Содержание
Введение 5
1 Вопросы методики эксперимента 13
1.1 Введение............................................. 13
1.2 Двухметровая пропановая пузырьковая камера ЛВЭ ОИЯИ ......................:............................. 13
1.3 Облучение 2м пропановой пузырьковой камеры 7г“-ме-зонами с импульсами 40 ГэВ/с............................. 15
1.4 Характеристики пучка 7г~-мезонов..................... 15
1.5 Просмотр стереофотоснимков и отбор событий........... 16
1.6 Измерение треков и определение кинематических параметров частиц в отобранных событиях.................... 19
1.7 Идентификация частиц................................. 22
1.8 Выделение многонуклонных 7Г~иС - взаимодействий . . 26
1.9 Облучение 2м пропановой пузырьковой камеры протонами, ядрами дейтерия, гелия и углерода при импульсах 4.2 А ГэВ/с.......................................... 27
1.10 Основные результаты................................. 33
2 Исследование свойств адрон-ядерных взаимодействий
с разной степенью разрушения ядра мишени. 37
2.1 Введение............................................ 37
2
2.2 Распределение событий в зависимости от множественности вторичных протонов................................. 38
2.3 Зависимость средних характеристик 7г~пС- взаимодействий от множественности протонов........................ 40
2.4 Характеристики тг“12С - взаимодействий с протонами, испущенными в заднюю полусферу........................... 49
2.5 Зависимость инклюзивных спектров протонов в 7Г-Невзаимодействиях от множественности идентифициро- • ванных протонов......................................... 54
2.6 Основные результаты............................................................ 56
3 Новый подход к исследованию процессов полного развала ядер в 7г~12С-взаимодействиях при импульсе 40
ГэВ/с. 59
3.1 Поиск и выработка критериев для выделения процессов
с полным развалом ядра мишени....................................................... 61
3.2 Вероятность наблюдения событий с полным развалом ядра мишени.............................................. 62
3.3 Свойства средних характеристик событий с полным развалом ядра-мишени..................................... 63
3.4 Свойства инклюзивных спектров вторичных частиц, испущенных в событиях с полным развалом ядра-мишени................................................... 65
3.5 Изучение эффекта лидирования........................................................ 66
3.6 Поиск аномалий в угловых распределениях проз онов в событиях с полным развалом ядра углерода................. 74
3.7..........................................Заключение................................4. 82
4 Исследование свойств адрон-ядерных взаимодействий
с кумулятивными частицами. 86
3
4.1 Введение........................................... 86
4.2 Исследование процессов испускания адронов в заднюю полусферу в лабораторной системе координат................ 87
4.3 Изучение процессов кумулятивного рождения адронов. 98
4.4 Исследование корреляций в кумулятивных событиях. . 105
4.5 Основные результаты...............................111
5 Исследование свойств ядро-ядерных взаимодействий
с разной степенью разрушения ядер. 115
5.1 Введение..........................................115
5.2 Исследование характеристик адрон-ядерных и ядро-
ядерны х взаимодействий в зависимости от множественности протонов..................................... 117
5.3 Исследование свойств взаимодействий ядер сі и 12С с ядрами тантала с разной степенью разрушения ядер
при импульсе 4,2 А ГэВ/с..........................132
5.4 Основные свойства характеристик событий с полным
развалом ядер углерода............................133
5.5 Изучение корреляционных явлений в событиях с полным развалом ядер.................................143
5.6 Связь центральности столкновений с процессом полного развала ядер...................................148
5.7 Заключение............................................155
Заключение 162
Литература 167
4
Введение
В начале 1970-го года в Лаборатории Высоких Энергий (ЛВЭ) Объединенного Института Ядерных Исследований (ОИЯИ) под руководством академика А.М. Балдина на синхрофазотроне были получены пучки релятивистских ядер. С этого времени в ОИЯИ начились систематические исследования в области релятивистской ядерной физики [1] и были получены первые результаты по ядерному кумулятивному эффекту [2].
В настоящее время для продолжения и расширения исследований в области физики релятивистских ядер в ЛВЭ введен в строй созданный на основе сверхпроводящих магнитов новый ускоритель Нукло-трон [3].
Пучки ультра-релятивистских ядер получены на ускорителях АСЯ-БНЛ (США) и ЯРБ-ЦЕРН (Щвецария) с энергиями 10,6 А ГэВ и 160 А ГэВ, соответственно. Проводятся работы по созданию ядерных коллайдеров ШПС-БНЛ (США) и ЬНС-ЦЕРН (Щвецария) на энергии в несколько ТэВ.
Одно из важнейших направлений исследований на существующих и строящихся ускорителях в области релятивистской ядерной физики является возможность получения ответа на вопрос о роли кварк-глюонных степеней свободы в ядерной материи [1] и о существовании нового состояния ядерной материи - кварк-глюонной плаз-
мы [4]. Считается, что для возникновения новых состояний ядерного вещества наилучшими условиями являются ядро-ядерные столкновения при релятивистских энергиях с максимальным количеством пуклонов-участников во взаимодействии, или события, характеризующиеся центральными столкновениями взаимодействующих ядер. Для выделения таких событий рассматривают либо ядро-ядерные реакции с максимальной множественностью вторичных протонов (и легких фрагментов), либо реакции с полным развалом ядер [5]-[16] или с минимальным потоком энергии вторичных частиц, вылетающих под углом ноль градусов в системе покоя мишени ( центральные столкновения ) [17]- [29]. В первом случае, в качестве меры разрушения ядер используется количество протонов (и лёгких фрагментов), образующихся при взаимодействии, а во втором - измеряется суммарная энергия вторичных частиц, образованных под углом ноль градусов.
В настоящее время в качестве основного триггера для выделения центральных столкновений используется именно условие минимальности потока энергии частиц под ” нулевым” углом. Однако эго условие может оказаться недостаточным для детектирования сигналов от новых состояний ядерного вещества. Поэтому для наблюдения этих сигналов необходимо использовать дополнительные условия. Такие условия, по нашему мнению, можно получить при исследовании процессов полного развала ядер во взаимодействиях релятивистских ядер [5]-[16]. В этой связи, одной из основных задач настоящей диссертационной работы является всестороннее экспериментальное исследование свойств реакций с полным развалом ядра углерода и установление связи этих реакций с другими процессами.
Изучение процессов полного разрушения ядер было начато профессором К.Д. Толстовым и его группой в ЛВЭ ОИЯИ с помощью
6
методики ядерных фотоэмульсий [5].
Интерес к таким процессам связан со следующим:
1. Эти реакции относятся к случаям максимального возбуждения ядра с участием большого число внутриядерных нуклонов, когда могут ’’раскрыться'’ многие степени свободы ядерно го вещества, в том числе, и не нуклонные. В этих процессах могут проявляться коллективные свойства ядерной материи, а при больших плотностях - возможны проявления таких эффектов нового состояния адронной материи, как кварк-глюонная плазма и генерация ядерных ударных волн.
2. Результаты исследования свойств процессов полного разрушения ядер при высоких энергиях могут быть использованы при создании модели деконфаймента адронной материи при ультра-релятивистских энергиях.
3. Процессы полного разрушения тяжелых ядер могут быть мощным источником нейтронов, необходимых для экспериментов, проводимых с целью создания электроядерных энергетических установок.
Наилучшим условием для изучения реакций с полным развалом ядер являются экспериментальные установки с 4п геометрией. Такие условия достигаются при использовании ядерной фотоэмульсии, пузырьковых камер или стримерных искровых камер. С помощью этих установок уже получен большой объем экспериментального материала как о множественности вторичных частиц, так и о разного рода корреляциях между ними. Однако эти приборы не позволяют достичь необходимых точностей в идентификации частиц и измерений их кинематических параметров, а также получить статистический материал, достаточный для однозначной интерпретации событий. Создаваемые в настоящее время электронные установки с почти 4тг геометрией измерения, такие как ’’ALICE” [30] на пучках LHC, ’’STAR” [31] на пучках RHIC, ’’СФЕРА” [32] на пучках Нуклотрона позволят по-
7
лучать информацию о множественных процессах с гораздо более высокой точностью идентификации и измерения кинематических характеристик частиц при достаточно большом объеме статистического материала. А это приведет к реальной возможности получения и анализа наиболее полной информации о свойствах отдельных событий.
Исследование процессов полного развала ядер в экспериментах с ядрами фотоэмульсии [5]-[12] привело к следующим заключениям:
- в этих процессах ядра преимущественно распадаются на отдельные нуклоны ;
- вероятность полного развала ядер (1-5 %) не зависит от энергии налетающего объекта, вплоть до 60 ГэВ [12] и растет с увеличением массы снаряда (для взаимодействия 7г-мезонов эта вероятность составляет величину порядка 1-2 %, для протонов - 3-5 % а для взаимодействий легких ядер - 10-20 %);
- основные характеристики вторичных частиц, в событиях с полным развалом ядра мишени и в ’’обычных” событиях, практически совпадают;
- экспериментальные данные по полному развалу ядер не согласуются с данными расчета по каскадно-испарительной модели.
Делается также вывод о том, что взаимодействия с полным развалом ядра-мишени, по-видимому, являются событиями, находящимися на ” хвосте” распределения по числу зарегистрированных фрагментов ядра мишени, и не требуют каких-либо предположений об их особом механизме.
На наш взгляд, указанные выше выводы, в значительной мере, связаны с методическими трудностями фотоэмульсиопных экспериментов, не позволяющими увидеть полную картину этих процессов. Действительно, фотоэмульсионные эксперименты при изучении процессов полного развала ядер имеют следующие особенности:
8
1. Для выделения событий с полным развалом тяжелых ядер используется условие
где ^-множественность сильноионизирующих частиц. Так как средний заряд Z ядер фотоэмульсии ~ 41 то условию (0.1) соответствует
Этот критерий не учитывает числа быстрых фрагментов ядер, не дающих сильной ионизации и нейтронов.
2. Практически не определяются энергетические характеристики вторичных частиц.
3. Статистический материал, как правило, не превышает нескольких, сот событий, а процессы с полным развалом ядер составляют малую долю событий.
4. В ядро-ядерных столкновениях критерий (0.2) неприменим к определению вероятности развала конкретного ядра из-за отсутствия информации о причастности продуктов фрагментации к налетающему ядру или ядру-мишени.
Исходя из всего сказанного выше, а также учитывая научную и практическую важность реакций с полным развалом ядра мы начали изучать эти процессы в новом подходе. Этот новый подход заключается в следующем:
а) в расширении методических возможностей эксперимента. Как отмечалось в главе 1, мы используем экспериментальный материал, полученный при обработке стереофотоснимков с 2-х метровой пропа,-новой пузырьковой камеры ЛВЭ ОИЯИ. Конструктивные особенности пузырьковой камеры и условия проведения эксперимента позволяют в условиях 47г-геометрии регистрировать практически все вто-
Мк > 2/32’,
(0.1)
> 28.
(0.2)
9
ричные частицы и определять их энергетические характеристики и заряды. Используя методику, описанную в § 1.8 (которая была предложена проф. В.Г. Гришиным) мы также определяем множественность всех вторичных протонов испущенных в событии. Отметим, что применение камерной методики и определение множественности всех протонов для изучения процессов полного развала ядер делается впервые.
б) в разработке нового критерия отбора реакций с полным развалом ядра-мишени. Он основан на том, что когда число испущенных во время сталкновения ядер протонов (Я) достигает некоторого критического значения <3*, то происходит смена режима в поведении свойств основных характеристик вторичных частиц в зависимости от Я• Предполагается, что эта смена режима соответствует переходу от основного состояния к качественно новому состоянию ядерной материи, характерной чертой которого является пошлый развал ядер. При этом в качестве нового критерия отбора реакций с полным развалом ядер предлагается использовать условие
Я > <3*. (0.3)
Экспериментально новый подход к анализу реакций полного развала ядер реализуется путем изучения поведения разных характеристик вторичных частиц, испущенных в ядро-ядерных взаимодействиях в зависимости от степени разрушения ядер. В качестве меры степени разрушения используется величина Я. Результаты, приведенные в наших работах [33]-[39], подтверждают основное предположение о существовании некоторого граничного значения Я* ? ПРИ превышении которого происходит полный развал ядер. В фотоэмульсионной работе [29] были представлены экспериментальные данные о зависимости средней множественности релятивистских заряженных частиц от
10
суммарного заряда фрагментов ядра-снаряда в 2SSi\l^ + Ет (при 14,6 А ГэБ) и Зг + Ет (при 3.7 А ГэВ)-взаимодействий. В этой работе наблюдалась смена режима в поведениях средних множественностей вторичных частиц в зависимости от значений величины суммарного заряда фрагментов ядра-снаряда при переходе из области больших значений величины суммарного заряда в область малых значений (т.е. в область центральных столкновений). Мы полагаем, что при наших энергиях подобная смена режимов может быть связана с проявлением ненуклонных и кварковых состояний.
Исследования, описанные в диссертации начаты с анализа взаимодействий тг- мезонов с ядрами углерода, которые дают уникальную возможность для формулировки критериев выделения реакций с полным развалом ядер и для изучения свойств их характеристик, поскольку налетающий адрон - снаряд не имеет барионного заряда и все зарегистрированные в событии протоны являются только нуклонами ядра-мишени.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Первая глава посвящена вопросам методики эксперимента.
Во второй главе приведены результаты анализа данных по 7Г~12С взаимодействий (при 40 ГэВ/с) в зависимости от множественности вторичных протонов с импульсами меньше 1,0 ГэВ/с (А/р) и от множественности протонов испущенных в заднюю полусферу.
В третьей главе приведены результаты выработки критериев для отбора реакций с полным развалом ядра-мишени. Для этой цели использовались данные по 7г~12С-взаимодействий при Рх- = 40 ГэВ/с. В результате предложен новый подход к проблеме отбора и исследованию реакций с полным развалом ядер.
В четвертой главе приведены экспериментальные результаты изучения свойств кумулятивного эффекта и его связи с процессами
11
полного развала ядра мишени.
Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию характеристик ядро-ядерных взаимодействий с разными степенями разрушения ядер. Разработан и применен новый критерий для отбора событий с полным развалом ядер. При анализе событий с разной степенью разрушения ядер и с полным разрушением ядер получены новые экспериментальные результаты о вероятностях наблюдения событий с разной степенью разрушения ядер, об инклюзивных спектрах и средних характеристиках вторичных частиц и о корреляционных явлениях.
В заключении дается краткая формулировка основных результатов исследований, описанных в диссертации.
По материалам диссертации опубликовано 28 работ [16],[33]-[59].
12
Глава 1
Вопросы методики эксперимента
1.1 Введение
Экспериментальный материал, использованный в настоящей диссертации, получен после обработки стереофотоснимков с двухметровой пропановой пузырьковой камеры ТНК-500 ЛВЭ ОИЯИ [60]. Камера ТИК-500 облучалась пучком 7г_-мезонов, протонов и с/, АНе и 12С ядрами. В таблице 1.1 приведены основные данные об этих облучениях ( в число тг ~12 С7-взаимодействий не включено число квазисвободных взаимодействий на нуклонах углерода).
Ниже будут рассмотрены методические вопросы экспериментов на примере 7Г
-ПС_
взаимодействий и особенности обработки рС-, (1С- , АНеС- и ^СС-взаимодействий.
1.2 Двухметровая пропановая пузырьковая камера ЛВЭ ОИЯИ
Корпус камеры был сделан из немагнитного материала и имел длину 215 см, ширину 65 см и глубину 43 см, объем рабочей области 500 л. В верхней части рабочий объем был ограничен двумя прозрачными пластинами из оптического стекла К-8 размерами 96x65x15,1 см3
13
Таблица 1.1:
Тип взаимодействия Импульс пучка в А ГэВ/с Источник пучка Год начало Стат- истика
тг~12С 40.0 Серпуховской ускоритель У-70 1972 8791
рС 4.2 Синхрофазатрон ЛВЭ ОИЯИ 1978 8130
йС 4.2 6945
4НеС 4.2 77 11248
12сс 4.2 77 20407
с{Та 4.2 » 77 1475
СТа 4.2 » 77 1989
каждая. Рабочий объем камеры заполнялся жидким пропаном (С\Н$) с плотностью 0,43 г/см3. Камера распологался в межполюсном промежутке электромагнита СП-41. Главная составляющая магнитного поля (Нг) была вертикальной и ее среднее значение составляло 15,5 кГс [61]. Подсветка пузырьков треков заряженных частиц осуществлялась электролампами фотовспышки. Фотографирование треков производилось двумя трехобъективными стереофотокамерами [62], которые распологались над каждой из пластин ТПК-500, через отверстия-колодцы в верхнем блоке магнита. Оптические оси объективов были параллельны друг другу и перпендикулярны пластинам камеры. Первую половину камеры фотографировали объективы 1, 2 (основные) и 3 (дополнительный), а вторую - 5, 6 (основные) и 4 (дополнительный). Для снятия части нагрузки со стеклянных пластин камеры в пространство колодцев подавался сжатый газ (СО2 и N2) под давлением 15 атмосфер. Верхние части колодцев были закрыты двумя
14
стальными плитами с тремя стеклянными (толщиной 4см) окнами в каждой плите.
Система координат ТПК-500 показана на рис. 1.1. Для определения оптических констант и проведения измерений имелись ”внешние” и ”внутренние” реперные кресты.
пучок
Рис. 1.1: Система координат ТПК-500 ( угол (3 отсчитывается в плоскости ХУ от оси X, угол а- от проекции трека на плоскости ХУ до трека по часовой стрелки)
Оптическая система камеры рассчитана па 50 мм пленку.
1.3 Облучение 2м пропановой пузырьковой камеры 7Г "-мезонами с импульсами 40 ГэВ/с .
В 1972 году ТПК-500 была облучена пучками 7г“-мезонов с Р7Г-=40 ГэВ/с на ускорителе ИФВЭ (Серпухов), а в 1978 году пучками р, d, 4Не и
12С
с импульсами 4,2 А ГэВ/с на Синхрофазотроне ЛВЭ
(Дубна).
1.4 Характеристики пучка 7г~-мезонов.
ТПК-500 была установлена на выведенном из ускорителя пучке 7г—-мезонов с Р7Г~=40,00±0,24 ГэВ/с. Размер пучка 4x2 см2. Угловой разброс частиц в пучке составлял 8/3 = 0,6 мрад, 8 tan а = 5 10"4 [63].
15
- Київ+380960830922