Парциальные сечения фоторождения π и η мезонов на лёгких ядрах в области нуклонных резонансов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

На правах рукописи Игнатов Александр Сергеевич

ПАРЦИАЛЬНЫЕ СЕЧЕНИЯ —ФОТОРОЖДЕНИЯ ТТ ИТ] МЕЗОНОВ НА ЛЁГКИХ ЯДРАХ В ОБЛАСТИ НУКЛОННЫХ РЕЗОНАНСОВ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных

частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 2009 2 В МАМ 2000

003471263

На правах рукописи

Игнатов Александр Сергеевич

ПАРЦИАЛЬНЫЕ СЕЧЕНИЯ

ФОТОРОЖДЕНИЯ7ГИ7/МЕЗОНОВНА_

ЛЁГКИХ ЯДРАХ В ОБЛАСТИ НУКЛОННЫХ РЕЗОНАНСОВ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных

частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА — 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерных исследований

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Недорезов - доктор физ.-мат. наук, профес-

Владимир Георгиевич сор

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Львов

Анатолий Иосифович Малов

Леонард Александрович

- кандидат физ.-мат. наук ФИАН г.Москва.

- доктор физ.-мат. наук, ЛТФ ОИЯИ г.Дубна

Ведущая организация:

НИИЯФ МГУ, г.Москва

1 1 0 6,2009

Защита диссертации состоится «_» е 18» Ц ¿.ЦЩ 2009 года

в « ¡о^» часов на заседании диссертационного совета Д002.119.01 Учреждения Российской академии наук Института ядерных исследований.

Адрес: 117312, г.Москва, проспект 60-летия Октября 7а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН.

0 р. П 5.2009

Автореферат разослан «

2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физ.-мат. наук

Б. А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Изучение парциальных сечений фоторождения тг- и 7?-мезонов на легких ядрах является в настоящее время актуальной задачей. Эти сечения в сумме почти полностью исчерпывают полное сечение фотопоглощения в рассматриваемом диапазоне энергий. Полные сечения фотопоглощения на внутриядерных нуклонах дают важную информацию о механизмах взаимодействия фотонов с ядрами и структуре нуклонов. Большинство работ на эту тему выполняется на самых легких ядрах, хотя имеются ограниченные данные и для тяжелых ядер. При этом обнаружен ряд эффектов, которые указывают на фундаментальные проблемы, связанные с исследованием структуры ядра и нуклонов. Например, можно отметить изменение формы кривой фотопоглощения сростом атомного номера для легкихядер, различие в интегральных сечениях фотопоглощения для легких и тяжелых ядер в области Д-резонанса и др.

Актуальность выполненных в настоящей работе исследований определяется также тем, что в настоящее время существенно вырос экспериментальный уровень. Во-первых, созданы пучки гамма-квантов в широком диапазоне энергий, отличающиеся высокой монохроматичностью, низким уровнем фона, высокой степенью поляризации. В настоящей работе для получения пучка 7-квантов был использован метод обратного комптоновского рассеяния лазерных фотонов на электронах накопителя с энергией 6 ГэВ. Во-вторых, для регистрации продуктов реакции использовался широкоалертурный детектор, позволяющий идентифицировать пионы, г?-мезоны и нуклоны отдачи с высоким разрешением и высокой эффективностью. Это позволило уменьшить систематические ошибки измеряемых величин, и на этой основе разработать новые методы для изучения взаимодействия образующихся мезонов с ядрами.

В настоящей работе при вычислении полного сечения фотопоглощения на протоне для улучшения точности и уменьшения систематических ошибок было использовано два альтернативных метода. Первый метод основан на вычитании фона от пустой мишени. Второй метод - это суммирование сечений парциальных каналов, вносящих основной вклад в полное сечение в данном энергетическом диапазоне, Первый метод является перспективным для измерения полного сечения фотопоглощения на тяжелых ядрах, где вычисление сечений всех парциальных каналов является трудно выполнимой задачей. До

настоящего времени надежные данные по полным сечениям фотопоглощения на свободном протоне и нейтроне имеются только для области энергий до 800 МэВ. При более высоких энергиях имеются только данные 1972 года, полученные в единственной работе. Поэтому новые прецизионные данные для протона и нейтрона представляют большой интерес.

В диссертации представлены результаты исследования полного фотопоглощения и реакций 7р —► п+п, 7р —> п°р, 7р —> т]р, 7р —> 7Г+7Г~р, тр —* 7г°7г°р, 7р —> 7г+7г°п в области энергий гамма-квантов

= 600 -т-1500 МэВ.

Проведенный анализ полученных данных по фоторождению 7Г°-мезона и т)-мезона позволил сформулировать и апробировать новый корреляционный метод исследования упругого и неупругого взаимодействия нестабильных мезонов с ядрами. Этот метод основан на идентификации образования мезонов разного типа при помощи регистрации нуклона отдачи. Таким образом, даже при отсутствии мезона в конечном состоянии стало возможным получать информацию о продуктах его взаимодействия с ядерной средой. В настоящей работе представлены результаты разработки данного метода на примере реакций фоторождения тг- и ^-мезонов на квазисвободном протоне.

Цель работы состояла в следующем:

• разработать алгоритмы и программы анализа экспериментальных данных установки ОЯААЬ по фоторождению тг- и 77-мезонов на протоне и дейтроне,

• изучить фоновые условия эксперимента С11ААЬ с целью разработки метода измерения полного сечения фотопоглощения путем вычитания фона от пустой мишени,

• разработать и протестировать на экспериментальных и моделированных данных новый корреляционный метод исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядрами,

• вычислить полное сечение фотопоглощения на протоне в области энергий гамма-квантов от 600 до 1500 МэВ двумя альтернативными методами: вычитанием фона от пустой мишени и суммированием парциальных сечений,

• исследовать продукты упругого и неупругого взаимодействия ц-мезонов с легкими ядрами на примере дейтериевой мишени и мишени из майлара.

Научная новизна работы

Следующие результаты, представленные в диссертации, являются новыми:

1. Сделана оценка фоновых условий эксперимента СЛААЬ и измерено полное сечение фотопоглощения на протоне в области энергий гамма-квантов Е1 = 0.6 4-1.5 ГэВ. Были рассчитаны полные эффективности регистрации и измерены полные сечения парциальных каналов фоторождения на протоне, дающих ос-новной. вклад в полное сечение фотопоглощения в данной области энергий гамма-квантов. Полученные" результаты - по - парци--альным каналам были просуммированы для получения полного сечения фотопоглощения. Для увеличения точности и уменьшения систематических ошибок полное сечение было также измерено методом вычитания фона от пустой мишени.

2. Впервые разработан корреляционный метод исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядрами, основанный на идентификации типа реакции фоторождения с помощью нуклонов отдачи («метод меченых мезонов»). Показано, что параметры современных экспериментальных установок типа в11ААЬ, имеющие высокое разрешение и низкий уровень фона, позволяют разделять каналы реакций используя энергию нуклона отдачи, вылетевшего в переднем направлении. Реакция фоторождения ту-мезона, когда протон отдачи с максимальной энергией вылетает в переднем направлении представляет особый интерес. ?)-мезон в данном случае имеет маленький импульс, что, согласно предсказаниям модели внутриядерных каскадов, увеличивает длину его свободного пробега и, соответственно, вероятность взаимодействия с другими нуклонами ядра. В данной работе впервые с помощью «метода меченых мезонов» представлены признаки вторичного перерассеяния ^-мезонов на нейтроне в ядре майларовой мишени.

3. Впервые в одном эксперименте полные сечения фотопоглощения для протона в области энергий Е7 = 0.6 -т- 1.5 ГэВ измере-

ны двумя независимыми способами, что позволило существенно уменьшить систематические ошибки.

Научная и практическая ценность работы

• Полученные данные по сечениям основных парциальных каналов и по полному сечению фотопоглощения на протоне в области энергий гамма-квантов Еу = 0.6 -г 1.5 ГэВ уточняют и дополняют существующую базу данных. Так же они будут использованы в дальнейших исследованиях на более тяжелых ядрах в качестве реперных данных.

• Разработанный корреляционный метод позволяет на современных экспериментальных установках с низким уровнем фона и Атх-детектором с высоким разрешением изучать взаимодействие нестабильных мезонов с ядерным веществом в отсутствии ме-зонного пучка. Этот метод также будет использован при дальнейших исследованиях более тяжелых ядер.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Алгоритмы и программы анализа экспериментальных данных установки С11ААЬ по фоторождению тг- и 77-мезонов на протоне и дейтроне.

2. Оценка фоновых условий эксперимента СПААЬ и расчет полных эффективностей регистрации парциальных каналов фоторождения 7Р —+ 7Г+П, 7Р —» 7Г°Р, 7Р —> Г)Р, 7р —> 7Г+7Г~р, 7р -* 7Г0Ж°Р И 7Р —> 7Г+Ж°п.

3. Разработка и обоснование нового корреляционного метода изучения взаимодействия нестабильных мезонов с ядерным веществом.

4. Расчет полного сечения фотопоглощения на протоне в области энергий гамма-квантов от 600 до 1500 МэВ двумя альтернативными методами.

5. Результаты исследования продуктов взаимодействию 77-мезонов с ядерным веществом.

Вклад автора

Изложенные в работе результаты получены автором лично или в соавторстве при его участии.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использовавшейся литературы и приложения. Работа изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 8 таблиц. Список литературы содержит 100 наименований.

Апробация работы

Результаты диссертации докладывались автором на следующих Российских и международных конференциях, школах и семинарах:

• 11-ймеждународный семинар по электромагнитным взаимодействиям ядер ЕМ11Ч-2006 (Москва, 2006),

• 29-ая международная школа по ядерной физике (Эриче, 2007),

• 50-ая научная конференция МФТИ (Долгопрудный, 2007),

• Международная конференция ЯДРО-2008 (Москва, 2008)

• Вторые Черенковские чтения (ФИАН, 2009),

Результаты исследований также докладывались на научных семинарах ЛФЯР ИЯИ РАН (Москва).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении формулируются задачи, решаемые в работе, а так же даётся обоснование их актуальности.

Первая глава представляет собой обзор литературы, посвящён-ный изучению фоторождения мезонов на легких ядрах в области нук-лонных резонансов. В §1 дан обзор по изучению парциальных каналов, дающих основной вклад в полное сечение фотопоглощения на ядре при энергии гамма-квантов Е^ = 0.6 -т-1.5 . Так же представлена информация об имеющихся данных о полном сечении фотопоглощения на протоне. В §2 делается обзор существующих данных по реакции фоторождения т^-мезона и по изучению взаимодействия т?-мезонов с нуклонами ядра, а также данных по поиску связанных мезон-нуклонных состояний.

не В МАСШТАБЕ

25 м

Область взаимодействия

Мониторы пучка гамма-кванте

j

у "

Детектор LAGRANGE

4

Бетонная стена

Рис. 1: Установка GRAAL. Цифрами показаны: 1 — лазер, 2 — оптическая система лазера, 3 — бериллиевое зеркало, 4 — коллиматоры, 5 — очищающий магнит.

Вторая глава посвящена описанию установки GRAAL (Рис. 1). Рассмотрены программы управления её работой и сбором данных, а так же программы моделирования и предварительной обработки данных. В §2.1 дано краткое описание накопителя электронов ESRF и характеристик пучка электронов. §2.2 посвящён описанию получения пучка 7-квантов методом обратного комптоновского рассеяния. Описывается кинематика обратного комптоновского рассеяния. Затем, дано описание системы мечения 7-квантов и детекторов монитора пучка. Характеристики мишени описываются в параграфе §2.3. Следующий параграф рассказывает о детекторе LAGRAN7E установки GRAAL (см. Рис. 2). Последовательно рассматриваются основные элементы, составляющие детектор: электромагнитный калориметр BGO, детектор ливней, пропорциональные камеры и т.д. В §2.5 описывается система управления работой установки и организацией сбора данных. Рассмотрены основные триггеры записи событий. В §2.6 описывается организация анализа экспериментальных и моделированных данных. Описывается организация предварительной обработки данных, производимая при помощи программ DECODE и PREAN. Так же, рассмотрены программы LAGGEN и LAGDIG, выполняющие моделирование экспериментальной установки.

Третья глава диссертации посвящена анализу реакций ур —>

НЕ 8 МАСШТАБЕ

Детектор ливней

Мониторы пучка гамма-квантов

__А

Электромагнитный калориметр

Тонкий монитор

ВСО калориметр

Двойная стена • пластиковых

сцинтияляторое

Ось пуч<а гамма-квантов

Мишень из жидкого Н^ или

Плоские ММРСэ

Вето детектор

Рис. 2: Схема детектора LAGRAN7E.

п+п, 7р —> 1Г°Р, 7р —> Г}Р, 7Р —+ 7Г+7Г-р, 7Р —» 7Г°7Г°Р И 7Р —» 7Г+7Г°71, а

также анализу полного фотопоглощения на протоне в диапазоне энергий 7-квантов Еу = 0.6-г 1.5 . В §3.1 представлена методика расчётов сечений данных реакций. Рассмотрен также метод вычисления полной эффективности регистрации реакций и её применения к экспериментальным данным. Расчеты эффективности проводились с использованием программного обеспечения установки С11ААЬ (Рис. 3). Эти программы позволяют моделировать процессы с учетом кинематики и аппаратурной функции отклика детектора. В §3.2 представлен детальный анализ фоновых условий. Описаны алгоритмы отбора событий. Вычисляются полные сечения парциальных каналов тр —> к+п,

7Р —> ТГ°Р, 7р —> Г)Р, 7Р —> 7Г+7Г-Р, 7р —> 7Г°7ðРи 7Р —> 7Г+7Г°П

(Рис. 4, 5, 6, 7, 8 и 9). Отмечается, что для некоторых каналов в перекрывающемся диапазоне энергий гамма-квантов для двух различных лазерных линий сечения не совпадают. Однако различие в значениях не превышает 5% и в среднем хорошо согласуются с данными других экспериментов, а так же с расчетами модели МАГО2007.

В §3.3 полное сечение фотопоглощения вычисляется методом вычитания фона от пустой мишени. Результат вычисления сравнивается с имеющимися данными (Рис. 10). Производится сравнение полного сечения фотопоглощения на протоне, вычисленного двумя альтернативными методами (Рис. 11). Данные, полученные разными методами отличаются не более, чем на 5% при энергии гамма-квантов Еу < 1.1

Е-,. ГШ 7Г+П 1Т°р 7Г Я-+Л ЧР — 27Р

0.55 0.122 (0.68) 0.111 (0.72) 0.133 (0.33) 0.031 (0.29) 0.10 (0.21)

0.С5 0.131 (0.Г.1) 0.119 (0.71) 0.158 (0.31) 0.037 (0.29) 0.10 (0.21)

0.73 0.121 (0.59) 0.352 (0.01) 0.1 (¡2 (0.31) 0.038 (0.29) 0.10 (0.23) 0.008 (0.10)

0.85 0.113 (0.55) 0.253 (0.5С) (1.107 (0.33) 0.031 (0.28) 0.10 (0.23) 0.038 (0.1(1)

0.95 0.10G (0.51) 0.191 (0.52) 0.151 (0.31) 0.031 (0.20) 0.10 (0.'22) 0.000 (0.11)

1.05 0.100 (0.10) 0.131 (0.50) 0.151 (0.29) 0.027 (0.25) 0.10 (0.22) 0.058 (0.1-1)

1.15 0.000 (0.11) 0.000 (0,10) 0.100 (0.2.8) 0.022 (0.23) 0.09 (0.21) 0.058 (0.11)

1.2.-, 0.081 (0.11) 0.002 (0,11) 0.107 (0.20) 0.019 (0.21) 0.09 (0.21) 0.051 (0.13)

1.35 0.072 (0.10) 0.019 (0.38) 0.109 (0.21) 0.017 (ОЛЯ) 0.10 (0.20) 0.011 (0.12)

1,15 0.1)01 (0..18) 0.011 (0.30) 0.171 (0.22) 0.010 (0.17) 0.09 (0.18) 0.031 (0.11)

Рис. 3: Моделированные эффективности регистрации парциальных каналов фоторождения мезонов в ВвО (в скобках отдельно указаны кинематические эффективности).

ГэВ. Выше этой энергии данные расходятся потому, что в этой области начинают сказываться более сложные и более множественные реакции, которые не учтены в сумме по каналам.

Четвертая глава посвящена описанию нового корреляционного метода изучения взаимодействия нестабильных мезонов с ядерным веществом. Этот метод основан на регистрации и измерении первичного нуклона отдачи для мечения родившегося мезона.

Предпосылкой для разработки данного метода явилась полученная в моделировании зависимость импульса протона отдачи от угла его вылета (Рис. 12), которая свидетельствует о том, что при достаточно хорошем разрешении детектора и низком уровне фона существует возможность разделения каналов реакции по импульсу нуклона отдачи. В настоящей работе метод изучался на примере реакции фоторождения 77-мезона. Следует отметить, что ввиду короткого времени жизни, не представляется возможным создать пучок 77-мезонов. Однако при некоторых условиях длина свободного пробега т}-мезона превышает расстояние между нуклонами в ядре. Эти обстоятельства

I

I I

Рис. 4: Полное сечение фоторождения ж -мезона на свободном про-\ тоне.

делают 7?-мезон особенно интересной целью для применения нового метода.

В §4.1 представлен анализ условий применимости изучаемого метода. Анализ проводился на экспериментальных данных установки СЫААЬ (водородная и дейтериевая мишени) и на моделированных данных с азотной(14ЛГ) мишенью. Он заключался в установлении характеристик детектора и кинематических областей для которых воз; можно определение типа реакции по энергии нуклона отдачи. В на; стоящей работе в качестве нуклона отдачи использовался протон. Со! ответственно, первоочередной задачей было разделение протонов и заряженных 7Г-мезонов. Для этого измерялась зависимость энергетических потерь заряженной частицы от времени пролета. Такой анализ I позволил отсечь заряженные пионы, скорость которых близка к скорости света, а также убрать электромагнитный фон от ускорителя и выделить именно протон. На Рис. 13 и Рис. 14 представлены данные зависимости для экспериментальных и моделированных данных соответственно. Все события, в которых время пролета заряженной ; частицы составляло меньше 13 не или энергетические потери ДЕ со: 11 I

Е 70

(О А

^60 50 40 30 20 10 0

Еу(ОеУ)

Рис. 5: Полное сечение фоторождения 7г°-мезона на свободном протоне.

I 20

в. о

15 10 5 О

Рис. 6: Полное сечение фоторождения т?-мезона на свободном протоне.

|

; || I г-1

г 1 »

Т

тт* +

: 4

0.8 1 1.2 1.4

Е 140

<9

° 120 100 80 60 40 20 О

Ег(ОеУ)

Рис. 7: Полное сечение фоторождения пары7г+7г~ на свободном протоне.

ставляли менее 8 МэВ отсекались. В результате отбирались события, в которых в переднем детекторе был зарегистрирован протон отдачи либо из реакции ур —> тт°р, либо из реакции 7р —> т}р. Также согласно моделированию существует небольшой вклад протонов от когерентного рождения 7г°-мезона на дейтроне. Однако вклад этого канала при данной энергии 7-квантов составляет не более 1%. Следующим шагом являлось выделение протонов отдачи из реакции 7р —> г]р. Для этой цели использовалась зависимость импульса протона от угла его вылета.

На Рис. 15 и Рис. 16 представлена зависимость импульса протона отдачи от угла его вылета при фиксированной энергии 7-кванта для дейтериевой(эксперимент) и азотной(моделирование) мишени соответственно. Угол вылета ограничен передним направлением (9 < 30°). Видно, что для углов вылета в < 15° каналы фоторождения 7г°- и 77-мезона хорошо разделяются. Эта кинематическая область особенно интересна в связи с тем, что именно быстрым нуклонам отдачи, вылетевшим в переднем направлении, соответствуют медленные ту-мезоны, которые могут взаимодействовать с ядерным веществом.

—

1

-— г ■0 г > Л V

• * * 9

. , .

0.6 0.8 1 1.2 1.4

1 ¿1 ]

Л

1

\ **

1 т

% г Ш и

0 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Е^(веУ)

Рис. 8: Полное сечение фоторождения пары 7г°7г° на свободном протоне.

В §4.2 представлены первые результаты исследования взаимодействия г)-мезонов с ядерным веществом для мишени из майлара. Исследование производилось следующим образом: для фиксированного значения энергии 7-кванта в переднем детекторе регистрировался протон. Фиксировался также его угол. В соответствии с Рис. 15 и Рис. 16 по импульсу зарегистрированного протона отбирались только соответствующие каналу 7р —> цр. В центральном детекторе на совпадение измерялась инвариантная масса двух 7-квантов. В отсутствии взаимодействия ^-мезонов с ядром мы должны получить инвариантную массу ^-мезона, что и демонстрирует моделирование. Моделированные данные дают практически 100% событий с инвариантной массой г]-мезона (Рис. 17), однако экспериментальные данные, в особенности на мишени из майлара (Рис. 18), дают значительный вклад событий с инвариантной массой вблизи массы 7г°-мезона. Это может свидетельствовать о неупругом перерассеянии ?}-мезонов на одном из нуклонов ядра.

В Заключении суммируются основные результаты работы:

0.6 0.8 1 1.2 1.4

Ет(ОеУ)

Рис. 9: Полное сечение фоторождения пары тг°7г+ на свободном протоне.

а, цЬ

Рис. 10: Полное сечение фотопоглощения, полученное методом вычитания фона в сравнении с имеющимися данными из литературы: (пустые кружки) данные из работы [1], (пустые треугольники) данные из работы [2], и (сплошные кружки) наши данные.

, мкбн 300

ъ 250

200

150

100

50

0

А

• метод вычитания о метод суммирования

Вклады парциальных каналов:

п

* Л П

о 71°р »

ЛР

В<08;5опопо5' ■й» ° о ® о * * 4 » о 4 -

.V, ' ? * *

" т ' т » »

□ □□□ООО

' о

: Г ,»,

о Ф ^ I 1 Г ,*,»!

У г г г

□ □ о □ * » «

11

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Е7, ГЭВ

Рис. 11: Парциальные сечения фоторождения мезонов на протоне и их сумма в сравнении с полным сечением фотопоглощения, полученным методом вычитания фона.

• Разработаны алгоритмы и программы анализа экспериментальных данных установки СЛАДЬ по фоторождению л- и 7?-мезонов на протоне и дейтроне в области энергий 7-квантов Е1 = 0.6 -ь 1.5 ■

• Изучены фоновые условия эксперимента ОЯААЬ и разработан метод измерения полного сечения фотопоглощения путем вычитания фона от пустой мишени. Установлено, что вклад электромагнитного фона в полный выход от пустой мишени пренебрежимо мал.

• Разработан и протестирован на экспериментальных и моделированных данных новый корреляционный метод исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядрами. Установлены условия применимости данного метода.

• Измерено полное сечение фотопоглощения на протоне в области энергий гамма-квантов от 600 до 1500 МэВ двумя альтернативными методами: вычитанием фона от пустой мишени и суммиро-

Р, ГзВ

Рис. 12: Зависимость импульса протона отдачи от угла его вылета ] (моделирование на ядре 14Л'').

Итео/Щ^!, аз

Рис. 13: Зависимость энергетических потерь заряженной частицы от времени пролета (эксперимент).

Рис. 14: Зависимость энергетических потерь заряженной частицы от времени пролета (моделирование). Красным цветом изображены протоны из реакции 7р —> тг°р, синим - ур —> г)р и лиловым у<1 —> тг°с£

. зог

(Л

о £ а £ 25 я а £

ь го1-

ю-

-да,

Рис. 15: Зависимость импульса протона отдачи от угла его вылета для дейтериевой мишени (эксперимент).

Рис. 16: Зависимость импульса протона отдачи от угла его вылета для мишени 14N (моделирование).

Рис. 17: Инвариантная масса двух 7-квантов в центральном детекторе для событий, где был зарегистрирован протон отдачи из реакции фоторождения г\-мезона (моделирование).

Рис. 18: Инвариантная масса двух 7-квантов в центральном детекторе для событий, где был зарегистрирован протон отдачи из реакции фоторождения ?/-мезона (эксперимент).

ванием парциальных сечений. Показано, что эти два метода хорошо согласуются для энергий 7-квантов Еу < 1.1 . Выше этой энергии в полное сечение фотопоглощения дают значительный вклад процессы с образованием нескольких мезонов, которые не учтены в методе суммирования парциальных каналов.

• Исследованы продукты упругого и неупругого взаимодействия 77-мезонов с легкими ядрами на примере дейтериевой мишени и мишени из майлара. Для событий с рождением rj-мезонов в экспериментальных данных обнаружен выход 7г°-мезонов, который отсутствует в моделировании.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. A.D. Belyaev, ..., A.S. Ignatov et al, "New relational database for experimental and model meson photoproduction data in internet", Proceedings of XI International Seminar EMIN-2006, p.176-179.

2. О. Барталини, ..., A.C. Игнатов и др., "Измерение полного се-

чения фотопоглощения на протоне в области энергий 600 -г-1500 МэВ на установке GRAAL", Ядерная Физика, т.71 (2008) 76-83.

3. A. Ignatov, ..., V. Nedorezov et al, "New experimental and simulated results on nuclear media effects in meson photoproduction off nuclei" Prog, in Part, and Nucl. Physics 61 (2008) 253-259.

Список литературы

[1] T.A. Armstrong et al., Phys. Rev. D 5, 1640(1972)

[2] M. McCormick et al., Phys. Rev. С 53, 41(1996)

Ф-т 60x84/8. Уч.-издл. 1,1 Зак. № 22002 Тираж 100 экз.

Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

Введение

1 Фоторождение мезонов на лёгких ядрах в области нук-лонных резонансов

1.1 Полное сечение фотопоглощения.

1.1.1 Фоторождение 7г-мезонов.

1.1.2 Фоторождение пар 7Г7Г.

1.1.3 Полное сечение фотопоглощения на протоне

1.2 Фоторождение ту-мезонов в лёгких ядрах.

1.2.1 Фоторождение 77-мезонов на протоне и нейтроне

1.2.2 77-мезон в физике мезонных ядер.

2 Установка

2.1 ESRF

2.2 Пучок 7-квантов.

2.2.1 Кинематика обратного комптоновского рассеяния

2.2.2 Получение пучка 7-квантов.Г.

2.2.3 Измерение энергии 7-квантов.

2.2.4 Монитор пучка 7-квантов.

2.3 Мишень.

2.4 Детектор LAGRAN7E.

2.4.1 Плоские пропорциональные камеры.

2.4.2 Двойная стена из пластиковых сцинтилляторов

2.4.3 Детектор ливней.

2.4.4 Цилиндрические пропорциональные камеры

2.4.5 Цилиндричекий детектор из тонкого пластикового сцинтиллятора («Barrel»)

2.4.6 BGO-калориметр.

2.4.7 Вето детектор.

2.5 Система сбора данных.

2.5.1 Общее описание.

2.5.2 Формирование триггеров записи событий.

2.6 Организация анализа данных.

2.6.1 Экспериментальные данные.

2.6.2 Моделирование.

3 Алгоритмы анализа экспериментальных данных и результаты измерений

3.1 Общие определения

3.1.1 Вычисление сечений парциальных каналов

3.1.2 Вычисление эффективности регистрации реакции и её применение к экспериментальным данным

3.2 Фоторождение мезонов на водородной мишени.

3.2.1 Отбор событий и идентификация каналов.

3.2.2 Эффективность регистрации.

3.2.3 Вычисление полных сечений парциальных каналов

3.3 Вычисление полного сечения фотопоглощения на протоне

3.3.1 Фоновые условия.

3.3.2 Эффективность регистрации.

3.3.3 Результаты измерений.

4 Корреляционный метод исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядерным веществом

4.1 Условия применимости и алгоритм отбора.

4.2 Взаимодействие 77-мезонов с внутриядерными нуклонами

Целью настоящей диссертационной работы является получение новых данных о процессах фоторождения тт и г] мезонов на лёгких ядрах в области нуклопных резонансов при энергии 7-квантов 600-^1500 МэВ. Работа выполнена на установке GRAAL, расположенной в Европейском Центре Синхротронного Излучения (ESRF). Для получения пучка 7-квантов используется метод обратного комптоновского рассеяния. Благодаря этому методу пучок 7-кваитов обладает достаточно высокой энергией и интенсивностью, низким уровнем фона и высокой степенью поляризации. Детектор LAGRAN7E установки GRAAL, разработанный для таких исследований, имеет большой телесный угол

3.87г) и высокую эффективность регистрации продуктов реакций, что позволяет качественно проводить исследования фоторождения мезонов.

Изучение процессов фоторождения мезонов является одним из инструментов в исследовании взаимодействия фотонов с ядрами и структуры нуклона. Полное сечение фотопоглощения на нуклоне имеет резонансную структуру, которая свидетельствует о наличии возбуждённых состояний нуклона (нуклонных резонансов). Знание свойств нук-лонных резонансов является ключом к пониманию структуры самого нуклона. Испускание мезонов является основным каналом перехода нуклона из возбуждённого состояния в основное. Характерное время протекания таких процессов составляет ~ 10~24 сек (сильное взаимодействие) , что соответствует неопределённости в наблюдаемой энергии возбуждения около нескольких 100 МэВ. При этом различие в массе разных нуклонных резонансов может составлять ~ 10 МэВ, что приводит к сильному перекрытию в наблюдаемом энергетическом спектре. Фоторождение мезонов может происходить и без возбуждения нуклон-ных резонансов (например, через обмен векторными мезонами), что вносит дополнительный нерезонансный фон в наблюдаемые. Реально из всего экспериментально наблюдаемого спектра полного сечения взаимодействия 7-кванта со свободным нуклоном может быть выделен только один максимум, который соответствует наиболее низколежа-щему возбуждённому состоянию. Изучение различных парциальных каналов фоторождения мезонов позволяет выявить резонансы, которые из-за сильного перекрытия и нерезонансного фона не могут быть выделены в полном инклюзивном сечении. Однако именно изучение полного сечения фотопоглощения может ответить на ряд вопросов, которые возникли в физике фотоядерных реакций за последнее время. Это, например, изменение формы кривой фотопоглощения с ростом атомного номера для легких ядер и различие в интегральных сечениях фотопоглощения для легких и тяжелых ядер в области Д-рсзонанса.

Отдельный интерес для изучения процесса фотопоглощения на тяжёлых ядрах представляет измерение полного сечения фотопоглощения методом вычитания фона от пустой мишени. Это в основном обусловлено тем, что для тяжёлых ядер задача измерения сечений всех парциальных каналов, которые дают значимый вклад в полное сечение, трудновыполнима. Однако метод вычитания фона от пустой мишени требует точно оценить фоновые условия. Этому вопросу в данной работе уделено особое внимание.

В данной работе изучается процесс фотопоглощения на водородной мишени. Рассмотрены реакции 7р —> 7г+п, 7р —> 7Г°р, 7р —> т]р^ 7р —> 7г+7гтр —> 7Г°7т°р и 7р —> 7г+7г°п. Эти шесть каналов в диапазоне энергий 7-квантов 600-f-1500 МэВ дают основной вклад в полное сечение фотопоглощения.

Отдельный интерес представляет изучение канала фоторождения 77-мезона. Согласно теоретическим расчётам, в случае малой кинетической энергии 77-мезона потенциал его взаимодействия с ядром имеет характер притяжения, что говорит о возможности образования связанного состояния. Однако отсутствие пучков 77-мезонов делает изучение данного эффекта крайне трудной задачей. В настоящей работе предложен новый корреляционный метод изучения взаимодействия нестабильных мезонов с ядерным веществом. Этот метод интересен тем, что позволяет идентифицировать тип родившегося мезона по нуклону отдачи. Таким образом, появляется возможность изучать продукты взаимодействия мезона с ядерным веществом, не регистрируя его в конечном состоянии.

Задачи данной работы состоят в:

1. разработке алгоритмов и программ анализа экспериментальных данных установки GRAAL по фоторождению 7Г- и 77-мезонов на протоне и дейтроне,

2. изучении фоновых условий эксперимента GRAAL с целью разработки метода измерения полного сечения фотопоглощения путем вычитания фона от пустой мишени,

3. разработке и аппробировании на экспериментальных и моделированных данных нового корреляционного метода исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядрами,

4. вычислении полного сечения фотопоглощения на протоне в области энергий гамма-квантов от 600 до 1500 МэВ двумя альтернативными методами: вычитанием фона от пустой мишени и суммированием парциальных сечений,

5. исследовании продуктов упругого и неупругого взаимодействия 77-мезонов с легкими ядрами на примере дейтериевой мишени и мишени из майлара.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработаны алгоритмы и программы анализа экспериментальных данных установки GRAAL по фоторождеиию 7Г- и 77-мезонов на протоне и дейтроне в области энергий 7-квантов = 0.6 -Ь 1.5 ГэВ. Для водородной мишепи программы анализа охватывают шесть парциальных каналов фоторождения мезонов в рассматриваемой области энергий. Это реакции ^р —»• тг+п, 7р —> 7т°р, IV > VP: IV > 7Г+7Г~Pi 7Р K0ir°p и 7р 7т+7Г°п. Также для протона была разработана программа анализа реакции полного фотопоглощения. Для дейтериевой мишени программы анализа включают два парциальных канала фоторождения 7г°- и 77-мезона.

2. Изучены фоновые условия эксперимента GRAAL и разработан метод измерения полного сечения фотопоглощения путем вычитания фона от пустой мишени. Этот метод впервые применён для диапазона энергий 7-квантов Е7 — 0.6 1.5 ГэВ, полученных методом обратного комптоновского рассеяния. Установлено, что вклад электромагнитного фона в полный выход от пустой мишени пренебрежимо мал. Это говорит о том, что фон идет не от мишени, а от внешних источников. Следовательно, его можно надежно вычитать для определения полного сечения фотопоглощения.

3. Впервые разработан и протестирован на экспериментальных и моделированных данных новый корреляционный метод исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядрами. Установлено, что возможность применимости данного метода обусловлена наличием широкоапертурного детектора, позволяющего измерять импульс протона, зарегистрированного в переднем направлении, и регистрировать результаты вторичного взаимодействия мезонов с ядерным веществом в широком диапазоне углов. Также установлено, что для фиксированной энергии 7-кванта и угла вылета протона отдачи в пределах вр < 25°, его импульс позволяет идентифицировать тип родившегося в одной из двух реакций (7р —» тг°р или тр —*■ 1ip) мезона по крайней мере для легких ядер.

4. Используя данные, полученные на водородной мишени, измерено полное сечение фотопоглощения на протоне в области энергий 7-квантов от 600 до 1500 МэВ двумя альтернативными методами: вычитанием фона от пустой мишени и суммированием парциальных сечений. Показано, что эти два метода хорошо согласуются для энергий 7-квантов < 1.1 ГэВ. Выше этой энергии в полное сечение фотопоглощения дают значительный вклад процессы с образованием нескольких мезонов, которые не учтены в методе суммирования парциальных каналов. Также показано, что полное сечение, полученное вычитанием фона от пустой мишени находится в хорошем согласии с результатами из других экспериментов для энергии 7-квантов Е^ < 0.8 ГэВ. Выше этой энергии данные, полученные в настоящей работе, незначительно, но систематически лежат ниже, чем данные, полученные Армстронгом в 1972 году.

5. Впервые исследованы продукты упругого и неупругого взаимодействия 77-мезоиов с легкими ядрами на примере дейтериевой мишени и мишени из майлара. Показано, что при отборе канала фоторождения 77-мезона при помощи протона отдачи, в центральном детекторе регистрируются пары 7-квантов, инвариантная масса которых соответствует 7Г°-мезону. Этот эффект отсутствует в моделировании, в котором были полностью учтены все параметры экспериментальной установки.

Заключение

1. High-Energy Physics Experiments Database:http://usparc.ihep.su/spires/ /experiments/.

2. SAID homepage: http://gwdac.phys.gwu.edu/.

3. MAID homepage: http://www.kph.uni-mainz.de/MAID/maid.html.

4. ESRF homepage: http://www.esrf.eu/.

5. CERNLIB manual: http://cernlib.web.cern.ch/cernlib/.

6. GEANT manual: http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant/index.html.

7. F. V. Adamian et al. Phys. Rev. C, 63:054606, 2001.

8. J. Ahrens et al. Phys. Rev. Lett, 87:022003, 2001.

9. J. Ahrens et al. Helicity dependence of the 7p> —> П7Г°7Г+ reaction in the second resonance region. Phys. Lett. В, 551:49-55, 2003.

10. J. Ahrens et al. Helicity dependence of the 7p —> тт channels and multipole analysis in the 6 region. Eur. Phys. J. A, 21:323-333, 2004.

11. J. Ahrens et al. Eur. Phys. J. A, 624:173-180, 2005.

12. J. Ahrens et al. Phys. Rev. C, 74:045204, 2006.

13. J. Ajaka. Photoproduction dun mison eta sur l?hydrogene du seuil jusqu?a 1100 MeV: mesure de Ifasymetrie faisceau E. PhD thesis, Universite Louis Pasteur Strasbourg, 1997.

14. J. Ajaka et al. Phys. Rev. Lett., 81:1797, 1998.

15. J. Ajaka et al. Phys. Lett. B, 475:372, 2000.

16. T. Armstrong. Total hadronic cross section of gamma rays in hydrogen in the energy range 0.265 4.215 gev. Phys. Rev. D, 5:1640, 1972.

17. Y. Assafiri et al. Double 7r0 photoproduction on the proton at graal. Phys. Rev. Lett., 90:222001, 2003.

18. D. Barancourt et al. Nucl. Instr. and Meth. A, 388:226, 1997. O. Bartalini et al. Phys. Lett. B, 544:113, 2002. R. Beck et al. Phys. Rev. Lett., 78:606, 1997. R. Beck et al. Phys. Rev. C, 61:035205, 2000.

19. V. Bellini et al. Position sensitive disc for charged particle detection. Nucl. Instr. and Meth. A, 461:174-177, 2001.

20. R. Bhalerao and L. Liu. Off-shell model for threshold pionic 77-production on a nucleon and for 77n-scattering. Phys. Rev. Lett. 54:865, 1985.

21. R. Bijker, F. Iachello, and A. Leviatan. Phys. Rev. D, 55:2862, 1997.

22. G. Blanpied et al. Phys. Rev. C, 64:025203, 2001.

23. A. Bock et al. Phys. Rev. Lett., 81:534, 1998.

24. A. Braghieri et al. Phys. Lett. B, 363:46, 1995.

25. K. Buchler et al. Nucl. Phys. A, 570:580, 1994.

26. S. Capstick and W. Roberts. Quark models of baryon masses and decays. Prog. Part. Nucl. Phys., 45:241, 2000.

27. W.-T. Chiang, S.-N. Yang, L. Tiator, and D. Drechsel. Nucl. Phys. A, 700:429-453, 2002.

28. R. Chrien. Search for bound states of the 77-meson in light nuclei. Phys. Rev. Lett., 60:2595, 1988.

29. V. Crede et al. Phys. Rev. Lett., 94:012004, 2005.

30. V. Crede et al. Neutral-pion photoproduction off protons in the photon energy range 0.3 gev 3 gev. Phys. Rev. Lett., 94:012003,

31. R. M. Davidson and N. C. Mukhopadhyay. Phys. Rev. Lett., 79:4509, 1997.

32. R. Di Salvo. Beam asymmetry in meson photoproduction on deuteron targets at graal. Int. J. Mod. Phys. A, 20:1918-1922, 2005.

33. D. Drechsel, S. Kamalov, and L. Tiator. Nucl. Phys. A, 645:145-174, 1999.38 39 [40 [4142 434448 4950 5152