Расщепление дейтрона при поглощении и рассеянии фотонов в диаграммном подколе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

2

лкаления ййгк беларуси

органа трудового красного знамени институт физики

. им .'Б. И. СТЕПАНОВА

расщепление лейтрона при поглощении и рассеяний фотонов 8 диаграммном пойиопе

01.04.02 - теоретическая Физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата Физико-математических наук

На права* рукописи

ЛЕВЧ/К МИХАИЛ ИВАНОВИЧ

Минск 1991

Работа выполнена в Институте Физика им. Б.И. Степанова АН Беларуси

Научные руководители - кандидат физико-математических наук

Петрунькин В.Л.,

кандидат физико-математических наук Мороз Л.Г.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

Буров В.В,

кандидат физико-математических наук Иаксименко И.В.

Ведущая организация - Харьковский Физико-технический

институт

Защита диссертации состоится 22 января 1992 г. в 12 часов на заседании Специализированного совета Д 006.01.02 при Институте физики АН Беларуси: 220602, г.Минск, Ленинский проспект, 70

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке Института физики АН Беларуси.

Автореферат разослан ноября 1991 г.

Учений секретарь Специализированного совета кандидат физико-математических наук

Ю.А. Курочкин

\j ОБИяЯ KfiPAKTBPStCTMA РАБОТЫ

Актуальность исследования. Убедительные экспериментальные доказательства присутствий в я»рв ивэоннй*, а также и изобарных степеней свободы аа»т яйерные элемЬомчгнигиче взаимодействия гэмв) . Особенно ярке меэонные степени свббоям проявляет себя Через т.н. мезонные обН&^ные ton*) (ИОТ1. Качественно. причина появления МОТ состоит в том. Что фотон погдояаегся или излучается мезонами, посредством кото№* взаимодействуют между собой нуклоны яйра. Весьма отчетливо вияны я 9МЗ ядер вклады изобарных токов (НТК которые связаны с возбуждением в ядре изобарных степеней свободы. При «йвргия« фотона Л 400 МэВ Наиболее важным оказывается вяла* в ИТ от нязяего возбужденного состояния нуклона - <V( 18381-изовари.

Классическим процессом, исследование которого позволяет пролить свет на многие летали эмв легчайшего ядра - дейтрона, является- Фоторасяепленйе дейтрона («Я) (или обратный

процесс радиационного захвата np->rd), В нчстояаее время *Д один из наиболее интенсивно исследуемых процессов ядерной Физики низких ц ерелння энергий. Так как дейтрон - простейвая н наиболее нздёлно рассчитываемая система Нуклонов, то изучение ФД (наряду с упругим и неупругим ed- рассеянием) позволяет наиболее точ^о проверять теоретические представления об ЭКВ связаннак систем. Еанные Но ФЛ дают яркие свидетельства проявлений МОГ и ИТ (исторически первый явный сигнал присутствия МОГ и ИТ был обнаруеен в 1972г. Риской и Брауном именно в реакции захвата тепловых нейтронов протонами), позволяют проверять модели NH- Взаимодействия, выяснять роль релятивистски* зф^ехтов в ядре.

Больная часть расчетов амплитуды реакции 6Д основана на преобразовании Зигерта, которое позволяет свести учёт Вкладов МОТ в электрические переходы к вычислению вклада хороио известной однсчастичиой плотности заряда и к феноменологическому NN- потенциалу. Однако в области энергий выше лионного порога законность этого преобразования не очевидна, так как применяемые в таких расчётах потенциалы не включают эффекты запаздывания, которые могут давать вклад в зарядовую плотность и оказаться сувественныии.

/1 2/

Б известии« работа* Лаке при исследовании Фа бил использован т.н. диаграммный полпол (ЯП), в котором амплитуда реакции представляется в виде вкладов ряда диаграмм. В этом методе преобразование Зигертп не делается, и матричный элемент, соответствующий той или иной диаграмме, непосредственно рассчитывается в импульсном представлении. Другими словами, в ДО НОТ целиком учитываются явно, что позволяет выделить их истинный вклад в наблюдаемые, в то время как в традиционных подходах под НОТ понимают только ту их часть, которая не учтена преобразованием Зигерта.Преимущество вычислений в ЯП состоит а том, что не представляет больших трудностей учесть эффекты запаздывания, вершинные форм-факторы. а также некоторые релятивистские поправки. Однако конкретные расчёты в ДП осложняются тем. что не делается парциальное разложение операторов переходов (другими словами, в ДП учитываются все мультипохи, разрешённые законом сохранения момента импульса), н. как следствие, приходится численно проводить многократное интегрирование. Кроме того, в литературе отсутствует необходимая для выполнения расчётов параметризация Т-матрииы Ш- рассеяния в р- представлении для большинства потенциалов ЫМ- взаимодействия (за исключением парижского), что ограничивает возможности выяснения чувствительности расчётов к

выбору потенциала.

/1 2/

В работах' учтены вклады диаграмм а-в рисЛ и получено

в основном удовлетворительное описание данных в области энергий

до 500 НэВ. Однако вычисленное Лаае дифференциальное сечение

рассеяния вперёд, поляризация нейтрона при Е^, а 100 МэВ.

асимметрия линейно-поляризованных Фотонов и поляризация протона

в области л- резонанса согласуются с данными плохо. Часть этих

расхождений молно объяснить сделанными Лаке приближениями. Так /12/

использованные в волновые фунхиин начального и конечного

состояний Ш- системы не вычислялись в этих работах при едином потенциях«: дейтронная волновая функция была рассчитана с потенциалом Рида. оп-аЬвИ- амплитуда пр- рассеяния взята из эксперимента, а для учёта схода промежуточного состояния с массовой поверхности она умножалась на Форм-Факторы типа

Леанндкера или Янагучи, не согласованные с потенциалом Рида.

У2/

Как показано самим Лаже в , результаты расчётов г- асимметрии

и поляриэаиии протона сильно зависят от выбора этик

Форм-Факторов. особенно при энергия* шпе лионного порога.

Следовательно, согласованное вычисление начального и конечного

ИМ- состояний в ПП приобретает особое значение. Оно является

также одним из необходимы* условий обеспечения калибровочной

инвариантности полхода. Кроне того, при расчйте вклада от

/1 2/

диаграммы 16 в амплитуду пр- рассеяния в оставлены

парциальные волны только с орбитальным моментом Ь =0 и 1. хотя в традиционных подхода* отмечается необходимость учёта состояний с большими значениями Ь.

\

ч | ".р

N.

в г

Рис.1. Диаграммы реакции г<1->пр.

/1 2/

Существенным недостатком работ является также то. что вклады МОГ вычислены в кик только с плосковолновым конечным состоянием (диагр,1в). поправка на взаимодействие з конечном

состоянии (лиагр.1г!

не

учитывалась. По этой причине

/1 2/

модель не мояет претендовать на описание ФЛ в тех случаях, когда указанное взаимодействие сильно искажает плоскую волну. Это. например, относится к расчёту известной 103- поправки к полному сечении радиационного захвата теплоЕЫх нейтронов.

Данными о внутренней структуре ядра не исчерпывается информация. которая моает быть получена в его ЭИВ. Электромагнитные процессы на ядре (чаие всего - на дейтроне) вследствие отсутствия нейтронных мишеней слухат основным

источником сэецений о дейтроне Н "элементарных" амплитудах взаимодействия на нём.

В последнее время заметный интерес-проявляется к реакциям гр-'гр и ь области на лих и средних энергий» и связан он

с тем. что в этих процессах могут быть определены Фундаментальные структурные постоянные нумонов - электрическая <о>) и магнитная поляризуемости, они содержат важную

информацию о структуре нуклонов на средних и больших расстояниях, в частности, о радиусе кьаркового кора, о меэонной шубе, о вкладе в незонную тубу коррелированных тг- пар или а-незона к т.д. Значении полярнзуемостей протона и нейтрона требуются также для интерпретации данных по рассеянию Фотонов на ядрах. Такого род* исследования могут, например, дать ответ на вопрос о той. насколько различается электромагнитные свойства свободных и связанных нукдонор.

Задача экспериментального измерения полярнэуемостеЯ нейтрона а и Р до настоящего времени остаётся нерешённой. Из

1% п * -

опытов по куланоескоиу рассеянию медленных нейтронов 8 электрическом поле тяжёлых ядер получены скорее только ограничения на величину «»п:

в в 60430. <» = 6112 и в = 12110.

»> Г» л

Б самое последнее время опубликован новый результат! о =12.011.512.0. Однако есть указания на то, что

п

систематические ошибки в работах по определению поляризуемости указанным методом занижены.

Нужно также отметить здесь, что изучение реакции уп->гп может ответить на вопрос о знаке постоянной распада п°->2г, поскольку сечение процесса уп-^п в отличие от ур->гр очень сильно зависят от этого знака (из-за отсутствия у нейтрона заряда>. Предсказания алгебры токов, согласно которым < Опока не навии. насколько нам известно. прямого экспериментального подтверждения. В то же время использование в ряде тлбот другого знака для приводит к сливком большим значениям поляризуемости протона.

Цйль работы:

1. Изучение возможности улучшения описания ланных по роторасцеплению дейтрона на основе усовершенствования

диаграммного подхода Лаже.

2. Обоснование возможности изучения комптоновского рассеяния на нейтроне в извлечения информации о поляризуемостях нейтрона из данных по реакции га-^'пр.

Научная новизна. В работе в рамках диаграммного подхода был впервые рассчитан вклад диаграммы рис.1г. в амплитуду реакции Фоторасщепления дейтрона. Показано, что в ряде, случаев учет этого графа приводит к значительному улучшению описания экспериментальнмх ланныц. Установлено. в частности. что имеюсиеяся в ряде работ утверждения о необходимости включения высших парциальных волн в амплитуду пр-рассеяния при расчёте диаграммы рис1.б для согласования диаграммного подхода с данными по поляризации нейтрона при энергий фотона выне 100 МэВ. являются не вполне корректными- Делается также вывод о том, что неучёт вклада диаграммы рис.16 вынуждает некоторых авторов вводить в рассмотрение дибарионные резонансы для описания-поляризации протона в области энергий выие 200 НэВ. При исслеаовани случая расиепления поляризованных дейтронов показано, что вклады меэонных обменных токов в тензорные асимметрии очень велики и абсолютно необходимы для согласования теории с экспериментальными данными.

Впервые рассмотрена реакция расцепления дейтрона при рассеянии фотонов: г<1->г'пр.. В ранках диаграммного подхода учтены вклады наиболее важных лнаграни И вычислены сечение этой реакции в случае неполяризоранныя частиц, а таккжа асимметрия рассеяния линейно-поляризованных фотонов. Показано, что в области, где импульс протона мал. сечение и асимметрия определяются в основном вкладом механизма. когда Фотон рассеивается на нейтроне. Сделан вывод о том. что в этой кинематической области можно изучать амплитуду комптоновского рассеяния на нейтроне и извлекать информации о его поляризуеиостях, а также о знаке постоянной распада п°->2г.

Практическая зиачиность. Результаты. полученные в диссертации, были использованы при обработке экспериментальны* данных по Фоторасщеплению дейтрона и могут быть применимы при планировании новых экспериментов. Предложенный метод изучения комптоновского рассеяния на нейтрон в реакции >ч1->г'пр был положен в основу эксперимента в Институте ядерной Физики (г.Майнц.ФРП.

На заииту выносятся следующие основные положения:

1. Усовершенствование диаграммного подхода Лаже к изучению реакции Фоторасщеплению дейтрона, включавшее:

расчёт мезоннык обменных и изобарных токов с учётом взаимодействия в конечной состоянии:

расчёт начального и конечного состояний пр- системы с единым потенциалом:

- учёт состояний с I, £ 4 в амплитуде пр- рассеяния:

- вычисление вклада борновской части р-мот,

что позволило заметно улучиить описание экспериментальных данных как в случае неполяризованных. так и поляризованных частиц.

2. Обнаружение очень большого вклада МОТ в тензорные асимметрии фоторасщепления поляризованной дейтронной мишени.

3. Разработка метода извлечения информации о комптоновском рассении на нейтроне из данных по реакции уй->г'пр.

4. Вычисление дифференциальных сечений и асимметрии рассеяния линейно-поляризованных Фотонов в импульсном приближении с искажёнными волнами и обменными мезонными и изобарными токами.

5. Обоснование возможности определения поляриэуемостей нейтрона и знака постоянной распада п°->2г из дифференциального сечения в области нейтронного квазиупругого пика.

Апробапия работы. Основные результаты. полученные в диссертации, докладывались на семинарах ЛФБЭ и ЛТФ Института Физики им. Б.И. Степанова АН БССР и ОФВЭ Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР, на Сессиях ОЯФ АН СССР в г. Москве (1984-1990гг.). Совещаниях по Физике ядра в г. Москве (1984-1990гг.). Семинаре по электромагнитным взаимодействиям адронов в г. Харькове (1987г.), международном рабочем Совещании по электромагнитным взаимодействиям адронов и ядер при промежуточных энергиях в г. Ереване (1990г.); были представлены на 4-м международном Симпозиуме "Мезоны и легкие ядра" в г. Праге (1988г.), на 17-м международном Симпозиуме "Ядерная Физика при промежуточных энергиях" в г. Токио (1988г.).

Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 10 работал.

Объём и структура работы. Диссертационная работа содержит 108 страниц машинописного текста, сорок рисунков и состоит из введения. трёх глав. заключения и списка литературы, включающего 136 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована его цеяь и перечислены основные положения. выносимые на зашиту.

В первой главе описаны детали расчётов амплитуды ФД в диаграммном подходе.

В первом параграфе приведены основные кинематические соотношения и выражения через амплитуды реакциидля наблюдаемых, по которым имеются экспериментальные данные. В связи с необходимостью интерпретации данных.возникшей после создания в ИЯФ Гг.Новосибирск) поляризованной струйной деПтронной мишени и постановки первых экспериментов по ей фоторасщеплению поручены выражения для векторной асимметрии и тензорных поляризаций.

Во втором параграфе вычисляется амплитуды ФД в импульсном прнбдакениии с учётом взаимодействия в конечном состоянии. Приведены детали расчётов волновой Функции дейтрона н амплитуды пр-рассеяния в сепарабельной аппроксимации парижского НМ-погеиииала.

Третий параграф этой главы посвяиён вычислению вкладов пи р- мезонных обменных и изобарных токов з амплитуду ФД. Особое внимание уделено вопросу согласования МОТ и МН- потенциала. В связи с этим подробно» обсуждается выбор параметров, определявших вклады МОТ и ИТ: значения параметров обрезания Лп и в пКН- и РИМ- зерпцшшк форм-факторах, отношение тензорной к векторной константам рКМ- взаимодействия, величина постоянной РНД- взаимодействия.'

Во второй главе полученные в ранках описанной модели результаты расчётов сравниваются с предсказаниями других подходов и экспериментальными данными.

Для сечения захвата тепловых нейтронов протонами получено значение е/"р - 326 мбн. которое согласуется с результатами

других авторов и подтверждает наличие ~ 2Х-го расхождения с экспериментом • (спр = 334.2+0.5 ибн ). Отмечается, что модель без диаграммы рис. 1г дает спр = 302 мбн- -

Полное сечение в области энергий до пионного порога описывается удовлетворительно за исключением области от 20 до 40 МэВ, где имеется ЬХ превышение над данными. Вы«е пионного порога согласие с экспериментом удовлетворительное и несколько лучше, чем в подходах Лаже или Лейаемана и Аренховела.

Дифференциальное сечение хорошо воспроизводится моделью в области энергий до 300 МэВ. При больших энергиях возникают те же проблемы, что и в моделям лаже или Лейдемана и Аренховела. когда сечение под экстремальными углами превышает измеренное. Ниже 140 МэВ получено хорошее описание данных для угла протона 0°, что подтверждает вывод ряда работ о том. что дифференциальное сечение может быть описано без учёта релятивистских поправок к импульсному приближению.

Ситуация с описанием асимметрии £ при растепления дейтрона линейно-поляризованными Фотонами менее удовлетворительна. Только для энергий фотона, меньших 60 МэВ модель хорошо воспроизводит данные. При больших энергиях возникают проблемы в описании как углового распределения, так и энергетической зависимости у-асимметрии. Вклад МОГ при Е^ 2= 200 Мэв приводит к качественному эффекту - изменению знака £ в согласии с данными, однако абсолютная величина асимметрии заметно занижена по сравнению с экспериментальной.

Поляризация нейтона в диаграммном подходе описывается

удовлетворительно. Однако, в модели, учитывающей только вклады

'2 у

диаграмм а-в рис.1, согласно Лаже . имеется лишь качественное согласие с экспериментом. Величина п- поляризации получилась заметно заниженной по сравнения с. экспериментальной, что. по мнению Лаже,обусловлено неучётом парциальных волн с 1 в амплитуде рп- рассеяния при расчёте диаграммы б рис.1. Приведенные результаты расчёта п- поляризации в усовершенствованном ДП (рис.2) показывают, что только после учёта диаграммы г рие.1 модель удовлетворительно описывает экспериментальные данные. С ростом энергии вклад этой диаграммы в поляризацию Г увеличивается, и его учёт абсолютно необходим для согласования с данными.

Рис.2. Угловое распределение поляризации нейтрона при Е^ =140 ЫзВ. Штр| сплошная - 1а-г.

Е^ =140 ЫзВ. Штрихованная кривая - в-лад диаграмм 1а-в.

Известно, что обнаруженная в ряде работ больиая р-полярнзация в области А- резонанса и углах * 90° связывалась с наличием диб&риоиных резоиансов. В то же время более

традиционные подходы, хотя и не всегда хорошо описывают Р , не

р

дают надёжных указаний на существование таких резонансов. Приведенная на рис.3 энергетическая зависимость р- поляризации

при в =90° показывает, что заметная отрицательная поляризация р

при Ег £ 300 Нэв возникает уде в импульсном приближении н обусловлена вкладом диаграммы рис.16. Поэтому можно предположить, что необходимостиь введения дибарнонных резонансов для описания поляризации протона скорее всего связана с неучётом указанной диаграммы.

Во второй главе также проанализирован случай . Фоторасвепления векторно н тензорно поляризованной миаенн. Обнаружен очень больаой вклад МОТ а тензорные поляризации Т^, Тм и Т практически при всех углах в интервале энергий яо 300

Е, (ЫэВ)

Рис.3. Энергетическая зависимость поляризации протона при вр = 90°. Штрихованная кривая - вклад диаграмм 1а-б. сплошная - 1а-г.

Е, (ЫэВ)

Рис.4. Энергетическая зависимость тензорной поляризации 1=г при вр = 88°. Штрихованная кривая - вклад диаграмм 1а-б, сплошная - 1а-г.

МэВ. В качестве примера на рис.4 показана энергетическая зависимость Тг2 для угла протона 88°. Видно, что данные не описывютея в ЙП, и расхождение составляет - 300* ниже 100 МэВ. Учёт МОГ заметно уменьшает расхождение предсказаний ИП с данными, хотя выше 100 МэВ ситуация всё равно остаётся не вполне удовлетворительной.

Здесь же кратко обсуждены возможные причины расхождения предсказаний ДП с экспериментальными данными.

В третьей главе рассматривается реакция расщепления дейтрона при рассеянии Фотона - ус!->с'пр.

В первом параграфе этой главы подробно рассмотрена кинематика реакции: найдены соотношения, позволяющие восстановить кинематику по заданным энергии начального фотона, кинетической энергии нейтрона, углу рассеяния Фотона и углу нейтрона; проанализирован случай малых импульсов протона {область нейтронного квазиупругого пика (НКУПН. Получено выражение для дифференциального сечения реакции.

В втором параграфе расчитан вклад диаграмм НП с искажёнными волнами (диаграммы а-г рис.5). Обсуждаются причини, по которым не учитываются вклады других диаграмм ИП.

В третьем параграфе кратко рассмотрены некоторые детали расчёта диаграмм с мезонными обменными и изобарными токами (диаграммы а-в рис.5).

В четвёртом параграфе представлены результаты расчётов

дифференциального сечения и асимметрии рассения лннейно-

полярмэоваиных Фотонов. Показано, что э области НКУП (при

Е = 100 МэВ. © = 135° и э = 20°) учёт диаграммы рис.56

Т Т' п

понижает сечение на 0.4%, а учёт диаграмм рис.5в-г и д-ж - етё

соответственно на 2752 и 5%. С ростом энергии эти поправки

сильно уменьшаются.

Сечение в области НКУП оказывается сильно зависяпим от величины поляризуемости нейтрона и знака постоянной распада п°->2у.

Все особенности повеления сечения остаются в силе и !з случае тормозных Фотонов.

Результаты расчётов показали, что в области НКУП асимметрия рассеяния линейно-поляризованных фотонов определяется, в основном, вкладом диаграммы рис.5а, н поэтому может служить также источником информации об амплитуде реакции

Р П

в г

Рис.Б. Виаграммы процесса уй-^'пр, учтённые в диссертации.

m->rn. ПРИ 100 Нэв г- асимметрия в НКУП зависит как от величины поляризуемости нейтрона, так и от знака Тп. С ростом энергии зависимость £ от этого знака уменьшается, а сильная чувствительность к а и Р остается-

?1 п

Проанализирована также возможность использования метола Чу-Лоу для выделений вклада диаграммы . рис.6а. Показано, что для событий с малыми импульсами протона в рассмотренной области энергий точность квадратичной экстраполяции а полюс не духе нескольких процентов.

В заключении кратко перечислены основные результаты и выводы диссертационной работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Levchook И.J.- Deuteron photodlslnteeratlon below pion threshold In a diagrammatical approach, Сontгlb, papers to Synp.Mesons and bight Nuclei. Bechyne, 1988, p.20.

2. Levchook H.I.- To the deuteron photodlslnteeratlon in a diagrammatical approach. 17th INC International Symposium" Nuclear physics at Intermediate energy". November 15-17. 1888 Tokyo. Abstracts, p.64-69.

3. Levchook M.I.- On the deuteron photodlslnteeratlon in a diagrammatical approach. Preprint IP No. 576. Minsk. 1880. P. 1-42.

4. Levchook M.I.- Polarized deuteron photodlslnteeratlon in a diagrammatical approach. Preprint IP No. 609. Minsk. 1880, p.1-25.

5. Левчук М.И.. Львов ft.И. и Петрунькин В.А.- Неупругое рассеяние фотонов на дейтронах и поляризуемость нейтрона, Кр.сооб.Физ.. 1985, HZ. с.3-7.

6. Левчук М.И., Львов А.И. и Петрунькин В.А.- Неупругое рассеяние фотонов на дейтронах, уп-рассеяние и поляризуемости нейтрона. Препринт ФИАЯ Ж 86. Москва. 1986. с.1-31.

7. Левчук И.И., Львов А.И и Петрунькин В.А.- Структура нуклонов и мезонные юкя в реакции rd->r'np. Международное совещание по теории малочастичных и кварк-адронных систем. Лубна, 16-20 июня 1887,с.105.

8. Левчук М.И., Львов А.И. Петрунькин.- Поляризуемость нейтрона и мезонные токи в реакции rd->r'np. Вопросы атомной науки и техники. Серия: обиая и ядерная физика. 1987.

вып.2(381. 3(39). с. 98-97.

9. Левчук Ы.И., Львов А.И. и Петрунькин В.ft.- Асимметрия в реакции >-d->r'np и поляризуемости нейтрона. Вопросы атомной науки и техники. Серия; обшая и ялерная физика. 1987, вып.2(38), 3(39), с.95-98.

10. Levchook M.I. L'vov А.Х and Petrun'kin V.A.- Inelastic photon-deuteron scattering and neutron polarizablllty. 17th International Symposium "Nuclear physics at Intermediate energy". November 15-17. 1988, Tokyo. Abstracts, p.78-79.

ЛИТЕРАТУРА

1. Laget J.M.- Electromagnetic properties of the nNN system, Nucl.Phys. . 1978. V.A312. No.3. p.265-290.

2. Laget J.M.- Photo- and electrodisintegration of few-body systems at intermediate enereies: an introduction. Can.J.Phys., 1984, v.62. Ho.11. p.1046-1063.