Исследование некоторых мезоатомных процессов в газообразном водороде и смесях его с гелем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Хоменко, Борис Александрович

• Хоменко, Борис Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Хоменко, Борис Александрович

ВВЕДЕНИЕ

§ I» Рассеяние уО^ -атомов в водороде.

§ 2. Перехват мнюнов на гелий.

§ 3. Структура диссертации.

Глава I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И СИСТЕМА СБОРА И

ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.

§ I. Общие требования.*.

§ 2. Мишень и детекторы

§ 3. Электронная система установки.

§ 4. Дальнейший отбор событий.

Глава П. ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИЯ РАССЕЯНИЯ ^ -АТОМОВ В

ГАЗООБРАЗНОМ ВОДОРОДЕ.

§ I. Метод эксперимента.

§ 2. Измерения и обработка.

§ 3. Моделирование диффузионного процесса.

§ 4. Результаты эксперимента

Глава Ш. ПЕРЕХВАТ МЮОНОВ С ВОДОРОДА НА ГЕЛИЙ

§ I. Постановка эксперимента.

§ 2. Измерения и обработка данных

§ 3. Полная обработка данных.

§ 4. Результаты эксперимента.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование некоторых мезоатомных процессов в газообразном водороде и смесях его с гелем»

Физика экзотических атомов, зародившаяся практически одновременно с началом детального изучения мезонов и других элементарных частиц, в настоящее время представляет собой обширную область исследований, охватывающую вопросы, касающиеся характеристик частиц и ядер, их взаимодействия, проблем квантовой электродинамики^. Своеобразный и интересный раздел в ней составляет изучение мезонных атомов водорода и процессов, в которых они принимают участие. Особое внимание к мезоатомам водорода обусловлено тем, что они, во-первых, представляют собой важный для теории пример взаимодействия мезонов с протонами и простыми малонуклон-ными системами ^, во-вторых, являясь электрически нейтральными, малыми, по сравнению с обычными атомами, объектами, они способны проникать сквозь'электронные оболочки атомов и вступать во взаимодействие с ядрами, инициируя таким образом совершенно особую группу явлений: перехват мезонов на ядра более тяжелых изотопов водорода и других элементов, образование мезомолекул, катализ в них ядерных реакций синтеза Наиболее широко в исследованиях мезоатомных процессов используются ул -мезоны, их относительно большое время жизни и отсутствие сильного взаимодействия с ядром позволяют реализовать "полный список" возможных событий. При этом, однако, в подавляющем числе работ, посвященных мюонным атомам и молекулам водорода, за рамками рассмотрения оставалась сравнительно быстрая стадия формирования мезоатома, и исследовались лишь медленные, сравнимые со скоростью распада мюона, процессы с участием у^/М-, ^ -атомов, находящихся в основном состоянии, С другой стороны, пионные атомы водорода, существующие лишь в возбужденном состоянии, представляют возможность сосредоточить внимание именно на атом этапе их жизни, а также получить информацию об атомном захвате мезонов, останавливающихся в водородосодержащих химических соединениях и сме-сях^4,5//. Следствием такого разграничения интересов явилось то, что лл — и 7Г- атомные процессы в водороде исследованы соото т. ветственно при малых 10 ) и больших атомарных концентрациях примесей других веществ.

Необходимо отметить, что хотя довольно полная картина мезо-атомных и мезомолекулярных процессов была построена еще в 50-х годах, последующие исследования, наряду с подтверждением многих первоначальных предположений и оценок, встречались также с трудностями и сюрпризами - от устойчивых расхождений между теорией и экспериментом в отдельных вопросах, что вынуждало неоднократно возвращаться к более основательным расчетам и измерениям, до обнаружения качественно новых явлений - таких как, например, влияние химической связи на вероятность образования мезоатомов в сложных веществах (смУ4/ и ссылки в ней), что привело к созданию новой области исследований - мезонной химии, или установление резонансного характера механизма образования мезомолекул изотопов водорода возродившее надежцу на возможность технического использования мюонного катализа термоядерных реакций.

Определенные затруднения в течение многих лет вызывали и вопросы, которым посвящена данная диссертация. Это - выяснение действительного значения сечения упругого рассеяния уС^-ато-мов в водороде и - второе - поиск процесса перехвата мюонов с с водорода на гелий. Рассмотрим постановку этих проблем.

§ I. Рассеяние РМ -атомов в водороде

Интерес к процессу

4- Н^ цул + Н^ (I) возник в связи с задачей измерения скорости ядерного захвата мюонов в газообразном водороде, что позволяет установить численные значения констант мюон-нуклонного слабого взаимодействия/8^. Захват ^л -мезонов ядрами водорода происходит из основного состояния 1уА -атомов, причем его скорость существенно зависит от взаимной ориентации спинов мгаона и протона: для состояний !у\А -системы с полным моментом р = 0 и /-*= I значения скорости различаются почти на два порядка и равны соответственно 664 с"1 и 11,9 с-1/9/. Поэтому при интерпретации результатов таких экспериментов необходимо учитывать факторы, определяющие заселенность уровней сверхтонкой структуры ^л -атома. В значительной мере эти факторы связаны с характеристиками процесса (I), поскольку именно столкновениями мезоатома с атомами водорода определяется динамика его замедления и возможность переходов между подуровнями ^и -системы 0;?/-= I.

Теория и эксперимент неоднократно обращались к процессу (I), начиная с 1958 года. В таблице I приведены результаты расчетов и измерений сечения упругого синглет-синглетного рассеяния -атомов на протонах. В первой части таблицы отделены работы, предшествующие началу наших исследований этого вопроса (1975 г.). Очевидна практически полная неопределенность ситуации, сложившейся к тому моменту: большие расхождения как между теорией и экспериментом, так и в каждой группе данных. Причины неустойчивости расчетных оценок анализировались в а после хода работы /19/(1983 г .) их можно, по-видимому, считать преодо

Таблица I

Сечение упругого рассеяния ^-атомов на протонах в ед. КГ^см2)

Работа

Год

Теория Эксперимент

3/

Герштейн^/ Зельдович и Герштейн Коэн и др Дубна^12/ Болонья-ЦЕШ/13/ Матвеенко и Пономарев/*^ Матвеенко и др/*5/

1958 1960 1960 1965 1967 1970 1975

0,2 1.2 8,2

2,5 0,2

167 + 30 7,6 + 0,7

Пономарев и др/16/ 1978 35

Болонья-Щи/17/ 1978 14, <>2,0

Болонья-ЦЕРН/17'18/ 1982 14,9+1,4

Пономарев и др/19/ 1983 19 ленными. Как стало ясно, расчеты сечения упругого рассеяния (I) методом адиабатического представления в задаче трех тел крайне чувствительны к размеру используемого адиабатического базиса. Двухуровневое приближение, хорошо "работавшее" при расчете других процессов, в данном случае имитирует реально отсутствующий эффект Рамзауэра и, следовательно, совершенно недостаточно. В был реализован алгоритм решения многоканальной задачи рассеяния, и приведенный в таблице I результат получен при учете 162 состояний дискретного и сплошного спектров.

Таким образом, задача исследования упругого рассеяния ^ул-атомов в водороде стала представлять дополнительный интерес, связанный со стимулированием и апробацией точных методов расчета мезоатомных процессов. И, наконец, решение вопроса о сечении процесса (I) вписывается в развиваемую в настоящее время программу детальных исследований мезоатомных и мезомолекулярных процессов в водороде, подчиненную задаче нахоздения оптимальных условий для катализа ядерных реакций синтеза мюонами^0/.

Как указывалось выше, значительным оказалось и расхождение между двумя экспериментальными результатами^12'13/, полученными разными методами. Общим в этих работах является то, что движение !ул -атома в газообразном водороде, сопровождаемое его рассеянием на атомах (молекулах) водорода, рассматривается как диффузный процесс. Двигаясь по ломанной траектории, атом за время своей жизни удаляется от места образования на некоторое расстояние, зависящее от ряда факторов, в том числе и от величины сечения (I). Измеряя количественные характеристики распределения "прямолинейных" пробегов мезоатомов, можно определить сечение их уцрутого рассеяния. Основанные на таком подходе методы различаются тем, какие именно характеристики распределения измеряются и каким способом. то/

В эксперименте'х /, выполненном с диффузионной камерой высокого давления, непосредственно измерялись длины пробегов в водороде, имеющем примеси в виде паров спирта. Важной составной частью постановки опытов и обработки полученных данных являлось определение суммарной скорости неупругих процессов для ^ -атомов (главным образом вклада в нее перехвата мюонов с протонов на атомы примеси С и 0) и учет этих факторов при анализе распределения по пробегам.

В работе группы ЦЕРН-Болонья^13/ данные о сечении рассеяния (I) были получены из анализа выхода и временного распределения ^ - квантов, возникающих в результате диффузии ^и -атомов к тонким металлическим фольгам, расположенным внутри газовой водородной мишени. При достижении фольги мезоатомом мюон перехватывается с протона на её атом ¿? , образуя возбузденный

- атом, который, переходя в основное состояние, испускает мезорентгеновские ft -кванты с энергиями, характерными для данного элемента. Особенностью такой постановки является возможность использования остановок мюонов непосредственно в фольге для нормировки - определения отношения числа образующихся ^и -атомов к числу регистрируемых при этом ^то, Действительно, в измерении с мишенью, в которой установлены фольги, но газ отсутствует, число -^дл -атомов легко определимо - оно равно количеству останавливающихся мезонов. Однако, необходимо учитывать в вероятностях испускания ^ - квантов определенных линий у мезоатомов , образовавшихся вследствие прямой посадки мюонов и в результате перехвата мюонов с уОД/-атомов^*/. В эксперименте это учтено не было. Заметим также, что в основном измерения с водородом мезоны, останавливающиеся в фольге, являются источником значительного фона. В целом, изложенная идея позволила применить для исследования процесса диффузии мезоатомов электронную методику.

Значительное расхождение между первыми экспериментальными результатами требовало проведения новых измерений. Группой Бо-лонья-ЦЕРН цикл исследований основанный на прежней методике, однако предварительно были изучены различия в характеристиках мезорентгеновского излучения А^л -атомов, образующихся разными путями: при прямой посадке мюона на атом и вследствие перехвата его с протона на этот атом /^2/ (вещество фольги было изменено: вместо золота — алюминий). Результаты исследований приведены в таблице I. Практически одновременно был проведен и эксперимент в Дубне^32/, с использованием методики, отличающейся от постановки итальянской группы. Эта работа и её результаты отражены в данной диссертации.

§ 2. Перехват мюонов на гелий

Характерным свойством мюонных атомов водорода является способность, легко проникая сквозь электронные оболочки обычных атомов, приближаться к их ядрам и вступать с ними во взаимодействие. В случае, если ядро принадлежит более тяжелому изотопу водорода или другому элементу ¿г , весьма вероятным результатом взаимодейотвия является переход мюона к этому ядру (перехват) с образованием нового мезоатома в возбужденном состоянии: +-р (2) Сечение перехвата связано со скоростью мезоатома соотношением

Г 2/"= поэтому этот процесс удобно описывать приведенной константой А^/Уе - скоростью перехвата (2) в жидком водород© при одинаковых количествах ядер водорода и примеси 2 в единице объема, равных - 4,22 • Ю22ядер/см3. В таблице 2 приведены экспериментальные данные о величинах

Удейтерия и благородных газов. Эта совокупность данных не лишена некоторых противоречий, тем не менее очевидно, что для всех элементов, за исключением гелия, скорость процесса (2) примерно пропорциональна ¿г ^ и весьма высока, так что даже в газообразном водороде при давлении 10 атм. цри-меси концентраций Ю"4 - Ю""5 достаточно, чтобы практически все образующиеся ^ -атомы перезаряжались на её ядрах. Перехват на гелий обнаружен не был. Как показал С.С.Герштейн, рассмотревший механизм перехвата (2)^33Л высокая скорость этого процесса обусловлена наличием пересечений мезомолекулярных термов систем и ¿у* +• р .в случае гелия такие пересечения отсутствуют, и процесс оказывается подавленным, его скорость оценивалась как /1^,/Уе ^ . Позже был цроведен

Таблица 2

Измерение скоростей перехвата мюонов с водорода на другие атомы , в ед. 10гос"1.

Работа V Не, Ме Аъ Къ Хе

Шифф /23/, 1961 Конфорто и др/24/, 1964 Джелепов и дрУ25Л 1962 Блезер и др/26/, 1963 Займидорога и дрУ27^,1963 Басиладзе и дрУ28/, 1965 Заватшни и дрУ29^, 1967 Пласои и др. /30/ 19б9 Бертин^ и др. /31/, 1972 0,95+0,27 1,43+0,13 0,84+0,13 ао~х <дг3 2,8+0,9 11,6+2,8 12,0+1,9 34,8+6,0 14,6+1,4 68,4+1,2 56,8+6,6 44,6+3,6 99,2+8,2 88,2+4,0 ы о более детальный анализ этой модели, с учетом как пересечений, так и псевдопересечений термов /34-36/^ и сделан вывод об отсутствии их у элементов с I <2< 5. Оценка скорости перехвата на гелий составила величину У/уь$Не ~ 5,5*Ю6 с""1 /36/, что согласовывалось с имевшимися экспериментальными оценками.

С другой стороны, в экспериментах с тг -мезонами, останавливающимися в газообразных смесях типа + (где ¿? есть: Не , А/е , А г ,Къ , Х-е и С ), при концентрациях

С 5 0,1 был обнаружен перехват пионов с рТГ -атомов на все примеси 2? , в том числе и гелий, который по скорости перехвата в их ряду не выделяется /3?>38/. это не противоречит запрету, рассмотренному выше, так как в данном случае речь идет о мезоатомах, существующих только в возбужденных состояниях, на которые механизм запрета может не распространяться. То, что перехват пионов обнаруживается при довольно больших концентрациях примеси, объясняется следующим /38/. Девозбуждение -атома происходит преимущественно за счет его столкновений с атомами водорода. Несколько таких соударений достаточно, чтобы пион перешел на низние уровни системы р1Г , где он захватывается протонами, и мезоатом прекращает свое существование. Перехват может быть заметным, если, за время девозбуждения произойдут также столкновения мезоатома с атомами примеси. Отсвда следует, что атомарные плотности водорода и примеси должны быть сопоставимы, то есть С2 ^ 0,1.

Остановимся на методе описания процессов атомарного захвата и перехвата ТГ -мезонов в омесях водорода с другими элементами, развитом в работе /38/. В этих экспериментах проводились измерения с различными примесями ¿г в широком диапазоне их концентраций (0,05 ^Ср < 2). В каждом случае (точка ( с )) определялась величина 1Х4г с) - вероятность того, что пион, остановившийся в смеси Н^Е- , образует мезоатом водорода и после перехода на нижние уровни--— будет захвачен протоном. Эта вероятность представляется в виде: Щ.(2,с) = Щ,(2>с) IХЬуЪь)

Мн(2,с) = (4+Аас)~* , (3)

Здесь 1X^/2, с) - вероятность посадки пиона на водород, 1X4х^(^с) - вероятность того, что в процессе девозбуждения ^о ]г - атома не цроизойдет перехват мезона на атом .

Эти величины, в свою очередь, выражаются через А в -отношение сечений захвата мезона атомами примеси 5г и водорода и А ? - отношение скорости перехвата пиона на атомы ¿г к скорости девозбуждения мезоатома рТГ . Совокупность экспериментальных данных /37>38/, как показано в этих работах, удовлетворительно описывается зависимостью (3) при значениях параметров:

Невозможность интерпретации этих данных путем рассмотрения только атомного захвата, то есть с помощью зависимости = = ЩС^с*) - (4+Агс) 1 при А, послужила основанием для вывода о существовании перехвата пионов на атомы примеси, конкурирующего с девозбузщением, и введения параметризации (3) и (4). Однозначность этого вывода оспаривается в некоторых теоретических работах /39,40/^ в ^^р^ на ПрИ мере расчетов атомного захвата мезонов в смеси указывается на возможность сильной зависимости величины А& от концентрации примеси и на большие её значения, чем это следует из (4): /4//е = 5-10 вместо 1,84^38/, что позволяет объяснить результаты эксперимента без привлечения предположений о перехвате. В тоже время эти расчеты критикуются в работе^^/, где найдено, что хотя зависимость АНе(с) и существует, но она слабая, и в целом результат этого расчета А ^ 1,45

СЯ /«37 ос/ близок к экспериментальному, чем подтверждает вывод 7 ' ' о существовании перехвата.

Очевидно, что по аналогии с 77" -мезонами можно ожидать, что существует перехват мюонов с возбужденных ^ -атомов на гелий: уи 1-Не Нул , (5 а) и тогда этот процесс может быть обнаружен в опытах с достаточно большой концентрацией гелия в водороде Первоначально задача эксперимента, вошедшего в данную диссертацию, ограничивалась именно этой целью: обнаружением перехвата (5 а). Что касается перехвата мюонов из основного состояния /ум -атомов: ру^-н Не-тНун+р , (5 6) то имевшиеся теоретические оценки его скорости Хл, оо ос/ '/ 1 не давали оснований для учета этого процесса в условиях эксперимента. Однако, как это будет показано ниже, соответственно упрощенная интерпретация данных, полученных в нашем эксперименте, не дала самосогласованных результатов, из чего следовала необходимость анализа всей имеющейся информации без каких-либо ограничивающих предположений. Другим фактором, стимулировавшим такой анализ, был вывод более поздней работы в ко торой рассмотрен новый механизм перехвата (5 6), связанный о промежуточным образованием мезомолекулы ^ /те , и получено более высокое значение скорости процесса: ^рГ//«?* =

7 —Т '/ 4,4*10 с . В конечном счете, эксперимент, отраженный в диссертации, представил собой исследование обеих форм перехвата мюонов на гелий (5 а) и (5 б) в газообразном водороде с приме

- 14 сями гелия при концентрациях О-0,0б/43,44Л

§ 4. Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Во введении рассмотрена экспериментальная и теоретическая ситуация в некоторых разделах физики мезонных атомов водорода, сложившаяся ко времени проведения экспериментальных работ, вошедших в диссертацию, показана необходимость дальнейших исследований в этой области, сформулированы цели и задачи двух конкретных экспериментов.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Хоменко, Борис Александрович

Выход Г

И Не Н+О Н+Э+Хе

41,0 47,0 43,9 43,9

786,7 640,7 1445,0 61,3

78936 63173 142260

1085+73

1360+60

2) Опыт с гелием - "Не" - фоновый для основного измерения. Количество гелия в мишени обеспечивает условия по остановкам в нем мюонов, эквивалентные измерению "Н", что дополнительно контролировалось по счету электронов в обеих экспозициях. Фактически в этом измерении имитируются все события в водороде, за исключением диффузии 1ул -атомов с выходом их на стенки, а следовательно, действуют те же источники фона, что и в "Н".

3) Для нормировочного измерения (водород + ксенон) были использованы экспозиции ' Н+О " и " Н+О+Хе " с 7% примеоью дейтерия, необходимые для параллельно проводимого другого эксперимента. Из анализа временных распределений у -квантов и электронов было найдено: = (3,59+0,13) •дАг*. В условиях измерения /\рр = О^Э-пАг1, откуда следует = (2,84+ +0,13).ТО6 с""1.

4) Набор событий с пустой мишенью "7"" использовался как фоновый для всех экспозиций за исключением " Н

5) Выполнялись вспомогательные измерения для проверки, действительно ли средняя плотность остановок у стенок рабочего объема мишени совпадает с плотностью, усредненной по всему объему. С этой целью к внутренней поверхности сцинтиллятора счетчика 5 с помощью кольцевых оправок прижималась майларовая пленка, и мишень заполнялась гелием. В другом измерении - с тем же количеством гелия и с оправками - пленка отсутствовала. Фоновым измерением был набор с пустой мишенью и оправками. Разница в счете электронов, обусловленная введением вещества у стенки соотносилась с их счетом от мюонов, остановившихся в газе, из чего, учитывая все пленки и её относительную тормозную способность, делался вывод об отношении плотностей остановок мюонов у поверхности и в объеме. Измерения были сделаны с пленкой толщиной 60 мкм и 25 мкм. В первом случае, например, было зарегистрировано #4«Ю4 электронов, из них около 20$ приходилось на майлар. В результате оказалось, что значения плотностей совпадают с точностью

2-3%.

Рис.5. Временные % -спектры, полученные в экспозициях " Н и, (частично заштриховано) и "7~" (заштриховано полностью), перенормированные к одинаковым условиям.

4 6 8 Время (мкс)

При обработке строились временные распределения нейтральных частиц, зарегистрированных ^ -детекторами во временном интервале 0,38-10 мкс с амплитудами, соответствующими энергиям ^ -квантов от I до 7 МэВ. На рис.5 приведены спектры, полученные в экспозициях "И ", "Не" и " Т ", перенормированные к одинаковым условиям по числу зарегистрированных электронов С Не " к " И ") и монитору ("Т " к "Н "). Превышение первой гистограммы над второй обусловлено исследуемым эффектом - выходом j^a -атомов на стенки рабочего объема и регистрацией мезорентгенов-ского излучения и других сопутствующих частиц. Сопоставление спектров "Не" и " Т " позволяет судить о вкладах фона от распада мюонов, остановившихся в газе (разность " Не. " и " Т "), и фона от остановок в корпусе мишени. Временное распределение ^-квантов от эффекта получено вычитанием спектра "Не" из " Н " (рис.3). Выход Y(н) определен в интервале времени 0,38-7,6 мкс. Этому интервалу соответствует относительный выход (X Для нахождения формула (9 в) была модифицирована с учетом слудующих моментов:

300

100=

Рис.6. Временные распределения: # - измеренные спектры ^ - квантов от перезарядки ^-атомов на веществе стенок; о -аналогичное распределение, полученное моделированием при С = 42 «КГ см2. г~т

ВРЕМЯ(МКС) а) в измерении " Н+- й+-Хе " выход ^ -квантов

У1(Н^й^Х&) определялся в интервале 0,38-7,0 мкс, на который приходится £ = 0,256 всех случаев перехвата мюо-нов на ксенон, поэтому полный выход (без временных ограничений) равен: б) значение У.(н-}-0*-Хе>) необходимо привести к числу мезоатомов, образовавшихся в экспозиции " И " с иным количеством газа в мишени; соотношение остановок в измерениях "Н+ С 1 и " Н^О-ьХе. " равно отношению мониторных счетов

М{Н*-Ъ)/м(Н4-Ъ*-Хе,) , а для пН " и " Н+Ъ оно может быть определено через отношение чисел зарегистрированных электронов В результате подстановка имеет вид:

Н+Р+Хе,) Е(Н) П/Н^Ъ)

Окончательно получаем: , 0.012^,0010.

У'(Н^Хе) Е(Н)М[Н±Ъ)

§ 3. Моделирование диффузионного процесса

Для определения, какому сечению рассеяния отвечает найденное значение , а также для выяснения чувствительности результата к различным предположениям о характеристиках процесса (I) проводилось численное моделирование методом Монте-Карло событий, происходящих в мишени после образования ^ОД) -атома. При этом полагалось:

I. Остановки мюонов равномерно распределены в рабочем объео ме мишени, имеющем цилиндрическую форму размером ^ 120x195 мм .

2. Хотя начальная энергия ^уи -атома больше, чем Д ё = = 0,18 эВ, сечение неупрутих взаимодействий мезоатома в водороде при > Л § настолько велико, что он быстро теряет свою энергию, не успев пройти сколь-нибудь значительное расстояние. Моделирование начиналось с = 0,18 эВ.

3. В области ё 4 0,18 эВ сечение рассеяния полагается постоянным, хотя фактически оно зависит от энергии. Таким образом моделирование процессов и интерпретация результатов эксперимента производились в приближении "эффективного сечения", величина которого есть взвешенное среднее фактической зависимости

Сё) в области <§ 4 0,18 эВ.

4. При столкновении с молекулой водорода мезоатом, имея длину волны, меньшую чем размер молекулы, фактически взаимодействует с одним из её атомов, чувствуя , однако, его связанность. С другой стороны, энергия 0,04-0,18 эВ достаточна, чтобы возбуждать вращательные уровни молекулы (расстояние между ними 0,01 эВ), и по этой причине нельзя говорить о чисто упругих столкновениях с молекулой как целым. Поэтому полагалось, что процесс (I) можно описать кнк изотропное в с.ц.м. рассеяние уО/и- атома на частице с некоторой эффективной массой М , причем №р< М <Я.тмр ( ГПр -масса протона).

5. Молекуле с эффективной массой м приписывалось тепловое движение в соответствии с распределением Максвелла со средней энергией 0,038 эВ.

Программе, реализующей моделирование, задавались в качестве исходных данных: начальная энергия уО/и -атома ю0 , сечение рассеяния на молекуле О" , эффективная масса молекулы М , а также параметры, описывающие условия эксперимента. Основшм результатом работы программы являлось временное распределение случаев столкновения уод^ -атомов со стенками, из которого получалась модельная оценка относительного выхода .

Кроме того, строились распределения других величин, описывающих рассеяние и диффузию мезоатомов. Всего было разыграно около сорока вариантов со значениями сечения и эффективной массы в интервалах 20 < ^У (ПГ^см2) 70, К М/тр < 2. Оказалось, что для Во =0,18 эВ полученные значения хорошо описываются следующей эмпирической зависимостью (в ед. 10~21 см2): ох?» = А е , А = 1,82.ю"2 , 1,9б.ю~2 (ю)

Параметр ^ , определенный в (8), однозначно связан с эффективной массой молекулы (табл. 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационной работы формулируются следующим образом:

1. Решены вопросы постановки серии экспериментов по исследованию мю-атомных и мезомолекулярных процессов на линии с ЭВМ. Модифицирована система регистрации и отбора событий, оптимизировано распределение функций между электронной системой установки и ЭВМ.

2. В эксперименте с газообразным водородом измерено эффективное сечение рассеяния рлл-атомов на молекулах водорода

ОТ* о

-/¿3 = (42+8) «10 см , что соответствует сечению рассеяния на свободных протонах = (17,4+3,3)•ТОГ2* см2. При интерпретации данных применен простой способ учета связанности протонов в молекуле, использующий её классический аналог. Полученные результаты согласуются с последними теоретическими данными о синглет-синглетном рассеянии ^[а -атомов на протонах и с последними экспериментами, проведенными в ЦЕРНе. Тем самым сечение этого процесса может считаться установленным.

3. В экспериментах с газообразными смесями водорода с гелием: а) обнаружен перехват мюонов с уО/и -атомов, находящихся в основном состоянии, на гелий и определена его скорость У це = 7 Т (3,6+1,0)«10 с , что согласуется с расчетом, основанном на предположении о мезомолекулярном механизме этого процесса; б) впервые для уи -мезонов измерена зависимость \XZic) — вероятность образования в смеси водорода с гелием -атома в основном состоянии; сопоставление её с соответствующей функцией для П-мезонов Щг(с) позволяет сделать, независимо от интерпретации с) -зависимости, вывод о существовании перехвата мюонов из возбужденных состояний -атомов на гелий, причем более интенсивного, чем перехват пионов, что связывается с дополнительным вкладом в перехват мюонов нижних уровней j>j\A - системы, в таком случае параметр А^ должен, в отличие от Ajj- , возрастать с ростом плотности водорода.

В заключение пользуюсь случаем выразить благодарность доктору физико-математических наук Петрухину В.И. за научное руководство, член-корреспонденту АН СССР Джелепову В.П. за внимание, поддержку и сотрудничество; Быстрицкому В.М., Суворову В.М., Филь-ченкову В.В., Хованскому H.H. за тесное сотрудничество, на основе которого была выполнена настоящая работа; Руденко А.И., Сомову Л.Н., Хемницу Г. за их вклад в подготовку и проведение экспериментов; Герштейну С.С., Пономареву Л.И., Зинову В.Г., Мележи-ку B.C., Меньшикову Л.И. за полезные обсуждения и ценные замечания; Медведю C.B. и его сотрудникам за обеспечение бесперебойной работы Измерительного центра ЛЯП.

-1. Е,Ким. МЕЗОННЫЕ АТОМЫ И ЯДЕРНАЯ СТРУКТУРА. М.,Наука, 1975.

2. В.В.Балашов, Г.Д.Коренман, Р.А.Эрамжян. Поглощение мезонов атомными ядрами. М., Атомиздат, 1978.

3. Я.Б.Зельдович, С.С.Герштейн. Ядерные реакции в холодном водороде.УФН, 1980, 71, с.581.

4. С.С.Герштейн, В.И.Петрухин, Л.И.Пономарев, Ю.Д.Прокошкин. Мезоатомные процессы и модель больших мезомолекул. УФН, 1969, 97, с.З.

5« В.И.Петрухин, В.М.Суворов. Изучение атомного захвата и перехвата ГГ-мезонов в смесях водорода с другими газами. ЖЭТФ, 1976, 70, 1145.

6. С.И.Виницкий, Л.И.Пономарев, И.В.Пузынин и др. Резонансное образование j\A -мезомолекул водорода. ЖЭТФ, 1978,74, с.849.

7. В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, В.И.Петрухин и др. Резонансная зависимость скорости образования мезомолекул JJja в газообразном дейтерии. ЖЭТФ, 1979, 76, с.460.

8в Я.Б.Зельдович, С.С.Герштейн. Универсальное Ферми-взаимодействие и захват ул -мезона протоном.ЖЭТФ,35,1958,с.821. 9. H.Primakoff. Theory of muon capture. Rev.Mod.Phys., 31, p. 802, 1959. Ю. С.С.Герштейн. Пробеги yiА -мезоатомов водорода в водородных камерах. ЖЭТФ, 1959, 36, с.1309. 11. S.Cohen, P.L.Judd, R.J.Riddel. yA -Mesonic molecules. II. Phys.Rev., 119, p. 397, I960.

12. В.П.Джелепов, П.Ф.Ермолов, В.В.Фильченков. Рассеяние ¡уи атомов на протонах. ЖЭТФ, 1965, 49, с.393. 13« A.Alherigi Quaranta, A.Bertin, G.Matone et al. Elastic scattering of mesoatoras on hydrogen and on deuterium. Uuovo Cim., 47B, p. 72, 1967.

14. А.В.Матвеенко, Л.И.Пономарев. Медленные столкновения в системе трех тел, взаимодействующих по закону Кулона. ГУ". ЖЭТФ, 1970, 59, 0.1593.

15. А.В.Матвеенко, Л.И.Пономарев, М.П.Файфман. Упругое рассеяние с учетом закрытого канала: процессы dju^ и j^+p » djfi+i , ft+t . ЖЭТФ, 1975, 68, с.437.

16. Л.И.Пономарев, Л.С.Сомов, М.П.Файфман. Простой подход для описания системы трех тел в мезоатомной физике. ЯФ, 1979, 29, с.133.

17. A.Bertin, I.Massa, M.Piccinini et al. Hew measurement of the cross section for the elastic scattering process уьр+р—■*yjjo-j? in gaseous hydrogen at 26 atmospheres. Phys.Lett., 78B, p. 355, p.1978.

18. A.Bertin, M.Capponi, I.Massa et al. Experimental study of the elastic-scattering processes of muonic hydrogen and deuterium against protons and deutrons. Huovo Cim. 72A, p. 225, 1982.

19. В.С.Мележик, Л.И.Пономарев, М.П.Файфман. Процессы упругого рассеяния в системе трех частиц с кулоновским взаимодействием. ЖЭТФ, 1983, 85, с.434.

20. Л.И.Пономарев. Доклад на X Европейской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному.синтезу. Москва, 14 19 сентября 1981 г. Издательство ИАЭ,М., 1982,т.2, с.66.

21. Ю.Г.Будяшов, П.Ф.Ермолов, В.Г.Зинов и др. Структура К-серии аргона при атомном захвате отрицательных мюонов в чистом газе и смеси с водородом. ЯФ, 1967, 5, с. 599.

22. A.Bertin, P.Ferrari, I.Massa et al. Шоп transfer effect on the Lyman series of улAl muonic atoms. Phys.Lett., 68A, p. 201, 1978.

23. M.Shiff. Transfer of negative muons to gases dissolved in a hydrogen bubble chamber. Nuovo Cim. 22, p. 66, 1961.

24. G.Conforto, C.Rubbia, E.Zavattini, S.Focardi. Direct measurement of ул -mesonic molecule formation rate in liquid hydrogen. Nuovo Cim., 22, p. 1001, 1964.

25. В.П.Джелепов, П.Ф.Ермолов, Е.А.Кушниренко. Экспериментальное исследование ул -атомных процессов в газообразном водороде. ЖЭТФ, 1962, 42, с.439.

26. E.J.Bleser, E.W.Anderson, L.M.Lederman et al. Muonic molecules in liquid hydrogen. Phys.Rev.,132,p.2679, 1963

27. О.А.Займидорога, М.М.Кулюкин, Р.М.Суляев и др. Образование мезоатомов гелия в газовой смеси водорода с гелием. ЖЭТФ, 1965, 49, с.1042.

28. С.Г.Басиладзе, П.Ф.Ермолов, К.О.Оганесян. Измерение скорости перехода мюона от /ул -атома к ядрам других элементов. ЖЭТФ, 1965, 49, с.1042.

29. A.Alberigi Quaranta, A.Bertin, G.Matone et al. Measurement of the transfer rates of muons from hydrogen to xenon. Nuovo Cim., 47B, p. 92, 1967.

30. A.Placci, E.Zavattini, A.Bertin, A.Vitale. Direct measurement of the transfer rates of muons from улр muonic atoms to argon, krypton and xenon atoms. Uuov.Cim.A64,p.1053,1969.

31. A.Bertin, M.Bruno, A.Vitale et al. Measurement of the rate for the reaction ^^¿¡-умр* d at room temperature. Lett Huovo Cim., 4, p. 449, 1972

32. В.М.Быстрицкий, В.П.Дкелепов, В.И.Петрухин и др. Измерение сечения рассеяния ^ -атомов в газообразном водороде. Препринт ОИЯИ, PI-84-I7, Дубна, 1984; ЖЭТФ, 1984, 87, с. 384.

33. С.С.Герштейн. Переходы отрицательных мезонов от водорода к ядрам других элементов. ЖЭТФ, 43, с. 706, 1962.

34. Л.И.Пономарев, Т.П.Пузынина. Задача двух центров в квантовой механике. ЖЭТФ, 1967, 52, с. 1273.

35. Л.И.Пономарев. Конфигурационное взаимодействие термов в системе ¿ге^' . ЖЭТФ, 55, 1968, с. 1836.

36. А.В.Матвеенко, Л.И.Пономарев. Расчет реакции ¡уль Не ЖЭТФ, 1972, 63, с. 48.

37. В.И.Петрухин, Ю.Д.Прокошкин, В.М.Суворов. Перехват ГГ-мезонов в смеси водорода с другими газами. ЖЭТФ, 1968, 55, с. 2173.

38. В.И.Петрухин, В.М.Суворов. Изучение атомного захвата и перехват П~-мезонов в смеси водорода с другими газами. ЖЭТФ, 1976, 70, с. 1145.

39. Коренман Г.Я., Роговая С.И. Атомный захват отрицательных мезонов в водороде. ЯФ, 1975, 22, с.754

40. Г.Я.Коренман. О распределении первичных заселенностей уровней в мезоатомах. В кн.: "Мезоны в веществе". Труды меядународ ного симпозиума по проблемам мезонной химии и мезомол екулярных цроцессов в веществе. Дубна, 1977, с. 132

41. J.S.Cohen, R.M.Martin, W.R. Wadt. Diabatic-state treatment of negative-meson moderation and capture. II.Mixtures of hydrogen and helium. Phys.Rev., A27, p. 1821, 1983.

42. Ю.А.Аристов, А.В.Кравцов, Н.П.Попов и др. Молекулярный механизм перезарядки мезоатомов водорода на ядрах гелия. ЯФ, 1981, 33, с.1066. 43» В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, В.И.Петрухин и др. Наблюдение перехвата мюонов в столкновениях jyA -ьНе . В кн.:"Мезоны в веществе". Труды международного симпозиума по проблемам мезонной химии и мезомолекулярных процессов в веществе. Дубна, 1977, с.220.

44. В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, В.И.Петрухин и др. Перехват мюонов с водорода на гелий. Препринт ОИЯИ, PI-82-646, Дубна, 1982; ЖЭТФ, 1983, 84, с.1257.

45. В.М.Быстрицкий, А.И.Руденко, В.М.Суворов и др. Отбор событий в экспериментах по исследованию y/t -атомных и мезомолекулярных процессов. ПТЭ, 1983, 4, с.48.

46. В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, П.Ф.Ермолов и др. Система с газовой мишенью для опытов со сверхчистым водородом. Сообщение ОИЯИ, 13-7246, JlyöHa, 1973.

47. В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, П.Ф.Ермолов и др. Увеличение эффективности совпадений и антисовпадений при работе со сцинтиллятором из С$3(Тб). ПТЭ, 1971, 4, с.86.

48. В.М.Быстрицкий, В.П.Лделепов, В.И.Петрухин и др. ЖЭТФ,1976,

70, с.1167. Прямое измерение скоростей образования и ре/у -молекул в газообразном водороде.

49. В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, В.И.Петрухин и др. Изучение спиновых состояний -атомов в газообразном водороде и измерение скорости синтеза в рс/лл -молекуле. ЖЭТФ, 1976, 71, с.1680. г/

50* В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, В.И.Петрухин и др. Резонансная зависимость скорости образования мезомолекул в газообразном дейтерии. ЖЭТФ, 1979, 76, с.460. '

51. В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, Н.И.Дороничева и др. Установка для получения сверхчистого газообразного водорода при давлении до 50 атм. ПТЭ., 1972, 2, с.226.

52. В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, П.Ф.Ермолов и др. Измерение скорости захвата мюона в газообразном водороде. ЖЭТФ,1974, 66, с.43.

53« В.М.Быстрицкий, В.П.Джелепов, К.О.Оганесян и др. Исследование реакции синтеза <J^+cJ-:>H&+rb+jiA в газообразном дейтерии. ЖЭТФ, 1974, 66, с.61,

54. Ю.Г.Будяшов, П.Ф.Ермолов, В.Г.Зинов и др. Измерение скорости образования pjytA -молекулы в газообразном водороде. Препринт ОИЯИ, И5-3964, Дубна, 1968.

55. Б.Ю.Балдин. Схема блокировки и время-амплитудный преобразователь на интегральных схемах. Препринт ОИЯИ, 13-6954, Дубна, 1973.

56. Н.И.Журавлев, Ли Зу Эк, Нгуен Мань Шат и др. Цифровые блоки в стандарте КАМАК, разработанные для исследований на синхроциклотроне (вып.Ш). Сообщение ОИЯИ,10-8754, .Бубна, 1975.

57. В.Е.Маркушин. Легкие -атомы в жидком и газообразном водороде и дейтерии. ЖЭТФ, 1981, 80, с.35.

58. A.S.V/ightman. Moderation of negative mesons in hydrogen. Phys.Rev., 77, p. 521, 1950.

59. M.Leon, H.A.Bethe. Negative meson absorbtion in liquid hydrogen. Phys.Rev., 127, p. 636, 1962.

60. В.П.Джелепов, П.Ф.Ермолов, В.И.Москалев и др. Упругое рассеяние cj/n -мезоатомов на протонах, дейтронах и сложных ядрах. ЖЭТФ, 1964, 47, с.1243,

61. Л.И.Меньшиков. Рассеяние мезоатомов изотопов водорода на молекулах изотопов водорода. Препринт ИАЭ-38П/12, Москва, 1983.