Оглавление
Введение 4
1 Фоторождение мезонов на лёгких ядрах в области нук-лонных резонансов 7
1.1 Полное сечение фотопоглощения.......................... 9
1.1.1 Фото рождение 7Г-мезонов........................ 10
1.1.2 Фоторождение пар 7Г7Г........................... 13
1.1.3 Полное сечение фотопоглощения на протоне ... 17
1.2 Фоторождение 7/-мезонов в лёгких ядрах.................20
1.2.1 Фоторождение 7/-мезонов на протоне и нейтроне . 20
1.2.2 7/-МЄЗОИ в физике мезонных ядер..................25
2 Установка 34
2.1 ESRF ..................................................34
2.2 Пучок 7-квантов........................................34
2.2.1 Кинематика обратного комитоновского рассеяния 34
2.2.2 Получение пучка 7-квантов..............Г.........36
2.2.3 Измерение энергии 7-квантов......................38
2.2.4 Монитор пучка 7-кват'ов..........................41
2.3 Мишень.................................................42
2.4 Детектор LAGRAN7E......................................44
2.4.1 Плоские пропорциональные камеры..................46
2.4.2 Двойная стена из пластиковых сцинтилляторов . 46
2.4.3 Детектор ливней..................................47
2.4.4 Цилиндрические пропорциональные камеры ... 48
2.4.5 Цилиндричекий детектор из тонкого пластикового сцинтиллятора («Barrel») ............................49
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
2.4.6 ВвО-калориметр.................................49
2.4.7 Вето детектор..................................50
2.5 Система сбора данных..................................50
2.5.1 Общее описание.................................50
2.5.2 Формирование триггеров записи событий..........51
2.6 Организация анализа данных............................53
2.6.1 Экспериментальные данные.......................54
2.6.2 Моделирование..................................55
3 Алгоритмы анализа экспериментальных данных и результаты измерений 57
3.1 Общие определения ....................................57
3.1.1 Вычисление сечений парциальных каналов .... 57
3.1.2 Вычисление эффективности регистрации реак-
ции и её применение к экспериментальным данным 58
3.2 Фоторождение мезонов на водородной мишени.............60
3.2.1 Отбор событий и идентификация каналов..........60
3.2.2 Эффективность регистрации......................71
3.2.3 Вычисление полных сечений парциальных каналов 71
3.3 Вычисление полного сечения фотопоглощения на протоне 72
3.3.1 Фоновые условия................................72
3.3.2 Эффективность регистрации......................78
3.3.3 Результаты измерений...........................78
4 Корреляционный метод исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядерным веществом 82
4.1 Условия применимости и алгоритм отбора................84
4.2 Взаимодействие 7/-мезонов с внутриядерными нуклонами 89
Заключение 93
3
Введение
Целью настоящей диссертационной работы является получение новых данных о процессах фоторождения 7г и г) мезонов на лёгких ядрах в области нуклонных резонансов при энергии 7-квантов 600—1500 МэВ. Работа выполнена на установке СЯААЬ, расположенной в Европейском Центре Синхротронного Излучения (Е811Е). Для получения пучка 7-квантов используется метод обратного комптоновского рассеяния. Благодаря этому методу пучок 7-кваитов обладает достаточно высокой энергией и интенсивностью, низким уровнем фона и высокой степенью поляризации. Детектор ЬАСИА^Е установки СПААЬ, разработанный для таких исследований, имеет большой телесный угол 3.8тг) и высокую эффективность регистрации продуктов реакций, что позволяет качественно проводить исследования фоторождения мезонов.
Изучение процессов фоторождения мезонов является одним из инструментов в исследовании взаимодействия фотонов с ядрами и структуры нуклона. Полное сечение фотопоглощения на нуклоне имеет резонансную структуру, которая свидетельствует о наличии возбуждённых состояний нуклона (нуклонных резонансов). Знание свойств нуклонных резонансов является ключом к пониманию структуры самого нуклона. Испускание мезонов является основным каналом перехода нуклона из возбуждённого состояния в основное. Характерное время протекания таких процессов составляет ~ 10' 21 сек (сильное взаимодействие), что соответствует неопределённости в наблюдаемой энергии возбуждения около нескольких 100 МэВ. При этом различие в массе разных нуклонных резонансов может составлять ~ 10 МэВ, что приво-
4
дит к сильному перекрытию в наблюдаемом энергетическом спектре. Фоторождение мезонов может происходить и без возбуждения нуклон-ных резонансов (например, через обмен векторными мезонами), что вносит дополнительный нерезонансный фон в наблюдаемые. Реально из всего экспериментально наблюдаемого спектра полного сечения взаимодействия 7-кванта со свободным нуклоном может быть выделен только один максимум, который соответствует наиболее низколежа-щему возбуждённому состоянию. Изучение различных парциальных каналов фоторождения мезонов позволяет выявить резонансы, которые из-за сильного перекрытия и нерезонансного фона не могут быть выделены в полном инклюзивном сечении. Однако именно изучение полного сечения фотопоглощения может ответить на ряд вопросов, которые возникли в физике фотоядерных реакций за последнее время. Это, например, изменение формы кривой фотопоглощения с ростом атомного номера для легких ядер и различие в интегральных сечениях фотопоглощения для легких и тяжелых ядер в области Д-резонанса.
Отдельный интерес для изучения процесса фотопоглощения на тяжёлых ядрах представляет измерение полного сечения фотопоглощения методом вычитания фона от пустой мишени. Это в основном обусловлено тем, что для тяжёлых ядер задача измерения сечений всех парциальных каналов, которые дают значимый вклад в полное сечение, трудновыполнима. Однако метод вычитания фона от пустой мишени требует точно оценить фоновые условия. Этому вопросу в данной работе уделено особое внимание.
В данной работе изучается процесс фотопоглощения на водородной мишени. Рассмотрены реакции 7р —» 7Г+п, 7р —> 7Г°р, 7р —> рр, 7р —► 7ГЧ'7Г~р, 7р —* 7Г°7Г°р и 7р —> 7Г4 7г°п. Эти шесть каналов в диапазоне энергий 7-квантов 600-^1500 МэВ дают основной вклад в полное сечение фотопоглощения.
Отдельный интерес представляет изучение канала фоторождения 77-мезона. Согласно теоретическим расчётам, в случае малой кинетической энергии 77-мезона потенциал его взаимодействия с ядром имеет
5
характер притяжения, что говорит о возможности образования связанного состояния. Однако отсутствие пучков г)-мезонов делает изучение данного эффекта крайне трудной задачей. В настоящей работе предложен новый корреляционный метод изучения взаимодействия нестабильных мезонов с ядерным веществом. Этот метод интересен тем, что позволяет идентифицировать тип родившегося мезона по нуклону отдачи. Таким образом, появляется возможность изучать продукты взаимодействия мезона с ядерным веществом, не регистрируя его в конечном состоянии.
Задачи данной работы состоят в:
1. разработке алгоритмов и программ анализа экспериментальных данных установки СЯААЬ по фоторождению 7г- и 77-мезонов на протоне и дейтроне,
2. изучении фоновых условий эксперимента С11ААЬ с целью разработки метода измерения полного сечения фотопоглощения путем вычитания фона от пустой мишени,
3. разработке и аппробировании на экспериментальных и моделированных данных нового корреляционного метода исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядрами,
4. вычислении полного сечения фотопоглощения на протоне в области энергий гамма-квантов от 600 до 1500 МэВ двумя альтернативными методами: вычитанием фона от пустой мишени и суммированием парциальных сечений,
5. исследовании продуктов упругого и неупругого взаимодействия 77-мезонов с легкими ядрами на примере дейтериевой мишени и мишени из майлара.
6
Глава 1 Фоторождение мезонов на лёгких ядрах в области нуклонных резонансов
Согласно стандартной модели, нуклон представляет собой систему со многими внутренними степенями свободы. Составными частями этой системы являются кварки и глюоны, которые связаны в нуклоне сильным взаимодействием. Теория, описывающая данное взаимодействие — квантовая хромодинамика — предполагает введение константы связи сильного взаимодействия, которая зависит от переданного импульса. Причём, чем меньше переданный импульс, тем больше константа связи. В области переданных импульсов (расстояний) характерных для нуклона (в иепертурбативной области) константа связи сильного взаимодействия > 1 и методы теории возмущений не применимы, а иных регулярных методов, позволяющих получить непертур-бативные результаты, не существует. На данный момент существует ряд альтернативных моделей нуклона [30], задачей которых является выявление эффективных степеней свободы нуклона, позволяющих описать спектр его возбуждённых состояний, однако больших успехов на данный момент нет.
Указанные проблемы являются причиной тот, что изучение спектра возбуждён и ых состояний нуклона остаётся актуальной темой многих экспериментальных и 'теоретических исследований. Одним из ин-
7
струментов таких исследований является фоторождение мезонов. Обзор современного состояния в этой области дан в работе [67]. В настоящий момент не существует моделей адронов, которые способны предсказать экспериментально наблюдаемые величины: сечения, асимметрии. степени поляризации и т.д. Базирующиеся на квантовой хромодинамике, существующие модели адронов используются для предсказания их спектра и свойств: масс, Г-ширин, спиральных амплитуд Л1/2, Л3/2 и т.д. Связь между величинами, наблюдаемыми в эксперименте, и предсказанными свойствами адронов осуществляется посредством мультипольного анализа, дополняемого, как правило, различными моделями реакций.
Другой причиной большого значения экспериментов с фоторождением мезонов является поиск новых возбужденных состояний нуклона, а так же связанных состояний нуклона и мезона. Отдельный интерес представляет поиск так называемого эта-мезонного ядра. Это связанное состояние 77-мезона, родившегося в ядериой реакции с одним из нуклонов ядра. В §4 будет предложен метод, позволяющий изучать подобные явления при помощи фотоядерного эксперимента.
Доминирующими каналами распада нуклонных резонансов являются каналы с образованием 7г или 7/, как наиболее лёгких из мезонов. Эти каналы дают основной вклад в полное сечение фотопоглощения в рассматриваемом диапазоне энергий. С другой стороны, распады более тяжёлых мезонов, таких, как р и а;, так же сопровождаются образованием 7Г или 77, поэтому изучение фоторождения этих двух наиболее лёгких мезонов остаётся основным инструментом в изучении структуры нуклона. Детальное теоретическое описание реакций 'уМ —> 7Г./У, 7ЛГ —> 77и —> 7Г7ГN может быть найдено в работах [37], [31] и
[45] соответственно. В данной работе, в §1.1 будет дан краткий обзор существующих данных по полному сечению фотопоглощения и по парциальным каналам с образованием 7г- или 77-мезонов. Обзор существующих данных по фоторождению 77-мезона на лёгких ядрах будет сделан в §1.2.
8
- Київ+380960830922