Кластерная модель множественного рождения адронов на ядрах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК КАЗАХСКОЙ ССР ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи УД}{ 539.12

ШАХАНОВА Галина Аэнабаевна

КЛАСТЕРНАЯ МОДЕЛЬ МНОЖЕСТВЕННОГО РОВДЕ1Ш АДРОНОВНА ЯДРАХ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ММА АТА - 1990

л /' '"'

/1/6>/\ "Г"

/Работа выполнена в Институте физики высоких энергий Академии наук Казахской ССР . .

Научные руководители: член-корреспондент АН КазССР • ' профессор Часников И.Я.

кандидат физико-математических наук ведущий научный сотрудник Шыонин В..

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор Кожамкулов Т.А

кандидат физико-математических наук,

старший научный сотрудник Пак A.C.

Ведущая организация: Радиевый институт им. В.Г.Хлопина Академии наук СССР

Защите состоится Ш£т. в 40

на заседании специализированного совета К 008.20.02 по присуждений ученой степени кандидата физико-математичеси наук при Институте ядерной физики АН КазССР /480082, г.Алма-Ата, 82, АН КазССР/. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ШФ АН КазССР.

Автореферат разослан "-JU' " ij('ticäJ.A 199

Ученый' секретарь специализированного Совета, кандидат физ.-(иат. Наук { А.В.КМКО.'

ощщ дашотдт работы

Повышенный интерес к изучению столкновений частиц высоких энергий в ядрами обусловлен принципиальной возможностью исследования пространственно-временных факторов 9 динамике.процессов с сильным взаимодействием.Больная плотность ядерного вещества (~10 частиц/см3) позволяет изучать особенности развития процесса на весьма малых расстояниях Ю~ см) и при очень малых временах

Ю-*4 сек). Одним из основных результатов использования ядерного вещества в качестве пространственно-временного анализатора адрошшх процессов при высоких энергиях явился вывод о том, что рождение частиц не происходит мгновенно, а занимает конечный временной интервал. При этом наблюдаемые характеристики оказываются зависимыми от величины этого интервала и от свойств тех короткоживущих промеку-точных состояний (пионизационные кластеры, лидирующие системы), в которых пребывает адронная материя до ее превращения в конечные частицы. Однако этот результат носит качественный характер. Для получения количественной информации о развитии процесса в пространстве и времени необходимо построить модели,возможно более полно отражающие реальную ситуацию. Эти модели должны сводить всю совокупность данных по процессам множественного рождения к минимальному числу предположений и параметров.

. Развитие в последние годы представлений о кварковой структуре адронов, а также исследование качественно новых характеристик процесса и существенное увеличение точности эксперимента потребовало дальнейшего совершенствования мо-, дельного описания процессов, протекающих при столкновении частиц высоких энергий с ядрами.

Целью работы явилось дальнейшее развитие кластерной модели взаимодействия частиц высоких энергий с ядр.ми,проверка соответствия следствий модели новым экспериментальным данным и анализ на ее основе пространственно-временных факторов процесса множественного рождения адронов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем-

х. Сформулирована новая математическая реализация ош: сания движения .кластера в ядерном веществе.учитывающая дискретное изменёние его характеристик в столкновениях с нуклс нами.

'¿. Произведено сопоставление модели с новыми экспериментальными данными по процессам множественного рождения на ядрах, в том числе проведен сравнительный анализ фотон-, пептон-и адрон-ядерных взаимодействий..

. 3. Получена новая оценка сечения повторных взаимодейсз вий лидирующей компоненты первичного адрона с внутриядерными нуклонами, основанная на-анализе процесса образовании тяжелых лептонньк пар в адрон-ядерных столкновениях.

4. Впервые в рамках кластерной модели кумулятивного эффекта показана возможность интерпретации вида спектра кумулятивных чг" -мезонов на основе ыикроканонического распределения частиц, образующихся при распаде кластера.

Автор защищает:...

1. Реализацию модели движения кластера в ядерном веществе, основанную на методе Монте-Карло.

2. Результаты расчета'средних, дифференциальных и корреляционных характеристик процесса множественного рождения .на ядрах, выполненных в рамках прежнего и нового вариантов 'реализации кластерной модели.

Ь. Новое количественное подтверждение гипотезы о малости сечения взаимодействий лидирующей компоненты первичного адрона в ядерном веществе. 4. Возможность описания инклюзивных сечений образования кумулятивных ^"-мезонов,взлетающих под удами ltíü ц АА ■ взаимодействиях, а также зависимости этих сечении от отс ного веса ядра-мишени в рамках горячей схему процесса.

• Научная и практическая ценность раьоты заключается в то«-,чт'о установленные и неи феноменолотшские закономерности пространственно-временного развития проце'сса множественного рождения адронов мсут служить ориентирами при создании строгой теории этого процесса.Следствия моле^и могут Оыть использованы для получения оценок,неоохо^умь'х .при ила-

нировании новых экспериментов, а также в. решении прикладных задач, связанных с прохождением частиц высоких энергий в веществе.

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. Изучены и проанализированы имеющиеся в литературе критические замечания в адрес кластерной модели адрон-ядерных взаимодеиствий и устранены отмеченные недостатки кластерного подхода.

(^формулирована новая математическая реализация модели, основанная на методе Монте-Карло. ■ а. Составлен ряд программ, по которым проводился расчет в рамках модели.

4, Произведен расчет характеристик процесса множественного рождения на ядрах и их сопоставление с данными экспериментов.

5. На основе данных по А-зависимости сечения образования тяжелых лепгонных пар и интерпретации .этого процесса в рамках модели Дрелла и пна получена оценка сечения поглощения быстрых кварков в «дерном веществе.

Структура и ооъем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, заключения и списка литературы, Включающего 144 наименования. Объем диссертации 123 страницы, включая 36 рисунков и 1 таолицу.

Апрооация работы. Основные положения и результаты ра-ооты докладывались и обсукдались на ряде сессий лН СсиР; на П Всесоюзном семинаре по релятивистской ядерной физике /Ташкент, октябрь 19а1г./; на Школе по неупругим взаимодействиям адронов и ядер /Бакуриани, февраль хУойг./; Н' конференциях молодых ученых в Казахском Государственном университете им. ь.М.Кирова, на конференциях молодых ученых на семинара, в и КаэГУ, лТы и ЛВу ОИпИ.ИТЭШ, (ИИ им .Иоффе в периоде ¿9 !1 по 199С г г. и ощбликовакы в работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАВДШ

Во Введении кратко сформулирована цель диссертационной работы, оооснована ее актуальность и показана научная

новиана, определен личный вклад автора, перечислены положения, выдвигаемые им не заяиту, и дана краткая аннотация диссертации. •

В первой главе излагается уровень развития кластерной модели и исследования снежных вопросов, который был принят за первоначальную основу при выполнений данной диссертации. Отмечается, что-в кластерной модели множественного рождения адронов на ядрах принципиальное значение имеют два основных предположении: в столкновении первичного а; рона с одним из ядерных нуклонов образуется адронная систе--ма - кластер, который при взаимодействии с остальными ядерными нуклонами выступает как единый объект, и при распаде Которого рождается подавляющее число вторичных частиц; лидирующая компонента адрона(малое число наиболее энергичных частиц) взаимодействует с веществом значительно слабев,чем кластер или реальный адрон, и ее взаимодействием можно пренебречь".

Пренебрежение взаимодействием лидирующей компоненты в ядре приводит к тому, что в рамках модели основной причиной различия характеристик множественного рождения в адрон адронном и адрон-ядерном взаимодействии при одной и той же анергии является взаимодействие кластера-с внутриядерными нуклонами. Движение кластера в ядерном веществе описывается системой уравнений, полное решение которых может быть получено лишь численными методами. Обсуждается структура этих уравнений и связь их решений с наблюдаемыми характеристиками. Анаяиз^уются состояние вопроса об эффекте лидирования в адрон-ядерных взаимодействиях и возможности интерпретации основных закономерностей эффекта лидирования в рамках наиболее широко распространенных моделей /многократного рассеяния, партонной, кварк-глюонной и аддитивных кварков/.

Вторая глава иосршпон« проблеме? описания движения кластера в ядерном веществе. Описание оснотаяо на системе уравнений, едеквятных ^пи^сь..!^ I? сплотной сре.че обьбктэ с растущим массой и попгратч-ж раа^-р^и, гятгяпивтаде-

го часть своей энергии на возбуждение среды.

Однако описание движения кластера на основе уравнений является приближенным» Оно не учитывает скачкообраз -ный характер изменения энергии и массы кластера в его последовательных столкновениях с «уклонами. Поэтому центральный пунктом главы II явилась проверка корректности этого приближения на основе сформулированного в данной работе более строгого подхода. В рамках этого подхода учитывается дискретность изменения энергии и массы кластера в его последовательных кластер-нукдснных столкновениях.Сечение адрон-ядерного столкновения, в котором кластер испытывает п взаимодействий с нуклонами, может быть представлено в виде:

«в во До о»

О-ва . -ы, ъ

вв

Л»

к*

Здесь В - прицельный параметр столкновения; -сечение образования кластера в адрон-нуклонном столкновении; Ц0--точка его рождения в ядре; % - координата вдоль траектории его движения; /> - плотность нуклонов в ядре.

Сечения к зстер-нуклонных-взаимодействий связаны рекуррентным соотт 1ениеы: 2

Наоиюдаеные величины представляются в виде ряда:

- а -

'.Здесь и Ь^ ~ энергия и масса кластера, испытавшего п. столкновений с нуклонами ядра» Т.к. сечение -функ-' цля координат -всех взаимодействий кластера, предшествующих данному, то последнее-выражение представляет собой интегралы высокой кратности.. Поэтому непосредственное вычисление ^п. заменяется адекватной монтекарловской процедурой.

Расчет величин по методу Монте-Карло сводится к следующим этапам ; /щ. также рис.1/.

I. Розыгрыш прицельного параметра налетающей частицы относительно центра ядра мишени.

С помощью случайных чисел £ , равномерно распределенных в интервале [0,1] , разыгрываются случайные значения прицельного параметра; в , связанного с § соотношением

В качестве /?п выбрано расстояние от центра ядра,на котором плотность нуклонов р , изменяющаяся по закону

« л,1 _

г~ , падает в 100 раз по отношении к плотности в центре ядра. Данному значению £ соответствует точка входа частицы в ядро с координатами. (8, , где

/

2; Розыгрыш точки рондения кластера в ядре 2а .

Ядерное вещество, находящееся вдоль траектории движения перъичной частицы, разбивается га множество слоев толщины Я такой, что в

Здесь СГдд, - сечение образования кластера при взаимодействия налетавщей частицы с нуклоном; р - плотность нуклонов в £ -том слое. Случайная величина сравнивается с К . Если , то кластер рожден в первом слое. Если ке £ > р, , то берется случайная величина ^ и сравнирается о рг » т.д. Если взаимодействие произошло в I -.ом слое, то его координата определяется по формуле

В том случав, если на отрезке , у- )

■азаиаодайствия не случилось, происходит возврат к розыгры-пу нового прицельного параметра.

3. Розыгрьгп движения кластера п ядре.

Давний ЭТ"П производится аналогично предыдущему, за исключением того, что осеняется на . При

этом, еслп з некотором слое- происходит кластер-нукяонное эзанмодействяе, изменяется закон роста Ск/]/ . При переходе кластера за точку производится возврат к розыгрыщу прицельного параметра. Процедура повторяется до тех пор, пока не оупет наиграно заданное число адрон-1 ядерных взаимодействий. При этом полное число разыгранных прицельных параметров равно Ж*55* .

В результате в памяти мааины накапливаются числа И/г , соответствующие числам событий, в которых кластер испытн-епйт С внутриядерных взаимодействий. Тогда

/Неосновными характеристиками,- определяемыми в -¿одели, являются энергия Е и касса Ео кластера, вышедиего из ядра. В работе рассчитаны средние значения этих"величин для взаимодействий протоноа: с ядрами фотоэмульсии в двух вариантах реализации модели: "У" /основанный на- решении системы уравнений в прежнем аартанте пеализации модели/ и "МК" /основанный на монтекарловспой процедуре/.

Проверка применимости прежнего варианта реализации кластерной модели подтвердила- возмохиоеть использования его в качестве вполне удовлетворительного приближения.

В третьей главе сопоставляются следствия кластерной модели с экспериментальными данными, полученными при изучении ряда характеристик процесса множественного рождения в столкновениях частиц высоких анергий с ядрами. Ранее следствия кластерной модели проверялись пипь в со-постпалпяии с данными по множественному рождения, полученными при взаимодействии адронов с мияеипми, сбс -

РисД, Схеыа розыгрыша кла.етер-нуклонных. взаимодействий по Методу Монте-Карло

тоямми из атомов различных элементов /ядерные фотоэмульсии и пропан/. Поэтому большой интерес представляло изучение процесса множественного рождения на чистых мигаенях.т.е. на мипенях, состоящих из атомов одного эленента. В работе показано, что кластерная модель описывает зависимости мно-жественностей рожденнкх частиц от энергии, атомного веса ядра мишени к .орта налетающей частицы для взаимодействий адронов с чистыми мишенями. При атом установлено, что оба варианта реализации модели /"У" и "МК"/ дают практически одинаковуп А-записимость для множественностей релятивистских частиц и "серых" треков.

Приведены результаты расчетов распределений по числу релятивистских ($) и "серых" (у) частиц , а также корреляций между множественностями этих частиц.

В работе получен ряд новых приближенных аналитических результатов в варианте "У", иллюстрирующих динамику взаимодействия кластера о веществом. Сравнение этих результатов с соответствующими экспериментальными данными показало, что приближенное аналитическое решение уравнений движения кластера в ядре позволяет получать вполне удовлетворительные оценки корреляций между характеристиками процесса рождения и реакцией ядра на этот процесс, выражающейся в числе нерелятивистских продуктов его разрушения.

Продемонстрированы дополнительные возможности нового варианта реализации модели в описании экспериментальных данных, анализ котгтых в рамках прежнего варианта был затруднителен. Использование атомных ядер в качестве анализаторов пространственно-временного развития множественного процесса предполагает наличие возможности хотя бы приближенно оценить тояшину ядерного вещества, в котором этот процесс развивается. При определении средних характеристик существенна яишь средняя, толщина мишени, близкая я радиусу ядра. Для получения более определенной информации о развитии процесса необходимо экспериментальное определение зависимостей его характеристик от толщины ядерного вещества, либо от числа внутриядерных взаимодействий. Показано, что величина /разность между числами

положительных и отрицательных релятивистских зараженных час тиц/ является удобной мерой числа внутриядерных взаимодействий в столкновениях адронов с легкими ядрами. Рассмотрен вопрос об определенш! величины ¿? в рамках кластерной модели. Приведены результаты расчета распределения по # и экспериментальные данные, которые находятся в удовлетворительном согласии. ¡1а примерах этого распределения показана необходимость учета расширения кластера в предраспадном состоянии в ра!....ах кластерной модели процесса.. Отмечено,чтс дополнительные возможности нового варианта модели обусловлены тем, что в этом варианте число кяастер-нуклоннкх взаимодействий является непосредственно определяемой величиной. Рассмотрена зависимость от # средней множественности релятивистских частиц для взаимодействий ^"-мезонов с ядрами при энергии 40 ГэВ и ядра ^ЛЬ при энергиях 25 к 5£ ГэВ; определены средние значения величины <? Д^я взаимодействий протонов и п+ -мезонов с различными ядрами при разных энергиях. Показано, что расчетные зависимости правильно воспроизводят наблюдаемые закономерности.

Показг ча возможность интерпретации на основе кластерной модели аффекта увеличения доли нечетноиучевых ксазинук лонных взаимодействий в ядерной фотоэмульсий с ростом пер вичной энергии. В рамках данной интерпретации основная при чина увеличения вероятности появления некогерентных квази-нуклонных событий с ростом Еи связана с расширением кяас тера, а такие с на^.чмем.в эцульсии ядер водорода.

Проанализированы особенности процесса, множественного рождения в фотон- и яептон-ядерных взаимодействиях. Лепто-ны, не участвуют в сильных•взаимодействиях и все адроны,образованные в таких стоякновеших, представляют собой вновь рокденные частицы. При > I ГэВ /с^ адронная лидирующая компонента отсутствует, и роль кластера представлена в чнс ты ви,ве. Показано, что в рамках класте^лой интерпретации пространстаенно-вреыенное развитие таких процессов обладает весьма примечательной особенностью, сшэанной с начальным размере« кластера. Исследован« зависимость величины = /<л*> от начального размера кластера

Zok . Показано, что n '¡г:Sn. -столкновениях 0,6 фм, что приближенно соответствует радиусу -мезона. В )-Srz взаимодействиях 2ок~ 0,1 - 0,2 фм. В f-Srz взаимодействиях 7ок близок к адронному. Это обстоятельство' свидетельствует о том, что доминирующую роль в ¡¡"-А процессах играет канал образования промежуточного векторного мезона,кото-рый и взаимодействует с нуклонами мишени.

В четвертой главе обсуждаются возможности интерпретации основных закономерностей эффекта лидирования в адрон-ядерных взаимодействиях. Утверждается, что обоснованный выбор механизма лидирования может быть сделан лишь на основе эксперимента, в котором детектор быстрых лартонов помешен внутри ядра. В начесть- такого детектора используется процесс образования тяжелых лептонннх пар.в адрон-ядерных взаимодействиях. Оценка сечения поглбиения лидирующей компоненты адрона произведена.на основе экспериментальных данных по образованию -пар с массой > 4 ГэВ ^"-мезонами на ядрах Ве , Си , $п , У при энергии 225 ГэВ. В расчетах принималось фермиевское распределение птготности нуклонов d тяжелых ядрах и гауссово- в легких. Показано, что допустимое значение этого сечения не превосходит 2,5мбн; это"соответствует нижней границе длины поглощения лидирующей компоненты в ядерном веществе 1Аь. 30 фи, т.е. значительно превышает размеры тяжелых ядер. На основе полученной оценки сделан вывод о том, что в лроцессе множественного рождения одроьоя' в адрон-ядерных столкновениях повторными взаимодействиями лидирующей компоненты можно пренебречь, что подтверждает одно из основных исходных поле -кений кластерной модели.

Пятая глава" посвящена предельному варианту кластерной модели, предназначенному для описания процессов образования частиц с большими значениями кумулятивного числа

XV . . ■ /7Z?

Здесь Е4"- Р"*" - энергия и импульс первичной, а Е£ , Р4 - кумулятивной частиц, т£ - масса,последней, в --угол вылета в лабораторной системе, пь„ - масса нуклона.

Из приведенного сопоставления с данными экспериментов следует, что этот вариант модеди удовлетворительно воспроизводит инвариантные сечения образования кумулятивных & -мезонов и зависимости сечении от первичной энергии и атомного веса ядра игааени.

Установлено, что для определения формы спектра частиц, образованных при распаде кластера, можно использовать статистический подход к описанию его распадного состояния.

В заключении сформулирован основной вывод диссертации, который заключается в том, что кластерная модель находится в соответствии с предстаьдением о кварк-глюонном строении адрона, не противоречит известным экспериментальным фагам, ооладает надеиным расчетным аппаратом и позволяет описывать основные закономерности процесса множественного рождения в столкновениях частиц высоких энергий с. ядрами.

К числу наиболее важных результатов данной работы относятся следующие:

1. Сформулирована новая математическая реализация описания движения кластера в ядерном веществе. Она учитывает дискретное изменение массы и энергии кластера в его последовательных столкновениях с нуклонами ядра.Проверка на ее основе прежнего варианта описания движения кластера в ядерном веществе показала, что прежний вариант кластерной модели, б котором изменение энергии и массы кластера происходит непрерывным ос^зом, можно использовать как вполне удовлетворительное приближение.Новый вариант реализации модели существенно расширил круг описываемых ею характеристик.

¿. Показано соответствие модеди новым экепершенталь-

нш данным по процессам множественного рождения в адрон-ядерных взаимодействиях. На основе анализа этих данных подтвержден вывод о том, что кпазиклвссическое расширение кластера с околосветовой скоростью является одним из ваа-нейших элементов пространственно-временного развития процесса множественного рождения на ядрах в рамках кластерных подходов г его описании.

3. Получено новое количественное подтверкдение гипотезы о возможности пренебрежения повторными взаимодействиями в ядерном веществе лидирующей компонента первичного адрона. На основе анализа процесса образования тяжелых /^/'"-пар с массой > 4 ГэВ ¡г~ -незонами на ядрах Ве. , Си- , Втг , 1у при энергии 225 ГэВ показано, что сечение поглощения лидирующей компоненты одрона в ядрах

не превосходит 2,5 мбн. •

4. Произведены уточнения схемы "собирания" и проверка ее соответствия экспериментальным данным по процессам кумулятивного рождения -мезона. Для описания частиц

с большими значениями X, образующихся при распаде кластера, применим статистический методы.

Основные .результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Часников И.Я., Шаханова Г.А., Шахова Д.И., Шыонин В.Л. Явление роста доли квазинукяонных, некогерентных событий в ядерной фотоэмульсии с увеличением энергии и его интерпретация. Препринт 81-10, А/ша-Ата,

19в1, слг,

2. Шаханова Г.А., Шмонян В.Л. Анализ процессов мнокест-венного рождения в адрон-ядерных взаимодействиях на основе кластерной иоделя. - В сб.: Физика высоких энергий и вариации космических лучей. КазГУ км. С.Н. Кирова, Алма-Ата, 1982, с.12-22.

3. Шаханова Г.А., Шмонин В.Л. К партонной интерпретации эффекта лидирования в адрон-ядерных взаимодействиях. Препринт ШВЭ 83-29, Алма-Ата, 1983, с.11; 1984, т.39, 0.6, с.1569-1572.

4, Golubyetnikova E.S., Shakhanova G.A., Shisonin V.L. Haâroalc compound-systems in cumulative production processes. Preprint HÏPI 85-50, 1983, р.1б; Acta Phys. Pol., 1984, v.BI5, H ?, p.585-59?. б. Шаханова P.A., Шмонин В.Л. Оценка верхнего предела сечения поглощения лидирующей компоненты адрона в ядрах. В сб.: Взаимодействие излучения с веществом. КазГУ иы. С.Ы.Кирова, Алма-Ата, 1984, е.37-41. 6. Шаханова Г.А., Шмонин В.Л. Кластерный механизм кнонест-венного рождения частиц в адрон-ядерных взаимодействиях Препринт И«ВЭ 84-11, Алма-Ата, 1984, с.15. V. Шаханова Г.А., Шмонин В.Л. Кластерная модель взаимодействия частиц высоких энергий с ядрами. В кн.: Взаимодействия адронов и ядер высоких и сверхвысоких анергий. Алма-Ата, 1986, с.И8-138.

Ameev S.Sh., Golutoyatnikova Е.Б., Kalinkin B.N.,Shakha-nova С.A., Bhmonin V.L. On a preeent status of the gutherirз ttodel for cumulative Meson production. -Zschr. Phys., 1988, v. A35I, p.W-358. 9. Амеев С.Ш., Годубятникова E.C., Шаханова Г.A.,Шмонин В., О критике модели "собирания4' в работе Тараеова А.В. Препринт Ш(ВУ 88-01, Адма-Ата, 1008, с.16.

Отпечатано на ротапринте ИФВЭ АН НезССР Формат 60х84/16д.л,Объем 0,7уч.-иэд.ли«:. Заказ (f* 427. Тиар® " 150 экз.Бесплатно