Разработка и создание спектрометра для исследования низколежащих состояний пионных атомов ксенона

Гребенев, Валерий Николаевич

Разработка и создание спектрометра для исследования низколежащих состояний пионных атомов ксенона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Гребенев, Валерий Николаевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка и создание спектрометра для исследования низколежащих состояний пионных атомов ксенона»

Автореферат диссертации на тему "Разработка и создание спектрометра для исследования низколежащих состояний пионных атомов ксенона"

Гребенев Валерий Николаевич

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ СПЕКТРОМЕТРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОЛЕЖАЩИХ СОСТОЯНИЙ ПИОННЫХ АТОМОВ КСЕНОНА

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

-1 МАР 2К2

Москва-2012

005010901

Работа выполнена в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ» (НИЯУ МИФИ)

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Гуров Юрий Борисович

Официальные оппоненты:

Ростовцев Андрей Африканович, доктор физико-математических наук, профессор, Государственный научный центр Российской Федерации -Институт теоретической и экспериментальной физики, ведущий научный сотрудник

Семёнов Виталий Константинович, кандидат физико-математических наук, Государственный научный центр Российской Федерации - Институт физики высоких энергий, лаборатория электрослабых процессов отделения экспериментальной физики, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Московская обл.

Защита состоится "14" марта 2012 г. в 15 час. 00 мин.

на заседании диссертационного совета Д 212.130.07 при НИЯУ МИФИ

по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д.31, телефон 8(499)324-84-98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЯУ МИФИ.

Автореферат разослан »¿Я февраля 2012 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

С.Е. Улин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Экспериментальное изучение экзотических ядерных состояний является одним из основных направлений в развитии современных представлений о свойствах сильных взаимодействий и адронных систем при низких и промежуточных энергиях. Теоретическое рассмотрение этих вопросов на основе квантовой хромодинамики (КХД) сталкивается с большими трудностями, имеющими как концептуальный, так и вычислительный характер. В частности, для киральной теории возмущений (КТВ) - приближения КХД в области низких энергий, отсутствует надежная информация о многих параметрах самой модели. В этой ситуации актуальной является задача выбора направления экспериментальных исследований, позволяющего связать экспериментальные результаты с параметрами теории.

В рамках решения этой задачи значительный интерес представляет экспериментальный поиск и определение параметров низколежащих (Ь-, 2,р-) состояний пионных атомов тяжелых элементов. Параметры указанных состояний (энергия связи и ширина) непосредственно связаны с изменением свойств адронов внутри ядерной среды, т.е. с величиной кварк-антикваркового конденсата, определяющего в КТВ динамическое происхождение масс адронов.

Длительное время поиск низколежащих состояний пионных атомов тяжелых элементов был безрезультативен в силу низких сечений реакций, выбранных для их формирования, и высокого физического фона. Как следствие, эти состояния обнаружены только в двух экспериментах, выполненных в на изотопах свинца и олова в реакциях подхвата 3Не). Параметры 1 ¿'-состояния определены для пионных атомов олова. Отсутствие независимых от выполненных в 051 измерений оставляет открытым вопрос о надежности имеющейся информации.

Из теоретических оценок сечения образования пионных атомов в реакции (<г/, 3Не) следует, что изотоп 136Хе является идеальной мишенью для изучения Ь-состояний пионных атомов тяжелых элементов. Выполнение экспериментов на изотопах ксенона позволяет существенно расширить экспериментальную информацию по низколежащим состояниям тяжелых пионных атомов. Для наблюдения этих состояний и измерения их характеристик необходимы интенсивный прецизионный пучок дейтронов, внутренняя газовая мишень и экспериментальная установка, обеспечивающая в условиях значительного уровня фоновых частиц надежную регистрацию и измерение энергий ядер 3Не в диапазоне 350-420МэВ и обладающая энергетическим разрешением на уровне нескольких сотен килоэлектронвольт.

Одним из возможных вариантов решения данной задачи является проведение экспериментов на ускорительно-накопительном кольце CELSIUS (Уппсала, Швеция) с использованием специально разработанной многослойной измерительной системы на основе полупроводниковых детекторов (п.п.д.-телескопов) изготовленных из сверхчистого германия. Энергетическое разрешение п.п.д.- телескопов не уступает магнитным спектрометрам. Причем в отличие от магнитных систем они позволяют выполнять прецизионное измерение энергии и идентификацию частиц в широком интервале энергий и масс без перенастройки спектрометра, что существенно для обеспечения высокой скорости набора статистики и минимизации систематических ошибок. Важным преимуществом п.п.д.-телескопа являются компактность и простота конструктивного исполнения, что позволяет размещать и перемещать его внутри вакуумной камеры ускорителя.

Цели работы

1. Разработка и создание спектрометра с полупроводниковым телескопом на основе детекторов из сверхчистого германия, предназначенного для поиска и исследования на накопительном кольце CELSIUS низколежащих состояний пионных атомов ксенона.

2. Разработка и экспериментальная проверка на накопительном кольце CELSIUS методов определения энергетического разрешения спектрометра, калибровки его энергетической шкалы и измерения эффективности регистрации заряженных частиц.

3. Экспериментальный поиск на мишени из природного ксенона низколежащих состояний пионных атомов ксенона.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней:

1. Разработанный и созданный полупроводниковый спектрометр является уникальным, обладает высоким для полупроводниковых спектрометров энергетическим разрешением (АЕ/Е ~ 0.25%) и позволяет регистрировать заряженные частицы, в том числе ядра гелия, в широком диапазоне энергий 250 - 450 МэВ.

2. Впервые предложены и реализованы методы определения калибровочных параметров спектрометра в условиях физического эксперимента на ускорителе: энергетического разрешения, абсолютной привязки энергетической шкалы и эффективности регистрации заряженных частиц;

3. С помощью спектрометра впервые получены экспериментальные данные, подтверждающие образование в реакции низколежащих состояний пионных атомов ксенона и возможность измерения их характеристик.

Практическая значимость

Созданный спектрометр и разработанные методы его калибровки позволяют регистрировать тяжелые заряженные частицы в широком диапазоне энергий с высоким энергетическим разрешением и проводить корректный анализ измеренных спектров частиц.

Разработанные методы определения калибровочных параметров могут быть использованы для калибровки подобного типа спектрометров при проведении ядерно-физических экспериментов на ускорителях промежуточных энергий

Полученые указания на образование Ь'-состояния пионных атомов ксенона важны для уточнения локальной части оптического пион-ядерного потенциала, а также для определения влияния ядерной среды на эффективную массу пиона, константу распада пиона и кварк-антикварковый конденсат - фундаментальные величины, нечувствительные к данным, найденным традиционными методами посредством регистрации рентгеновского излучения мезоатомных переходов.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Спектрометр с полупроводниковым телескопом на основе детекторов из сверхчистого германия, созданный для надежной идентификации и прецизионной спектрометрии заряженных частиц на накопительном кольце CELSIUS.

2. Методы измерения энергетического разрешения, эффективности регистрации и точности привязки энергетической шкалы п.п.д.-телескопов.

3. Результаты экспериментального поиска в реакции AXe(d, 3Не)Х низколежащих состояний пионных атомов ксенона.

Достоверность результатов обеспечивается калибровкой спектрометра в методических экспериментах на накопительном кольце CELSIUS; высокой статистической обеспеченностью результатов методических экспериментов; применением современных методов обработки и анализа экспериментальных данных; согласием результатов эксперимента с предсказаниями теории и модельными расчетами.

Вклад автора

Все основные результаты, содержащиеся в диссертации, получены автором лично, или при его активном участии. Автору принадлежит определяющая роль в разработке конструкции и изготовлении спектрометра, в разработке методик и в определении спектрометрических характеристик созданного спектрометра. Автор принял активное участие в подготовке программы экспериментальных исследований, в подготовке установки и в проведении измерений на ускорительно-накопительном кольце CELSIUS, в обработке и анализе полученных в экспериментах результатов.

Апробация работы

Результаты исследований, положенные в основу диссертации, были представлены и обсуждались на физических семинарах в НИЯУ МИФИ, ЛЯП ОИЯИ (Дубна), в Сведбергской лаборатории (Уппсала, Швеция), докладывались на международных конференциях и совещаниях: V International Conference "Application of semiconductor detectors in nuclear physical problems", Riga, Latvia, 1998; XVI-th Particles and Nuclear International Conference (PANIC'02), Osaka, Japan, 2002; 52 Международное совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (ЯДРО-2002). Москва, 2002; 53 Международное совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (ЯДРО-2003). Санкт-Петербург, 2003.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано восемь работ, в том числе четыре статьи в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 84 страницы печатного текста, в том числе 33 рисунка, 4 таблицы и список литературы из 59 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность научной проблемы, изучению которой посвящена работа. Изложены цель и метод исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается краткий обзор теоретической и экспериментальной ситуации в области изучения низколежащих состояний пионных атомов тяжелых элементов, обосновывается выбор экспериментального метода поиска этих состояний и измерения их характеристик.

Пионные атомы являются наиболее простым примером адронных атомов, в которых эффекты, обусловленные сильным взаимодействием, исследуются на количественном уровне. Многие характерные особенности этих экзотических систем могут быть поняты на основе анализа данных по спектроскопии пионных атомов. Актуальным аспектом этих исследований является решение проблемы поведения и изменения свойств адронов внутри ядерной среды. Два важных вопроса, связанных с этими исследованиями, вызывают в настоящее время повышенный интерес - значение эффективной массы пиона и возможное изменение константы распада пиона fn в ядерной материи.

Большой объем данных по сдвигам и ширинам уровней, полученных из экспериментов по измерению рентгеновских спектров пионнГх атомоТ одинаково успешно воспроизводится с помощью потенциалов, существенно различающихся распределениями ядерной и изосниновой плотностей Основной причиной такой ситуации является недостаточная чувствительность мезорентгеновских данных к перекрытию поТой

" "Г ФУН™ С ЯДР°М" Н-РимеР, вероятность нахождения пиона внутри ядра О для ¿'-состояния пионного атома составляет всего 0 3% Пш

=ГМ 7ЯДа ЯДРЗ 7 Мез°Р—й метод оказывается непригодным, так как пион успевает поглотиться с более высоколежащих

орбит не до и 2/5-состояпий. До настоящего времени верх!"

предел измерении с помощью мезорентгеновского метода составляет для Ь-состояний величину г = 14, а для 2/>состояний ~г = 35

Неоднозначность в описании пион-ядерного взаимодействия может быть снята при привлечен™ данных о низколежащих состояниях пионных атомов тяжелых элементов, на которых пион с заметной вероятностью находится внутри ядра. При этом данные об 1,-состоянии являются гораздо более информативными по сравнению с 2^-состоянием. Вопрос о существа™ низколежащих состояний нионных атомов тяжелых элементов, довольно долго оставался открытым. Основная проблема была вязана с неоднозначностью в предсказаниях значений ширин этих уровней Предполагалось, что вследствие притягивающего „-волнового пион-нуклонного взаимодействия эти ширины мо!ут оказаться большими и превышать расстояния между соседними уровнями.

Однако, как было показано теоретически, для ядер с Л >100 ффективное .-волновое пион-ядерное отталкивание становится оминирующим как доя Ь-состояний, так и для 2„-состояний. В результате ШИрННЫ СТановятся значительно меньшими по сравнению с расстояниями ежду уровнями. Отметим также, что хотя пион-ядерное отталкивание рршодит к уменьшению энергий связи, тем не менее, для низколежащих остоянии пионных атомов тяжелых элементов они составляют величину орядка нескольких мегаэлектронвольт.

Экспериментальные возможности наблюдения низколежащих состояний

"Г аТ°М0В СВЯЗЫВШ1И С Реак™' в ^орых пион, рожденный в дерном столкновении, захватывается непосредственно на исследуемые ровни. В качестве претендентов экспериментального поиска предлагались еакции (п,р), (р,2р), (р,у) и др. 0дНако, в выполненных экспериментах оказательств образования низколежащих состояний не было обнаружено

Отрицательные результаты авторы объясняли переоценкой сечений исследуемых реакций, недостаточным энергетическим разрешением установок и высоким уровнем физического фона.

В конце 80-х годов прошлого века японскими теоретиками была предложена для исследования реакция подхвата (d, 'Не). Теоретический анализ показал, что в этой реакции образование низколежащих состояний пионных атомов может происходить с заметными сечениями на ядрах с числом нейтронов вблизи «магических» чисел N, равных 82 или 126, при этом переданный в реакции импульс должен быть близким к нулю, обеспечивая тем самым выполнение условия ln=j„, где 1п и j„ - орбитальные моменты пионного состояния и участвующего во взаимодействии нейтрона. Экспериментальная реализация этого предложения была выполнена в GSI (Германия) на ядрах свинца 208РЬ и 20бРЬ, где были обнаружены 2р-состояния и получены указания на образование ls-состояний пионных атомов 207РЬ, 205РЬ. Однако статистическая обеспеченность параметров l.v-пика значительно хуже, чем 2р-пика, что не позволило уточнить локальную (s-волновую) часть оптического потенциала. Позднее результаты, подтверждающие образование Ь-состояний пионных атомов, были получены в GSI на изотопах олова.

Следуя изложенному выше правилу отбора, нами был предложен эксперимент на ьбХе (рис. 1). На этом изотопе, согласно выполненных теоретиками расчетов, при энергии дейтронов, равной 500 МэВ, выход реакции с образованием 1 s-состояния пионного атома |35Хе является основным, превосходящим в несколько раз выход пионных атомов в других состояниях. Ядро шХе - «идеальный» кандидат для исследования Ь-состояния пионных атомов.

со Стокгольмским университетом реализовали на накопительном кольце CELSIUS (Уппсала, Швеция) эксперимент «Поиск глубоколежащих состояний пионных атомов ксенона». Уровни пионных атомов, образующихся в реакции Хе(с/, Не) Хе^ьотб идентифицировались по пикам в энергетическом спектре ядер 'Не.

Рис. 1. Иллюстрация процесса образования пионного атома ксенона в реакции АХе(с1,3Не/"/Хел.Ьоим1

НИЯУ МИФИ совместно

В второй главе изложены принципы постановки эксперимента и описан спектрометр, созданный для его реализации. Рассмотрено устройство и работа установки как в целом, так и отдельных ее элементов.

Установка, необходимая для наблюдения низколежащих состояний пионных атомов ксенона, должна обладать следующими характеристиками: энергетическим диапазоном регистрации ядер 3Не от 350 до 380 МэВ; энергетическим разрешением на уровне нескольких сотен килоэлектронвольт; возможностью идентификации продуктов реакции в условиях значительного уровня фоновых частиц.

В выполненном эксперименте, схема которого представлена на рис. 2, указанные требования были реализованы с помощью прецизионного (Ар/р =10 ) дейтронного пучка, внутренней газовой мишени, элементов магнитной системы ускорителя, обеспечивающих разделение частиц пучка и продуктов реакции, и п.п.д.-телескопа на основе детекторов из сверхчистого германия (НрСе). Наряду с высоким энергетическим разрешением, сравнимым с разрешением магнитных спектрометров, Ирве-телескоп характеризуется малыми размерами, что позволило поместить его внутрь вакуумной камеры накопительного кольца. Использование п.п.д.-телескопа в сочетании с магнитной сепарацией частиц обеспечило выделение сигнала в условиях высоких фоновых загрузок, характерных для измерений под малыми углами.

Монитор /

Квадруполи

светимости Мз

Поворотные магниты

iiili

^ ......

Мишень / м. / \ МШЩ

..........Г) тЩ

I ГУЛ-'/■?. Г"

4--

М3 не

Детекторы: N J

D,-D' --4.i/tif ) Ш

Рис. 2. Схема экспериментальной установки на накопительном кольце CELSIUS

Спектрометр располагался в области одного из поворотных магнитов накопительного кольца (рис. 3) на расстоянии около 6 м от внутренней газовой мишени. Установка обеспечивала идентификацию и измерение энергии ядер 3Не, образующихся под малыми углами относительно первичного пучка дейтронов. Поворотные магниты использовались в

качестве одного из элементов системы и обеспечивали пространственное разделение вторичных частиц и первичного пучка.

Шк

; : 1 И

ШН 1

Рис. 3. Спектрометр для поиска пионных атомов ксенона:

1 - п.п.д,- телескоп;

2 - криостат;

3 - поворотные магниты;

4 - ионопровод;

5 - камера ускорителя;

6 - сильфон;

7 - система перемещения;

8 - подставка

HpGe-детекторы п.п.д.-телескопа охлаждались с помощью прокачки жидкого азота. Криостат вместе с телескопом располагался внутри гибкого высоковакуумного сильфона, фланцы которого укреплены на опорах системы перемещения. Длина сильфона-120 см, внутренний диаметр-120 мм, внешний диаметр-180 мм. Размеры телескопа ограничивались диаметром (100 мм) проходного отверстия вакуумного ввода в ионопровод накопительного кольца. Детекторы были установлены на поворотной пластине, которая обеспечивала возможность коррекции угла между телескопом и направлением движения 'Не.

Телескоп состоял из четырех НрОе-детекторов (рис. 4, 5) диаметром 32 мм и толщиной 5-10 мм. Первые детекторы D, и D2 имели с двух сторон тонкие имплантированные контакты (-0.1 мкм). Толщина «мертвого» слоя у детекторов D3 и D4 составляла ~ 1 мм. Собственное энергетическое разрешение НрОе-детекторов -ЗкэВ (Е, ~ 1.3 МэВ). В реальных условиях работы ускорителя при динамическом диапазоне сбросов до 250 МэВ разрешение не превышало 0.1 МэВ.

Последние два детектора телескопа были объединены в пару, образуя составной детектор - D3*. Их толщины выбирались так, чтобы пробеги ядер 3Не, отвечающих образованию пионных атомов ксенона, полностью укладывались в первом детекторе пары. Одновременно последний детектор обеспечивал измерение энергии 3Не до 450 МэВ, позволяя тем самым определить физический фон, сопровождающий измерения.

Рис. 4. Телескоп на основе НрОе- Рис. 5. Конструкция п.п.д- телескопа:

детекторов 1 - НрОе-кристаллы; 2 - оправки;

3 - прижимное кольцо;

4 - контактное кольцо

Для охлаждения Ирве-детекторов жидким азотом использовалась система охлаждения прокачного типа (рис. 6). Газовый насос создавал разрежение, необходимое для поступления азота к держателю детекторов. Система позволяла регулировать скорость прокачки, расход азота и температуру детекторов. Для охлаждения детекторов от комнатной температуры до температуры -80-90 К требовалось = 5 ч, расход азота после охлаждения детекторов до рабочей температуры составлял = 30 л/сут.

Сяфои

Рис. 6. Система охлаждения детекторов

Для ввода детекторов внутрь накопительного кольца (вакуум ~ Ю~10 Па), а также для уменьшения их радиационных повреждений в период формирования и сброса пучка установка снабжена автоматизированной системой позиционирования (рис. 7), обеспечивающей ввод/вывод телескопа в область оптимальной регистрации вторичных частиц. Система состояла из

подвижной каретки с укрепленным на ней сильфоном, внутри которого находился криостат. Каретка приводилась в движение с помощью червячной шарико-винтовой пары и двигателя (привода) со встроенным датчиком положения ротора. Привод обеспечивал перемещение каретки со скоростью до 2.8 см/с. Максимальный ход установки - 650 мм. Абсолютная точность перемещения - 0.1 мм, а повторяемость позиционирования - 10 мкм. Система снабжена электромагнитным тормозом, фиксирующим необходимое положение каретки как в рабочем режиме (при выполнении программы перемещения и позиционирования), так и при отключенном приводе. Управление приводом осуществляется через систему интерфейсов в стандарте КАМАК, посредством сигналов от ускорителя и управляющего компьютера.

Оптический . координатный ' датчик

Двигатель Датчики угла \__ поворота вал

1 ........п . п...

-f\

цч

TopMtVi

Система управления

1 о

% 4

! 1

£ 1 £

5 1 К

КАМАК К0(пр0ллер

Рис. 7. Система перемещения спектрометра

Электронная система отбора и регистрации событий была реализована в стандарте КАМАК и NIM и работапа в линию с ПЭВМ.

Энергия заряженных частиц определялась методом суммирования потерь энергии в детекторах с учетом средних энергосбросов в их «мертвых» слоях. Идентификация частиц, а также вопросы отбраковки событий с нарушением ионизационной зависимости потерь энергии вследствие выхода частиц из детектирующего объема, краевых эффектов и ядерных реакций решались с помощью критерия у\ Слоистая структура телескопа обеспечивала идентификацию частиц во всем диапазоне регистрируемых энергий.

В третьей главе приводится описание разработанных методов измерения энергетического разрешения установки, абсолютной привязки энергетической шкалы спектрометра и определения эффективности регистрации ядер 'Не.

Одной из главных целей эксперимента, для выполнения которого создана установка, является определение ширины Ь-состояния пионного атома ксенона. В связи с этим возникла необходимость в измерении разрешения установки с целью корректного учета вклада этого параметра в ширину пиков (сигналов образования пионных атомов) в спектре ядер 3Не. Основная проблема, возникающая при калибровке и измерении энергетического разрешения установок, используемых на ускорителях, связана с отсутствием пучков частиц необходимой энергии и высоким разрешением по импульсу.

Для решения поставленной задачи был предложен оригинальный подход, основанный на использовании реакций подхвата MN(c/, 3Не)Х и ,бО(d, 3Не)Х Для этих реакций вблизи кинематической границы энергетических спектров 3Не должны наблюдаться пики, соответствующие образованию ядер 13С, 15N в основном и первом возбужденном состояниях. Расстояние между ними должно составлять 3.09 и 5.28 МэВ, соответственно, для 13С и 15N. При этом в силу нулевых значений естественных ширин основных состояний этих ядер ширина пика в энергетическом спектре 3Не дает возможность точно определить собственное разрешение спектрометра. Поскольку кислородная мишень по техническим причинам оказалась недоступной, для проведения эксперимента была выбрана реакция на азотной мишени.

Реакция I4N(c/, 3Не)Х измерялась при энергии дейтронов Ed=362 МэВ, светимости L = 1028 см"2-с"'. Величина магнитной жесткости, соответствующая регистрации ядер гелия с образованием 13С в основном состоянии, составляла величину р = 0.59 (или 103 мм от пучка). Энергетический спектр ядер 3Не, измеренный в реакции на азоте, представлен на рис. 8. Хорошо выделяются пики, отвечающие образованию изотопа ЬС в основном (£ = 358 МэВ) и возбужденных состояниях.

Пик в области 354 МэВ отвечает образованию первого возбужденного состояния. Два пика с энергиями Е - 347 и 351 МэВ являются суперпозицией двух групп высоковозбуждённых состояний 13С. В силу нуклонной стабильности основного состояния ,3Cgs ширина пика 3Не позволила определить энергетическое разрешение п.п.д.-телескопа Д£экс = 850 кэВ.

Е, МэВ

Рис. 8. Экспериментальный спектр яцер 3Не из реакции 3Не)Х; Еа = 362 МэВ

Следует отметить, что полученное значение разрешения Ирве-телескопа близко к предельно возможному

значению (Д£/£ ~ 0.25 %) доя современного уровня полупроводниковой спектрометрии Длиннопробежных заряженных частиц, а предложенный метод измерения разрешения установки можно распространить на абсолютное измерение энергии пучка, что является актуальной задачей для ускорителей промежуточных энергий.

Для определения энергии связи пионного атома и эффективности регистрации спектрометра была реализована методика фТ™™ спектрометра с помощью пеакции р(с1,3Не)я°. Положений ТГ в энергетическом спектре ядер 'Не, образующихся в этой реаХи 7ушп репернои отметкой на шкале энергии связи пионного атома РезулХ™ шмерения эффективности регистрации 3Не используются для о^ де™ рабочего положения п.п.д.-телескопа по отношению косевй ™Г

ДОСТОИ"СТВОМ Ме™ —я возможность ВЫПОШЙШ^ градуировки на водородной мишени и последующих измерений на ксено ™ перенастройки пучка, т.е. при постоянной энергии пучка. В этом снимаются проблемы, связанные с систематический погреГостяТ в определении энергии пучка. ^шпинями в

энергиеПе™0ПРмТ '^ ™ КУ™ дейтронов с

энергией £„-500 МэВ при светимости ¿ = 8х1028 см"2-^1 Калибоовка на

ГкГС пГ116™ С°СТ0ЯЛа И3 ИЗМ£реНИЯ П°Л— и иГн^и Гости пика Не при нескольких положениях телескопа относительно пучка

дейтронов (х = 13.4; 13.8; 14.2; 14.6; 15.0; 15.4; 15.8; 16.216 6 см)Тем

самым обеспечивались градуировка энергетической шкалы контроль

параметров аппаратурной линии и измерение геометрической

эффективности спектрометра. На рис. 9 и 10 представленьГ^ульТа™

измерении реакции Ж 3Не)я° для положения телескопа х = 15 4 см

Геи ТЛЮе РаСГфеДеЛеНИС ПотеРь энеР™ в детекторах 02 и В3* } ^ИЛЛЮСТрИРУеТ Ф°Н0ВЫе УСЛ0В№ Образоваше пионов в

N1 оГТ Р::ГИ ПР0ЯВЛЯеТСЯ В ВИДе -Р—Р-о усиления ^области N2 800 и Л3 - 3200. Отметим хорошее разделение наблюдаемого сигнала и

фоновых однозарядных частиц (р, с1). На рис.10 представлено экспериментальное распределение ядер Не. Результаты анализа показали, что экспериментальная ширина пика (ПШПВ = 2.5 ± 0.1 МэВ) согласуется с расчетным значением 2.4 МэВ, а погрешность в привязке энергетической шкалы спектрометра не превышает 500 кэВ.

Необходимо отметить, что в реакции на водороде ширина пика определяется угловым захватом установки, влияние которого особенно существенно для легких мишеней. С увеличением массы мишени влияние этого эффекта на разрешение уменьшается и для мишеней сА>3 становится очень малым.

120

1000

зооо

00 Мэ8 л£=2.5 ±0 1 МэВ

канал

365

370 375 Е. МэВ

Рис. 9. Двумерное распределение потерь энергии в паре детекторов , 03 для реакции р(с1,3Не)Х

Рис. 10. Экспериментальный спектр ядер 3Не из реакции р(с1,3Не)тс°

На рис. 11 приведено сравнение измеренной геометрической эффективности с результатами моделирования. Хорошее согласие расчетных и экспериментальных данных свидетельствует о возможности корректного восстановления спектра ядер ^е, образующихся в реакции Хепа(М, 3Не)Х

г 0.5

у ч

/ / к

/ \ \ \

/ ч \ \

_ ч

Рис. 11. Экспериментальная (точки) и расчетная (сплошная кривая) зависимости эффективности регистрации 3Не из реакции р(с1,3Не)7Е°, Еа= 500 МэВ

13 14 15 16 х, см

Таким образом, разработанные методики калибровки НрОе-гелескопа с помощью реакций (с/, 3Не) на азоте и водороде являются корректными,

обеспечивают надежное выделение 3Не и могут быть использованы для анализа полученных данных.

В четвертой главе представлены результаты эксперимента на мишени из природного ксенона. Измерение реакции Хепа((^, 3Не)Х выполнялось при светимости 0.6-1028 см'2-с-1. Полученные результаты позволили исследовать фоновые условия, отработать процедуру восстановления исходного распределения 3Не и выполнить оценку скорости набора полезной статистики для мишени из изотопа ксенона 13бХе. В таблице приведены состав природного ксенона и относительная распространенность К его изотопов.

Таблица. Изотопный состав природного ксенона

Изотопы Хе 124 126 128 129 130 131 132 134 136

Г, % 0.1 0.09 1.91 26.4 4.1 21.2 26.9 10.4 8.9

На рис. 12 показаны двумерные распределения потерь энергии заряженных частиц в детекторах 02 - П>3 после обработки по критерию Видно, что многослойная структура п.п.д.-телескопа обеспечивает надежную идентификацию и разделение зарегистрированных протонов, дейтронов и 3Не.

N0, канал

3000

1000

Рис. 12. Двумерное распределение потерь энергии в паре детекторов В2, Э3* для реакции Хепа,(<£ 3Не)Х, Еа = 500 МэВ

Процедура восстановления исходного распределения 3Не включает следующие этапы: построение спектра зарегистрированных ядер 3Не; учет фоновой подложки, формируемой частицами, образующимися вне мишени; коррекцию спектра с учётом эффективности регистрации спектрометра.

На рис. 13 показан участок спектра, отвечающий области возможного образования пионных атомов ксенона. Равномерная правая часть спектра (Е > 370 МэВ) соответствует области реакции без образования пионов, а

характерный рост числа событий в левой части (£<360 МэВ) обусловлен каналом свободного пионорождения. Наличие этих особенностей в экспериментальном распределении служит дополнительным свидетельством корректности процедуры учета эффективности регистрации установки. Результаты численного моделирования эксперимента показали, что на природном ксеноне эффект от образования пионных атомов проявляется в виде двух пиков, расположенных вблизи энергий 362 и 364 МэВ. Каждый из этих пиков является суперпозицией сигналов от изотопов ксенона с четным и нечетным числом нуклонов. Рис. 13. Измеренный (а) и расчетный (б) Видно, что, несмотря на малую спектры 3Не из реакции Xem(d,3Не)Х., статистическую обеспеченность Ej= 500 МэВ экспериментальных результатов,

указанные пики наблюдаются в

измеренном распределении. Отметим также согласие между результатами моделирования и эксперимента.

Таким образом, в результате выполненных исследований показана принципиальная возможность наблюдения ls-состояний пионных атомов ксенона. На природном Хе их образованию отвечает сечение реакции величиной -25 мкб-срЛ Оценки показывают, что при таком сечении и достижимой на накопительном кольце CELSIUS светимости ~2-Ю28 см"2-с 1 за неделю измерений реакции '36Xe(d, 3Не)Х можно достичь статистики на уровне ~ 500 событий в области пика, отвечающего образованию Ь-состояния пионных атомов Ь5Хе.

В заключении приведены основные результаты работы

1. Разработан и создан уникальный спектрометр, предназначенный для исследования двухчастичных ядерных реакций в экспериментах на внутренних мишенях накопительного кольца CELSIUS. Установка, основным регистрирующим модулем которой является п.п.д.-телескоп на основе HpGe-детекторов, позволяет надежно идентифицировать и с высоким разрешением (АЕ/Е ~ 0.25%) измерять энергию ядер 3Не в диапазоне 250 - 450 МэВ.

2. Разработаны и экспериментально реализованы методы определения калибровочных параметров спектрометра: его энергетического разрешения, абсолютной привязки энергетической шкалы, эффективности регистрации ядер 3Не и других тяжелых заряженных частиц. Выполненные разработки обеспечили набор калибровочных данных необходимого качества, корректную обработку измеренных спектров и высокую точность (-0.1%) абсолютной привязки энергетической шкалы установки.

3. С помощью спектрометра и разработанных методов калибровки впервые получены экспериментальные данные, подтверждающие образование Ь'-состояния пионных атомов ксенона и возможность измерения его характеристик.

Результаты исследований опубликованы в следующих основных работах:

1. Chernyshev В.A., Dovgun S.V., Gornov M.G., Grebenev V.N. et al. Search for deeply bound pionic atoms with high-purity germanium tagging spectrometer // Communication of the JINR. E13-94-198. Dubna, 1994. 4 p.

2. Горнов М.Г., Гребенев B.H., Гуров Ю.Б. и др. Спектрометр для регистрации заряженных частиц под малыми углами // ПТЭ. 1999. № 4.

. С. 65-71.

3. Andersson М., Bargholtz Chr., Calen Н., Grebenev V. et al. A zero-degree spectrometer in conjunction with CELSIUS/WASA // TSL Progress Report 1998-1999. The Svedberg Laboratoi7. Uppsala. Sweden, 2000. P. 94-95.

4. Chernyshev В., Gornov M., Grebenev V. et al. A search for deeply bound pionic states of xenon produced in the Xenat(d,3He)Xeriotirid reaction // TSL

.; Progress Report 2000-2001. The Svedberg Laboratoiy. Uppsala. Sweden, 2002. P. 117-119.

5. Andersson M., Bargholtz Chr., Chernyshev В., Grebenev V. et al. The observation of deeply bound pionic states of xenon produced in the d+Xemlt —> Xen.bomd + 3He reaction//Nucl. Phys. A. V. 721.2003. P. 846-848.

6. Andersson M., Bargholtz Chr., Chernyshev В., Grebenev V. et al. The observation of deeply bound pionic states of xenon produced in the d+AXe—>A_1 Xe + 3He reactions at CELSIUS // Physica Scripta. 2003. V. T104. P. 52-53.

7. Bargholtz Chr., Geren L., Гребенев B.H. и др. Спектрометр для поиска

. экзотических состояний пионных атомов ксенона//ПТЭ. 2006. № 3.

С. 14-22.

8. Гребенев В.Н., Гуров Ю.Б., Чернышев Б.А., Шафигуллин P.P. Поиск экзотических состояний пионных атомов ксенона//Труды Научной сессии НИЯУ МИФИ-2010. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. Том IV. С. 21-24.

Подписано в печать 07.02.2012. Формат 60x84 1/16. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ N2 24. Типография НИЯУ МИФИ. 115409, г. Москва, Каширское ш., 31

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Гребенев, Валерий Николаевич, Москва

61 12-1/651

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

На правах рукописи

ГРЕБЕНЕВ Валерий Николаевич

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ СПЕКТРОМЕТРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НИЗКОЛЕЖАЩИХ СОСТОЯНИЙ ПИОННЫХ АТОМОВ КСЕНОНА

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор:

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Гуров Юрий Борисович

Москва -2012

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ПИОННЫЕ АТОМЫ..................................................................................................................................10

§1.1. Образование и качественные особенности..................................................................10

§ 1.2. Свойства низколежащих состояний пионных атомов........................................13

§ 1.3. Выбор реакции для поиска низколежащих состояний

пионных атомов............................................................................................................................................19

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА......................................................................................28

§2.1. Методическое решение........................................................................................................................28

§ 2.2. Описание установки................................................................................................................................29

§2.3. Полупроводниковый телескоп........................................................................................................33

§ 2.4. Система охлаждения детекторов....................................................................................................37

§ 2.5. Система перемещения спектрометра........................................................................................38

§ 2.6. Электронная система сбора экспериментальной информации............40

§ 2.7. Методика определения энергии и идентификации частиц........................43

ГЛАВА 3. МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗКОЛЕЖАЩИХ

СОСТОЯНИЙ ПИОННЫХ АТОМОВ......................................................................................48

§3.1. Калибровка спектрометра................................................................................................................49

§ 3.2. Калибровка спектрометра с помощью реакции Н(с/,3Не)л;0........................50

§ 3.3. Определение энергетического разрешения спектрометра..........................................55

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ПОИСК НИЗКОЛЕЖАЩИХ

СОСТОЯНИЙ ПИОННЫХ АТОМОВ КСЕНОНА........................................................66

§4.1. Моделирование эксперимента....................................................................................................66

§ 4.2. Описание эксперимента......................................................................................................................69

§ 4.3. Результаты эксперимента на мишени из природного ксенона................71

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................................................................77

ЛИТЕРАТУРА....................................................................................................................................................................................79

ВВЕДЕНИЕ

Одной из фундаментальных задач современной ядерной физики является описание свойств адронных систем и взаимодействий в области низких и промежуточных энергий. Квантовая хромодинамика (КХД), успешно зарекомендовавшая себя в качестве основной полевой теории сильного взаимодействия, описывает адронные процессы лишь в области высоких энергий (порядка сотен гигаэлекгронвольт), определяемой условием асимптотической свободы кварков. В то же время при энергиях до ~ 1 ГэВ возникают принципиальные проблемы, связанные с ростом константы сильного взаимодействия, в результате чего пертурбативное разложение, лежащее в основе расчетов в рамках КХД, теряет смысл. В этой области подходящими степенями свободы являются не кварки и глюоны, а мезоны и барионы, в которых кварки удерживаются большими силами, и наиболее перспективным инструментом анализа в физике сильных взаимодействий является киральная теория возмущений (КТВ) [1]. В основе построения КТВ лежит эффективный лагранжиан, учитывающий основные принципы симметрии лагранжиана КХД, в том числе спонтанное нарушение киральной симметрии. Однако до настоящего времени практическое использование КТВ сталкивается с определенными концептуальными трудностями [2]. С другой стороны, значительная часть экспериментальной информации, полученной в ядерной физике низких и промежуточных энергий, успешно объясняется в рамках мезонных теорий. Тем не менее, остается неясным обоснованность этих теорий для описания ядерных взаимодействий на малых расстояниях.

В последнее время активно обсуждаются направления экспериментальных исследований, позволяющие связать эти два подхода [2]. Одним из наиболее перспективных является поиск и определение параметров низкоколежащих (1з-, 2р-) состояний пионных атомов тяжелых элементов. Интерес к этой проблеме обусловлен тем, что отвечающая этим состояниям волновая функция

пиона оказывается локализованной вблизи поверхности ядра [3]. Этот факт позволяет исследовать эффекты, связанные с изменением свойств адронов внутри ядерной среды, в частности, уточнив локальную часть оптического пион-ядерного потенциала [4], сопоставить величину сдвига эффективной массы пиона в ядерной среде с расчетами в рамках КТВ [5, 6], где массы частиц имеют динамическое происхождение и в значительной степени определяются величиной кварк-антикваркового конденсата , найти константу распада пиона /я в ядерной

среде [7] и, как результат, величину кварк-антикваркового конденсата, являющегося мерой спонтанного нарушения киральной симметрии в квантовой хромодинамике.

Длительное время поиск низколежащих состояний пионных атомов тяжелых элементов был безрезультативен в силу низких сечений реакций, выбранных для их формирования, и высокого физического фона, присущего экспериментам, выполняемым на ускорителях. После того как теоретиками было предложено использовать реакцию подхвата (с/, 3Не) при энергии, отвечающей условию безотдаточной кинематики, в вЭ! (Германия) на изотопах свинца и олова были получены экспериментальные результаты, подтверждающие образование низколежащих состояний. Параметры ^-состояния определены для пионных атомов олова. Отсутствие независимых от выполненных в вЭ! измерений оставляет открытым вопрос о надежности полученной информации.

В значительной степени достигнутый успех связан с прогрессом в ядерно-физических исследованиях, выполняемых на ускорительно-накопительных комплексах, и обусловлен совместным применением измерительной аппаратуры высокого разрешения и интенсивных прецизионных пучков заряженных частиц. Современные регистрирующие системы и методические решения, направленные на улучшение точностных характеристик эксперимента (электронное или стохастическое охлаждение пучков, применение внутренних газовых и

корпускулярных мишеней и т.п.), дополняют друг друга и позволяют проводить

экспериментальные исследования на качественно новом уровне, как по точности измерений, так и по сечениям изучаемых процессов [8].

Одновременно с работами, проводимыми в GSI, нами в рамках российско-шведской коллаборации был предложен и выполнен на накопительном кольце CELSIUS (Уппсала, Швеция) эксперимент «Поиск глубоколежащих состояний пионных атомов ксенона» (СА-56). Для формирования указанных состояний использовалась реакция подхвата AXe(d, 3He)->A"1Xe7t.b0und при энергии дейтронного пучка Erf =500 МэВ. Уровни пионных атомов, образующихся в этой реакции, исследовались по энергетическому спектру ядер 3Не.

Для экспериментального поиска и измерения характеристик низколежащих состояний пионных атомов необходима экспериментальная установка, обеспечивающая в условиях значительного уровня фоновых частиц надежную регистрацию и измерение энергий 3Не в диапазоне 350-420 МэВ и обладающая энергетическим разрешением на уровне нескольких сотен килоэлектронвольт.

Таким высоким энергетическим разрешением (АЕ/Е ~ 0.2%), наряду с магнитными спектрометрами, обладают многослойные системы на основе полупроводниковых детекторов (п.п.д,- телескопы) [9-11]. Причем, в отличие от магнитных систем, они позволяют выполнять прецизионное измерение энергии и идентификацию частиц в широком интервале энергий и масс без изменения в настройке спектрометра, что существенно для скорости набора статистики и минимизации систематических ошибок, связанных с перенастройкой измерительной установки. Важными преимуществами п.п.д,-телескопов также являются их компактность и простота конструктивного исполнения. Размеры п.п.д.-телескопа играют существенную роль, когда для решения физической задачи его необходимо размещать и перемещать внутри вакуумной камеры ускорителя.

При проведении экспериментов на ускорителях помимо требований, предъявляемых к установке решаемой физической задачей, существуют

требования к основным параметрам полупроводниковых спектрометров, накладываемые спецификой измерений на ускорителях. К ним относят обеспечение стабильного энергетического разрешения в условиях высокого уровня шумов, абсолютную привязку энергетической шкалы спектрометра, надежную идентификацию регистрируемых частиц в присутствии значительного фона от частиц пучка и вторичных частиц и высокую эффективность регистрации. В зависимости от условий выполнения конкретного эксперимента эти параметры могут зависеть от качества первичного пучка, величины «мертвых» слоев и разрешения детекторов, разброса потерь энергии частиц в мишени, влияния магнитных элементов ускорителя на вторичные частицы, вылетающие из мишени и т.п. Эти и другие факторы следует учитывать при создании спектрометрических установок, предназначенных для выполнения прецизионных измерений на ускорителях.

Актуальность диссертационной работы состоит в том, что выполненные в ней разработки в области методики физического эксперимента [12-18] позволили создать установку, обеспечившую надежную идентификацию и прецизионную спектрометрию заряженных частиц от протонов до ядер гелия в широком диапазоне энергий (например, ядер гелия от 250 до 450 МэВ). Это в свою очередь позволило в энергетических спектрах ядер гелия, измеренных в реакции подхвата AXe{d, 3Не)Х, обнаружить указания на образование ls-состояний пионных атомов ксенона.

Цель работы заключалась в решении следующих задач:

2. Разработка и экспериментальная проверка на накопительном кольце

CELSIUS методов определения энергетического разрешения спектрометра, калибровки его энергетической шкалы и измерения эффективности регистрации заряженных частиц.

3. Экспериментальный поиск на мишени из природного ксенона низколежащих состояний пионных атомов ксенона.

Научная новизна работы

1. Разработанный и созданный полупроводниковый спектрометр является уникальным, обладает высоким для полупроводниковых спектрометров энергетическим разрешением (ДЕ/Е ~ 0.25%) и позволяет регистрировать заряженные частицы, в том числе ядра гелия, в широком диапазоне энергий (диапазон регистрации ядер гелия 250 - 450 МэВ).

2. Впервые предложены и реализованы методы определения калибровочных параметров спектрометра в условиях физического эксперимента: энергетического разрешения, абсолютной привязки энергетической шкалы и эффективности регистрации заряженных частиц.

3. С помощью созданного спектрометра впервые получены экспериментальные указания образования в реакции АХе(с/, 3Не)Х низколежащих (1s-) состояний пионных атомов ксенона.

Практическая значимость работы

Разработанные методы определения калибровочных параметров могут быть использованы для калибровки подобного типа спектрометров при проведении

ядерно-физических экспериментов на ускорителях промежуточных энергий.

Полученые указания образования ls-состояния пионных атомов ксенона важны для последующего уточнения локальной части оптического пион-ядерного потенциала, а также для определения влияния ядерной среды на эффективную массу пиона, константу распада пиона и кварк-антикварковый конденсат -фундаментальные величины, которые нельзя извлечь из данных, найденных традиционными методами посредством регистрации рентгеновского излучения мезоатомных переходов.

Положения и результаты, выносимые на защиту

3. Результаты экспериментального поиска в реакции AXe(d, 3Не)Х низколежащих состояний пионных атомов ксенона.

Вклад автора

Все основные результаты, содержащиеся в диссертации, получены автором лично или при его активном участии. Автору принадлежит определяющая роль в разработке конструкции и изготовлении спектрометра, в разработке методик и в определении спектрометрических характеристик созданного спектрометра. Автор

принял активное участие в разработке программы экспериментальных исследований, в подготовке установки и в проведении измерений на ускорительно-накопительном кольце CELSIUS, в обработке и анализе полученных в экспериментах результатов.

Апробация работы

Результаты исследований, положенные в основу диссертации, были представлены и обсуждались на физических семинарах в НИЯУ МИФИ, ЛЯП ОИЯИ (Дубна), в Сведбергской лаборатории (Уппсала, Швеция), а также докладывались на международных конференциях и совещаниях: V International Conference "Application of semiconductor detectors in nuclear physical problems", Riga, Latvia, 1998; XVI-th Particles and Nuclear International Conference (PANIC'02), Osaka, Japan, 2002; 52 Международное совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (ЯДРО-2002). Москва, 2002; 53 Международное совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (ЯДРО-2003). Санкт-Петербург, 2003.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано семь работ [12-18], в том числе четыре статьи [13, 16-18] в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК.

Структура и объем диссертации

ГЛАВА 1 ПИОННЫЕ АТОМЫ

В настоящей главе вводится понятие пионного атома, обсуждается

значимость экспериментального изучения низколежащих состояний тяжелых пионных атомов, обосновывается выбор экспериментального метода наблюдения этих состояний и измерения их характеристик.

§ 1.1. Образование и качественные особенности

Пионный атом - водородоподобная система, в которой электрон заменен на

отрицательно заряженный пион [19-21]. Такая система образуется, например, при захвате кулоновским полем ядра термализованных пионов. Замедлившиеся в веществе пионы сначала переходят на высоковозбужденные молекулярные орбиты, заменяя на них электроны. Затем в результате электромагнитного каскада, в течение которого испускаются электроны Оже и рентгеновское излучение, пион переходит на более низколежащие орбиты, с одной из которых он поглощаются ядром. Согласно оценкам [19] для конденсированных сред время, необходимое пиону с энергией 100 МэВ для торможения в мишени до 2 кэВ, захвата на одну из высоковозбужденных молекулярных орбит и процесса девозбуждения, составляет величину ~10_10с, что много меньше времени жизни пиона 2.6 Ю~8с. Поэтому практически все остановившиеся пионы образуют пионные атомы, о существовании которых можно судить, например, по рентгеновскому излучению, сопровождающему их образование.

Довольно быстро в процессе девозбуждения радиус пионной орбиты становится меньше К-орбиты электрона. В результате пион оказывается в неэкранированном кулоновском поле ядра и до тех пор, пока ядерные эффекты пренебрежимо малы, физика пионного атома совпадает с физикой водородоподобной системы (физикой атома Бора). Модель Бора справедлива для пионных орбит с главным квантовым числом п, начиная с п0 = (тп/те)%^ 16 (где

тп - масса пиона, а те- �