Исследование характеристик продуктов реакции p+40/Ar при энергии I ГэВ

После запуска в начале 70-х годов ускорителей тяжелых ионов релятивистских энергий в Дубне (СССР) и Беркли (США) значительно возросло число работ, посвященных изучению сложных ядерных реакций, вызываемых налетающими частицами с энергиями в диапазоне от сотен МэВ до ^ 5 ГэВ на нуклон. Основные надежды в изучении подобных процессов, помимо получения информации научно-практического характера, связывались с возможностью наблюдения ядерного вещества в состоянии, резко отличающемся от нормального. Речь идет о поиске сверхплотной ядерной материи, ударных волн, кварко-вого вещества и т. п. эффектов. Полученные за это время результаты показали, что для правильного понимания процесса взаимодействия ядер с ядрами необходимо знать простейший процесс: процесс взаимодействия с ядром нуклона, летящего с той же скоростью /I/.

Основная масса известных к настоящему времени данных о процессах взаимодействия адронов и ядер с ядрами получена в инклюзивных экспериментах. Они незаменимы на первых порах и позволяют установить фазовый объем процесса — оценить фон. В то же время изучение инклюзивных характеристик продуктов не слишком приблизило нас к пониманию динамики процесса, к познанию уравнения состояния ядерного вещества при условиях, далеких от обычных. Для этого нужна обязательная регистрация как можно большего числа продуктов взаимодействия с тем, чтобы по изучению их корреляционных характеристик раскрыть временную диаграмму протекания таких сложных ядерных реакций. В частности, изучение характеристик взаимо* * действий с быстрыми Лмезонами и К-мезонами может дать информацию о наиболее плотной и нагретой материи, так как в силу малости сечения взаимодействия эти частицы с большой вероятностью покинут нагретую область без взаимодействия. Существенная роль в проводимых исследованиях отводится выявлению значимости коллективных степеней свободы. Изучается вопрос о применимости гидродинамического подхода к описанию таких реакций. В ряде работ (см. обзор /2/) были получены серьезные доказательства существования коллективного движения материи в столкновениях ядер с ядрами. Выявление роли коллективных взаимодействий нуклонов налетающего иона с ядрами мишени возможно, очевидно, при постепенном увеличении массы налетающего иона. При этом получение данных по протонной и нейтронной бомбардировке ядер должно являться первым шагом на этом пути. Подобная программа исследований осуществляется рядом экспериментальных групп /3,4/.

Элементарные взаимодействия при промежуточных энергиях налетающих нуклонов характеризуются наличием открытых неупругих каналов. Сечение мезонообразования быстра растёт при увеличении энергии налетающих частиц. По мере дальнейшего роста энергии начинают открываться новые каналы рождения частиц. Данное обстоятельство затрудняет теоретическую интерпретацию процесса, т.к. приходиться учитывать моды распадов различных нестабильных продуктов, чтобы описать наблюдаемый спектр адронов /5/. При энергиях налетающих протонов .?I ГэВ открыт практически только канал одиночного мезонообразования. Этот факт в значительной мере облегчает теоретическую интерпретацию процесса и делает возможным выяснение ролимезонов в ядерных реакциях. В работе М. М. Нестерова и Н. А. Тарасова /6/ развивается метод описания реакций протонов и мезонов средних энергий с ядрами. Авторам удалось с точностью 20% вычислить сечения различных неупругих процессов. Такая же степень согласия с экспериментальными данными может быть достигнута и в расчетах по модели внутриядерного каскада при введении в расчет распространения в ядре изобары, что эффективно приводит к увеличению длины свободного пробега 5Г-мезона в ядре.

Учёт рождения 5Г-мезонов должен сопровождаться и учетом их поглощения в ядре. Оказалось, что данный процесс важен для понимания природы быстрых нуклонов, вылетающих в заднюю полусферу /7/;

— 9/. В работе /10/ было показано, что взаимодействие ХЛмезонов с ядром важно также для понимания процессов, называемых реакциями глубокого расщепления. В реакциях с потерей нуклонов АА<10 роль.

Г-мезонов оказалась незначительной, а для ДА>15 их рольопределяющая. Основываясь на этом факте, в работе /II/ была сделана оценка роли мезонного механизма передачи ядру энергии в реакциях фрагментации. Дело в том, что реакции фрагментации сопроволща-ются увеличением множественности нуклонов, вылетающих из ядра/12/.

ОА.

Авторам работы /II/ удалось неплохо описать выходы На из Аи в широком диапазоне энергий налетающих протонов.

Информация о значимости канала поглощения згмезонов в процессе передачи ядру энергии возбуждения может быть получена и при изучении взаимодействия антипротонов с ядрами. В работе /13/ исследовались продукты взаимодействий антипротонов с импульсом 1.4 ГэВ/с с тяжелыми ядрами эмульсии. В среднем, в подобных взаимодействиях вылетает около I релятивистской частицы (главным образом это пионы). С другой стороны, из данных /14/ следует, что, в среднем, в ри взаимодействии образуется три заряженных мезона. Можно, таким образом, сделать вывод, что два из них поглощаются ядром, приводя к большей энергии возбуздения. Действительно, распределение взаимодействий по числу сильноионизирующих треков, полученное в /13/, значительно сдвинуто в сторону больших п^ относительно результатов работы Локка /15/.

В свете вышесказанного понятен интерес, который в последнее время привлекает вопрос о механизме поглощения мезонов. В работе /16/ была подчеркнута важность каскадов, развиваемых в ядре нукг— лонами, поглотившимимезон. Оказалось, что продукты такого каскадного процесса формируют спектры нуклонов с энергиями до 120 МэВ, наблюдавшиеся при поглощении 5Г-мезонов атомными ядрами. Подобные продукты будут, несомненно, давать значительный вклад в формирование спектров нуклонов и легчайших фрагментов в реакциях быстрых адронов с ядрами. Рассматривая этот вопрос, мы снова приходим к важности проведения корреляционных экспериментов. Например, регистрация быстрых (Т~50*90 МэВ) нуклонов в совпадениях с медленными продуктами (Т~5*20 МэВ) позволила бы сделать определенные выводы о числе перерассеяний нуклонов в ядре в процессе развития каскадного процесса. 0 том, что такие перерассеяния важны, свидетельствуют данные работы /17/. При исследовании поглощения остановившихся 5″ -мезонов атомными ядрами было показано, что только 10 $ протонов с энергиями от 25 до 85 МэВ не испытывает перерассеяний после поглощениямезона ядром .

Третий момент, который хотелось бы отметить, — это практическое отсутствие данных по эксклюзивным экспериментам при энергии налетающих протонов в районе I ГэВ. Многочастичные расщепления ядер эмульсии протонами энергии 950 МэВ исследовались в работах В. Локка с сотрудниками /15,18/, а при энергии бомбардирующих протонов 2.2 ГэВ выполнены исследования /19,20/. Следует при этом помнить, что ядерная эмульсия — мишень сложного состава. Основная масса данных о взаимодействиях протонов с ядрами, полученных на синхроциклотроне ЛИЯФ (Тр=1 ГэВ), касается одночастичных (инклюзивных) распределений. Корреляции между медленными протонами и ядрами гелия — с одной стороны, и мгновенными /-квантами — с другой, исследовались в работе /10/. Отметим, что число работ по глубоконеупругим ядерным реакциям, выполненных при больших энергиях, значительно выше. Это связано с надеждами на выявление кварковых степеней свободы в подобных процессах /21/. Кроме того, значительное число работ при энергиях налетающих протонов от 3 до 10 ГэВ посвящено вопросам физики образующихся релятивистских частиц /22/.

Работы по изучению изотопно чистых ядер были начаты в отделе РФВЭ ЛИЯФ им. Б. П. Константинова АН СССР после запуска на пучке синхроциклотрона гибридной газожидкостной камеры. Первые результаты эксперимента и возможность изучения на данной установке сложных ядерных реакций были показаны в наших предыдущих публикациях /23,24/. Данная работа является продолжением этих исследований. При её постановке мы исходили из следующих отправных моментов: а) малого числа данных по эксклюзивным экспериментам при энергии налетающих протонов в районе I ГэВб) удобства этой энергии с точки зрения возможности корректного учета рождения и поглощения ^Л*-мезонов в ядре и отсутствия других рожденных частицв) несомненной необходимости получения и анализа эксклюзивных данных по нуклон-ядерным взаимодействиям для понимания и выделения коллективных степеней свободы в столкновениях ядер с ядрами.

Целью данной работы является изучение корреляционных зависимостей между быстрыми и медленными продуктами реакции. Мы полагаем, что подобное исследование может способствовать углублению наших представлений о механизме сложных ядерных реакций. Экспериментальный материал, при обработке которого получена основная часть приводимых в диссертации результатов, составляют ~1000 взаимодействий протонов энергии I ГэВ с ядрами. Эти взаимодействия, в отличии от материала, опубликованного в /24/, фиксировались тремя фотоаппаратами. Наличие информации о третьей проекции позволило существенно снизить число треков, восстановление которых было невозможно, и уменьшило ошибку в определении параметров частиц. Это позволило приступить к последовательному анализу взаимодействий с целью выявления корреляций между продуктами реакции.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментальной обработки расщеплений ядер протонами энергии I ГэВ.

2. Метод оценки вклада частиц тяжелее протона в состав однозарядных продуктов расщепления.

3. Результаты анализа характеристик быстрых и медленных продуктов взаимодействий: их множественность, корреляционные связи мевду этими продуктами, выделение равновесной компоненты в спектре медленных протонов, соответствие рассмотренных характеристик следствиям модели, в которой образование кумулятивных нуклонов связывается с поглощением 5Г-мезонов нуклонной парой в ядре.

Работа построена следующим образом. В первой главе дается описание методики эксперимента. Показана точность, достигаемая при измерении параметров треков частиц в гибридной камере. Отдельный параграф посвящен выделению дейтонов из однозарядных продуктов многочастичных расщеплений. Во второй главе приводятся такие общие характеристики процесса как сечение неупругого взаимодействия, множественность продуктов реакции. В последнем разделе этой главы устанавливаются корреляционные связи меящу множественностя-ми различных продуктов. В третьей главе работы рассматриваются характеристики медленных (Р²⁵⁰ МэВ/с) продуктов. Показано, что только протоны с импульсами Р^.120 МэВ/с могут считаться испускаемыми на равновесной стадии процесса. Обнаружена независимость характеристик системы, испускающей медленные протоны от величины прицельного параметра взаимодействия. В последней главе диссертации исследуются характеристики продуктов расщеплений, в которых испускаются быстрые (Р>250 МэВ/с) протоны в заднюю полусферу (кумулятивные протоны). Изучение различных корреляционных характеристик, связывающих кумулятивные протоны и другие продукты сложных ядерных реакций, показало, что полученные данные качественно описываются в модели, в которой образование кумулятивных нуклонов связывается с поглощением мезонов нуклонной парой в ядре. Обращено внимание на роль каскада, вызываемого вторым нуклоном пары. В последнем разделе работы перечислены основные её результаты.

Основные результаты работы могут быть суммированы следующим образом:

1. Проведена обработка экспериментального материала по взаимодействиям протонов энергии I ГэВ с ядрами. Создан комплекс программ для хранения и отображения информации о расщеплениях.

Исследована точность работы программы геометрического восстановления. Точность определения импульсов в программе не хуже 12%. Углы определяются с точностью I%. Координаты X и Y вершины взаимодействия определяются с точностью 100 мкм, а Z-координата с точностью 500 мкм.

Фотометрическим методом из однозарядных продуктов многочастичных расщеплений ядер^Аг выделены дейтоны. Их число составляет 11% числа протонов, а угловое и энергетическое распределения удовлетворительно описываются в модели каскада с последующим испарением.

2. Определены основные характеристики процесса неупругого взаимодействия протонов энергии I ГэВ с ядрами .

Сечение неупругого взаимодействия равно 570*70 мб. Оценен вклад систематических ошибок в величину погрешности. Полученная величина сечения разумно согласуется с известными экспериментальными данными и теоретическими оценками.

Показано, что распределение взаимодействий по множественности заряженных продуктов не обнаруживает максимума, предсказываемого каскадной моделью для п= 2. Этот результат косвенно подтверждается данными электронических экспериментов.

Определены средние множественности продуктов реакции: полная nfcot = 4.84*0.17, множественность частиц, аналогичных релятивистским продуктам в эмульсии ng = 0.54*0.03, серых частиц — 1.72* ±0.05, аналогов черных эмульсионных треков — 2.58*0.07. Полная множественность складывается из 4.17*0.15 частиц протонной группы, 0.28*0.02 частиц гелиевой группы, 0.32*0.02 5Гмезонов и 0.07*0.01 5Г" - мезонов.

Получены распределения по множественности продуктов различного типа.

Показано, что известные при больших энергиях корреляционные зависимости между множественностью различных сильноионизирующих частиц выполняются и для продуктов взаимодействия протонов энергии I ГэВ с ядрами^Аг. Анализ значений коэффициента пропорциональности позволяет сделать вывод о постоянстве механизма перераспределения энергии между быстрой и медленной стадиями процесса в широком диапазоне энергий налетающих протонов и масс ядер-мишеней.

3. При исследовании характеристик медленных частиц, аналогичных по своей ионизационной способности черным эмульсионным трекам, были установлены следующие факты:

Значительную часть медленных протонов (Рр<250 МэВ/с) составляют частицы, испускаемые на прямой, каскадной стадии процесса. Низкоэнергетичная группа (Р^ 120 МэВ/с) этих протонов испускается изотропно в системе, движущейся по направлению движения падающего пучка протонов с той же скоростью (р0 = 0.008*0.002 с), что и система, испускающая оСчастицы.

Независимость характеристик системы, испускающей медленные продукты, от начального состояния реакции и увеличение числа медленных частиц при уменьшении прицельного параметра взаимодействия могут служить указанием на роль неупругих каналов в процессе накопления в ядре энергии возбулщения.

Сравнение результатов настоящего эксперимента с расчетами по модели модифицированного внутриядерного каскада показывает, что эта модель, в целом, правильно описывает полученные данные.

4. При рассмотрении характеристик взаимодействий, сопровождаемых испусканием быстрых протонов в заднюю полусферу, были получены следующие результаты;

Сечение испускания протонов с импульсом Рр^-250 МэВ/с оказалось равным 170*30 мб. Проведено сравнение данного результата с оценками выходов кумулятивных протонов, полученных на основании результатов электронических и камерных экспериментов. Сечение растет с ростом атомного веса ядра-мишени как И. Полученное значение показателя Л±-= 0.72*0.14 совпадает со значением показателя, описывающего А-эависимость полных неупругих сечений.

Показано, что распределение глубоконеупругих взаимодействий по множественности быстрых продуктов отвечает предположению о независимом образовании этих частиц.

Исследованы различные корреляционные зависимости между продуктами расщеплений с кумулятивными протонами. В том числе — множественности кумулятивных продуктов во взаимодействиях, сопровождаемых и не сопровождаемых испусканием заряженных мезонов, зависимости средних множественностей быстрых и медленных продуктов реакции от числа как кумулятивных протонов, так и числа быстрых протонов, испускаемых в переднюю полусферу. Полученные результаты находятся в качественном согласии с предсказаниями модели, в которой образование кумулятивных частиц связывается с поглощением 5Г-мезонов парой нуклонов в ядре. Показано значение каскада, вызванного взаимодействиями второго нуклона этой пары с другими нуклонами ядра.

Материалы, изложенные в настоящей диссертации, докладывались на ХХХШ Всесоюзном совещании по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра (Москва, 1983 год) на научных сессиях ОЯФ АН СССР (октябрь 1983 года и январь 1984 года), на сессиях ученого совета ЛФВЭ ЛИЯФ им. Б. П. Константинова АН СССР (январь 1983 года и январь 1984 года), на конференции молодых ученых ЛИЯФ (май 1984 года) и опубликованы в работах /23,43,49,53,67, 86,91/.

Автор выражает искреннюю признательность своим научным руководителям доктору физико-математических наук М. В. Стабникову и кандидату физико-математических наук К. Н. Ермакову за постоянный интерес и внимание к работе. Он также благодарен своим соавторам Л. В. Баканову, В. Д. Лебедеву, В. В. Мирошкину, В. В. Пашуку, И. Б. Водопьянову, О. В. Рогачевскому, В. В. Яновскому, В. Е. Бунакову, М. М. Нестерову, Н. А. Тарасову за помощь оказанную на различных этапах выполнения работы.

Автор особо признателен А. И. Кузнецовой и Р. А. Монастырной, осуществившим многократный обмер пленок с гибридной камеры. Автор благодарен всем, кто проявлял интерес к данной работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе были рассмотрены различные характеристики продуктов глубоконеупругих взаимодействий протонов энергии 1ГэВ с ядрами^Аг. Основное внимание уделялось анализу связи между быстрыми и медленными частицами. Сравнение результатов настоящей работы с данными других экспериментов показало, что ряд характеристик практически не зависит от типа и энергии бомбардирующих адронов и от массы ядра мишени. Этот результат может быть понят в рамках гипотезы предельной фрагментации. Рассмотренные здесь зависимости относятся, главным образом, к продуктам фрагментации мишени и слабо зависят от типа и энергии налетающего адрона. Обнаруженная независимость от массы ядра мишени говорит о том, что при фрагментации мишени характеристики продуктов определяются ферми-распределением нуклонов по импульсам, которое практически не меняется при изменении атомного номера ядра мишени. В «освобождении» нуклонов большую роль играют неупругие процессы: рождение и последующее поглощение 5Гмезонов. Этот механизм, видимо, и обеспечивает, в значительной мере, независимость рассмотренных характеристик от налетающей частицы.

Этот вывод позволяет сформулировать направления дальнейших экспериментов на гибридной камере. Их должно быть два.

1. Переход к другим бомбардирующим частицам: 5Гмезонам, дейтонам, более тяжелым ионам.

2. Переход к другим ядрам. Здесь, в первую очередь, желательно исследовать взаимодействия с более легкими мишенями (Ие), так как при этом уменьшается роль перерассеяний частиц в ядре, наблюдаемые продукты реакции должны быть «теснее» связаны с начальным актом взаимодействия быстрого адрона с ядром.