблюдаемых в протон-протонных взаимодействиях позволят восстановить параметры матрицы рассеяния для I = 0 и таким образом, завершить осуществчение понюго эксперимента в упругом NN-рассеянии в области энергий 200 - 590 МэВ

3 Новые экспериментальные данные будут также способствовать улучшению решений фазового анализа Анализ имеющихся в настоящее время отклонений теоретических предсказаний полученных на основе разных модельных потенциалов, и данных, полученных в эксперименте, сможет содействовать улучшению имеющихся теоретических моделей

4 Полученные методические достижения стали основой двух новых проектов в PSI "Измерение анализирующей способности в реакции пр-ррк' и упругом пр-рассеянии при энергиях 270 - 570 МэВ" и " Измерение спиновой зависимости пр-ррж' реакции при средних энергиях"

На защиту выносится:

1 Измерения энергетического спектра и поляризации нейтронов из зарядо-обменной реакции '~С(рп)Х с поляризованными протонами при энергии 590 МэВ

2 Определение коэффициента передачи поляризации D\ ою(0°) в реакции ,:C(pn)':N

3 Измерения коэффициентов асимметрии Лот» коэффициентов поляризации Рп„пп коэффициентов корреляции поляризации Ляот, и Лты коэффициентов деполяризации Do„n„ коэффициентов переноса поляризации Kos ko и Kos и трехспиновых коэффициентов Nn¡ ь, и „, в диапазоне энергий 230 - 590 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс 60° - 124° В совокупности получено более 350 значений спиновых наблюдаемых в указанной области энергий и углов рассеяния

4 Участие в отработке методики и ввод в эксплуатацию спектрометрического комплекса для измерений одно-, двух- и трехспиновых наблюдаемых в упругом пр-рассеянии, при энергиях нейтронов 200 - 590 МэВ и в диапазоне углов рассеяния 60° - 180° в системе центра масс использующего поляризованный нейтронный пучок и протонную поляризованную мишень PSI

5 Отработка методики измерения многоспиновых наблюдаемых в упругом пр-рассеянии с использованием разных комбинаций поляризационных состояний нейтронного пучка и протонов мишени и анализа спинового состояния протонов отдачи

6. Отработка методики калибровки отдельных узлов спектрометрического комплекса мониторных систем первичного пучка нейтронов детекторной системы протонов отдачи и измерения их поляризации, детектора рассеянных нейтронов измерения поляризации протонов протонной замороженной поляризованной мишени

Апробация работы и публикации: Результаты работ, вошедших в диссертацию были представлены на международных конференциях, симпозиумах, совещаниях и школах

* XIV Международной конференции о проблемах физики многих тел (ICFBP - 14) Виллиамсбург. США. 25-31 05 1994

* Международной конференции «Мезоны и ядра при средних энергиях» ОИЯИ Дубна РФ 3-07 05 1994

* Европейской школе по физике высоких энергий Сорренто Италия сентябрь 1994 г

* VIII Международном симпозиуме о поляризационных явлениях в ядерной физике Блумингтон США 15-22 09 1994

* Международной конференции «Дейтрон-95» ОИЯИ Дубна РФ 4-07 07 1994

* Международном рабочем совещании «SPIN-95» Прага ЧР 2-7 10 1995

* 12-м Международном симпозиуме по спиновой физике высоких энергий Амстердам Голландия 10-14091996

* Международной конференции «Дейтрон-97» ОИЯИ Дубна РФ 2-05 07 1996

* Международном рабочем совещании «Symmetry and spin» Прага ЧР 1-07 08 1996

* Международном рабочем совещании «Symmetry and spin», Прага ЧР 24-30 08 1997

* Международном рабочем совещании «Symmetry and spin» Прага ЧР 30 08-05 09 98

* Конференции «Нуклеоника-98» Прага ЧР 9-10 09 1998

* 13-м Международном симпозиуме по спиновой физике высоких энергий Протвино. РФ 8-12 09 1998

* Международном рабочем совещании «Symmetry'and spin» Прага ЧР 5-12 09 1999 и опубликованы в работах [1-28]

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения пяти глав и заключения Изложенные в диссертации материалы проиллюстрированы на 37 рисунках и в 21 таблице библиографический список состоит из 105 наименований Общий объем работы составляет 106 страниц

Содержание диссертации

Во введении формулируется цель работы Приводится определение «полного эксперимента» в нуклон-нуклонном взаимодействии как эксперимента позволяющего получить полный набор экспериментальных наблюдаемых, необходимых для прямо1 о однозначного и модельно независимого построения матрицы нуклон-нуклонного взаимодействия Показано что измерение достаточного количества спиновых наблюдаемых позволяет решить задачу осуществления полного опыта Обосновывается актуальность и необходимость измерения спиновых наблюдаемых в упругом яр-рассеянии для завершения полного опыта в нуклон-нуклонном рассеянии при энергиях ниже 1 ГэВ в широком диапазоне углов рассеяния

Приведен краткий обзор экспериментов нацеленных на осуществление полного опыта в нуклон-нуклонном рассеянии которые до начала реализаици программы наших исследований позволили провести прямое построение матрицы упругого нуклон-нуклонного рассеяния для канала I = 1 Формулируются основные предпосылки решения этой задачи для канала I = 0 подчеркивается важность проведения экспериментов по яр-рассеянию с использованием пучка поляризованных нейтронов и протонной поляризованной мишени для решения этой задачи

Приводится сводка основных результатов полученных в диссертации

В первой главе приведено феноменологическое описание нуклон-нуклонного взаимодействия с использованием матрицы рассеяния и матрицы плотности Даются основные определения и обозначения величин используемых в диссертации в частности рассмотрена структура матрицы рассеяния дается определение амплитуд рассеяния и классификация спиновых наблюдаемых в упругом нуклон-нуклонном взаимодействии

В любом эксперименте по нуклон-нуклонному взаимодействию только угловое распределение продуктов реакции поддается измерению С точки зрения постановки эксперимента по измерению спиновых наблюдаемых в упругом нуклон-нуклонном взаимодействии основной интерес представляет измерение дифференциального сечения реакции в зависимости от спиновых состояний нуклонов принимающих участие в этом процессе В таком случае общее дифференциальное сечение Х(РвРтР|Р;) для корреляционного упругого нуклон-нуклонного рассеяния, которое содержит все возможные спиновые наблюдаемые и применимо для анализа наших экспериментов в любой возможной их постановке имеет вид

I(PBPTPiP:) = Ii h (da/dfi) {[1 + Аооуо PBr + A000. Рг„+ A00ïi, PU; PTiJ +

+ P| [1+ PaOOO + Pb, DaOyO + PTô IW + PBv PTi. Мн0у(1] П,а + (1)

+ P: [1+ Popoo + Рв, K.oPyo + Рт„ Dopo* + PBv PTi, Nop«,] n:p +

+ P1P2 [Capoo + Pbv Capyo+ Рт» Сарой+ Рв, Ptî> Capr„] П|Н nip)

Здесь символы Xapy(, (X s I A P D К С M N) обозначают спиновые наблюдаемые. Рв и Рт - поляризации пучка и мишени, I, Р, - дифференциальное сечение и анализирующая способность анализатора поляризации рассеянной частицы 1=12 Индексы a Р у и S обозначают направление поляризации нуклонов

Описан способ получения на основе измеренных общих корреляционных дифференциальных сечений упругого рассеяния спиновых наблюдаемых коэффициентов асимметрии Аоооп коэффициентов корреляции поляризации Аоо,л коэффициентов переноса поляризации Кцруо коэффициентов деполяризации Dopo^. и трехспиновьгч коэффициентов Nopyf,

Во второй главе описан физический комплекс созданный в Институте им Пауля Шеррера (PSI). для проведения поляризационных исследований в нуклон-нуклонных взаимодействиях, приведены основные характеристики отдельных узлов комплекса С использованием этого комплекса выполнена программа исстедований n/7-рассеяния частью которой является предложенная диссертация Использованные нами высокоинтенсивные пучки поляризованных и неполяризованных нейтронов получались в реакции зарядового обмена поляризованных протонов (энергия 590 МэВ поляризация -75%) с углеродной мишенью р(С N)n под углом 0° Для проведения поляризационных исследований в PSI построена специальная экспериментальная зона NA2 которая схематически изображена на рис 1 и рис 2 Для проведения наших экспериментов с поляризованными нейтронами общей целью которых было измерение 15 различных спиновых наблюдаемых в упругом лр-рассеянии в широком диапазоне энергий (230590 МэВ) и углов рассеяния (60° < 0UM < 180°) были построены два спектрометра расположенные на нейтронном пучке на расстоянии 13 735 м (спектрометр 1 рис 3) и 24.00 м (спектрометр 2) от углеродной мишени рождающей нейтроны соответственно

Пучок поляризованных нейтронов

Экспериментально было показано что перенос поляризации в реакции зарядового обмена р(Х J )п на тегких ядрах X является самым эффективным если используется механизм переноса поляризации на передние углы При наличии в PSI высокоинтенсивного пучка (-10 мкА) продольно-поляризованных протонов (поляризация - 75%). использование указанного механизма позволило получить пучок поляризованных нейтронов с уникальными характеристиками (а) энергетический спектр нейтронов является непрерывным и состоит из квазиупругого пика при энергии 530 МэВ и сплошного распределения при более низких энергиях (б) средняя интенсивность пучка нейтронов на расстоянии 13 735 м от мишени рождающей нейтроны и при использовании протонного пучка с интенсивностью -10 мкА составляет около 5 106 п см"2 с 1 см рис 4 (в) при поляризации первичных протонов -75% поляризация нейтронов достигает значений от -15% для нейтронов с энергией

5 м

Рис 1 Схематическое изображение экспериментальной лаборатории NA2 PSI 1 — Ось протонного пучка. 2 - PIREX - станция для облучения протонами, 3 - Дипольный магнит ACDY1 (31 градусов) 4— Сверхпроводящий соленоид, 5 - Дипольный магнит ACDY2 6 — Магнитная система для управления пучком 7 — Мишень для рождения нейтронов, 8 — Дипольный магнит ACF 9 - Глушитель пучка протонов К) — Свинцовый фильтр и коллиматор пучка нейтронов, 11 — Дипольный магнит ACDY3. 12 — Дипольный магнит ACDY4, 13 — Ось нейтронного пучка, 14 — Спектрометр 1. 15 — Монитор 2 16 — Спектрометр 2 17 — PIF - станция для облучения протонами, 18 — Домики для электронной и вычислительной аппаратуры. 19 — Глушитель пучка нейтронов

к

А .У

Л

И

©

| Рис. 2. Схема направлений поляризации протонов а нейтронов вдоль линии пучка в I лаборатории ЫА2. / — Ось протонного пучка: 2 — Квадрупольные магниты: 3 — | Сверхпроводящий соленоид; 4 — Дипольный магнит АСОУ2: 5 — Мишень для | рождения нейтронов; 6 — Дипольный магнит АСР. ~ — Глушитель пучка протонов; 8 ; — Ось нейтронного пучка; 9 — Дипольный магнит АСБУЗ; 10 — Дипольный магнит АСБУ4: 11 — Спектрометр 1: /2 — Спектрометр 2.

Спин протона

10

Спин нейтрона

Рис. 3. Спектрометр 1

260 МэВ до - 40% для нейтронов с энергией выше 450 МэВ Направление поляризации нейтронов противоположно направтению поляризации протонов, см рис 5 (г) набор магнитов распочоженных вдоль нейтронного пучка позволяет повернуть спин нейтрона в любое из трех направлений k s, п, см рис 2 (д) переворот поляризации нейтронного пучка можно осуществлять через заданное время как правило через каждую секунду (е) измерение энергии нейтронов в пучке осуществчяется с использованием методики времени пролета с привязкой к сигналам высокочастотной системы (50 63 МГц) ускорительного комплекса

Энергетическое разрешение в экспериментах с использованием спектрометра 1 составляло от 15 МэВ по 50 МэВ дтя энергии нейтронов от 200 МэВ по 590 МэВ соответственно и при испочьзовании спектрометра 2 — от 4 МэВ по 21 МэВ для энергии нейтронов от 200 МэВ по 550 МэВ соответственно Измерение интенсивности нейтронного пучка его поляризации и профиля проводилось во время эксперимента непрерывно с использованием двух мониторов, расположенных до и после спектрометра 1 соответственно

и

в 4

S

А Н О О ВС в я

о

к и н X

S

200 300 400 500 600 Энергия нейтронов, МэВ

Рис 4 Энергетический спектр нейтроноб из реакции р(С Х)п Спектрометр 1

Схематическое изображение первого спектрометра расположенного на расстоянии 13 735 м от мишени для рождения нейтронов, показано на рис 3 Спектрометр состоит из (а) протонной замороженной поляризованной мишени (или протонных неполяризованных мишеней) (б) детекторной системы протонов отдачи и системы измерения их поляризации (в) детектора рассеянных нейтронов (г) системы сбора и

100 200 300 400 500 600 Энергия нейтронов, МэВ

Рис 5 Энергетическая зависимость поляризации нейтронов из зарядообменной реакции продольно поляризованных протонов с ядрами углерода р(СХ)п под углом 0 градусов

регистрации данных С использованием этого спектрометра получены экспериментальные данные, позволяющие определить одно- двух- и трехспиновые наблюдаемые в упругом яр-рассеянии (см главу 5)

Протонная замороженная почяризованная мишень и протонные непо1яризованные мишени

Созданная для наших экспериментов протонная замороженная поляризованная мишень (рис 6) состоит из следующих основных частей (а) рефрижератора растворения JHe-4He. (б) вещества мишени с объемом -100 cmj (бутанол -СНДСЬЬ^СНзОН) находящимся в камере растворения рефрижератора, (в) поляризационного (2.5 Тл) и удерживающего (0 8 Тл) сверхпроводящих магнитов (г) высокочастотной системы для накачки поляризации (частота - 70 ГГц), (д) системы ядерного магнитного резонанса

Накачка поляризации проводится в магнитном поле 2.5 Тл при температуре -150 мК В замороженном состоянии поляризации протонов (-50 мК) и магнитном поле 0 8 Тл время спин-решеточной релаксации поляризации получалось больше чем 1000 ч Поляризация протонов измерялась с относительной точностью 3-4% с использованием техники ЯМР Переворот направления поляризации проводился методом динамической накачки в магнитном поле 2.5 Т. направление магнитного поля не менялось Характерная величина поляризации протонов во время набора статистики составляла 60%-80% в основном в зависимости от того была ли поляризация направлена вдоль или против направления внешнего удерживающего магнитного поля Измерение

поляризации проводилось в начале и конце каждого отдельного эксперимента значение поляризации в любое заданное время между двумя измерениями получалось методом экспоненциальной экстраполяции Специальная магнитная система состоящая из трех сверхпроводящих магнитов предназначенная для создания удерживающего магнитного поля давала возможность установить поляризацию протонов мишени в любом из направлений п, к и в Вместо поляризованной мишени в отдельных экспериментах использовались также неполяризованные мишени из С1Ь или С

Детектор протонов отдачи и система измерения их поляризации

Измерительная система для детектирования протонов отдачи и измерения их поляризации (см рис 3) состоит из (а) сцинтилляционного счетчика 812 дающего стартовые сигналы для всего спектрометрического комплекса и (б) телескопической системы многопроволочных пропорциональных камер (МППК)

Каждая из МППК в свою очередь состоит из двух плоскостей (расстояние между плоскостями 18 мм) с взаимно-перпендикулярными проволоками (вольфрам, толщина 20 микрон) с шагом 1 мм Измерение поляризации протонов отдачи основано на методе рассеяния протонов на рассеивателе-анализаторе из углерода Для этой цели между третьей и четвертой МППК телескопа размещался рассеиватель из углеродных пластин с толщиной 5 см или 7 см Большое количество детектирующих плоскостей камер телескопа способствовало хорошей эффективности определения траектории протонов отдачи и траектории протонов, рассеянных на рассеивателе-анализаторе поляриметра и тем самым и эффективному определению поляризации протонов отдачи

Детектор рассеянных нейтронов

Измерительное плечо детектора рассеянных нейтронов (рис 3) состоит из сцинтилляционного детектора Уп выполняющего роль вето-счетчика, набора одиннадцати горизонтально расположенных сцинтилляционных стержней для детектирования нейтронов и двух вертикально расположенных сцинтилляторов Т1 и Т2 для определения временной привязки сигналов из отдельных детекторных стержней Горизонтальная координата места попадания нейтрона в детектор определяется измерением разницы во времени между появлением сигналов из двух фотоумножителей которые расположены на концах сцинтилляционного стержня, зарегистрировавшего нейтрон Вертикальная координата зарегистрированного нейтрона определена вертикальным положением соответствующего сцинтилляционного стержня

Система сбора данных

Чтобы обеспечить измерения в большом диапазоне углов рассеяния оба детектора детектор рассеянных нейтронов и детектор протонов отдачи с системой измерения и\ поляризации расположены на двух подвижных платформах которые могут вращаться в горизонтальной плоскости вокруг оси поляризованной мишени

Созданная двухуровневая программируемая система триггера позволяет задавать большое количество разных условий для регистрации событий Основными условиями работы триггера первого уровня, использованными в наших измерениях были

(а) МЗ Б2 - триггер для проведения временной калибровки спектрометра.

(б) МЗ Б1 82 А - триггер для проведения геометрической калибровки камер плеча для детектирования протонов отдачи.

Рис 6 Поляризованная мишень

(в) МЗ Vn SI S2 N - триггер для набора данных отвечающих упругому и/;-рассеянию

При работе детектора протонов отдачи в режиме измерения поляризации протонов отдачи использовался триггер второго уровня, позволяющий во время измерения из дальнейшей регистрации исключить все случаи, для которых угол рассеяния на углеродном рассеивателе меньше 3 градусов Система сбора данных базировалась на системе разработанной и общепринятой в PSI

Спектрометр 2

Второй спектрометр был расположен на расстоянии 24 00 м от мишени для рождения нейтронов Он состоял из (а) жидководородной мишени, (б) магнитного спектрометра с магнитным анализатором и системой дрейфовых камер расположенных до и после магнита и (в) протонного поляриметра, расположенного на вращающейся платформе и работающего на принципе рассеяния протонов отдачи на углеродном рассеивателе Комплекс спектрометра 2 использовался нами для измерения энергетического спектра и поляризации нейтронного пучка и для определения коэффициента передачи поляризации DCi. oko(0°) в реакции р(С N)n в специально поставленном для этого опыте (см главу 4)

В третьей главе описаны основные принципы обработки экспериментальных данных и способы определения спиновых наблюдаемых Основными этапами анализа экспериментальных данных являлись (а) осуществление предварительной калибровки временных каналов спектрометрической системы и юстировки геометрии отдельных элементов регистрирующей системы (б) восстановление на основе данных из нейтронных счетчиков геометрических координат траекторий частиц и определение энергии налетающего нейтрона (в) с привлечением совокупности кинематических условий процесса упругого рассеяния осуществление предварительного отбора «хороших» событий (г) детальный анализ предварительно отобранных событий, включающий более точное определение физических величин представляющих интерес и проведение окончательного отбора событий удовлетворяющих наложенным кинематическим условиям эксперимента (д) распределение окончательно отобранных событий в соответствующие ячейки гистограммирования по энергии рассеиваемого нейтрона и углу рассеяния (е) определение для каждой ячейки гистограммирования вспомогательных величин (сумм), необходимых при расчетах значений статистических аппроксиматоров спиновых наблюдаемых, (ж) расчет асимметрий во всей совокупности отобранных событий зарегистрированных при поляризации нейтронного пучка + и - (з) определение значений статистических аппроксиматоров величин спиновых наблюдаемых (и) определение соответствующих статистических и систематических ошибок получаемых величин

Эффективные статистические аппрокасиаторы д'1я коэффициентов корретции поляризации

Число событий упругого пр —> пр рассеяния нейтронов с энергией Еп в направлении с полярным углом 0„ и азимутальным углом ф можно записать как

Ы(Е„ 0„ Ф) = [а-ст/(сЮ <№„)] п(Е„ 9Г Ф) Ь (2)

где (1~о/(сЮ с1Еп) — дифференциальное сечение упругого ир-рассеяния Г|(ЕП 9„ ф) — аксептанс и эффективность детектирующей экспериментальной аппаратуры Ь — светимость системы учитывающая интенсивность нейтронного пучка плотность мишени и продолжительность измерений Явную зависимость дифференциального сечения ё~а/(сЮ с1Еп) от азимутального угла ф полярного угла 0„ координат векторов в, п, к, Рв и Рт в (л, у, г) системе энергии рассеиваемых нейтронов Е„ двух величин асимметрий Аооьо и Лоосп и четырех коэффициентов корреляции поляризации Аоопп Аоо« Аоокк Аоочк можно записать как

[ё:ст/(сЮ с1Е)] = 1оооо {1 + (Рв-п) А00пО + (Рг») Аоооп + (3)

+ Рв Рт[(Яв п) (Ргп) Аоопп + (/>«•■>) (Рт) Аоо,, + + (Рв к)-(Ргк) Аоокк + ((Рв *) (РгА) + (Рв'к) (Ргп)) А<„кк]!

Для каждой из четырех возможных комбинаций ориентации поляризации пучка и поляризации мишени (у 8) = (п,п) (в,в) (к,к), (я,к) регистрировались значения чисел событий Ы(Е„ 9П ф Рв7* Рт") Используя все четыре разные комбинации направления поляризации нейтронов и протонов (Рв Рт) = (Рв+ Рт+) (Рв+ Рт") (Рв' Рт+) (РВ Рт") получаем 16 уравнений для определения входящих в них величин в том числе спиновых наблюдаемых Хьгы В постановке наших экспериментов направление поляризации пучка нейтронов чередовалось каждую секунду и проводилась

регистрация числа отсчетов М(Е„ 9„.ф Рв^.Рт" ) отвечающих противоположным значениям поляризации нейтронов (Рв1*) Абсолютное значение поляризации в обоих случаях можно считать одинаковым Рв+ = Рв Аналогично и аксептанс и эффективность регистрирующей аппаратуры можно считать одинаковыми С другой стороны так как измерения с противоположными направлениями поляризации протонов мишени проводятся в разное время соответствующие величины поляризации отличаются Рт* * Рт" Учитывая это вместо уравнений для величин Ы(ЕП 0„ ф Рцу± Ртй±) (см (2) и (3)) удобнее анализировать уравнения для асимметрии £(Рт<>±) = е(Еп 0„ ф Рт6±) получаемые из чисел отсчетов М(Е„ 0П ф. Рв71 Рт"1) измеренных при одинаковой поляризации мишени Рт* и с противоположными поляризациями пучка нейтронов Рв+ и Рв" соответственно как

е( Рт6±) = е(Е„ 9„ Ф Рт") = [К(РВ+) - Ы(Рв")] / [К(Рв+) + Ы(Рв1]. (4)

где величины отсчетов Ы(РВ+) и М(Рв ) нормированы с использованием интенсивности исходного пучка нейтронов измеренной первым монитором Учитывая что вследствие принципа Паули Аоопо = Аоооп и полагая | Рв+| = |Рв I- из (2)-(4) получаем

е(Рт"±) = Рв'КЛ» л>АоопО+ Рт Аоо»] / [1 + (рги>Аоопо] (5)

Полученные величины асимметрий е(Ртй±) не содержат уже зависимости от Г1(Е„ 9„ ф) и Ь и представляют собой в общем случае набор восьми трехпараметрических уравнений для определения пяти величин спиновых наблюдаемых Аоопо- Аоопп- Л()(Кл Аоокк- А00ьк Чтобы получить значения указанных спиновых наблюдаемых нами были осуществлены в совокупности четыре серии экспериментов с разными ориентациями спинов как нейтронов пучка так и протонов мишени

Вклад фоновых событий при обработке учитывался как эффект "растворения" поляризованных протонов в других компонентах вещества мишени и материалах окружающих мишень рассеяние на которых приводит к появлению фоновых событий Количественно вклад фоновых событий учитывался с помощью коэффициента "растворения" ( Коэффициент Г = [Ы(фоновая мишень) К]/рМ(поляризованная мишень)] получался из числа зарегистрированных событий в экспериментах с фоновой (»(фоновая мишень)] и поляризованной ^(поляризованная мишень)] мишенью соответственно Фактор К

К = Еэффот /£фо„ (6)

является коэффициентом нормировки истинных и фоновых спектров (снятых с фоновой мишенью) рассчитанным из суммарной статистики событий Е^фсп и 1фо>, в обоих спектрах Дифференциальное сечение рассеяния поляризованных нейтронов на фоновой мишени (полагая Рт = 0) можно представить как [с!:а/(сЮ с!Е)](фон)=1оооо{ 1 + Рв(Рв-л)-Афо„(Еп 9П)) Для определения величин 8П) анализировались

асимметрии Ефо„

Ефон = Е(Еп.0п ф)фон = |Д)юн(Рв+) - ^„(РгГ)] / [ЫфоДРв") + Ыфо„(РВ )] = (7)

= Рв(рв.и>Афо„(Е„ 0„)

Учитывая наличие фоновых событий, дифференциальное сечение рассеяния поляризованных нейтронов на поляризованной протонной мишени можно записать как

[а3о/(сЮ с1Е)]0кс = (1 - 0[с1:ст/(сЮ с!Е)],Шп „рот) + f[с!2ст/(сЮ-с1Е)](фон> (8)

и выражение (3) принимает вид

[с!2ст/(ёОаЕ)](,кс)=1оооо{1+Рв(Рв-я)[(1-0-Аоопо + Г-Аф„„] + (9)

+ Рг(рг") (1-0 Аоооп + Рв Рт (1-0 "Аооу(,}

В этом случае для определения спиновых наблюдаемых Аоо>ю Аоопп Аоокк Аоо55 А^ьк получаем систему уравнений

Е(Ртй±) = е(Е„.е„ ф Ртй±) = ^(Рв+),ксп- К(Рв-),ьсп]/^(Рв+)5ксп+ Ы(Рв")5КСП] = (10) = Рв (/>*•«)•[( 1-0 "Аоопо+Г Афо„]+ Рв-Рт (1-0-Аооу,]/[1+Рг(рги)(1-0-Аоопо]

где у б = б к п При этом в уравнениях (9) коэффициенты у искомых величин Аоопо-Аоопп Аоокк Аоо55 Аоо*к зависят от азимутального угда ф и выражаются через функции

вШф СОБф БШф СОвф 51П:ф И С052ф (11)

Применение фурье-анализа является удобным методом для определения из (9) искомых величин спиновых наблюдаемых Заменяя при фурье-анализе соответствующие интегралы по переменной ф для фиксированных значений Еп и 9„(сцм) суммами событий попадающих в соответствующие ячейки гистограммирования по энергии Еп и полярному углу рассеяния 0„(с ц м)

<Б1Пф>. <СОБф> <Б1Пф СОБф> <51П2ф> И <С052ф>, (12)

то можно с их помощью выразить в (9) коэффициенты при величинах спиновых наблюдаемых не прибегая к гистограммированию по ф Решая систему уравнений полученную таким образом из (9) получаем хорошие аппроксиматоры для величин Аоопо Аоопп Аоокк. Аос^ и Аооьк

Эффективные статистические аппроксиматоры дчя компонент вектора почяризаии протонов отдачи аппроксиматоры дчя коэффициентов депочяризации А ¡¡¡пл. коэффициентов переноса почяризации Коря и трехчастичных коэффициентов

Для определения спиновых наблюдаемых Ооцо,-, Коруо и I.)в эксперименте необходимо определить спиновое состояние протонов отдачи Для анализа спинового состояния протонов отдачи нами использовался метод их рассеяния на углеродном рассеивателе МППК поляриметра Число регистрируемых событий рассеяния частиц со спином 1/2 и поляризацией Р (в нашем случае протон) на неполяризованных ядрах (углерод) получаем из (2) где дифференциальное сечение как функция энергии протонов отдачи и полярного 0с и азимутального фс углов рассеяния имеет вид

[с12ст/(с10-с1Е)]с = 1оооо {1 + АС(ЕР 0С) Р„ созфс - АС(ЕР 0с)-Р5-51ПфС> или (13) [<12а/(сЮ с!Е)]с= 1с ! 1 + епс(Ер 0С) -соэфс + е5с(Ер 0С) викрс}

где е„с(Ер Ос) и еьс(Ер 9с) — асимметрии зависящие от анализирующей способности углеродного поляриметра Ас(Ер 0С) и компонент вектора поляризации Р„ и 1\ соответственно

епС(Ер 6С) = Ас(Ер Ос)-Рп еьс(Ер 0С) = - АС(ЕР 9С) Р> (14)

Число событий отвечающих рассеянию протонов отдачи на углеродном рассеивателе можно записать как

>НЕР 9с фС) = [с1:с/(<Ю-с1Е)]с-п(Ер 0С Фс) I

(15)

где Г)(ЕР 8с фс) ~ аксептанс и эффективность детектора и I. — светимость системы Из (12)-(14) получаем

Ы(ЕР вс Фс) = 1с {1 + епС(Ер 6С) собфс + е5с(Ер 0с) БШфс} п(ЕР °с фс)*Ь. или К(Ерес.фс) = 1с-{1 +Ас(Ер.9с)РпС05фС-Ас(Ерес)Рь81Пфс} п(ЕР0СфС)1. (16)

Решая систему уравнений (16) получаем асимметрии е„с(Ер9с) и с^ (Ер 0С) Когда анализирующая способность Ас(Ер0с) известна то решение уравнений (16) позволяет определить прямым образом величины поляризации Рп и Р, Если функция эффективности аксептанса г1(Ер0сфс) в (15) имеет период симметрии л по азимутальному углу ф то анализ Фурье из (16) дает для аппроксиматоров поляризации <Р„> и <Р„> систему уравнений

Г

1соб Ассовф

1с„о Ас31Пф __•

^соб Ас'соэ^ф. 1с„б Ас'вЩф СОБф £|.оо Ас^Шф СОвф Г100 Ас'БНГф

<Рп>

<Рь>

или в матричной форме

В = Р . < Р> или < Р > = Г1. В.

(17)

(18)

Суммы в (17) вычисляются для каждой ячейки гистограммирования по всем азимутальным углам ф = фс соответствующих событий

£СОо АсСовф £Соо Асвшф 1СибЛс"соя-ф £сой Ас'вш'ф 1а,о Ас'.чтф совф (19)

Применяемый здесь метод принято называть методом взвешенных сумм, в котором роль весов играют анализирующие способности Ас(Ер 0с) Для матрицы ошибок имеем У(Р) = Г1

Использование аппроксиматоров асимметрий поляризаций <Р> (17) полученных методом взвешенных сумм удобно также и для учета фона который в общем случае может иметь другое угловое распределение, чем истинные события Вычет фона в этом случае удобно проводить на уровне сумм (19) а не на уровне поляризаций <Р> Из экспериментальных данных полученных в измерениях фоновых событий с фоновой мишенью методом вычисления соответствующих сумм (19) получаем такие же матрицы Вфон и Рфо„ (см 18) как и матрицы Вмишень и РЧ1ШШ.НЬ (см (18)) для суммарных

событий полученных с поляризованной мишенью включающих как эффект, так и фон В этом случае, матрицы В и F (18) отвечающие истинным событиям можно записать как

В = ВЧШШень - К Вфон И F — F\tnuieHb - К F(J)oh (20)

где фактор нормировки фоновых событий К определен в (6) Матрица ошибок поляризации в этом случае вычисляется как V(P) = F''(FwmlCMb + К2 Рф,,,,) Г1

Решая для каждой ячейки гистограммирования (Е' 0'CUu) систему уравнений (18) с данными (20) полученными в измерениях с нормальной и фоновой мишенью получаем значения аппроксиматоров <Р„> и <PS> компонент Рп и Р5 вектора поляризации протонов отдачи (16) соответственно Из найденных значений величин <РЛ> и <PS> получаем систему уравнений (21)

<РП> = {РопОО +РВп КоппО + Ртп-ОопОп + РВп PTn'Nonnn + Pes-P^Nonss +

+ Рвк Ртк-NonU + PBk-Pîk-Nonsk + Pbk-PTS-N0„k,}x X { 1 + Рвп'АоОпО + Ртп Аоооп + Evi^k. П SPby Рте'Aooyôî

(21)

<PS> = {Pbs'Kos-5o + Рвк-Ко5-ко + Pis-Do, Os + Ptv-Dos-oi. + PBs-Pt„ N0>-s„ + + Pen-Pb'Nos-пь + Рвк-Ртп-Nob-kn + Рвп-Ртк Nos"„kjx x { 1 + Рвп'А(10п0 + Ртп'АйООп + £y«=k n sPBr Ptî> Aoovi,} 1

решение которой с привлечением результатов по определению коэффициентов корреляции поляризации (10) позволяет определить спиновые наблюдаемые Dopo^ Kopvo и Nopvo Проводя измерения при разных значениях исходных направлений поляризации нейтронного пучка и протонов поляризованной мишени из (21) для каждой заданной ячейки гистограммирования (Е1 0'и,м) получаем систему взаимно связанных линейных уравнений для спиновых наблюдаемых ХЬГ(,,(Е' 9'СцЧ) В (21) спиновые наблюдаемые Овп8б Коруо и Nop-,6 выступают всегда в сумме с коэффициентами которые определены в каждом отдельном случае поляризационными условиями постановки эксперимента

В четвертой главе приводятся результаты проведенных прецизионных измерений энергетического спектра и поляризации нейтронов в зарядообменной реакции '~С(рп)Х с поляризованными протонами с энергией 590 МэВ Из проведенных ранее исследований было известно что зарядообменная ри-реакция на легких ядрах является одним из эффективных методов получения пучков нейтронов, в том числе и поляризованных Систематические исследования зарядообменной реакции поляризованных протонов на ядрах углерода на ускорительном комплексе PSI показали что реакция с продольно-поляризованными протонами является более эффективным способом получения пучка продольно-поляризованных нейтронов чем реакция с вертикально-поляризованными протонами На этих результатов в PSI была создана специальная линия для получения высокоинтенсивных поляризованных и неполяризованных пучков нейтронов Пучок поляризованных нейтронов в PSI является в настоящее время одним из лучших пучков поляризованных нейтронов в области

энергий ниже 600 МэВ Высокая интенсивность и поляризация нейтронного пучка позволили осуществить поставленную нами задачу завершения полного опыта в упругом н>клон-нуклонном взаимодействии реальной Значения величин энергии и поляризации нейтронов необходимы для определения спиновых наблюдаемых в упругом лр-рассеянии и точность их определения для отдельных событии непосредственно влияет на точность определения соответствующих спиновых наблюдаемых В связи с этим был поставлен специальный эксперимент для точного определения энергии и поляризации нейтронов созданного в PSI нейтронного пучка

Экспериментальная у становка

Эксперимент основан на измерении спиновой зависимости дифференциального сечения упругого рл-рассеяния с использованием спектрометра 2 и техники измерения времени пролета с привязкой к высокочастотной системе 50 63 МГц ускорительного комплекса Экспериментальная установка состояла из (а) жидководородной мишени LH; расположенной на расстоянии 24 00 м от углеродной мишени для рождения нейтронов (б) магнитного спектрометра оснащенного дрейфовыми камерами для детектирования протонов отдачи (в) сцинтилляционных годоскопов для детектирования рассеянных нейтронов (г) набора сцинтилляционных счетчиков и триггерной системы для измерения времени пролета нейтронов

Энергетический спектр нейтронов

Полученное с помощю времяпролетной базы 24 00 м энергетическое разрешение при определении энергии нейтронов составляло 21 МэВ и 4 МэВ для энер1ии нейтронов 550 МэВ и 200 МэВ соответственно Полученный энергетический спектр нейтронов пучка показан на рис 4 Квазиупругий пик с энергией около 530 МэВ получается в результате процесса ':C(pn)'~N когда ядро отдачи '~N остается в основном или возбужденном состоянии Аналогичные измерения энергетического спектра нейтронов проведенные с использованием времяпролетной базы 13 735 м и спектрометра 1 имеют худшее энергетическое разрешение Поэтому, при определении общей задержки временного канала и определении энергии нейтронов для каждого отдельного события при обработке экспериментальных данных испотьзовались результаты полученные в измерениях на базе 24 00 м с учетом того, что квазиупругии пик имеет энергию 530 МэВ

По мризация нейтронного пу чка

В прецизионных измерениях поляризации нейтронного пучка использовалось упругое рл-рассеяние нейтронов п с поляризацией направленной вертикально (п) на протонах р жидководородной мишени При этом направление поляризации нейтронного пучка менялось на противоположное каждую секунду путем переворачивания поляризации протонов в ионном источнике ускорителя Поляризация нейтронного пучка определялась из асимметрии вылета протонов в упругом рп-рассеянии Полученные значения поляризации нейтронов в зависимости от их кинетической энергии приведены на рис 5 где они показаны темными кружками На этом же рисунке светлыми кружками показаны результаты измерений проведенных с использованием времяпролетной базы 13 735 м и спектрометра 1 Во втором случае энергетическое разрешение системы хуже чем в первом случае в несколько раз В спектре измеренном с лучшим разрешением наблюдается отчетливая структура в

области энергии нейтронов около 530 МэВ. Дополнительные проверочные измерения показали, что приборный эффект, приводящий к появлению этой структуры, можно исключить. Выяснение физической природы этого эффекта, связанного, по-видимому, со структурой ядра l2N. в частности с образованием ядер |:N в возбужденных состояниях, является предметом дальнейших исследований.

Определение коэффициента передачи поляризации DLj, ом (О") в реакции 'С(рп) '"Л'

Коэффициент передачи поляризации Dct-nio(0°) в реакции '~C(pn)''N можно получить из поляризации исходного пучка протонов РВр = 75% и измеренной поляризации пучка нейтронов РВп (см. рис. 5). как DCk okn(Epn,0°) = Рвп ' ?вр ■ Здесь Ерп = (Тр - Тп) разница кинетических энергий первичного протона Тр и энергии возникающего в реакции нейтрона Т„ соответственно. Полученная

энергетическая зависимость коэффициента передачи продольной поляризации ¡Ук пт/О0) под утлом 0° в реакции '~C(pn)'~N показана на рис.7 темными кружками. Замеченная в энергетическом спектре поляризации нейтронов (см. рис, 5) структура проявляется в энергетической зависимости коэффициента Dcпт(Ер„.0°} при энергии около 60 МэВ.

О.

-о. °bk .0.

-о. -0.

Разность энергий ш (МэВ)

-1-1-1-

2 4 6»

у>

♦фТ |

•♦4 i ♦

-ф

_1_I_1_I_1_

О 100 200 300 400 500

Рис. 7. Энергетическая зависимость коэффициента передачи продольной поляризации 0Ск'око(Ерп,0°) в реакции р(С.Х)п.

В пятой главе приведены полученные нами значения спиновых наблюдаемых в упругом ир-рассеянии. С помощью разных комбинаций поляризационных состояний нейтронного пучка и протонов мишени и анализа спинового состояния протонов

отдачи были проведены измерения коэффициентов асимметрии 4ооо„ коэффициентов поляризации Ропоо- коэффициентов корреляции поляризации Аоо,т и Ли,,,; коэффициентов деполяризации Dn„n„ коэффициентов переноса поляризации k„¡ и) и Ко¡ sо и тречспиновых коэффициентов AHj ¡,„ и ЛЙ5 .„, в диапазоне энергий 200 - 590 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс 60° - 124° В совокупности получено бочее 350 значений спиновых наблюдаемых в указанной области энергий и углов рассеяния При этом многие из них были получены впервые Условия постановки экспериментов и измеренные спиновые наблюдаемые Х„ы в диапазоне углов рассеяния 60° - 124° с ц м представляющие цель настоящей диссертационной работы приведены в табл 1

Спиновое состояние частиц участвующих в реакции Измеренные коэффициенты Х5Гы

s г b t

0 0 п п Аоооп Аоопп

0 0 S к Аоо>к

0 п 0 п Р0п00 DonOn

0 s к 0 KoslO

0 S s 0 К(ь so

0 S к п N0,kn

0 S s п No, sn

Таблица 1 Условия постановки экспериментов и измеренные спиновые наблюдаемые Х5гЫ в диапазоне углов рассеяния 60° - 124° с ц м представляющие цель настоящей диссертационной работы

Представленные в настоящей работе эксперименты являлись первыми экспериментами в рамках поставленной программы исследований в которых использовалась протонная поляризованная замороженная мишень Накопленный опыт сыграл существенную роль в постановке всех последующих сеансов и способствовал успешному выполнению намеченной программы

Для каждого заданного набора поляризационных состояний нейтронного пучка и протонной мишени набиралось приблизительно одинаковое число событий (1-3 107). такое чтобы обеспечить хорошую статистическую точность результатов Для проведения фоновых измерений использовалась неполяризованная мишень из шариков тефлона, симулирующая что касается содержания рассеивающего вещества поляризованную мишень Как при измерениях эффекта так и в фоновых измерениях использовалось одинаковое удерживающее магнитное поле мишени На практике число событий которые регистрировались в фоновых измерениях представляло около одной трети событий зарегистрированных при измерениях с поляризованной мишенью

Для получения аппроксиматоров спиновых наблюдаемых гистограммирование проводилось по ячейкам с шириной по энергии Е в 20 МэВ и по углу рассеяния 9ЦМ в системе центра масс с шириной в 4° Для получения окончательных результатов экспериментальные данные были далее сгруппированы в пять ячеек гистограммирования по энергии со средними значениями энергий с 260. 315 380. 460 и 535 МэВ и в восемь ячеек гистограммирования по углу рассеяния с шириной 8° и средним значением 64°. 72° 80° 88°. 96°. 104°. 112° и 120° в с ц м

В качестве примера полученных данных значения коэффициентов деполяризации Do„on представлены в графическом виде на рис 8 (черные кружки) а коэффициенты передачи поляризации Кщ ко и трехспиновые коэффициенты Nos s„ в табличном виде — в табл 2 и 3 соответственно Указанные на рис 8 и в табл 2 и 3 ошибки только статистические На рис 8 линиями показаны предсказания разных моделей и результаты фазового анализа в котором новые данные пока не учитываются

ец«[°] 260 МэВ 315 МэВ Kns kn 380 МэВ 460 МэВ 535 МэВ

64 105(310) 103( 080)

72 - 202( 230) -020( 100) - 039( 060)

80 - 135( 367) - 159( 100) 048( 079) 182( 060)

88 315( 130) 160( 077) 304( 075) 250( 065)

96 617( 190) 249( 091) 188( 067) 348( 075) 325( 070)

104 007( 120) 393( 073) 417( 060) 421(075) 210(071)

112 2666( 090) 312( 063) 341(060) 360( 074) 473( 085)

120 063( 246) 251 ( 190) 234( 230)

Таблица 2 Коэффициенты передачи поляризации Kns ko

При определении значений параметров корреляции поляризации Ат,т и Лпп.<к- когда спиновое состояние протонов отдачи не анализируется статистика набранных событий очень высокая и статистические ошибки в определении параметров корреляции поляризации самые маленькие Статистические ошибки в определении значений двух-и трехспиновых наблюдаемых Do„o„ À'% ko- Kos sn Nns k„ и Л'о, s„ больше, так как в этом случае необходимо анализировать спиновое состояние протонов отдачи Это приводит к понижению суммарной статистики регистрированных событий по сравнению со случаем когда спиновое состояние протонов отдачи методом вторичного рассеяния не проводится

Значения величин односпиновых наблюдаемых Апоо„ и Рот можно также получить из анализируемого нами эксперимента При нашем анализе однако значения этих величин использовались как известные входные данные полученные с большой точностью на основе обработки всей совокупности проведенных нами экспериментов с разными поляризационными состояниями нейтронного пучка и протонов мишени

Границы оценок систематических ошибок определения спиновых наблюдаемых, полученные в результате ошибок в определении величин Рв Рт и Ас приведены в табл 4

A'nj s„

e,1M[°] 260 МэВ 315 МэВ 380 МэВ 460 МэВ 535 МэВ

64 455( 400) - 162( 100)

72 - 180(295) -348( 124) - 173( 080)

80 677( 492) - 138( 130) - 142( 100) - 060( 076)

88 059( 185) 085( 100) - 047( 091) - 143( 080)

96 -541(296) - 248( 130) 087( 087) - 182( 095) 019( 085)

104 - 117( 186) 058( 104) 191(080) - 124( 087) 071(090)

112 - 186( 145) - 052( 090) 096( 078) - 228( 095) - 185( 104)

120 221(412) - 223( 283) 121(300)

Таблица 3 Трехспиновые коэффициенты Л щ ш

Спиновые Фактор определяющий Относительная

наблюдаемые ошибку- ошибка

Ролю Ас 1 5 - 8 %

Aooot РвРт 3 7- 46%

Dorot РтАс 3 8- 8 8%

KorbO РвАс 1.9- 83 %

Norbt РвРтАс 3 9- 92%

Таблица 4 Относительная ошибка в определении спиновых наблюдаемых

Всего нами получено 350 экспериментальных значений коэффициентов асимметрии Аопоп коэффициентов поляризации Ра„т коэффициентов корреляции поляризации Ann,,,, и А ты коэффициентов деполяризации Do„o„ коэффициентов переноса поляризации Kos i/i и Kns so и трехспиновых коэффициентов Л'»., и Л«, 5„ в диапазоне энергий 230 -590 МэВ и упов рассеяния в системе центра масс 60° - 124° Наши данные существенным образом дополняют опубликованные данные и в большинстве своем они ранее не измерялись

О0п0л ^ОпОп

Рис 8 Коэффициенты деполяризации Г>а„о„ Наши данные В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1 При участии автора диссертации в PSI введен в эксплуатацию спектрометрический комплекс для измерений одно- двух- и трехспиновых наблюдаемых в упругом ир-рассеянии при энергиях нейтронов 200 - 590 МэВ и в диапазоне углов рассеяния 60° - 180° в системе центра масс использующий поляризованный нейтронный пучок и протонную поляризованную мишень

2 Отработана методика калибровки отдельных узлов спектрометрическою комплекса для измерения многоспиновых наблюдаемых в упругом пр-рассеянии

3 Проведены прецизионные измерения энергетического спектра и поляризации нейтронов из зарядообменной реакции '~С(рп)Х с поляризованными протонами при энергии 590 МэВ

4 Определен коэффициент передачи поляризации D\ oko(0°) в реакции '~C(pn)'~N

5 С использованием разных комбинаций поляризационных состояний нейтронного пучка и протонов мишени и анализа спинового состояния протонов отдачи в упругом ир-рассеянии проведены измерения коэффициентов асимметрии Аппо„ коэффициентов поляризации Рпппп. коэффициентов корреляции поляризации .-/乄, и Атл коэффициентов деполяризации Dn„n„ коэффициентов переноса поляризации Kos щ и Ко, и трехспиновых коэффициентов Л'„5 ¿„ и Л',), s„ в диапазоне энергий 230 - 590 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс 60° - 124° В совокупности получено более 350 значений спиновых наблюдаемых в указанной области энергий и углов рассеяния

Сравнение наших экспериментальных данных с результатами полученными в других экспериментах где такие имеются показывает, что во многих случаях измеренные нами спиновые наблюдаемые получены впервые и там. где экспериментальные данные уже имеются полученные нами новые результаты существенно улучшают опубликованные данные

Полученные новые экспериментальные данные существенным образом улучшили базу данных, касающихся спиновых наблюдаемых в упругом нейтрон-протонном рассеянии Новые результаты в совокупности с результатами, полученными в экспериментах по изучению спиновых наблюдаемых в протон-протонных взаимодействиях позволят восстановить параметры матрицы рассеяния для I = 0 и таким образом завершить осуществчение почного эксперимента в упругом NN-рассеянии в исследуемой области энергий

Новые экспериментальные данные будут также способствовать улучшению решений фазового аначиза Анализ имеющихся в настоящее время отклонений теоретических предсказаний полученных на основе разных модельных потенциалов и данных, полученных в эксперименте сможет содействовать улучшению имеющихся теоретических моделей

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

[1] A Ahmidouch J Arnold В van den Brandt M Finger.Jr et al. Spin Observables in Neuti on-Prolon Elastic Scattering

PSI Nuclear and Particle Physics Newsletter 1992. Annex 1 Annual Report 1992. pages 33-36

[2] A Ahmidouch J Arnold В van den Brandt M Finger.Jr et al. Spin Obsen ables in Neuti on-Pi oton Elastic Scattei wg

PSI Nuclear and Particle Physics Newsletter 1993 Annex I Annual Report 1993 pages 43-45

[3] A Ahmidouch Ph Demierre. N Goujon. M Finger.Jr et al Spin Observables in Neun on-Pioton Elastic Scattering at PSI

Proceedings of the XIVth International Conference on Few Body Problems in Physics (ICFBP-14) Wilhamsbourg VA. USA May 25-31. 1994.343-347

[4] A Ahmidouch Ph Demierre. N Goujon. M Finger Jr. et al. Spin Obsen ables in Neuti on-Proton Elastic Scattering

Proceedings of the International Conference on Mesons and Nuclei at Intermediate Energies (M&N'94) Dubna Russia 3-7 May 1994 pages 91-96 Editors M Kh Khankhasayev Zh В Kurmanov JINR (World Scientific)

[5] A Ahmidouch. J Arnold В van den Brandt. M Finger.Jr et al. Spin Observables m Neutron-Proton Elastic Scattering

Contributions to the 8th Symposium on Polarization Phenomena m Nuclear Physics Bloommgton Indiana USA September 15-22 1994 pages 68-69

[6] A Ahmidouch J Arnold В van den Brandt. M Finger Jr et al Spin Obsen ables in Neuti on-Pi oton Elastic Scattei wg

Proceedings of the Xlth Symposium on High Energy Spin Physics SPIN'94 Bloommgton Indiana USA September 15-22 1994. 6 pages

[7] В van den Brandt M Daum W Hajdas M Finger Jr et al The Nucleón Facility at PSI

Proceedings of the International Conference on Mesons and Nuclei at Intermediate Energies (M&N'94) Dubna Russia 3-7 May 1994 pages 801-807 Editors M Kh Khankhasaye\. Zh В Kurmanov JINR (World Scientific)

[8] J Arnold В van den Brandt M Daum M Finger Jr et al Spin Observables m Neuti on-Pi oton Elastic Scattering

PSI Annual Report 1994/Annex I Nuclear and Particle Physics Muons in Solid- State Physics and Chemistry, page 25

[9] J Arnold В van den Brandt M Daum M Finger Jr et al. Analyzing Роме/ of the Reaction np-dn°bet\\ een 310 MeVand 580 Me V

PSI Annual Report 1994/Annex I Nuclear and Particle Physics Muons In Solid-State Physics and Chemistry, page 26

[10] J Arnold В van den Brandt M Daum M Finger Jr et al Two- and Three-Spin Observables m Neutron-Proton Elastic Scattering. Proceedings of the Deuteron-95 Dubna Russia July 4-7 1995 pages 82-89

[11] A Ahmidouch Ph Demierre N Goujon-Naef M Finger.Jr. et al 7\t o- and Thee-Spm Ohsen ables in np Elastic Scaiiei mg al PSI Proceedings of thel2th International Symposium on High-Energy Spin Physics [SPIN96] pages 588-590 September 10-14.1996 Amsterdam The Netherlands Edited by С W de lager T J Ketel P J Mulders. J E J Oberski and M Oskam-Tamboezer NIKHEF Amsterdam Copyright 1997 by World Scientific Publishing Co Pte Ltd ISBN 981-02-3052-4

[12] J Arnold J Franz H Lacker E Rossle M Finger Jr et al Analyzing PoMei of np-dn°between 310 and 580 Mel

Proceedings of the 12th International Symposium on High-Energy Spin Physics [SPIN96] pages 543-545. September 10-14 1996 Amsterdam The Netherlands Edited by С W de Jager T J Ketel P J Mulders. J E J Oberski and M Oskam-Tamboezer NIKHEF Amsterdam Copyright 1997 by World Scientific Publishing Co Pte Ltd ISBN 981-02-3052-4

[13] J Arnold В \an den Brandt M Daum MJ Finger etal Леи Investigations of the Polanzed Keution Beam in NA2

PSI-Fl-Newsletter 1996 Nuclear and Particle Physics Muons in Solid-State Physics and Chemistry page 22 Editors D Herlach and P -R Kettle (Scientific) С Buchh (Technical) February 1997

[14] J Arnold В van den Brandt M Daum R Drevenak M Finger Jr etal Asymeti ¡es in the Reaction np —>рртГ

PSI Newsletter 1997/Annex I Nuclear and Particle Physics Muons in Solid-State Physics and Chemistry page 20

[15] J Arnold. В van den Brandt M Daum Ph Demierre. M Finger Jr etal Spin Obsen ables m Xeutron-Pi oton Elastic Scatteung in the Eneigy Range 200-560 Me J'

Proceedings of DEUTERON97 Conference JINRDubna July 2-5 1997 Russia lOpag

[16] A Ahmidouch J Arnold В Van den Brandt M Daum M Finger Jr etal Spin Obsen ables in Keutt on-Pi oton Elastic Scaitenng

Eur Phys J C2 N4(1998)627-641

[17] J Arnold В Van den Brandt M Daum M Finger Jr etal

Kinetic Enei g} Specti urn and Polar ization of Neuli ons fi om the Reaction 12C(p n)X at 590 Me]

Eur Phys J A2 (1998) 411-415

[18] M Finger Jr

Study of Spin Effects m Nucleon-Nucleon Interactions at Intermediate Energies Acta Polytechmca Vol 38 No 3 1998 pages 73-76 ISSN 1210-2790

[19] J Arnold В Van den Brandt M Daum Ph Demierre. M Finger (Jr) etal Study of Spin Effects in Neutron-Pi oton lntei actions at Intel mediate Eneigies at PSI Czech J Phys 49/S2 (1999) 17-22

[20] J Arnold В Van den Brandt. M Daum. Ph Demierre M Finger Jr et al. Spin Effects in Nucleon-Nucleon Interactions at Intermediate Energies Laboratory of Nuclear Problems of Joint Institute for Nuclear Research in 1996-2000 JINRDubna(1999)162-166 ISBN 5-85165-535-6 Ed V Bednyakov

[21] J Arnold В Van den Brandt M Daum. Ph Demierre R M Finger(Jr) etal. SPIN Project-1 Study of Spin Effects in Neutron-Proton Interactions at Intermediate Energies at PSI

Joint Institute for Nuclear Research Research Program of the Laboratory of High Energies. JINRDubna (1999) 127-129 ISBN 5-85165-544-5 Ed Л M -Baldin et al

[22] В van den Brandt, M Daum. P Hautle J A Konter M Fmger(Jr). et al The Nucleón Facility at PSI

Czech J Phys 49/S2 (1999) 23-28

[23] Ph Demierre. N Goujon-Naef R Hess M Finger Jr. et al Spin Ohsen ables in np Elastic Scattering at PSI

Proceedings of 13th International Symposium on High Energy Spin Physics (SPIN'98) September 8-12. 1998 Protvino. Russia. Eds NE Tyunn et al. Copyright 1999 by World Scientific Co Pte Ltd. ISBN 981-02-3666-2 (1999)371-373

[24] SPIDER Collaboration LNP

M Finger. M Finger Jr A Janata. M Slunecka Asymetries in the Reaction np-ppjf

Laboratory of Nuclear Problems of Joint Institute for Nuclear Research in 1996-2000 JINRDubna(1999) 48-49 ISBN 5-85165-535-6 Ed V Bednyakov

[25] J Arnold. В Van den Brandt M Daum Ph Demierre M Finger Jr. et al. Measurement of Spin Observables m Neutron-Proton Elastic Scattering

Part I Con elation Parameters Eur Phys J С 17(2000)67-81

[26] J Arnold В Van den Brandt. M Daum. Ph Demierre Finger Jr. et al Measurement of Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering Part II Rescattermg Parameters

Eur Phys J С 17(2000)83-95

[27] Фингер Михаэл

Спиновые наблюдаемые в упругом пр-взаимодействии в области энергий

230-590 МэВ Полный эксперимент

Письма в ЭЧАЯ 2007 Т4 №6(142) С 840-846

[28] Фингер Михаэл

Спиновые наблюдаемые в упругом пр-взаимодействии в области энергий 200-600 МэВ Полный эксперимент ЭЧАЯ Вып З.Т 39(2008)681-734

Получено 9 июля 2008 г

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 09 07 2008 Формат 60 х 90/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 1,93 Уч-изд л 2,80 Тираж ЮОэкз Заказ № 56224

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г Дубна, Московская обл , ул Жолио-Кюри, 6 E-mail publish@jinr ru www jinr ru/publish/

Введение.

Глава 1. Феноменологическое описание нуклон-нуклонного взаимодействия.

1.1. Введение.

1.2. Системы координат.

1.3. Матрица рассеяния.

1.4. Матрица плотности.

1.5. Общее сечениие коррелированного упругого NN— рассеяния.

1.6 Постановки экспериментов по пр-рассеянию.

1.6.1. пр-рассеяние с поляризованным пучком нейтронов и поляризованной протонной мишенью.

1.6.1.1. Спиновое состояние протона отдачи в процессе пр — рассеяния не определяется.

1.6.1.2. Спиновое состояние протона отдачи в процессе пр-рассеяния определяется.

Глава 2. Физический комплекс для проведения поляризационных экспериментов в Институте имени Паула Шеррера (PSI).

2.1. Экспериментальная зона NA2 для исследований с использованием пучков нуклонов в PSI.

2.2. Пучок первичных протонов.

2.2.1. Неполяризованный пучок протонов. Вариант отщепленного пучка.

2.2.2. Поляризованный пучок протонов. Вариант полного пучка.

2.2.3. Измерение поляризации первичного протонного пучка.

2.3. Пучок нейтронов.

2.3.1. Способ получения пучка нейтронов.

2.3.2. Поляризация пучка нейтронов.

2.3.3. Мониторирование нейтронного пучка и измерение его поляризации.

2.3.4. Определение энергии отдельных нейтронов.

2.4. Спектрометр 1.

2.4.1. Протонная замороженая поляризованная мишень и неляризованные мишени.

2.4.2. Детектор рассеянных нейтронов.

2.4.3. Детектор протонов отдачи и система для измерения их Поляризации.

2.4.4. Электроника и система сбора данных.

2.5. Спектрометр 2.

Глава 3. Обработка экспериментальных данных

3.1. Набор экспериментальных данных.

3.2. Основные принципы обработки данных.

3.3. Предварительная калиибровка.

3.3.1. Нахождение постоянной задержки общего временного канала (TOF калибровка).

3.3.2. Калибровка задержек временных каналов, сцинтилляционных стержней нейтронного счетчика.

3.3.3. Юстировка многопроволочных пропорциональных камер.

3.4. Восстановление траекторий протонов.

3.4.1. Траектории протонов отдачи.

3.4.2. Траектории протонов отдачи рассеянных на рассеивателе поляриметра.

3.4.3. Энергии протонов отдачи.

3.5. Восстановление траекторий рассеянных нейтронов.

3.6. Определение энергий нейтронов.

3.7. Наложение условий для отбора данных упругого пр —рассеяния.

3.8. Оценка фона.

3.9. Поляризации пучка нейтронов и протонов мишени.

3.9.1. Поляризация пучка нейтронов.

3.9.2. Поляризация протонов мишени.

3.9.3. Анализирующая способность углеродного поляриметра протонов отдачи.

3.10. Эффективные статистические аппроксиматоры спиновых наблюдаемых.

3.10.1. Аппроксиматоры для коэффициентов асимметрии и коэффициентов корреляции поляризации.

3.10.2. Аппроксиматоры для поляризаций. Аппроксиматоры для коэффициентов деполяризации Dopos коэффициентов передачи поляризации Коруо и трехспиновых коэффициентов

Nopys.

3.10.2.1. Вычисление аппроксиматоров для асимметрий.

3.10.2.2. Аппроксиматоры для поляризаций.

3.10.2.3. Определение коэффициентов деполяризации Dopos, коэффициентов передачи поляризации Коруо и трехспиновых коэффициентов Nopr$.

3.10.2.4. Систематические ошибки.

Глава 4. Энергетический спектр и поляризация нейтроновиз реакции 12С(р,п)Х при энергии 590 МэВ.

4.1. Введение.

4.2. Экспериментальная установка.

4.3. Энергетический спектр нейтронов.

4.4. Поляризация нейтронного пучка.

4.4.1. Использованный метод анализа.

4.4.2. Оценка фона.

4.4.3. Спектр энергетической зависимости поляризации нейтронного пучка.

4.4.4. Коэффициент передачи поляризации DCvoko(0°) в реакции

12С(р,п)Х.

Глава 5. Полученные значения спиновых наблюдаемых АЮшо

Aoosb DonOm Kos"kO> K<)s"sO> Nos"kn И Nos"sip

Коэффициенты корреляции поляризации Аооть -^oosk-Коэффициенты деполяризации DonOn • Коэффициенты передачи поляризации Kos-ko, Kos*so-Трехспиновые коэффициенты Nos-kn и No^m

Детальное знание свойств процесса нуклон-нуклонного (NN) взаимодействия имеет существенное значение, так как эти свойства проявляются во многих областях ядерной и субъядерной физики и играют важную роль в физике сильных взаимодействий в целом. В частности, изучение AW-взаимодействий при промежуточных и высоких энергиях является важным источником информации о спиновой зависимости ядерных сил, действующих между нуклонами. Хотя в случае упругого AW-рассеяния с переданным импульсом менее ~ 2 ГэВ/с мы имеем дело с относительно простым процессом, до сих пор не существует его удовлетворительного теоретического описания. При отсутствии строгой и законченной теории сильных взаимодействий (непертурбативной КХД) результаты экспериментов по упругому AW-рассеянию в широкой области энергий и углов рассеяния служат созданию и пополнению базы прецизионных данных. Эти данные необходимы для выполнения феноменологических анализов, таких как фазовый анализ и прямое восстановление амплитуд матрицы упругого AW-рассеяния, а также они будут решающими для проверки непертурбативных теорий сильных взаимодействий.

Пузиков, Рындин и Смородинский [PUZ57] на примере упругого AW-рассеяния ввели понятие «полного эксперимента». Эксперимент по изучению реакции называется полным, если в результате получен такой набор экспериментальных наблюдаемых, который позволит провести полное и исчерпывающее описание процесса В этой связи удобным и модельно-независимым средством для описания основных свойств взаимодействия является формализм матрицы рассеяния (см [BYS78, LEC93] и ссылки в этих работах) В этом случае «полный эксперимент» можно определить как совокупность экспериментов, позволяющих измерить такой набор экспериментальных наблюдаемых, который позволит осуществить прямое и однозначное восстановление спиновой структуры матрицы упругого AW-рассеянпя.

Наличие у нуклона спина позволяет записать матрицу упругого NN-рассеяния в виде линейной комбинации восьми независимых членов, построенных в общей форме из кинематических и спиновых переменных нуклонов, участвующих в рассеянии, и восьми инвариантных комплексных амплитуд, которые являются функциями угла рассеяния и энергии [BYS78], Предположения о сохранении пространственной четности и временной инвариантности, принципа Паули и изоспиновой инвариантности приводят к сокращению числа независимых слагаемых матрицы рассеяния до пяти членов. В этом случае для однозначного построения матрицы рассеяния надо определить в каждом канале реакции с изоспином 1=1 и I = 0 пять функций и четыре их относительные фазы. Для этого требуется осуществить, как минимум, девять разных опытов для каждого канала, энергии и угла рассеяния. Измерение разных спиновых наблюдаемых в упругом рр- и ир-рассеянии при разных энергиях и углах рассеяния позволяет решить эту задачу.

Методически непростой характер спиновых экспериментов, однако, делает задачу осуществления таких опытов довольно сложной. Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) был одним из научных центров, где развитие спиновой физики средних и высоких энергий началось с 1950-х гг. Многие экспериментальные и теоретические исследования в области спиновой физики, выполненные в ОИЯИ, нашли позже свое развитие в ряде других институтов. Перечислим, например, некоторые из основных экспериментальных результатов, полученных в ОИЯИ с использованием пучков протонов с энергией 660 МэВ. М. Г. Мещеряковым, С. Б. Нурушевым и Г. Д. Столетовым была наблюдена поляризация протонов в ядерном [MES56] и да-рассеянии [MES57], Ю. П. Кумекиным, М. Г. Мещеряковым, С. Б. Нурушевым и Г. Д. Столетовым были проведены измерения параметров тройного рассеяния протонов при энергии 660 МэВ [KUM58, KUM60, KUM62, KUM63], Б. М. Головиным, В. П. Джелеповым, В. С. Надеждиным и В. И. Сатаровым был предложен возможный набор экспериментов для одновременного анализа данных по MV-рассеянию [GOL59], Идея получения продольно-поляризованного пучка протонов была реализована Ю. П. Кумекиным, М. Г. Мещеряковым, С. Б. Нурушевым и Г. Д. Столетовым [KUM63a]. Первые фазовые анализы /?р-рассеяния при энергии выше порога образования пионов были проведены Р. Я. Зулькарнеевым и И. Н. Силиным [ZUL63], JI. С. Ажгиреем, Н. П. Клепиковым, Ю. П. Кумекиным, М. Г. Мещеряковым, С. Б. Нурушевым и Г. Д. Столетовым [AZH63, AZH63a]. Результаты этих анализов позволили впервые проследить энергетическую зависимость основных фазовых сдвигов рр-системы в интервале энергии протонов от 0 до 660 МэВ. Измерение параметра R в рп-рассеянии при энергии 605 МэВ и фазовый анализ AW-рассеяния был проведен Ю. М. Казариновым, Ф. Легаром и их сотрудниками [KAZ66], В результате пионерских работ Б. С. Неганова в Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ Б. С. Негановым, Н. С. Борисовым и М. Ю. Либургом впервые был создан рефрижератор растворения 3Не—4Не [NEG66], позволяющий получать в стационарном режиме температуры в области десятков мК. Это оказалось настоящим прорывом в области конструирования твердотельных поляризованных мишеней для ядерно-физических исследований и определило дальнейшие перспективы поляризационных экспериментов в области ядерной физики и физики частиц. Первые опыты по двойному iVTV-рассеянию на протонной поляризованной мишени в ЛЯП ОИЯИ были осуществлены Я. Быстрицким, Я. Чехом, 3. Яноутом, Ю. М. Казариновым и Ф. Легаром [BYS70],

На основе дальнейшего прогресса в области получения поляризованных пучков протонов, дейтронов и нейтронов в широкой области энергий, разработок и создания поляризованных мишеней протонов и дейтронов вместе со значительным прогрессом в развитии детектирующей техники и систем сбора данных стало возможным в нескольких лабораториях приступить к осуществлению полных опытов как в упругом рр-рассеянии, так и в упругом лр-рассеянии в широкой области энергий. Эта задача оказалась проще в случае рр-рассеяния и труднее в случае лр-рассеяния, в основном, из-за сложности получениия высококачественных поляризованных пучков нейтронов большой интенсивности. В течение 1975—1985 гг. были предприняты большие усилия в нескольких лабораториях, чтобы исследовать спиновые эффекты в упругом рр-взаимодействии, что позволило получить полный набор точных данных. В результате этого в 1981 г. в первый раз удалось провести прямое построение матрицы рассеяния для канала с изоспином I 1. Эта работа и последующие в этом направлении способствовали тому, что в настоящее время амплитуды матрицы упругого да-рассеяния для 1=1 экспериментально исследовались вплоть до энергии 2,6 ГэВ [BYS78, LEC93], в частности, в экспериментах в Институте им. П. Шеррера (PSI) [BYS78, LEC93, APR81, APR89] и в лаборатории SATURNE П [LAC90], В связи с трудностями получения высококачественного и интенсивного пучка поляризованных нейтронов работы по систематическому исследованию упругого ир-рассеяния были начаты позже. Так, среди лабораторий, где были созданы интенсивные и качественные пучки поляризованных нейтронов были: TRIUMF (200-520 МэВ), PSI (200-590 МэВ), LAMF (480-800 МэВ), SATURNE П (800-1100 МэВ) и ОИЯИ (1-6 ГэВ).

Весь этот комплекс проведенных исследований MV-взаимодействия оказался очень результативным и позволил получить большое количество новых экспериментальных данных. Очень результативной была программа рр- и пр-исследований в PSI. Особенно полезной эта программа оказалась для изучения роли одно- и двухбозонных обменов во взаимодействии двух нуклонов в промежуточной области энергий. Полученные из фазового анализа феноменологические амплитуды упругого AW-взаимодействия послужат проверкой предсказаний теоретических моделей. Существенные усилия посвящены в настоящее время объяснению адрон-адронных процессов, в том числе NN-взаимодействий, и природы ядерных сил на основе представлений кварк-глюонных моделей и квантовой хромодинамики (КХД) [EID04],

Представленная здесь работа является частью широкой-экспериментальной программы, нацеленной на осуществление полного опыта в упругом лр-рассеянии в области энергий 260-540 МэВ, предложенной и реализованной коллаборацией Freiburg-Geneva-PSI-JINR-Prague-Saclay в PSI. Для достижения этой цели на ускорительном комплексе PSI был создан специальный новый экспериментальный зал НА2 с пучком неполяризованных и поляризованных нейтронов большой интенсивности и энергией 200-590 МэВ. В случае поляризованного нейтронного пучка имелась возможность установить поляризации пучка нейтронов в любом направлении. Были созданы две экспериментальные установки, расположенные на нейтронном пучке одна за другой. В первой установке использовалась протонная поляризованная замороженная мишень и во второй установке жидководородная неполяризованная мишень. Составной частью обеих установок были поляриметры для анализа поляризационных состояний протонов отдачи упругого я/>-рассеяния. Такая компоновка позволила одновременную работу обеих установок, что способствовало эффективному использованию предоставленного времени ускорителя для эксперимента. В проведенных сеансах было использовано в общей продолжительности около двадцати недель пучкового времени. На основе созданной методики в результате проведенных экспериментов при участии автора было определено 15 разных одно- двух- и трехспиновых наблюдаемых в области энергий с 260 до 540 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс (с.ц.м.) 60-160 градусов [АНМ92, АНМ93, АНМ94, АНМ94а, АНМ94Ъ, АНМ94с, АНМ96, АНМ98, ARN94, ARN94a, ARN95, ARN96, ARN96, ARN97, ARN97a, ARN98, ARN99, ARN99a, ARN99b, ARN00, ARNOOa, BRA94, BRA99, DEM99, FIN98, FIN99, FIN07, FIN07a], а именно: анализирующая способность Aooon, коэффициенты корреляции поляризации Аоопп, Aooss, Аоокк, Aoosk, коэффициенты деполяризации D0„0п, DозОч, Оо*ок, коэффициенты передачи поляризации К0,то, Kosko и трехспиновые коэффициенты Ыо„кк, Noskn, Nossn и Шесть наблюдаемых коэффициентов: коэффициент поляризации Аоопо и коэффициенты передачи поляризации К ото, К окко, Koja-o, Коьо и Ка„о были получены в области энергий и угла рассеяния в системе центра масс в диапазоне 200-560 МэВ и 160-176 градусов соответственно. Большинство из этих спиновых наблюдаемых получено впервые. Всего было получено более чем 1300 значений указанных спиновых наблюдаемых. Полученные данные позволят провести прямое построение амплитуд матрицы рассеяния для 1 = 0 канала для разных углов и энергий указанной области.

В первой Главе представленной работы приведено феноменологическое описание нуклон-нуклонного взаимодействия с использованием матрицы рассеяния и матрицы плотности. Даются основные определения и обозначения величин используемых в работе, в частности, рассмотрена структура матрицы рассеяния, дается определение амплитуд рассеяния и классификация спиновых наблюдаемых в упругом нуклон-нуклонном взаимодействии. Во второй Главе описан физический комплекс, созданный в PSI, для проведения поляризационных исследований в нуклон-нуклонных взаимодействиях, приведены основные характеристики отдельных узлов комплекса. В третьей Главе описаны основные принципы обработки экспериментальных данных и способы определения спиновых наблюдаемых. В четвертой Главе приводятся результаты проведенных прецизионных измерений энергетического спектра и поляризации нейтронов в зарядо-обменной реакции 12С(рп)Х с поляризованными протонами с энергией 590 МэВ. В пятой Главе приведены результаты проведенных в рамках диссертационного проекта измерений спиновых наблюдаемых в упругом пр-рассеянии: коэффициентов асимметрии А000„, коэффициентов поляризации РОГЮо, коэффициентов корреляции поляризации Аоопп и Aoosk, коэффициентов деполяризации Donon, коэффициентов передачи поляризации KOS"ko и Kos-so и трехспиновых коэффициентов Nos-kn и Nos"s„ в диапазоне энергий 230 - 590 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс 60° - 124°. В совокупности получено более 350 значений спиновых наблюдаемых в указанной области энергий и углов рассеяния. В Заключении перечислены основные результаты, полученные в работе.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. При участии автора диссертации в Институте им. Паула Шеррера введен в эксплуатацию спектрометрический комплекс для измерений одно-, двух- и трехспиновых наблюдаемых в упругом ир-рассеянии, при энергиях нейтронов 200 -590 МэВ и в диапазоне углов рассеяния 60° - 180° в системе центра масс, использующий поляризованный нейтронный пучок и протонную поляризованную мишень.

2. Отработана методика калибровки отдельных узлов спектрометрического комплекса для измерения многоспиновых наблюдаемых в упругом ир-рассеянии: мониторных систем первичного пучка нейтронов; детекторной системы протонов отдачи и измерения их поляризации; детектора рассеянных нейтронов; поляризации протонов в протонной замороженной поляризованной мишени.

3. Проведены прецизионные измерения энергетического спектра и поляризации нейтронов из зарядо-обменной реакции 12С(рп)Х с поляризованными протонами при энергии 590 МэВ.

4. Определен коэффициент передачи поляризации DVoto(0°) в реакции

5. Используя разные комбинации поляризационных состояний нейтронного пучка и протонов мишени и анализируя спиновое состояние протонов отдачи в упругом пр-рассеянии, проведены измерения коэффициентов асимметрии Аоооги коэффициентов поляризации РОПоо, коэффициентов корреляции поляризации

А-оопп И A0osh коэффициентов деполяризации Donon, коэффициентов передачи поляризации KOS ko и Kos"so и трех-спиновых коэффициентов Nos"kn и N0!i"sn в диапазоне энергий 230 - 590 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс 60° - 124°. В совокупности получено более 350 значений спиновых наблюдаемых в указанной области энергий и углов рассеяния.

Сравнение полученных нами экспериментальных данных с результатами полученными в других экспериментах, где такие имеются, показывает, что в многих случаях измеренные нами спиновые наблюдаемые получены впервые, и там, где экспериментальные данные уже имеются, полученные нами новые результаты существенно улучшают литературные данные.

Полученные новые экспериментальные данные существенным образом улучшили базу данных, касающихся спиновых наблюдаемых в упругом нейтрон-протонном рассеянии. Новые результаты, в совокупности с результатами, полученными в экспериментах по изучению спиновых наблюдаемых в протон-протонных взаимодействиях, позволят восстановить параметры матрицы рассеяния для I = 0, и, таким образом, завершить осуществление полного эксперимента в упругом NN-рассеянии в исследуемой области энергий.

Новые экспериментальные данные будут также способствовать улучшению решений фазового анализа. Анализ имеющихся в настоящее время отклонений теоретических предсказаний, полученных на основе разных модельных потенциалов, и данных, полученных в эксперименте, сможет содействовать улучшению имеющихся теоретических моделей.

В заключение считаю приятным долгом выразить свою глубокую благодарность моим научным руководителям, профессору Ю.М. Казаринову и профессору О.А. Займидороге за помощь при постановке задачи, постоянный интерес к ней, ценные советы и замечания в процессе выполнения работы.

Я искренне рад также выразить свою признательность профессору Р. Хессу за предложенный мне научно-исследовательский проект и возможность его реализации в руководимой им группе в Женевском Университете и Институте им. Паула Шеррера, за неоценимую помощь, оказанную мне при выполнении настоящей диссертации, и плодотворные дискуссии.

Я рад выразить свою благодарность всем своим соавторам, которые приняли участие в выполнении работ вошедших в диссертацию. Я также признателен сотрудникам Объединенного Института Ядерных Исследований в Дубне, Института им. Паула Шеррера, Женевского Университета и Фрейбургского Университета, сотрудничество с которыми во многом способствовало успешному созданию экспериментальной аппаратуры, проведению экспериментов и анализу полученных результатов.

Заключение

1. Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering

2. PSI Nuclear and Particle Physics Newsletter 1992, Annex l.Annual Report 1992, pages 3336

3. AHM93.: A. Ahmidouch et al.,

4. Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering

5. PSI Nuclear and Particle Physics, Newsletter 1993, Annex I Annual Report 1993, pages 43-45

6. AHM94.: A. Ahmidouch et al.,

7. Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering at PSI

8. Proceedings of the XlVth International Conference on Few Body Problems in Physics

9. FBP-14), Williamsbourg, VA, USA, May 25-31, 1994, 343-347

10. AHM94a.: A. Ahmidouch et al.,

11. Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering

12. Proceedings of the International Conference on Mesons and Nuclei at Intermediate Energies (M&N'94), Dubna, Russia, 3-7 May 1994, p. 91-96 Editors: M.Kh.Khankhasayev, Zh.B.Kurmanov JINR, (World Scientific) AHM94b.: A. Ahmidouch et al.,

13. Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering

14. Contributions to the Eigth Symposium on Polarization Phenomena in Nuclear Physics, Bloomington, Indiana, USA, September 15-22, 1994, pages 68-69 AHM94c.: A. Ahmidouch et al.,

15. Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering

16. Proceedings of the Xlth Symposium on High Energy Spin Physics (SPIN'94 Bloomington), Bloomington, Indiana, USA, September 15-22, 1994, 6 pages AHM96.: A. Ahmidouch et al.,

17. Two- and three- Spin Observables in np Elastic Scattering at PSI Proceedings of the 12th International Symposium on High-Energy Spin Physics SPIN 96., pages 588-590,

18. Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering Eur. Phys. J. С , N 4 (1998) 627-641 ARN94.: J. Arnold etal.,

19. Spin Observable in Neutron-Proton Elastic Scattering

20. PSI Annual Report 1994/Annex I, Nuclear and Particle Physics Muons in Solid-State Physics and Chemistry Page 25 ARN94a.:: J. Arnold etal.,

21. Analyzing Power of the Reaction np -> dit° Between 310 MeV and 580 MeV

22. PSI Annual Report 1994/Annex I, Nuclear and Particle Physics Muons in Solid-State Physics and Chemistry Page 26 ARN95.: J. Arnold etal.,

23. Two- and Three- Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering

24. Proceedings of the Deuteron-95 Dubna, Russia, July 4-7, 1995, pages 82-89 ARN96.:: J. Arnold etal.,

25. Analyzing Power of np -» drr0 between 310 and 580 MeV

26. Copyright 1997 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., ISBN 981-02-3052-4 ARN96a.: J. Arnold et al.,

27. New Investigations of the Polarized Neutron Beam in NA2

28. PSI-F1-Newsletter 1996 Nuclear and Particle Physics. Muons in Solid-State Physics and Chemistry, p.22, Editors:D.Herlach and P.-R.Kettle (Scientific), C.Buchli (Technical). February 1997.

29. ARN97.: J. Arnold et al., Asymmetries in the Reaction np —> ppn~

30. PSI Newsletter 1997/Annex I, Nuclear and Particle Physics, Muons in Solid-State Physics and Chemistry, p.20 ARN97a.: J. Arnold et al.,

31. Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering in the Energy Range 200-560 MeV

32. Proceedings of DEUTERON97 Conference, Dubna, July 2-5, 1997, Russia, 10 pages ARN98.: J. Arnold etal.,

33. Kinetic Energy Spectrum and Polarization of Neutrons from the Reaction 12C(/?,й)Х at 590 MeV

34. Eur. Phys. J. A , (1998) 411-415 ARN99.: J. Arnold et al.,

35. Study of spin effects in neutron-proton interactions at intermediate energies at PSI Czech.J.Phys. 49/S2 (1999), 17-22 ARN99a.: J. Arnold et al.,

36. Spin effects in nucleon-nucleon interactions at intermediate energies Laboratory of Nuclear Problems of Joint Institute for Nuclear Research in 1996-2000. JINR Dubna (1999) 162-166, ISBN 5-85165-535-6. Ed. V.Bednyakov ARN99b.: J. Arnold et al.,

37. SPIN Project:l Study of spin effects in neutron-proton interactions at intermediate energies at PSI

38. Joint Institute for Nuclear Research, Research Program of the Laboratory of High Energies JINR Dubna (1999) 127-129, ISBN 5-85165-544-5. Ed. A.M. Baldin et al. ARN00.: J. Arnold etal.,

39. Measurement of Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering. Part I: Correlation Parameters Eur. Phys. J. C17 (2000) 67-811. ARNOOa.: J. Arnold etal.,

40. Measurement of Spin Observables in Neutron-Proton Elastic Scattering. Part II: Rescattering Parameters

41. Proceedings of the International Conference on Mesons and Nuclei at Intermediate Energies

42. M&N'94), Dubna, Russia, 3-7 May 1994, p. 801-807. Editors: M.Kh.Khankhasayev,

43. Zh.B.Kurmanov JINR, (World Scientific)

44. BRA99.: B. van den Brandt et al.,

45. The nucleon facility at PSI

46. Czech. J.Phys. 49/S2 (1999) 23-28

47. DEM99.: Ph. Demierre et al.,

48. Spin Observables in np Elastic Scattering at PSI

49. Proc. of 13th International Symposium on High Energy Spin Physics (SPIN'98), September 8-12, 1998, Protvino, Russia, Eds. N.E. Tyurin et al, Copyright ©1999 by World Scientific Co. Pte. Ltd., ISBN 981-02-3666-2, (1999) 371-373 FIN98.: M. Finger, Jr.

50. Study of Spin Effects in Nucleon-Nucleon Interactions at Intermediate Energies Freiburg-Geneve-JINR-Prague-PSI-Saclay Collaboration, Acta Polytechnica Vol.38, cfslo 3, 1998, p. 73-76, ISSN 1210-2790

51. Спиновые наблюдаемые в упругом взаимодействии в области энергий 230-590 МэВ. Полный эксперимент.

52. Письма в ЭЧАЯ. Т.4. No.6 (2007) 840-846 FIN07a. М.Фингер.

53. Спиновые наблюдаемые в упругом взаимодействии в области энергий 200-600 МэВ. Полный эксперимент.

54. ЭЧАЯ. Вып. 3., Т. 39 (2007) 1-541. Ссылки

55. ABR61.: A. Abragam, The Principles of Nuclear Magnetism, Clarendon Press 1961

56. AEB74.: D. Aebischer et al., Nucl. Instr. andMeth. 117 (1974) 131

57. AHM93.: A. Ahmidouch et al., Nucl. Instr. and Meth. A326 (1993) 538

58. AMS77.: C. Amsler et al., Nucl. Instr. and Meth. 144 (1977) 401

59. APR81.: E. Aprile et al., Phys. Rev. Lett. 46 (1981) 1047

60. APR83. : E. Aprile etal., Nucl. Instr. and Meth. 215 (1983) 147

61. APR89.: E. Aprile etal., Phys. Rev. D40 (1989) 22

62. ARN83.: R.A. Arndtet al., Phys. Rev. D35 (1983) 128

63. ARN92.: R.A. Arndtetal., Phys. Rev. D45 (1992) 3995

64. ARN95.i R.A. Arndt et al., SAID, http://clsaid.phys.vt.edu/ CAPS/, FA95 solution ARN95a]: J. Arnold, PhD Thesis, Freiburg, 1995

65. ARN97.: J. Arnold etal., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. A386 (1997) 211

66. AZH63.: Л.С. Ажгирей и др., ЖЭТФ 1963. V. 45. P. 1174.

67. AZH63a.: L.S. Azhgirey etal., Phys. Lett. 1963. V. 6. P. 196.

68. AXE80.: D. Axen et al., Phys. Rev. C21 (1980) 998

69. BAG81.: Yu.Sh. Bagaturiya etal., So v. J. Nucl. Phys. 33 (1981) 659

70. BAN89.: D. Bandyopaduya et al., Phys. Rev. C40 (1989) 2684-96

71. BES78. : D. Besset et al. Nucl. Instr. and Meth. 148 (1978) 129

72. BES79.: D. Besset et al. Nucl. Instr. and Meth. 166 (1979) 515

73. BES81.: D. Besset et al. Nucl. Instr. and Meth. 184(1981)365

74. ВНА81.: Т. Bhatia et al., Proceedings of the AIP Conference "Polarization Phenomena in

75. BYS96.: J. Bystricky etal., Phase Shift Analysis, 1996 Solutions, Private Communications

76. CAR93.: V. Carlson et al., Phys. Rev. D47 (1993) 29

77. CAR96.: V. Carlson etal., Phys. Rev. D53 (1996) 3506

78. CL080. : A.S. Clough et al., Phys. Rev. C21 ( !980) 988

79. D1T92.: W.R. Ditzler et al., Phys. Rev. D46 (1992) 2792

80. EID04.: E. Eidelman et al., Phys. Lett., B592 (2004) 1

81. ELS88.: Ch. Elster etal., Phys. Rev. C37 (1988) 1647

82. ELS88a.: Ch. Elster etal., Phys. Rev. C38 (1988) 1828

83. GAR89.: R. Gamett et al., Phys. Rev. D40 (1989) 1708

84. GOL59.: Б.М. Головин и др., ЖЭТФ bf 1959. V. 36. P. 433.

85. HAU81.: R. Hausammann et al., Phys. Rev. 46 (1981) 1047

86. HAU82.: R. Hausammann, PhD Thesis, Geneva 1982

87. C90.: C.D. Lac etal., J.Phys. France 51 (1990) 2689

88. C93.: C. Lechanoine-Leluc et al., Rev. Mod. Phys. 65 Nol (1993) 47

89. U70.: Leung, PhD Thesis, UCRL-19709, 1970

90. MAC87.: R. Machleidtetal., Phys. Rep. 149 (1987) 1

91. MAR86.: J. A. Marshall et al., Phys. Rev. C34 (1986) 1433

92. MER93. : D.J. Mercer et al., Phys. Lett. 71 (1993) 684

93. MES56.: М.Г. Мещеряков и др., ЖЭТФ 1956. V. 31. P.

94. MES57.: М.Г. Мещеряков и др., ЖЭТФ 1957. V. 33. Р. 37

95. NAE96.: N. Naef, PhD Thesis, Geneva 1996

96. NAU92.: M.W. McNaughton etal., Phys. Rev. C46 (1992) 47

97. NAU93.: M.W. McNaughton et al., Phys. Rev. C48 (1993) 256

98. NAU96.: M.W. McNaughton et al„ Phys. Rev. C53 (1996) 1092

99. NEG66.: Б.С. Неганов и др., ЖЭТФ 1966. V. 50. P. 1445.

100. OST92. : F. Osterfeld, Rev. of Mod. Phys. 64 (1992) 491

101. PR096.: D.L. Prout et al. Phys. Lett. 76 (1996) 4488

102. PUZ57.: L. Puzikov et al., Nucl. Phys. 3 (1957) 436

103. SCH81.: P. Schmelzbach etal., Nucl. Instr. andMeth. A186 (1981) 655

104. SCH86.: P. Schmelzbach et al., Nucl. Instr. and Meth. A251 (1986) 407

105. SCH93.: R. Schirmaier, Diplomarbeit, Freiburg 1993

106. SCH96.: M. Schmidt, Diplomarbeit, Freiburg 1996

107. SHI87.: T. Shirmaetal., Phys. Rev. Lett. 59 (1987) 1645

108. TEG97. : A. Teglia, PhD Thesis, Geneva 1996

109. TOD88.: R. Todenhagen, Diplonarbeit, Freiburg 1988

110. ZUL63.: R.Ya. Zulkarneev etal., Phys. Lett. 1963. V. 3. P. 265.

111. WAK95.: T. Wakasa et al., Phys. Rev. C51 (1995) R2871

112. WAR62.: R. Warner et al., Phys. Rev. 125 (1962) 1028-33

113. WRI68.: S.C. Wright et al., Phys. Rev. 175 (1968) 1704