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

Шаханова, Галина Азнабаевна АВТОР
кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Алма-Ата МЕСТО ЗАЩИТЫ
1990 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.16 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Кластерная модель множественного рождения адронов на ядрах»
 
Автореферат диссертации на тему "Кластерная модель множественного рождения адронов на ядрах"

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