Рассеяние и реакции выбивания, инициированные К +-мезонами с энергиями ниже 1 ГэВ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи а

Махов Александр Михайлович

РАССЕЯНИЕ И РЕАКЦИИ ВЫБИВАНИЯ, уЩИПИИРОБАННЫВ-+

К - МЕЗОНАМИ С ЭНЕРГИЯМ НИЖЕ 1 ГэВ.

Специальность 01.04.16 - фиэика ядра и элементарных частиц.

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук

ЛЕНИНГРАД - 1390

Работа выполнена в Ленинградском государственном техническом университете

Научный руководитель- кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Бердников Я. А.

Официальные оппоненты- доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Зеленская Н. С. - кандидат физико-математических наук, заведующей лабораторией Нестеров Ж 1

Ведущая организация- Ленинградский государственный

университет.

'< Защита состоится " 1в " декабря 1990 г.

в " Л6 " часов в ауд. 265 корп. на заседании

специализированого совета К 063. 33.13 при Ленинградском государственном техническом университете по адресу: 195251, Ленинград, Политехническая, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ЛГТУ.

Автореферат разослан " Лб " ноября 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Д. И, Мелькер

РАССЕЯНИЕ К РЕАКЦИИ ШЕИВАНИЯ, ИНИЦИИРОВАННЫЕ К+- МЕЗОНАМ! О ЭНЕРГИЯ® НИЖЕ 1 ГэВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Особенности каон- нуклопного взаимодейт ствия делает исследование К+-ядерных реакций и рассеяния весьма перспективным и аетуалъкым. Планируемый ввод в действие новых ускорительных комплексов - каонных фабрик позволит приступить к широким исследованиям ядерных реакций, визированных положительным каонаш. С этой точки зрения представляет большой интерес получение предварительных экспериментальных и теоретических данных по этим реакциям. Однако существующая опытная информация крайне бедна и не подвергалась достаточно полному теоретическому анализу. Сведения об изучении реакций выбивания каонаш кластеров в литературе не встречаются.

Целью работы являлось: проведение экспериментального иеслед- \ ования реакции выбивания дейтона положительно- заряженным каоном с энергией 130 и 268 ЫэВ из легких ядер; разработка методик расчета (на базе импульсного приближения и метода искаженных волн) и расчет дифференциальных и интегральных характеристик К*- ядерного взаимодействия для описания существующих экспериментальных данных по дифференциальным сечениям рассеяния и полним сечениям, а также анализа результатов экспериментов по реакциям выбивания с каонаш с целью установления механизмов протекания этих реакций и их вкладов.

Научная новизна заключается в том, что впервые экспериментально исследована реакция (K+,K+d) при энергии клона 130 и 268 МэВ, проведено детальное сравнение полученных экспериментальных данных по вышеупомянутой реакции и известных из литературы опытных сведений по реакциям выбивания нуклонов с р< зультатами расчетов по разработанной автором программе , основанной на методе искаженных волн. Получено также указание на наличие псевдорезонансных структур в K+N - системе не только в состоянии с изоспи-ном Т=0, как было известно из литературы, но и для Т»1. В диссертации показано, что для описания недавних опытных данных по отношению сечений взаимодействия положительного каока с ядрами углерода и дейтерия не требуется предположение о "разбухании"

1

нуклонов в ядерном веществе, которое высказывалось в более рал них работах.

Научная и практическая ценность работы. Результаты данной работы дает новый фактический материал для изучения процессо неупругого взаимодействия положительных каонов с ядрами. Практи ческое применение результатов исследования возможно при планиро ванш экспериментов на создаваемых каонных фабриках. Разработан ные в работе алгоритмы и программы расчета'рассеяния и реакци выбивания нуклонов и кластеров из легких ядер могут быть исполь зованы при анализе рассеяния й реакций, инициированных другим частицами.

На ващиту выносятся следующие основные результаты и положения

1. Экспериментальные результаты исследования реакций (К+, К+с на ядрах G.N.0 при энергиях 130 и 268 МэЕ

2. Методики и программы расчета:

а) дифференциальных сечений упругого рассеяния, полных сечений сечений реакции частица- ядерных взаимодействий в методе KClА.

б) реакций выбивания частиц из легких ядер частицами промежуток ных энергий в методе DWKCIA.

3. Результаты анализа псевдорезонансного поведения элементарных амплитуд K+N- рассеяния, а также результаты расчетов Kaoi ядерного взаимодействия ниже 1,5 ГэВ/с и теоретического анали. реакций (к^к^рык'.к^одр.гр), (п+,п+р) при промежуточш энергиях на основе разработанной методики расчета

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссерта: ионной работы докладывались на V всесоюзном семинаре по nporpai ме экспериментальных исследований на меэонной фабрике ¡Ш , СССР (Звенигород, апрель 1987 г.), II конференции по адронн; взаимодействиям отделения ядерной физики АН СССР (Москва, нояб; 1988 г.), на научном семинаре члена - корреспондента АН СО И. С. Шапиро (март 1989 г.), III мевдународном симпозиуме "Пио нуклонные и нуклон- нуклонные взаимодействия" (ЛШФ АН ССС Гатчина, апрель 1989 г.), II конференции "Частицы и ядра при в соких энергиях" (ИТЭФ АН СССР, Москва, ноябрь 1989 г.), VII! С минаре по точным измерениям в ядерной спектроскопии ( Ужгоро июнь 1990 г.), неоднократно представлялись на Совещаниях ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (1985-1990 г 2

XXXV - XL совещания).

По теме диссертации опубликованы 12 печатных работ.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Диссертация изложена на 190 страницах, включая 99 листов машинописного текста, 57 рисунков, 10 таблиц, списка цитируемой литературы, содержащего 255 ссылок, 2 листа приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводятся общие сведения о работе: актуальность проблемы, цель и новизна работы, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор современного состояния вопроса взаимодействия К+с нуклонами и ядрами. Отмечается, что вше порога неупругости исследования 1саон-~нуклонных взаимодействий до сих пор не дают однозначной картины, в частности в вопросе о существовании Z- резонансов. Затем, при рассмотрении рассеяние К+-мезонов ядрами при промежуточных энергиях, указывается на бедность опытных сведений по этому вопросу, а также на наличие определенных трудностей в описании полного сечения взаимодействия каонов с углеродом и отношения сечений взаимодействия К+ с углеродом и дейтерием. Проанализированы также методы, используемые в настоящее время для расчетов частица- ядерных взаимодействий. При анализе состояния исследований реакций, инициируемые положительными кзонами отмечено, что на настоящий момент единственным возможным источником экспериментальной информации являются камерные методы. Отмечено также,- что появившиеся в последнее десятилетие опытные данные по реакциям (К+,К+Ю на легких ядрах интерпретировались при анализе только в терминах диаграммной техники.

В заключении первой главы поставлены задачи данной работы.

Во второй главе из анализа К+М- взаимодействий с использованием фазовых анализов группы BGRT 1970 и 1974 гг., Martin В.R. 19"5 г. , Corden M J. et al 1982 г. , Arndt R. A, et al. 1SS5 r. получено указание на наличие псевдорезонансных структур в К Ii-системе гак б состоянии с изоспином Т=0 , так и для Т=1. Уточнены также существующие результаты по соотношению вкладов парциальных волн в полную K^N- амплитуду.

Третья глава содержит описание разработанной методики расчета дифференциальных сечений упругиго рассеяния, полных сечений и сечений реакции К+-,(п—, N-)A- взаимодействий, а тагае сечений рассеяния с возбуждением конкретного уровня ядра. Предложен потенциал типа Кисслингера следующего вида:

"oni,^)=N|p;ni2nVwxN>[Al ?N<r) + А2 +(1)

2 4

А3 ^г ?Н(Г> + А4 ^г ?N(r):l + (4nVP2wxtJr)fBl d?N(r)/dr *

+ Bg d(\7^ pN(r))/dr + 4 9N(r))/dr](sl)>,

где суммирование ведется по протонной к нейтронной плотностям, 1-орбитальный момент в с. ц. и. хА, ^(i')- плотность внутриядерных нуклонов N. М*4,(A=A~Z; Z- заряд ядра, wjj; si;j- при-

веденная анергия и s- инвариант частиц i и j, к и р- импульс в с. ц. и. хА и xN, соответственно.

N

При вычислении кинематического множителя ге лучшим оказалось приближение сильной связи внутриядернного нуклона:

<аР- (A'p/WCs^/s^)172) в совокупности с приближением приведенной анергии в уравнении Клейна- Гордона для систем без спина и уравнения Шредингера с релятивистской кинематикой для спиновых.

. При вычислении А4 и В4 через амплитуды взаимодействия налетаю' щей частицы х с внутриядерными нуклонами N имелась возможность учета волн с 1 < 7.

Оказалось, что при расчетах по этой методики ке требуется использованное ранее в работах Siegel P.B. et al. 1985, 1988 гг. предположения о "разбухании" нуклонов в ядре для описания данных

4-1 ? + ■

по отношению полных сечений К С- и К D- взаимодействий. Получены также указания на различие распределений протонов и нейтро-Ур

нов в ядре При этом среднеквадратичный радиус {глв) нейт-

ронного распределения может быть несколько меньше протонного. , Аналогичные результаты были получены в 19S5 г. Алхазовым Г. Д. к др. для ядер 4Не и Ling- hiang К. et al. для ядра 40Са. В

этой главе предложена кинематическая коррекция импульсного приб-4,

{

лижения (IА) - КСIА, улучшающая согласие расчета и эксперимента в ( N-, К+-, ядерном рассеянии, заключающаяся в учете влияния поля ядра на кинематику xN- рассеяния при построении потенциала (1).

Четвертая глава посвящена методике расчета трехчастичных реакций. В ней усовершенствован метод DWIA- предложен метод D'aKCIA и проанализированы на его основе реакции (х,хр), где х- К+, п^ и р.

Матричный элемент трехчастичной ядерной реакции предлолсено представить в виде суммы матричных элементов процессов прямого выбивания частицы у из ядра А (Ту) и двухстадийного процесса, под которым понимается неупругое рассеяние х ка А с возбуждением в область гигантских резонансов с последующим распадом А* на В и

у - Т .. Конкретные выражения для Т., в DVIA были получены разви-

А у

тием работ Chant N. S, et al. При этом использовалось приближение факторизации амплитуды, для расчетов внемассовых элементарных амплитуд использовались сепарабельные потенциалами о формфакторами типа Ямагучи, при вычислении входящих в Ту искаженных волновых функций учитывались релятивистские эффекты, использовалась микроскопическая оптическая модель, учитывавшая спин- орбитальное взаимодействие.

Двухетадийный механизм рассматривался глк процесс неупругого рассеяния х на А (массы Мд) с образованием возбужденного ядра А* с массой М* и распадом его через уровень eQ в модели комплексной энергии. При этом учитывалась спиновая структура промежуточных состояний. В результате были получены следующие выражения:

лгА (sA*) 1 - - Л МА . /А*

A* му «2 ~ (<?* - V + мд*Ч МА* Ч V

М,* .. 1 /о _ S.* Мд*

^ 2П ((М V/(W ^л>м С А 4в:

Здесь q = (2иг*вел)1/Z, w*b" приведенная масса частиц i

и j ; if - относительный импульс у й В в их с. ц. и., Г и Гу- пол-чая ширина уровня и ширина его распада с выходом у, соответс-

Л МА

твенно. s4, «j- спин и его проекция для частицы i. Тц - ин-

вариантная амплитуда неупругого рассеяния с образованием А.

Для конкретных расчетов матричного элемента двухстадийного процесса использовалась модель, в которой гигантский резонанс данной мультипольности описывался одним широким уровнем, так как использование в расчетах набора экспериментально- наблюдаемых уровней привело бы к большому количеству неопределенных параметров относительных фаз матричных элементов, то есть к росту погрешности вычисления Т ,и к заниженным значениям вклада Т .

А1* А

' Были рассмотрены внемассовые свойства частица- нуклонных и

каон- ядерных■амплитуд. Оказалось, что наименьшие внемассовые эффекты можно ожидать для амплитуд, для К+с1- амплитуд они, а так же спиновые эффекты вне массовой поверхности, могут быть велики.

Для анализа пригодности разработанной методики были произведены расчеты реакции (К+,Кч"р) на легких ядрах в области промежуточных энергий, результаты которых сравнивались с имеющимися экспериментами. Экспериментальные и рассчитанные теоретические интегральные сечения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Интегральные сечения реакции (К+,К+р) на легких ядрах (в мбн).

Т®(ЫэВ) 1 бте°Р 1 *теор ! А* Отеор бэксп

! 130 1 6,91 | 2,24 9,2 12,3+1,9

\ 268 { Ю,2 ! 0,86 11,1 12,9Н,8

| 480 | и,о \ 0,7? 11,8 10,1+1,6

Оказалось, что расчеты с использованием вышеизложенного алгоритма не противоречат экспериментальным данным в смысле X2 с 5X-ым уровнем значимости. Было проанализировано влияние поля ядра на квазисвободное К+р- взаимодействие. Для этого использовался подход 0УКС1А, аналогичный изложенному в гл. 3 методу КС1А. Был< получено, что учет этих эффектов слабо влияет (-5%) на расчитываемые величины.

Для проверки применимости предложенной схемы-для расчетов ре акций выбивания, инициированных другими зондами, были произведи 6

ны расчеты реакций (р,2р) при ТрС=155 МзВ и (п+,п+р) при 199 МэВ в компланарной геометрии на ядре 12С с выбиванием р- протона. Оказалось, что расчет в БУКС1А дает несколько лучшее,по сравнению с другими приближениями, согласие с экспериментом.

В пятой главе изложена методика и результаты экспериментального исследования реакций (К+,К+с1) на легких ядрах фотоэмульсии при анергиях кзона 130 и 268 МэВ, и произведен анализ измеренных данных с целью извлечения информации о механизмах протекания реакции Д(К+,К+с1)В с использованием метода БЩС1А. Полученные экспериментальные и рассчитанные теоретические интегральные сечения приведены в таблице 2.

Таблица 2. Интегральные сечения реакции (К+,К+(3) на легких ядрах (в мбн).

! т£с(МэВ) ! «геор ! у 1 лтеор ! А* | бтеор | бЭКСП | 1 !

! 130 | 268 1 1,0 ! 1,3 ! 0,43 | 0,22 | 1,43 | 1,52 \ 1,8+;0,3 | | 2,0+0,3 |

Оказалось, что расчет с учетом механизмов прямого выбивания и двухстадкйного качественно правильно воспроизводит опыт,' одгжо имеющиеся определенные разногласия эксперимента и расчетных кривых в угловых распределениях частиц, а также в импульсном и энергетическом спектрах и заниженные, по сравнению с опытом, интегральные расчетные сечения могут указывать на присутствие в исследованной реакции иных мэханизмов, в частности механизма выбивания тялелого Фрагмента, либо процесса выбивания нуклона с последующим подхватом им Еторогс нуклона.

Я Приложении приведены основные использованные в настоящей работе обозначения и некоторые определения.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

Результаты:

1. Разработана и программно реализована методика расчета дифференциальных сечений упругого рассеяния, полных сечений и сечений реакции К -, п—, М- А- взаимодействий. Предложена кинематическая коррекция импульсного приближения (1А) - КС1А, улучшающая

7

согласие расчета и эксперимента.

2. Разработана и программно реализована методика расчета реакций выбивания в полной и ограниченной геометрии, нуклонов и кластеров из ядер К+- мезоном (протоном, пионом) промежуточных энергш на основе импульсного приближения метода искаженных волн (О'лЧА). Предложена кинематическая коррекция. ВУ1А- ОВДЛА, улучшающаг согласие расчета и эксперимента. Учтены внемасеовые эффекты.

3. На базе диаграмм Аргана проведен анализ К+- системы с использованием фазовых анализов ¿яда авторов.

4. Впервые получены новые экспериментальные данные по реакцияк (К+,К+с!) на легких ядрах фотоэмульсии при энергиях каона 130 ^ 268 МзЕ Сечения этой реакции, усредненные по ядрам С , N , 0 , составили 1,8 + 0,3 и 2,0 + 0,3 мбн, соответственно. Получень дифференциальные характеристики реакций : импульсные распределения ядер отдачи, угловые распределения рассеянных каэков, выбитых дейтонов и ядер отдачи, энергетические спектры дейтонов V распределения по углу Треймана- Янга,

Методика расчета рассеяния частиц ядрами, основанная на кинематически- скорректированном импульсном приближении, дает пръ анализе известных из литературы опытных данных ' удовлетворительное согласие с экспериментом ь широком диапазоне начальных энергий К+, п*. р.

Методика. расчета реакций выбивания из ядер нуклонов и кластеров частицами промежуточных энергий, основанная на кинематически- скорректированном импульсном приближении метода искаженны» волн, дает при анализе известных из литературы опытных данных пс реакциям (х,хр) и полученных здесь по (К+,К+с1) удовлетворительное согласие с экспериментом.

В работе сделаны следующие выводы:

1. Полученные результаты указывают на наличие 'псевдорезонансных особенностей К+1>1- амплитуд как в сг.стеме с Т-0, так и 1.

2. Показано, что для теоретического описания экспериментальных данных по отношению сечений и К+с1-^взаимодействий в микроскопической оптической модели, предложенной в настоящей работе, не требуется привлечение гипотезы о "разбухании" внутриядерных нуклонов.

. л р

3. Иа анализа упругого расонния К на С следует, что пж- ра-3

диуе распределения плотности нейтронов в этом ядре несколько меньше протонного.

4. Основным механизмом реакций С К+, и (К1", К+р) на лёгких ядрах является механизм прямого выбивания протона при энергиях 130 - 480 МэВ в реакциях (К+,К+р) и механизм прямого выбивания дейтона при энергиях 130,268 МэБ в реакциях СК+,К+'<1).

5. Одним из механизмов протекания этих реакций является двухста-дийный механизм - возбуждение каоном ядра е последующим развалом на ядро остаток и протон или дейтон. Вклад этого механизма в полное сечение реакций выбивания падает с ростом энергии для выбивания протона с 24% при 130 ШВ до 7%-при 480 МэВ ь для выбивания дейтона с ЗОХ при 130 МэВ до 34% при 268 МэВ.

6. Внемассовые эффекты и эффекты, связанные с влиянием на взаимодействующие частицы поля ядра, малы в расчетах реакции (К+,К+р) при всех энергиях и для реакции (К+,К+с1) при энергии 268 МэЕ При меньших энергиях внемассовые эффекты в последней реакции оказывается велики.

7. Учет влияния поля ядра на кинематику элементарного взаимодействия оказывается существенным как в реакциях выбивания, инициированных пионами и протонами, так и при описании рассеяния этих частиц на ядрах. Для рассеяния К+ он не существенен.

8. Анализ рассеяния и реакций, инициированных К+, п- и р, п<_ .а-зывает, что вычисления для К*- мезонов наиболее устойчивы к ис-пользованнУм приближениям, что выделяет их с точки зрения исследования структуры ядра.

Штериалы, в которых опубликованы основные результаты диссертации:

1. Взаимодействие К+~ мезоноз с ядрами 12С и 40Са в оптической модели. Ядерн. физика. 1989. т.49. вып. 4. С. 995- 1000. Авт.: Бердников Я. А. , Ыахов А. М., Остроумов а К.

2. Псевдорезонансные структуры в К+- нуклонном рассеянии. Ядерн. физика 1988. т. 49. вьш. 5. С. 1443- 1445. Авт.: • Бердников Я. А., Махов А. Ы.

+ 1 р +

3. Об отношении полных сечем: : К С - и К с! - взаимодействия. Ядерн. физика. 1990. т.51. вып. 3. С. 910- 912. Авт.: Бердникс! Я. А., Махов А. М.

4. Анализ реакции (К+,К^р) на легких ядрах в области промежуточных энергий. Ядерн. физика. 1990. т. 52. вып. 1. С. 76- 85.

Авт.: Вердиктов Я. А., Махов А. М., Остроумов В. И.

+ 1 ?

5. Взаимодействие К - мезонов промежуточных энергий с ядрами С

и 40Са. Оптическая модель. В кн. Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра. Тезисы докладов XXXVI совещания. 1986. Л: Наука. С. 499. Авт.: Бердников Я. А., Махов А. М., Остроумов в."А., Пихтов С.Е '

6. Еаупругое рассеяние К+- мезонов с импульсом 0.8 ГзВ/с на ядре

В кн. Ядьрная спектроскопия и структура атомного ядра. Тезисы докладов XXXVII совещания. 1987. Л- Наука. С.301. Авт.: Бердникоь Я. А., Махов А. М., Остроумов 3. И.

7. Взаимодействие протонов промежуточных энергий с ядром 12С. I кн. Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра. Тезисы докладов XXXVIII еоьешзния. 1888. Л Наука. С.441. Авт.: Веоднико: Я. А., Махов А. М. . Остроумов В. И

8. Единый подход к описанию рассеяния К, п и К промежуточных энергий на ядрах. - В кн. Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра. Тезисы докладов XXXIX совещания. 1989. .1- Наука. С. 429. Авт.: Бердников Я, А., Махов А. М.

9. Применение метода искаженных волн для расчета ядерных реакш;* с тремя частицами в конечном состоянии. В кн. Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра. Тезисы докладов XXXIX совещания. 1989. Л: Наука. С. 440. Авт.: Бердников Я. А., Махов А. Я

10. Упругое рассеяние К+- ме?.опсв на ядрах в оптической модели. Программа расчета. Деп. в ВИНИТИ 2.04. 86, НЯ?73-В85. Л , 1986. 36 с. Авт.: Бердников Я, А. , Махов А. 11

10

11. Неупругое рассеяние положительных каонов промежуточных энергий на ядрах. Программа расчета. Деп. в ВИНИТИ 18.11.86, N7831-В86. Л., 1986. 23 с. Авт.: Бердников Я. А., Махов А. М., Остроумов В. И.

12. Алгоритм и программа расчёта упругого рассеяния пионов, каонов и нуклонов на ядрах в оптической модели с микроскопическим потенциалом в импульсном приближении. Деп. в ВИНИТИ 10.08. 88, Ш463-В88. Л. , 1988. 34 с. Авт.: Бердников а А. , Махов А. М.