Поляризация протонов в реакции фоторасщепления дейтрона в области дельта(1232)-изобары тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

" ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

г,гб ОД

< 4

Не праввх рукописи

МАРЕХИН СЕРГЕЯ ВИТАЛЬЕВИЧ ¿^^

ПСШЯН!ЗАЦИЯ ПРОТОНОВ В РЕАКЦИИ ФОТОРАСЩЕПЛЕНИЯ ДЕЙТРОНА В ОБЛАСТИ Д(1232)-И30БАРЫ

01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандвдата физико-математических неук

Харьков 1994

Диссертация является рукописью.

Работа выношена в Хярысовском Физико-Техническом Институте.

Научный руководитель: доктор {кзико-матбматкческп наук,

ст.н.сотр. Коновалов Олег Гркгорьсвт ННЦ "ЯШ", г. Харьков

Официальные оппоненты: доктор физике-математических наук, ст.н.сотр. Карнаухов Иван Икхайловяч ЫЩ "ХИИ", г. Харьков

кандидат физико-математических наук, ст.н.сотр. Афанасьев Валерий Диегряевж ХГУ, г. Харьков

Ведущая организация: Институт ядерных исследований № Украины, г. Киев

Защита состоится "_ 3 » Cl^OîL^ 1994 г. в на заседании Специалкзиров энного ученого совета Д 053.06.01 при Харьковском государственном университете по адресу: 3I0I06, Харьков-106, пр.Курчатове, 31, ауд. 301. С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ХГУ.

Автореферат разослан " № " 1994 г.

Ученый секретарь Специализкров рнного ученого совета доктор физико-математических наук К.А.

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

Актуальность проблемы. Развитие теории ядра всегда Сыло тесно связано с исследованиями электромагнитного расцепления дейтрона. Постоянный интерес к этому процессу вызван возможностью проверки на простейшем ядре различных теоретических концепций ^взаимодействия. Возможность получения фундаментальной информации о динамике процесса, природе М-сил, роли спиновых взаиюдейств ий и т.д. инищнфовали многие эксперименты на различных ускорителях.

В настоящее время акцент исследований электромагнитного расцепления дейтрона все больие смекается от субядерной теории (нуклоны, мезоны, резонансы) й теории КХД (кварки, глхюны). Определение статуса этих теорий имеет фундаментальное значение и требует детальных исследований различных эффектов, предсказываемых данными теориями в поперечных сечениях и различных поляризационных наблюдаемых. Так, кварковая теория предсказывает существование в дейтроне д и бар ионных резонансов, как шестикварковые состояния, которые могут давать существенный вклад в поляризацию вылетавших протонов. Субядерная теория описывает сечения и поляризационные наблюдаемые через мезон-обменные взаимодействия (нуклоны, мезоны).

В реакции фоторасщепления дейтрона область возбуждения доминирующего &(1232}-резонанса на нуклоне в ядре (Е^. = 200 - 350 МэВ) представляет большой интерес для изучения свойств &-резонанса в ядре, ДЬ-взаимодействий в рамках субядерной теории, хотя и не менее важно получение "сигнала" о возможностях проявления дибарионных резонансов. Все это свидетельствует об актуальности исследований реакции фоторасщепления дейтрона в облести

&(1232)-резонанса.

Одни* из способов изучения этой реакции является измерение соляризации протонов. Величина поляризации, как э^ект интерференции мнимых частей резонансных амплитуд, очень чувствительна, к возможным проявлениям б ар ионных, дибар ионных резонансов. В настоящее время существует целый ряд теоретических работ, в которых были вычислены, помимо поперечных сечений, угловые-зависимости поляризации протонов в реакцииЪ(^,р)м в интервале Е^, = 200 -350 ЫэВ.В этих работах рассматривались вклады в поляризацию ба-рионных к дибарионных резонансов в рамках различных подходов (релятивистский, нерелятивистский), способов представления и моделей (диаграммная техника, приближения связанных каналов, унитарная модель, ковариантное представление и т.д.). В них применялись различные $ормы Ш-потенциалов (Парижский, Боннский, Рейда, Ар-гоннский и др.) и их волновых функций, по-разному учитывался вклад взаимодействия в конечном состоянии (5, р, }>, ?-волны) и т.д. В результате этих расчетов получены различные $ормы угловых зависимостей поляризации. Проверка расчетов требует систематических данных по этой наблюдвемой. Существующие отдельные измерения

носят случайный характер и не обеспечивают надежной проверки разу

личных вариантов модельных расчетов. Все это многообразие представления динамики процесса Т>($р)н сильно запутывает реальную картину взаимодействия, поэтому необходимы систематические исследования поляризационных наблюдаемых, в частности, поляризации протонов. Проведение таких измерений требует специальной экспериментальной техники - поляриметров.

Для обеспечения высокого углового (&©«>+ 1°) и энергетического разрешения (&Ер*> I МэВ) эти поляриметры часто применяются в сочетании с магнитными спектрометрами (МС). Однако, использо-

в&ние НС для анализа импульсов частиц, трепет детальной информации о реальных оптических свойствах МС. Кроме того, часто возникает необходимость повышения надежности идентификации исследуемой реакции на фоне большого вклада частиц от конкурирующих процессов. Одним из способов повышения надежности является обратное восстановление траекторий заряженных частиц в мишень, что требует наличия точных значений коэффициентов передаточных матриц МС. Чтобы получить их значения необходимо выполнить специальные методические исследования.

Все это свадетельствует об актуальности проводили физических и методических исследований в данной работе, результаты которых, в сравнении с теорией, помогут получить более точные сведения о динамике процесса и М-взаимодействиях в ядре, а также поднять на более высокий экспериментальный уровень поляризационные измерения.

Цель диссертационной работы:

- систематические измерения угловых зависимостей поляризации протонов в реакции ,р)м в интервале Е^ = 200 - 350 МзВ;

- разработка и создание трековой методики и исследования оптических свойств МС;

- получение прямых и обратных передаточных матриц МС на основе трековой информации с проволочных камер;

- на основе полученных передаточных матриц восстановление траектории частиц на входе МС;

- экспериментальная проверка алгоритма восстановления траектории частиц на входе МС.

Научная новизна работы. Впервые получены систематические данные по угловым зависимостям о поляризации протонов в реакции 1>($,р)И в интервале Е^ = 200 - 350 МзВ;

- впервые разработана и реализована методика исследования оптических свойств МС с помощью проволочных камер, установленных на входе и выходе МС;

- на основе регрессионного анализа разработан алгоритм для определения прямых и обратных передаточных матриц (ПМ) реальных МС, получены значения коэффициентов ПМ путем обработки трековой информации;

- на основе прямых и обратных ПМ разработан и отлажен на реальных событиях алгоритм обратного восстановления траекторий частиц в мишень в одноплечевом и двухплечевом экспериментах.

Значимость результатов. Совокупность результатов измерений составляют основной массив мировых данных по пол!физации протонов в реакции Т>(^ ,р)и в области Ы1232)-резонанса и обеспечивают более однозначный отбор модельных расчетов. Разработана новая методика исследования оптических свойств различных магнитных систем на основе трековой информации, полученной на входе и выходе ЫС.

Научное и практическое значение работы. Результаты выполненных поляризационных измерений стимулирует дальнейшее развитие теории электромагнитных процессов)/)/ и-взаимодействий в ядрах и различных эффектов, связанных с ними.

Экспериментальная методика исследования оптических свойств МС может быть успешно применена для различных магнитных систем, используемых на ускорителях, поскольку она обеспечивает более точную информацию о передаточных матрицах. Кроме того, данная методика может быть применена для прецизионной калибровки энергии первичных цучков ускорителей.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту. .

I. Результаты измерений угловых зависимостей поляризации

протонов в реакции ТХ^,р)и в области М1232)-резонанса.

2. Методика исследований оптических свойств МС с помощью трековых детекторов, установленных на входе и выходе МС.

3. Методика получения передаточных матриц МС с помощью регрессионного анализа из трековой информации.

4. Результаты экспериментального определения прямых и обратных передаточных матриц МС.

5. Алгоритм обратного восстановления траекторий частиц через МС в мишень в одноплечевом и двухплечевом вариантах.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работ, вошедшие в диссертацию^ представлялись на Международных семинарах по спиновым явлениям в физике высоких энергий (ЙФВЭ, Протвино, Россия, 1989, 1991), на 8 Международном семинаре по электромагнитным взаимодействиям при низких и средних энергиях (Москва, Россия, 1991), на Международном семинаре "Дейтрон-93п (ОШИ, Дубна, Россия), на семинаре по электромагнитным взаимодействиям (Харьков, Украина, 1990). По материалам диссертации опубликовано 9 работ, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы - всего страниц машинописного текста, включая 20 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 55 наименований.

Содержание диссертации. Во введении кратко рассмотрены основные направления исследований реакции фоторасщепления дейтрона, обосновывается актуальность исследований, их новизна, научная и практическая значимость. Рассмотрены методические гроблемы повышения точности угловых и энергетических измерений в экспериментах с использованием поляриметров и магнитных спектрометров. Обосновывается необходимость исследований оптических свойств "С

с помощью трековых детекторов. Изложены основные положения и выводы, выносимые на защиту.

В главе первой представлен общий формализм описания электромагнитного взаимодействия с ядрами. Рассмотрены основные направления теории фоторасщепления дейтрона, в которой, для описания процесса, использовались модели нуклонного взаимодействия с различными схемами мезонного обмена и модели дибарионных резонансов.

Энергетическая область (Е^ = 200 - 350 ЫэВ) реакции!)^,р)и имеет важное значение для изучения свойств Ы1232)-резонанса в ядре, ^-взаимодействий и различных эффектов, связанных с ними в взаимодействии в конечном состоянии, релятивистские эффекты и т.д.

Проведен анализ результатов измерений Р-поляризации протонов в реакции"Р(у,р)« в интервале Е^ = 160 - 350 МэВ, предшествующих настоящей работе, который показывает на отсутствие систематических Р-измерений в этой области. Имеющиеся отдельные измерения не обеспечивают надежной проверки модельных расчетов. Все это свидетельствует о необходимости проведения экспериментальных исследований Р-поляризации протонов в области А(1232)-изобары .

В заключении главы приводятся необходимые требования к экспериментальной аппаратуре (поляриметр, магнитные спектрометры), рассматриваются возможности повышения точности энергетических характеристик и надежности идентификации реакции, важность исследований оптических свойств МС.

Вторая глава посвящена описанию установок для измерения поляризации протонов в реакции ТХ^Р^и, исследования оптических свойств МС, проверки алгоритма обратного восстановления траекторий частиц в одноплечевом и двухплечевом экспериментах. Все ис-

следования были выполнены на линейном ускорителе электронов ЛУЭ-2 ГэВ ННЦ ХФТИ (Украина). Поляризация протонов измерялась с помощью углеродного поляриметра и магнитного спектрометра (МС). Поляриметр содержал два блока по 10 проволочных искровых камер (ПИК)

2 2 размером 180 х 180 мм и 380 х 380 мм , соответственно. Между блоками ШК устанавливался углеродный рассеиватель протонов. Случаи рС-рассеяния регистр!фовались блоками 1ШК и выводились на ЭВМ

-ЕС-югг".

Для обеспечения разрешения по углам вылета протонов + 1°) из реакцииD(/£,p)H и по энергии протонов (bEp^I - 2 МэВ), использовался МС. Поляриметр был установлен в фокальной плоскости МС. Исследование оптических свойств МС осуществлялось в отдельном эксперименте. С этой целью на входе и выходе МС устанавливались те же блоки ПИК, с помощью которых регистрировались траектории одиночных электронов, проходящих через МС. Результаты измерений траекторий накапливались в ЭВМ и затем обрабатывались.

Проверка алгоритма обратного восстановления траекторий частиц в мишень выполнялась путем регистрации вторичных частиц в совпадение в реакции е + р -> е'+ р'с помощью двух спектрометров и блоков ПИК. Для этих целей электроны с энергией 800 МэВ рассеивались в жидководородной мишени и детектировались вместе с протонами отдачи в кинематике их упругого рассеяния.

Третья глава посвящена математическому модел!фованию МС, обработке результатов трековых измерений и вычислению поляризации протонов. Основной целью моделирования МС является получение передаточных матриц (ПМ), которые аналитически связывают параметр-ры траектории частиц на входе и выходе МС.

В настоящей работе предложен и реализован способ получения ПМ методом линейной регрессии. Достоинством этого метода являет-

ся возможность получения прямых и обратных ПМ в отличие от модели ВДУТИАСЕ, в которой можно получить только прямую ПМ из—зя различия фазовых объемов не входе и выходе МС. Представлено описание вычислительной процедуры регрессионного метода (МАТКЕ®), обработки трековой информации с проволочных камер. Приводится анализ ошибок координат&Х, и углов ДО, Д.4? на входе и выходе МС. В главе детально излагается процедура восстановления прямых и обратных ПМ МС.

Прямые и обратные ГШ являются основой для создания алгоритма обратного восстановления треков частиц в мишень в одноплече-вом и двухплечевом варианте. Представлено программное обеспечение алгоритма, выполненное на языке ФОРТРАН с использованием метода двухмерной минимизации.

В этой главе приведена процедура обработки поляризационных измерений, калибровки поляриметра на выходе МС, рассмотрены различные критерии отбора случаев рС-рассеяния. Поляризация вычислялась по методу максимального правдоподобия.

Четвертая глава посвящсня результатам измерений. 3 первой части главы приводятся значения коэффициентов прямых и обратных передаточных матриц МС, полученных из трековых измерений с помощью разработанного регрессионного метода. Величина коэффициентов прямых ПМ сравниваются с рассчитанными по программе НАУЩАСЕ, модельными значениями и результатами предыдущих экспериментальных исследований. Модельные коэффициенты в данной работе были получены по методу Монте-Карло путем генерации набора из 1000 траекторий частиц на входе МС, по которым затем, с помощью программы RAyTW.CE, находились параметры но выходе МС.

Анализ полученных коэффициентов прямых и обратных ПМ МС показывает, что экспериментальная трековая информация обеспечи-

ла восстановление наиболее значимых коэффициентов I и 2-го порядка. Полученные значения ПМ являются удобным инструментом для изучения фокусирующих свойств МС, поскольку они содержат всю информацию о прохождении частиц через МС. Они позволяют исследовать кроме параметров расположения и формы фокальной линии, в том числе дисперсию и импульсное разрешение, более сложные характеристики фокальной линии. Эти ПМ могут быть использованы при обработке экспериментальной информации (Отбраковка фоновых со(5ытий).

В настоящей работе с помощью полученных ПМ было выполнено обратное восстановление в мишень треков рассеянных электронов и протонов отдачи в реакции е + р -■»- е? + pl' Анализ распределений координат вершин взаимодействия в одноплечевом и двухплечевом вариантах показал, что обратное восстановление в мишень позволяет значительно точнее определить эффективную область мишени, которая участвует во взаимодействии, чем в случае одноплечевого варианта.

В данной главе приведены результаты измерений поляризации протонов в реакции D($ ,р)и в интервале Е^ = 200 - 350 МэВ, Измерены угловые зависимости поляризации протонов при Е^ = 200, 240, 280 , 300 , 350 МэВ. Результаты измерений приведены на рис. I. На этом же рисунке приведены экспериментальные денные из других работ и угловые зависимости, рассчитанные по различным моделям. Наилучшее согласие с данными настоящей работы достигнуто в работе Аренховела (приближение связанных каналов)|J{uc¿. Fbys., А465, 1987 , 573-614]] . В этой работе было показано, что отличная от нуля поляризация, в основном, определяется вкладами двухчастичных токов Ыь), мезон-обменных токов, взаимодействием в конечном состоянии. Результаты этих расчетов, в основном, согласуются с

¡

измерениями поляризации протонов, хотя наблюдается некоторое от- ■

i

личие при энергиях 200 и 240 МэВ. Учет релятивистских эффектов улучшает согласие с экспериментом при этих энергиях. Результаты других модельных расчетов на основе мезон-обменной теории согласуются с экспериментом лишь для отдельных углов вылета протонов. Отсутствие согласия, в основном, определяется недостаточно полным учетом взаимодействий в конечном состоянии и вклада Д(1232)-резо-нанса в двухчастичные взаимодействия.

Модель дибарионных резонансов плохо описывает поведение поляризации протонов в реакции »р)и в области М1232)-резонан-са. Эта модель более полно описывает поляризацию при 450 МэВ.

Сравнение выполненных измерений с модельными расчетами в об-

I

ласти Ы. 1232)-резонвнса, показывает, какую важную роль играет д(1232(-резонанс в двухчастичных взаимодействиях 0/д). Следует отметить вклад в динвмику процесса релятивистских эффектов, ме-зонных обменных токов, взаимодействия в конечном состоянии.

Приоритет в описании экспериментальных данных в реакции Т)ф,р)И в области &(1232)-резонанса пока принадлежит субядерной теории.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Исследованы угловые зависимости поляризации протонов в реакции фоторасщепления дейтрона в области М1232)-резонанса. В настоящее время они составляют основной массив мировых данных по поляризации протонов в этой области.

2. Разработана и реализована методика исследования оптических свойств МС с помощью трековых детекторов, установленных на входе и выходе МС.

3. На основе регрессионного анализа разработана методике получения передаточных матриц МС.

4. Определены экспериментальные значения коэффициентов пря-

мых и обратных Ш MC.

5. Разработан и проверен на реальных событиях алгоритм обратного восстановления траекторий заряженных частиц с помочью полученных ПМ в одноплечевом и двухплечевом экспериментах.

Материалы диссертации изложены и опубликованы в следующих работах:

1. Зыбалов A.A., Коновалов О.Г., Марехин C.B., Сорокин П.В., Стороженко Ю.О., Теншев А.Э. Поляризация протонов в реакции

у+1) —* р при Еф = 200 - 350 МэВ. Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент): вып. 8(8), 1989, 41-43.

2. Зыбалов A.A., Коновалов О.Г., Марехин C.B., Сорокин П.В., Стороженко D.O., Теншев А.Э. Поляризация протонов при фотодезинтеграции дейтерия в интервале Еу = 200 - 350 МэВ. ЯФ, 51(1), 1990, 32-36.

3. Зыбалов A.A., Коновалов О.Г., Марехин C.B., Сорокин П.В., Стороженко Ю.О., Тенишев А.Э. Поляризация протонов в реакции

f +Ъ -» р + И при Eß = 200 - 350 МэВ. Материалы Ш Рабочего совещания по спиновым явлениям в физике высоких энергий СПИН-89, Протвино, 1990, 195-199.

4. Зыбалов A.A., Коновалов О.Г., Марехин C.B., Сорокин П.В., Стороженко Ю.О., Тенишев А.Э. Поляризационные исследования реакции фоторасщепления дейтрона в области &(1232)-резонанса. Материалы 1У Семинара по спиновым явлениям в физике высоких энергий.

СПИН-91, Протвино, 1991.

5. Марехин C.B. Поляризационные явления в реакции фоторасщепления дейтрона в областиА(1232)-резонансв. Материалы 8 Семинара по электромагнитным взаимодействиям с ядрами при низких и средних энергиях. Москва, Декабрь 2 - 5, 1991, 28-35.

6 ЪМоГ ЯAtfbMoafiorСШ^ЧаяШ* S.V. $orcbi P.V., ÖtoHoiMiico Yu. 0. ,Teviteîie\r Я.£и • proton ооЬгялиои ùt ^WuLlMte^cctiûH Ui ifce région.

Ии&РЦ*. ,р.6*£-в50.

7. Марехин C.B. Применение метода линейной регрессии для определения передаточных матриц магнитных спектрометров. Препринт ННЦ ХЗДИ 93-25, Харьков, 1993, I-I8.

8. Зыбалов A.A., Карасев С.П., Коновалов О.Г., Марехин C.B., Сторокенко D.O., Тенишев А.Э. Трековая методика исследования основных свойств магнитных спектрометров СП-02, СП-103. Препринт НЩ ХИИ 93-27, Харьков, 1993, 1-22.

9. Дементий C.B., Марехин C.B., Савицкий Г.А. Исследование передаточных матриц магнитных спектрометров СП-02 и СП-ЮЗ. Препринт ННЦ ХИИ 93-26, Харьков, 1993, 1-27.

м- lo* >•• «г иг s;

Рис. I. Угловые зависимости поляризации протонов в реакции D(r,p)n.ф - настоящая работа, ф - данные Стенфорда, ф - данные Бонна, ф- дянные Токио, Кривые - результаты расчетов: я) Аре-

нховела: ........ - M ,----H + IC,--M + 1С + MEC,

---- _ - н + 1С + MEC + SO; в)----- Тенябэ и Отп, -

- Левчукя, ........- Анастасио; с)----- Огввв,--Лр-

же; d) Икеда: ......... - без ДР,----- Шр) = 0(3+), -• -

- 0(1+); е) Баранникр и Кулиша:........- без ДР, - • - • - - с 4

тц>,--с 9 ДР ; / ) Охяши:......... - без ДР,----- П2+)

+ КЗ") + 0(3+),------К2+) + КЗ") + Н4+),------- -

1(2+) + КЗ") + 0(1+).

»• «• vr ne i»" в,

Подписано в печать 19.04.94. Зоршт 60x84/16.Офсетн.печать. Усл.п.л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100. Заказ 107.

Харьков-108, ротапринт ННЦ ХФТИ.