Методы подобия в релятивистской ядерной физике и их экспериментальная проверка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Симметрии и методы подобия в современной физике.

Глава 2. Принцип ослабления корреляций. Пространство относительных скоростей.

Глава'З. Инклюзивные процессы в релятивистской ядерной физике.

Глава 4. Эксперименты по изучению подпороговых реакций.

4.1 Описание установки КАСПИИ.

4.2 Настройка магнитного канала.

4.3 Методика проведения эксперимента.

4.4 Обработка экспериментальных данных.

4.5 Определение сечений рождения мезонов по полученным экспериментальным данным.

Глава 5. Поляризационные эксперименты в релятивистских ядерных столкновениях и перспектив их продолжения.

5.1 Методика измерений.

5.2 Особенности мониторирования пучка и обработки данных.

5.3 Экспериментальные результаты и перспективы их дальнейших исследований.

5.4 Установка МАРУСЯ.

Количественное изучение процессов многочастичных ядерных взаимодействий в релятивистской области началось около 25 лет тому назад после получения в Дубне и Беркли пучков ядер, движущихся с околосветовыми скоростями [1]. До этого релятивистские ядра изучались как составная часть исследований космических лучей. л

Возникла релятивистская ядерная физика - область исследования процессов, в которых частицы, составляющие ядерную материю, движутся с относительными скоростями, близкими к скорости света.

В конце 80-х годов появились данные, полученные при энергиях выше 10-АТэВ на существующих ускорителях (Брукхейвен и ЦЕРН). Программы исследований по релятивистской ядерной физике потребовали создания новых крупных экспериментальных установок и ускорителей. В Дубне был построен сверхпроводящий ускоритель релятивистских ядер - Нуклотрон (1992 г.), на котором проводятся эксперименты по исследованию переходного режима от нуклонных к цветовым степеням свободы в ядрах. Успешно завершается сооружение релятивистского коллайдера тяжелых ионов (ЯШС) в США. В настоящее время реализуется большая экспериментальная программа исследований с тяжелыми ионами при энергии 159 А ГэВ в ЦЕРН и разрабатывается программа ядерных исследований на большом адронном коллайдере (ЬНС).

Большой и всевозрастающий интерес к релятивистской ядерной физике мотивирован надеждами на установление законов, описывающих релятивистские многочастичные системы. Изучение этих законов имеет большое значение для астрофизики, космологии, для понимания явлений, протекавших в момент Большого Взрыва. Установление таких законов важно также для создания систем электроядерной энергетики, которая в последние годы привлекла большое внимание энергетиков, специалистов в области реакторостроения, экологов. Для прикладных целей также важно накопление экспериментальных данных по взаимодействию релятивистских ионов с веществом.

Теория релятивистских разреженных многочастичных систем привлекала внимание специалистов на самой заре создания теории относительности. Разреженными обычно называются такие системы, в которых преобладающим динамическим механизмом является двухчастичный. Рассмотрение релятивистского варианта уравнений переноса позволило провести наиболее общее описание термодинамических свойств разреженных систем [2]. Применению термодинамики и гидродинамики [3] к описанию многочастичных конечных состояний в столкновениях адронов и ядер при высоких энергиях посвящено большое число теоретических работ и тематических международных конференций. Эти подходы широко эксплуатируются для обоснования создания крупных экспериментальных установок и ускорителей [4]. Особые надежды возлагаются на возможность наблюдения кварк-глюонной плазмы, существование которой в природе следует из рассмотрения ядерной материи как сплошной среды при предельно высоких давлениях и температурах.

По определению уравнение состояния ядерной материи рассматривается для макроскопически протяженной среды. Ядерное уравнение состояния -очень важная информация, необходимая для количественного описания таких астрофизических явлений как взрывы сверхновых звезд, образование и свойства нейтронных звезд. Однако вопрос о том, насколько даже самые тяжелые ядра при наивысших планируемых энергиях смогут имитировать сплошную среду, остается открытым. Кроме того, неясно, насколько изучаемая на ускорителях динамика мультиадронных систем описывается теми же законами что и адронная термодинамика, которая применяется для описания внутризвездных процессов, ранней Вселенной.

Для процессов взаимодействия релятивистских ядер необходим учет ненуклонных степеней свободы, да и само понятие "нуклон" становится неадекватным задаче.

Рассмотрим важный для настоящей диссертации пример: определим область применимости понятия "элементарная частица". Традиционно элементарными частицами называют не разложимые далее структурные составляющие материи.

Это понятие сформировалось в тесной связи с представлением о дискретном строении вещества на микроскопическом уровне. При построении моделей элементарные частицы рассматриваются как абсолютно тождественные и их ансамблям сопоставляется квантовое поле, которое и соответствует модели.

Однако квантовая теория поля успешно применяется и к частицам, обладающим внутренней структурой, например, к атомам гелия при низких температурах. В атомной физике критерием, ограничивающим применимость такого рассмотрения, является кинетическая энергия относительного движения частиц. Количественно это означает, что кинетическая энергия относительного движения должна быть много меньше энергии первого возбужденного уровня атома. В противном случае в результате взаимодействия атомов друг с другом может быть нарушена их тождественность.

Следуя работе [ 5 ] релятивистское обобщение критерия применимости понятия "элементарная частица" можно получить на основе закона сохранения 4-импульса Рх + Р2- Р3 + Р

Р>+Р2)2=(Р3+Р*).2

Рассмотрим порог образования возбужденного состояния одной из сталкивающихся частиц :

Р3 +Р*У =(т + т*У

Отсюда (т —т ) (т —т )

Ъп =-{их-и2)2 = К • [4 + --¿]«1 (1) т т 4 у здесь т и т *- массы тождественных частиц и масса возбужденного состояния , а Р], Р2 , Рз и Р "их 4-импульсы соответственно, и 1 = р1 / - векторы 4-скоростей .

Отметим, что критерий (1) сформулирован через инвариантные, безразмерные и измеримые величины ( в него не входят такие параметры, как размеры частиц, степень их точечности, расстояния и т.п.) Параметр Ь1к впервые был введен в работе [6 ].

Из критерия (1) получаем следующую классификацию ядерных систем [7,8].

- Области 0< Ь±к <10~~ соответствует нерелятивистская ядерная физика. Нуклоны с адекватной задаче точностью можно рассматривать как элементарные частицы.

- Области Ь1к ~ 1 соответствует возбуждение внутренних степеней свободы адронов (изобары, резонансы). Необходимо введение ненуклонных степеней свободы, эффективных лагранжианов.

- Области Ь1к » 1 соответствует преобладание цветовых степеней свободы. Взаимодействие должно описываться квантовой хромодинамикой.

Для атомной физики характерны £>1;с~1СГ9. При этом, например, атомы гелия теряют электроны и превращаются из бозонов в фермионы.

Важно подчеркнуть, что для построения моделей в каждой из обозначенных областей метод Лагранжа должен быть дополнен гипотезами относительно начальных и краевых условий. Эти гипотезы, как и гипотезы о структуре лагранжиана (например, массы, константы связи, групповая структура и т.п.), должны быть проверяемы экспериментально.

Для многих случаев построения моделей оказывается достаточным использовать только дополнительные гипотезы без привлечения метода Лагранжа. В этой связи для построения моделей в релятивистской ядерной физике хорошим примером послужили методы, разработанные в гидродинамике [ 9,10 ].

Настоящая диссертация посвящена:

1) описанию экспериментальных результатов в области релятивистской ядерной физики, полученных с участием автора и предложений новых экспериментов;

2) систематическому изложению основных результатов подхода, основанного на применении в релятивистской ядерной физике законов симметрии, подобия и других методов, не опирающихся на метод Лагранжа, но позволяющих конструировать модели (решения), исходя из первых принципов.

Данный подход позволил:

1) установить область ядерных столкновений, в которой нуклоны утрачивают свою тождественность, и наступают асимптотические по энергии режимы;

2) дать единое колличественное описание глубокоподпороговых, околопороговых и кумулятивных процессов;

3) дать количественное описание конечных состояний ядерных столкновений (множественных процессов) на основе понятий -промежуточная асимптотика и принцип ослабления корреляций в пространстве относительных 4-скоростей;

-84) обнаружить локальную автомодельность (самоподобие) конечных состояний ядерных столкновений;

5) дать количественное описание образования антиматерии в релятивистских ядерных столкновениях от единиц до сотен ГэВ/нуклон энергии сталкивющихся ядер.

6) проанализировать полученные экспериментальные данные по подпороговому и околопороговому рождению каонов и антипротонов в протон ядерных и ядро ядерных взаимодействиях;

7) предсказать и проанализировать результаты проводимых в настоящее время экспериментов и спланировать Новые постановки экспериментальных задач.

Заключение

Сформулируем кратко основные результаты диссертационной работы:

1. Получены экспериментальные данные по рождению каонов и пионов в переходной области энергий (от нуклонных к кварк-глюонным степеням свободы в ядрах) в зависимости от энергии и типа налетающих ядер (протоны, дейтроны, углерод).

2. Экспериментально показан асимптотический характер поведения сечений рождения каонов и пионов в центральной области начиная с энергии ~ 4 ГэВ/нуклон, что свидетельствует об универсальном поведении сечений рождения частиц независимо от их типа. Полученные данные дают возможность критического анализа теоретических моделей, описывающих подпороговые процессы мезонообразования.

3. Впервые предложен единый подход к описанию подпороговых и кумулятивных процессов на основе автомодельного решения. Представлена методика расчета инклюзивных сечений рождения адронов в ядро-ядерных столкновениях без введения подгоночных параметров для каждого типа реакции.

4. В рамках единого подхода с использованием двух универсальных констант, удается описать абсолютные величины инвариантных сечений адронов в протон- ядерных и ядро- ядерных реакциях, а также образования антиматерии в релятивистских ядерных взаимодействиях.

5. Сформулировано и подтверждено при анализе экспериментальных данных автомодельное решение второго рода, дающее возможность количественного описания сложных, многопараметрических свойств множественного рождения адронов.

6. Даны количественные предсказания для планируемых экспериментов в области релятивистских ядерных взаимодействий вплоть до наивысших энергий ~ТэВ/нуклон.

В заключение я рад выразить глубокую благодарность академику

A.М.Балдину за плодотворные обсуждения и совместные работы по формулировке автомодельности второго рода применительно к описанию релятивистских ядерных столкновений.

Я очень благодарен своим коллегам из ИЯИ РАН Ю.К.Гаврилову, Ф.Ф.Губеру, В.А.Краснову, А.Б.Курепину, В.С.Пантуеву, А.И.Решетину, С.Н.Филиппову, а также всем сотрудникам лаборатории мезоядерных взаимодействий ИЯИ РАН за совместную, плодотворную работу и обсуждения полученных экспериментальных результатов на установке КАСПИИ.

Я очень благодарен своим коллегам из ОИЯИ К.В.Михайлову,

B.В.Борисову, С.В.Семашко, В.С.Королеву, С.Н.Базылеву, В.М.Слепневу за совместную работу по подготовке и проведению ряда экспериментов, заложивших основу создания установки МАРУСЯ.

Считаю своим приятным долгом поблагодарить академика В.А.Матвеева, академика В.А.Рубакова и член корр. В.М.Лобашева за поддержку в работе и ценные замечания.

Я искренне благодарен руководителю НЭОФЯС ЛВЭ А.С.Водопьянову за постоянную, существенную поддержку в работе.

Я рад выразить благодарность членам дирекции ЛВЭ А.Д.Коваленко, А.И.Малахову, В.Н.Пеневу, И.А.Шелаеву за поддержку в работе по подготовке и проведению экспериментов на ускорительном комплексе ЛВЭ.

Мне особенно приятно выразить благодарность сотрудникам вспомогательных служб ЛВЭ А.Д.Кирилову, П.А.Рукояткину, А.В.Шабунову, Е.А.Матюшевскому, Ю.И.Тятюшкину, В.И.Шарапову, В.И.Волкову и многим-многим другим, без самоотверженной работы которых было бы невозможно получение представленных в диссертации экспериментальных результатов.

Мне приятно поблагодарить Е.А.Строковского, Ю.А.Панебратцева, • Е.Н.Кладницкую, А.А.Кузнецова, М.В.Токарева, Л.Н.Струнова, Н.М.Пискунова за интерес, проявленный к работам, легшим в основу настоящей диссертации, полезные обсуждения и ценные замечания.

Я искренне хочу поблагодарить всех участников коллаборации МАРУСЯ за их самоотверженный труд по созданию сложной, многоцелевой экспериментальной установки в условиях кризисного финансирования.