Экспериментальное исследование пространственно-временных характеристик и динамических эффектов в процессе ядерной мультифрагментации на пучках релятивистских легких ионов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, доктор физико-математических наук Авдеев, Сергей Петрович

• Авдеев, Сергей Петрович
• доктор физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Авдеев, Сергей Петрович

ВВЕДЕНИЕ

I. Множественность фрагментов

§ 1. Постановка эксперимента

§2. Анализ измеряемой множественности ФПМ.

§ 3. Модельный расчёт.

§4. Множественность ФПМ и энергия возбуждения источника.

§5. Выводы.

II. Время эмиссии фрагментов.

§1. Описание модели.

§2. Сравнение модели и экспериментальных данных.

§3. Выводы.

III. Скорость источника. Угловые и зарядовые распределения.

§ 1. Скорость источника.

§2. Плотность системы в момент развала.

§3. Угловые и зарядовые распределения.

§4. Выводы.

IV. Коллективный поток.

§ 1. Энергетические спектры фрагментов.

§2. Определение потока.

§3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование пространственно-временных характеристик и динамических эффектов в процессе ядерной мультифрагментации на пучках релятивистских легких ионов»

Ядерная фрагментация была открыта 60 лет назад [1,2] при изучении космических лучей, когда было обнаружено появление ядерных фрагментов при взаимодействии релятивистских протонов с различными мишенями. Были обнаружены фрагменты тяжелее а частиц и легче, чем осколки деления. В настоящее время они стали называться Фрагментами

Промежуточной Массы (ФПМ, 3 < Z < 20). В 50х годах этот эффект был обнаружен в экспериментах на ускорителях [3], после чего он неспеша изучался в течение трёх десятилетий. Ситуация изменилась кардинальным образом в 1982г., когда было открыто множественное образование ФПМ

12 ядерная мультифрагментация) при взаимодействии С(1030 МэВ) с эмульсией на синхроциклотроне в ЦЕРН [4]. Это наблюдение стимулировало многие теоретические модели развивать привлекательную идею о том, что множественное образование ФПМ может иметь отношение к фазовому переходу жидкость-газ [5-8] в ядерной материи. Текущее состояние дел в изучении мультифрагментации может быть найдено в [9].

На рис. 1 взятом из работы [6] приведены зависимости давления от объёма (или обратной плотности) при постоянной температуре для газа Ван-дер-Ваальса и ядерного вещества связанного так называемыми силами Скирма. Столь различные системы представлены на одном рисунке благодаря тому, что давление, объем и температура выражены в безразмерных величинах - в виде отношений к критическим значениям: Рс > Vc-1/рс (Рс - критическая плотность), Тс. На рисунке показаны изотермы для температур от 0.5 Тс до 1.5 Тс. Жидкой фазе соответствуют резко идущие вниз участки изотерм в левой части рисунка, причем минимум по давлению при данной температуре глубже для классической жидкости, сжимаемость которой меньше. Газовой фазе отвечает правая часть рисунка, где давление плавно падает с увеличением объема. Средняя изотерма соответствует критической температуре Тс для перехода жидкость-газ. При ее достижении поверхностное натяжение исчезает, система становится однофазной - газовой. Для ядерного вещества

Тс= 15-20 МэВ, или -2*10 К. В спинодальной области, где давление

11 растет с увеличением объема (отрицательная сжимаемость), плотность вещества значительно ниже, чем у жидкости. Случайные флуктуации плотности приводят к тому, что однородная система практически мгновенно распадается на смесь двух фаз - капельки жидкости, окруженные газом.

Характеристики процесса сильно зависят от входного канала, т.е. по существу, от соотношения между тепловой и коллективной компонентами энергии возбуждения, связанными с сжатием, вращением и деформацией промежуточной системы. Коллективная компонента может быть очень значительной для соударений тяжелых ионов, приводя к появлению, так называемых, динамических эффектов, и они могут быть определяющими для результата соударения. Так при достаточно сильном сжатии даже холодное ядро разваливается на куски на стадии декомпрессии. Ситуация близка к этому в центральных соударениях при энергиях (200-400) МэВ на нуклон. В этом случае следует говорить о "динамической" мультифрагментации, когда взаимодействие между сталкивающимися ядрами сопровождается сжатием, быстрым вращением и изменением формы возбуждённого ядра. Термодинамические модели здесь не работают. 3

Рис.1. Изотермы, рассчитанные для ядерного вещества (сплошные линии) и системы классическая - жидкость-газ (штриховые линии). п Давление, объем и температура даны в единицах критических ' значений. о г 3 4

Другой предельный случай (при использовании лёгких ионов) -"тепловая мультифрагментация", когда энергия возбуждения ядра почти целиком тепловая, и реализуется благоприятная ситуация для применения термодинамических подходов в описании ядерного фазового перехода "жидкость-газ". В этом случае динамические эффекты становятся пренебрежимо малыми. Другим положительным моментом в использовании лёгких ионов является то, что в этом случае все фрагменты образуются одним источником - медленно движущимся спектатором мишени, энергия возбуждения которого практически полностью тепловая. Нами [10] и другими авторами [11-13] было показано, что тепловая мультифрагментация происходит при взаимодействии лёгких релятивистских частиц (р, р, 3Не, 4Не, 12С, тг-) с тяжёлыми мишенями, и фрагменты испускаются из возбуждённого ядра-остатка после его расширения, происходящего под действием теплового давления.

Диссертация посвящена экспериментальному наблюдению и изучению тепловой мультифрагментации высоковозбужденных спектаторов мишени, образующихся в соударениях релятивистских лёгких ядер с золотой мишенью. В представленной работе использовались релятивистские лёгкие ионы ускоренные на синхрофазотроне ЛВЭ ОИЯИ, которые дают уникальную возможность для изучения "тепловой мультифрагментации".

Накоплен огромный экспериментальный материал в исследовании ядро-ядерных взаимодействий при релятивистских энергиях с использованием трековых (пузырьковых и искровых камер), ядерных фотоэмульсий и активационного анализа. Однако, детальная информация о механизме и временной шкале процесса может быть получена только с использованием многодетекторных 4л систем. В настоящее время существует несколько 4л установок [14] для регистрации фрагментов.

Применение многодетекторных 4л систем позволяет изучать важные особенности реакций ядер с релятивистскими частицами и ядрами при проведении следующих экспериментов:

- измерение множественности событий, сопровождающихся испусканием ФПМ;

- изучение зарядовых и массовых распределений фрагментов и их теоретическую интерпретацию в рамках модельных представлений о релятивистских взаимодействиях;

- изучение угловых распределений фрагментов и их теоретическую интерпретацию;

- определение среднего времени эмиссии для ФПМ, возникающих в соударениях релятивистских лёгких ядер с мишенью из золота. Это можно делать путем сравнения измеренного распределения по относительному углу (или по относительным скоростям) для генетически связанных фрагментов с расчетом кулоновских траекторий продуктов многотельного развала возбужденного спектатора мишени;

- получение новых данных о влиянии коллективного потока на энергетические спектры фрагментов, возникающих в соударениях релятивистских легких ионов с золотом.

Основное содержание диссертационной работы изложено в четырёх главах.

В первой главе дано физическое обоснование постановки эксперимента для изучения ядерной мультифрагментации. Показано, что выбранная методика регистрации ФПМ в 4л геометрии вполне адекватна решаемым задачам. Описана установка ФАЗА, работающая в 4л геометрии на пучках релятивистских частиц на синхрофазотроне-нуклотроне ОИЯИ. Проведён анализ измеряемой множественности ФПМ, модельный расчёт. Обсуждены вопросы определения энергии возбуждения спектатора мишени.

Во второй главе диссертации проведён анализ экспериментальных данных позволивший построить корреляционную функцию для генетически связанных фрагментов. Определено среднее время эмиссии для ФПМ, возникающих в соударениях релятивистских лёгких ядер с мишенью из золота. Это сделано путем сравнения измеренного распределения по относительному углу для совпадающих фрагментов с расчетом кулоновских траекторий продуктов многотельного развала возбужденного спектатора мишени.

В третьей главе диссертации обсуждаются результаты экспериментов по определению скорости источника спектатора мишени. Сделано сравнение с модельным расчётом.

Четвёртая глава посвящена изучению спектров кинетических энергий ФПМ полученных в реакциях 12С(22.4 ГэВ)+Аи и 4Не(14.6 ГэВ)+Аи. Показано, что в этом случае средние кинетические энергии образованных фрагментов больше, чем энергии получаемые в чистом тепловом распаде. Эффект связан с наличием коллективного потока в расширяющемся перед распадом спектаторе мишени.

Результаты, вошедшие в диссертацию, неоднократно докладывались на семинарах ЛЯП, специализированном научном семинаре по релятивистской ядерной физике ЛВЭ, семинаре научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии ЛЯП, на Международной школе-семинаре по физике тяжёлых ионов (Дубна, 1993г.), на XXII международном совещании по свойствам ядер (Хиршег, Австрия, 1994г.), на втором международном симпозиуме по ядерной фрагментации (Санкт-Петербург, Россия, 1994г.), на XV конференции по физике ядерного деления (Санкт-Петербург, Россия, 1995г.), на Международной школе-семинаре по физике тяжёлых ионов (Дубна, 1997г.), на IX Международной конференции по механизмам ядерных реакций (Варена, Италия, 2000г.), на Международном рабочем совещании по релятивистской ядерной физике (Варна, Болгария, 2001г.), на VIII международной конференции по ядро-ядерным взаимодействиям (Москва, Россия, 2003г.), на 18й международной конференции по фазовым переходам в сильно взаимодействующей материи (Прага, Чехия, 2004г.), на LV национальной конференции по ядерной физике (Санкт-Петербург, Россия, 2005г.).

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [10,15-44].

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Авдеев, Сергей Петрович

Основные результаты, полученные в диссертации, следующие:

1. Создана первая в мире 4тг-установка ФАЗА для изучения тепловой мультифрагментации высоковозбужденных спектаторов мишени, образующихся в соударениях легких релятивистских ионов с ядрами.

2. Впервые было доказано в 1994г. путём измерения среднего времени эмиссии фрагментов, что тепловая мультифрагментация действительно новый, многотельный тип распада горячих ядер, а не последовательное и независимое испарение частиц. В наиболее "чистом" виде тепловая мультифрагментация имеет место при соударении релятивистских протонов с ядрами.

3. С увеличением энергии пучка средняя множественность ФПМ растет, но достигает насыщения при энергиях, превышающих 6 ГэВ. Это наблюдение не удается описать в традиционной двухступенчатой модели: внутриядерный каскад + статистическая модель мультифрагментации. Делается вывод, что внутриядерный каскад плохо описывает свойства остаточных ядер (A, Z, Е*) особенно в области больших энергий возбуждения, где и происходит многотельный развал ядер.

4. Для более адекватного описания свойств фрагментирующих ядер развита эмпирическая процедура учета дополнительного сброса энергии и массы на стадии расширения ядра (за счет теплового давления) перед развалом. Это делается введением одного параметра «а», который выбирается из условия согласия с экспериментом по средней множественности фрагментов. Таким образом получается модель RC + а + SMM, которая успешно описывает распределения ФПМ по множественности и заряду, спектры кинетических энергий, угловые распределения для соударений р + Аи.

5. Эта модель успешно описывает распределения по множественности и заряду фрагментов и для соударений 4Не + Аи и 12С + Аи, что указывает на то, что по этим характеристикам при переходе от протонов к более тяжелым бомбардирующим частицам в механизме реакции ничего не меняется: во всех случаях - тепловая мультифрагментация.

6. При переходе от протонного пучка к более тяжёлым бомбардирующим частицам спектры кинетических энергий становятся более жесткими. Это вызвано появлением коллективной компоненты в спектре кинетической энергии фрагментов. Она связана с радиальным коллективным потоком в фрагментирующем ядре в момент развала, вызванного более значительным разогревом спектатора мишени на пучках 4Не и 12С (а следовательно и более высоким тепловым давлением).

7. Выделение коллективной компоненты из кинетической энергии фрагментов и анализ ее корреляции с зарядом фрагмента позволили получить интересную и неожиданную информацию о пространственной конфигурации системы в момент развала: получена зависимость средних радиальных координат ФПМ от их заряда. Оказалось, что средняя радиальная координата фрагментов уменьшается с увеличением Z значительно быстрее, чем предсказывается в SMM. Отклонение данных от предсказаний Статистической Модели Мультифрагментации связано с тем, что модель предполагает одинаковую вероятность образования ФПМ в любой доступной точке системы. В действительности это не так, более тяжелые фрагменты преимущественно рождаются ближе к центру системы, что указывает на неоднородное распределение плотности в сильно возбужденном ядре.

8. Проведенные исследования приводят к заключению о том, что, несмотря на общий успех Статистической Модели Мультифрагментации, описание условий в момент развала возбужденного ядра слишком упрощено в этой модели. Исследование энергетических спектров фрагментов является эффективным способом получения информации о конфигурации и динамике ядерной системы в момент развала.

Все результаты получены впервые.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору В.А. Карнаухову за постоянную направляющую поддержку исследований механизма мультифрагментации в 4л-геометрии, которые были начаты по его инициативе 15 лет назад. Базой для описанных экспериментальных работ был уникальный ускоритель лёгких ионов, которым располагает Лаборатория высоких энергий. Автор благодарен всему коллективу технических подразделений, труд которого обеспечивает высокие параметры пучков релятивистских лёгких ионов.

Автор благодарен своим коллегам по работе X. Ойшлеру, Е. Норбеку, А.С. Ботвине, В.К. Родионову, В. Карчу, И. Сквирчинской, Б.Чеху, А.В. Симоненко, В.В. Киракосяну, П.А. Рукояткину, JI.B. Чулкову, О.В. Бочкарёву, Е.А. Кузьмину вместе с которыми проделана многотрудная и интересная работа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Авдеев, Сергей Петрович, 2005 год

1. E.Schopper, Naturwissenschafter 25 (1937) 557.

2. I.I. Gurevich et al., Dokl Akad. Nauk SSSR18 (1938) 169.

3. O.B. Ложкин, H.A. Перфилов, ЖЭТФ 31 (1956) 913.

4. В. Jacobsson et al., Z. Phys. A307 (1982) 293.

5. P.J. Siemens, Nature A305 (1982) 293; A.D. Panagiotou et al., Phys. Rev. C31 (1985) 55.

6. H.R. Jaqaman et al., Phys. Rev. C27 (1983) 2782; C29 (1984) 2067.

7. M.W. Curtin et al., Phys. Lett. B123 (1983) 289.

8. S.P.Avdeyev et al., Eur. Phys. J. A3 (1998) 75. II1. K. Kwiatkowski et al., Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 3756

9. L. Beaulieu et al., Phys. Lett. В 463 (1999) 159

10. Т. Lefort et al., Phys. Rev. С 62 (2000) 031604

11. Proc. Int. Conf. on New Physics with Advanced Techniques, Ierapetra, Greece, 1991, eds. F.A. Beck, S. Kossionides and C.A. Kalfas (WorldScientific, Singapore).

12. СП. Авдеев и др., Сообщение ОИЯИ, Дубна Р7-89-29 (1989) 1.

13. СП. Авдеев и др., ПТЭ № 1 (1993) 65.

14. СП. Авдеев и др., ПТЭ № 3 (1993) 74.

15. СП. Авдеев и др., ПТЭ № 3 (1993) 104.

16. S.P. Avdeyev et al., NIM A332 (1993) 149.

17. V. Lips et al, TH, Darmstadt IKDA 93/7 (1993) 1.

18. S.P. Avdeyev et al.. Сообщение ОИЯИ, Дубна E7-93-278 (1993) 1.

19. V. Lips et al., Phys. Lett. В 338 (1994) 141.

20. V. Lips et al., Phys. Rev. Lett. 72(11) (1994) 1604.

21. S.Yu. Shmakov et al.. Ядерная физика 58 № 10 (1995) 1735.

22. V.A. Kamaukhov et al.. Сообщение ОИЯИ, Дубна E7-95-321 (1995) 1.

23. V. Lips et al., Nucl Phys. A583 (1995) 585.

24. СП. Авдеев и др., ПТЭ № 2 (1996) 7.

25. В.А. Карнаухов и др.. Сообщение ОИЯИ Р1-96-397 (1996) 1. 95

26. V.A. Kamaukhov et al, JINR Rapid Communication, Dubna 2[87].96 (1996)97.

27. S.P. Avdeyev et al., JINR Rapid Communication, Dubna No.2[82]-97 (1997)71.

28. H. Oeschler et al., GSl Report. IKDA 98/23 TU-Darmstadt (1998).

29. V.A. Kamaukhov et al, Acta Physica Polonica В 30 №3 (1999) 429.

30. S.P. Avdeyev et al.. Письма e 3^i4^№2[99]-2000 (1999) 62.

31. H. Oeschler et al.. Письма в ЭЧ^№2[99]-2000 (1999) 70.

32. A. Budzanowski et al., Proc. of IX Int. Conference on Nuclear Reaction Mechanisms, Varenna, Italy, June 5-10,2000, (2000) 537.

33. S.P. Avdeyev et al.. Ядерная фюика 64 № 9 (2001) 1628.

34. S.P. Avdeyev et al., Nucl. Phys. A681 (2001) 287.

35. S.P. Avdeyev et al., Phys. Lett. В 503 (2001) 256.

36. СП. Авдеев и др., ПТЭ № 5 (2001) 70.

37. S.P. Avdeyev, Proc. of IX Int. Workshop «Relativistic nuclear physics: from nundreds of MeV to TeV», Varna, Bulgaria, Sept. 10-16, 2001,Volume 1 (2001) 156.

38. V.A. Kamaukhov et al, Proc. of IX Int. Workshop «Relativistic nuclear physics: from nundreds of MeV to TeV», Varna, Bulgaria, Sept. 10-16,2001, Volume 2 (2001) 9.

39. V.K. Rodionov et al, Nucl. Phys. A 700 (2002) 457.

40. B.A. Карнаухов и др.. Ядерная физика 66 № 7 (2003) 1282.

41. S.P. Avdeyev et al, Nucl. Phys. A 709 (2002) 392.

42. Д. Бирке. Сцинтилляционные счётчики. М.: Изд-во иностр. лит., 1955.

43. А. Quinton et al, Phys. Rev. 115 (1959) 886. 47. и. Milkau. Dissertation. Universitat Frankfurt. GSI Report. 91-34(1991).

44. Н.И. Журавлёв и др.. Сообщение ОИЯИ, Дубна Р10-88-937 (1988) 1.

45. В.А. Антюхов и др.. Сообщение ОИЯИ, Дубна Р10-87-927 (1987) 1.

46. В.А. Антюхов и др.. Сообщение ОИЯИ, Дубна Р10.90-589 (1990) 1.

47. В.Ф. Борейко и др.. Сообщение ОИЯИ, Дубна Р10-85-661 (1985) 1.

48. C.A.E.N. COSTRUZIONI APPARECCHIATURE ELETTRONICHE NUCLEARI S.p.AVia Vetraia, 11 - 55049 VIAREGGIO (Italy).

50. Chestnut Ridge Road, Chestnut Ridge, NY 10977-6499 U.S.A. 96

51. A.S. Botvina et al., Niicl. Phys. A 507 (1990) 649; A.S. Botvina et al., Phys. Lett. В 294 (1992) 23.

52. L.G. Moretto et al., Phys. Rev. Lett. 69 (1992) 1884.

53. E.R. Foxford et al., Phys. Rev. С 54 (1996) 749.

54. V.D. Toneev, K.K. Gudima, Nucl. Phys. A400 (1983) 173.

55. J. Bondorf et al, Phys. Rep. 257 (1995) 133; Nucl. Phys. A 444 (1985) 460.

56. W.A. Friedman, Phys. Rev. С 42 (1990) 667.

57. V.D. Toneev et al., Nucl. Phys. A519 (1990) 463.

58. N.S. Amelin et al.. Ядерная физика 52 (1990) 272.

59. K.K. Gudima et al.. Ядерная физика 21 (1975) 602.

60. М. Blann, Ann. Rev. Nucl. Set 25 (1975) 123.

61. Bao-An Li, D.H.E. Gross, V. Lips, H. Oeschler, Phys. Lett. В 335 (1994) 1

62. C.A. Ogilvie et al., Phys. Rev. Lett. 67 (1991) 1214.

63. V.A. Kamaukhov et al., Phys. Rev. C70 (2004) R041601.

64. V.A. Kamaukhov et al., Nucl. Phys. A 749 (2005) 65c.

65. K.B. Morley et al., Phys. Lett. B355 (1995) 52.

66. N.T. Porile et al., Phys. Rev. C39 (1989) 1914.

67. A.S. Botvina et al., Nucl. Phys. A584 (1995) 737.

68. A. SchUttauf et al., Nucl. Phys. A 607 (1996) 457.

69. G.J. Kunde et al, Phys. Rev. Lett. 74 (1995) 38; W.C. Hsi et al, Phys. Rev. Lett. 1Ъ (1994) 3367.

70. J. Pochodzalla et al, Phys. Rev. Lett. 75 (1995) 1040.

71. R. Trockel et al, Phys. Rev. С 39 (1989) 729.

72. R.T. de Souza et al, Phys. Lett. B268 (1991) 6.

73. D.R. Bowmann et al, Phys. Rev. С 46 (1992) 1834. 77. 0. Shapiro, D.H.E. Gross, Nucl. Phys. A 573 (1994) 143.

74. D. Fox et al, Phys. Rev. C47 (1993) R421.

75. Т.е. Sangster et al, Phys. Rev. C47 (1993) R2457.

76. E. Bauge et al, Phys. Rev. Lett. 70 (1993) 3705.

77. V. Lindenstruth et al, GSI Preprint GSI-93-54 Darmstadt (1993).

78. D. Durand, Nucl. Phys. A 630 (1998) 53.

79. G. Wang et al, Phys. Rev. C57 (1998) R2786.

80. Н.Г. Акишин и др.. Сообщение ОИЯИ, Дубна Е11-94140 (1994) 1. 97

81. R. Donangelo et al, Phys. Lett. B219 (1989) 165.

82. David. H. Boal and James N. Glosli Phys. Rev. C37 (1988) 91.

83. G. Peilert et al., Phys. Rev. C39 (1989) 1402.

84. P. Wagner et al., Phys. Lett. B460 (1999) 31.

85. J. Richert and P.Wagner, Nucl. Phys. A517 (1990) 399.

86. Jorge A. Lopez and J0rgen Randrup, Nucl. Phys. A503 (1989) 183.

87. A.S. Hirsch et al., Phys. Rev. С 29 (1984) 508.

88. M.E. Fischer, Physics 3 (1967) 255.

89. V.A. Kamaukhov, Phys. of Atomic Nuclei 60 (1997) 1780.

90. W. Reisdorf et al., Nucl. Phys. A612 (1997) 493.

91. J.P. Bondorf et al, Nucl. Phys. A296 (1978) 320.

92. J. Lauret et al, Phys. Rev. C57 (1998) R105L

93. D.H.E. Gross, Rep. Progr. Phys. 53 (1990) 605. 98