Парциальные сечения фоторождения π и η мезонов на лёгких ядрах в области нуклонных резонансов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Игнатов, Александр Сергеевич

• Игнатов, Александр Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Игнатов, Александр Сергеевич

Введение

1 Фоторождение мезонов на лёгких ядрах в области нук-лонных резонансов

1.1 Полное сечение фотопоглощения.

1.1.1 Фоторождение 7г-мезонов.

1.1.2 Фоторождение пар 7Г7Г.

1.1.3 Полное сечение фотопоглощения на протоне

1.2 Фоторождение ту-мезонов в лёгких ядрах.

1.2.1 Фоторождение 77-мезонов на протоне и нейтроне

1.2.2 77-мезон в физике мезонных ядер.

2 Установка

2.1 ESRF

2.2 Пучок 7-квантов.

2.2.1 Кинематика обратного комптоновского рассеяния

2.2.2 Получение пучка 7-квантов.Г.

2.2.3 Измерение энергии 7-квантов.

2.2.4 Монитор пучка 7-квантов.

2.3 Мишень.

2.4 Детектор LAGRAN7E.

2.4.1 Плоские пропорциональные камеры.

2.4.2 Двойная стена из пластиковых сцинтилляторов

2.4.3 Детектор ливней.

2.4.4 Цилиндрические пропорциональные камеры

2.4.5 Цилиндричекий детектор из тонкого пластикового сцинтиллятора («Barrel»)

2.4.6 BGO-калориметр.

2.4.7 Вето детектор.

2.5 Система сбора данных.

2.5.1 Общее описание.

2.5.2 Формирование триггеров записи событий.

2.6 Организация анализа данных.

2.6.1 Экспериментальные данные.

2.6.2 Моделирование.

3 Алгоритмы анализа экспериментальных данных и результаты измерений

3.1 Общие определения

3.1.1 Вычисление сечений парциальных каналов

3.1.2 Вычисление эффективности регистрации реакции и её применение к экспериментальным данным

3.2 Фоторождение мезонов на водородной мишени.

3.2.1 Отбор событий и идентификация каналов.

3.2.2 Эффективность регистрации.

3.2.3 Вычисление полных сечений парциальных каналов

3.3 Вычисление полного сечения фотопоглощения на протоне

3.3.1 Фоновые условия.

3.3.2 Эффективность регистрации.

3.3.3 Результаты измерений.

4 Корреляционный метод исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядерным веществом

4.1 Условия применимости и алгоритм отбора.

4.2 Взаимодействие 77-мезонов с внутриядерными нуклонами

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Парциальные сечения фоторождения π и η мезонов на лёгких ядрах в области нуклонных резонансов»

Целью настоящей диссертационной работы является получение новых данных о процессах фоторождения тт и г] мезонов на лёгких ядрах в области нуклопных резонансов при энергии 7-квантов 600-^1500 МэВ. Работа выполнена на установке GRAAL, расположенной в Европейском Центре Синхротронного Излучения (ESRF). Для получения пучка 7-квантов используется метод обратного комптоновского рассеяния. Благодаря этому методу пучок 7-кваитов обладает достаточно высокой энергией и интенсивностью, низким уровнем фона и высокой степенью поляризации. Детектор LAGRAN7E установки GRAAL, разработанный для таких исследований, имеет большой телесный угол

3.87г) и высокую эффективность регистрации продуктов реакций, что позволяет качественно проводить исследования фоторождения мезонов.

Изучение процессов фоторождения мезонов является одним из инструментов в исследовании взаимодействия фотонов с ядрами и структуры нуклона. Полное сечение фотопоглощения на нуклоне имеет резонансную структуру, которая свидетельствует о наличии возбуждённых состояний нуклона (нуклонных резонансов). Знание свойств нук-лонных резонансов является ключом к пониманию структуры самого нуклона. Испускание мезонов является основным каналом перехода нуклона из возбуждённого состояния в основное. Характерное время протекания таких процессов составляет ~ 10~24 сек (сильное взаимодействие) , что соответствует неопределённости в наблюдаемой энергии возбуждения около нескольких 100 МэВ. При этом различие в массе разных нуклонных резонансов может составлять ~ 10 МэВ, что приводит к сильному перекрытию в наблюдаемом энергетическом спектре. Фоторождение мезонов может происходить и без возбуждения нуклон-ных резонансов (например, через обмен векторными мезонами), что вносит дополнительный нерезонансный фон в наблюдаемые. Реально из всего экспериментально наблюдаемого спектра полного сечения взаимодействия 7-кванта со свободным нуклоном может быть выделен только один максимум, который соответствует наиболее низколежа-щему возбуждённому состоянию. Изучение различных парциальных каналов фоторождения мезонов позволяет выявить резонансы, которые из-за сильного перекрытия и нерезонансного фона не могут быть выделены в полном инклюзивном сечении. Однако именно изучение полного сечения фотопоглощения может ответить на ряд вопросов, которые возникли в физике фотоядерных реакций за последнее время. Это, например, изменение формы кривой фотопоглощения с ростом атомного номера для легких ядер и различие в интегральных сечениях фотопоглощения для легких и тяжелых ядер в области Д-рсзонанса.

Отдельный интерес для изучения процесса фотопоглощения на тяжёлых ядрах представляет измерение полного сечения фотопоглощения методом вычитания фона от пустой мишени. Это в основном обусловлено тем, что для тяжёлых ядер задача измерения сечений всех парциальных каналов, которые дают значимый вклад в полное сечение, трудновыполнима. Однако метод вычитания фона от пустой мишени требует точно оценить фоновые условия. Этому вопросу в данной работе уделено особое внимание.

В данной работе изучается процесс фотопоглощения на водородной мишени. Рассмотрены реакции 7р —> 7г+п, 7р —> 7Г°р, 7р —> т]р^ 7р —> 7г+7гтр —> 7Г°7т°р и 7р —> 7г+7г°п. Эти шесть каналов в диапазоне энергий 7-квантов 600-f-1500 МэВ дают основной вклад в полное сечение фотопоглощения.

Отдельный интерес представляет изучение канала фоторождения 77-мезона. Согласно теоретическим расчётам, в случае малой кинетической энергии 77-мезона потенциал его взаимодействия с ядром имеет характер притяжения, что говорит о возможности образования связанного состояния. Однако отсутствие пучков 77-мезонов делает изучение данного эффекта крайне трудной задачей. В настоящей работе предложен новый корреляционный метод изучения взаимодействия нестабильных мезонов с ядерным веществом. Этот метод интересен тем, что позволяет идентифицировать тип родившегося мезона по нуклону отдачи. Таким образом, появляется возможность изучать продукты взаимодействия мезона с ядерным веществом, не регистрируя его в конечном состоянии.

Задачи данной работы состоят в:

1. разработке алгоритмов и программ анализа экспериментальных данных установки GRAAL по фоторождению 7Г- и 77-мезонов на протоне и дейтроне,

2. изучении фоновых условий эксперимента GRAAL с целью разработки метода измерения полного сечения фотопоглощения путем вычитания фона от пустой мишени,

3. разработке и аппробировании на экспериментальных и моделированных данных нового корреляционного метода исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядрами,

4. вычислении полного сечения фотопоглощения на протоне в области энергий гамма-квантов от 600 до 1500 МэВ двумя альтернативными методами: вычитанием фона от пустой мишени и суммированием парциальных сечений,

5. исследовании продуктов упругого и неупругого взаимодействия 77-мезонов с легкими ядрами на примере дейтериевой мишени и мишени из майлара.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Игнатов, Александр Сергеевич

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработаны алгоритмы и программы анализа экспериментальных данных установки GRAAL по фоторождеиию 7Г- и 77-мезонов на протоне и дейтроне в области энергий 7-квантов = 0.6 -Ь 1.5 ГэВ. Для водородной мишепи программы анализа охватывают шесть парциальных каналов фоторождения мезонов в рассматриваемой области энергий. Это реакции ^р —»• тг+п, 7р —> 7т°р, IV > VP: IV > 7Г+7Г~Pi 7Р K0ir°p и 7р 7т+7Г°п. Также для протона была разработана программа анализа реакции полного фотопоглощения. Для дейтериевой мишени программы анализа включают два парциальных канала фоторождения 7г°- и 77-мезона.

2. Изучены фоновые условия эксперимента GRAAL и разработан метод измерения полного сечения фотопоглощения путем вычитания фона от пустой мишени. Этот метод впервые применён для диапазона энергий 7-квантов Е7 — 0.6 1.5 ГэВ, полученных методом обратного комптоновского рассеяния. Установлено, что вклад электромагнитного фона в полный выход от пустой мишени пренебрежимо мал. Это говорит о том, что фон идет не от мишени, а от внешних источников. Следовательно, его можно надежно вычитать для определения полного сечения фотопоглощения.

3. Впервые разработан и протестирован на экспериментальных и моделированных данных новый корреляционный метод исследования взаимодействия нестабильных мезонов с ядрами. Установлено, что возможность применимости данного метода обусловлена наличием широкоапертурного детектора, позволяющего измерять импульс протона, зарегистрированного в переднем направлении, и регистрировать результаты вторичного взаимодействия мезонов с ядерным веществом в широком диапазоне углов. Также установлено, что для фиксированной энергии 7-кванта и угла вылета протона отдачи в пределах вр < 25°, его импульс позволяет идентифицировать тип родившегося в одной из двух реакций (7р —» тг°р или тр —*■ 1ip) мезона по крайней мере для легких ядер.

4. Используя данные, полученные на водородной мишени, измерено полное сечение фотопоглощения на протоне в области энергий 7-квантов от 600 до 1500 МэВ двумя альтернативными методами: вычитанием фона от пустой мишени и суммированием парциальных сечений. Показано, что эти два метода хорошо согласуются для энергий 7-квантов < 1.1 ГэВ. Выше этой энергии в полное сечение фотопоглощения дают значительный вклад процессы с образованием нескольких мезонов, которые не учтены в методе суммирования парциальных каналов. Также показано, что полное сечение, полученное вычитанием фона от пустой мишени находится в хорошем согласии с результатами из других экспериментов для энергии 7-квантов Е^ < 0.8 ГэВ. Выше этой энергии данные, полученные в настоящей работе, незначительно, но систематически лежат ниже, чем данные, полученные Армстронгом в 1972 году.

5. Впервые исследованы продукты упругого и неупругого взаимодействия 77-мезоиов с легкими ядрами на примере дейтериевой мишени и мишени из майлара. Показано, что при отборе канала фоторождения 77-мезона при помощи протона отдачи, в центральном детекторе регистрируются пары 7-квантов, инвариантная масса которых соответствует 7Г°-мезону. Этот эффект отсутствует в моделировании, в котором были полностью учтены все параметры экспериментальной установки.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Игнатов, Александр Сергеевич, 2009 год

1. High-Energy Physics Experiments Database:http://usparc.ihep.su/spires/ /experiments/.

2. SAID homepage: http://gwdac.phys.gwu.edu/.

3. MAID homepage: http://www.kph.uni-mainz.de/MAID/maid.html.

4. ESRF homepage: http://www.esrf.eu/.

5. CERNLIB manual: http://cernlib.web.cern.ch/cernlib/.

6. GEANT manual: http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant/index.html.

7. F. V. Adamian et al. Phys. Rev. C, 63:054606, 2001.

8. J. Ahrens et al. Phys. Rev. Lett, 87:022003, 2001.

9. J. Ahrens et al. Helicity dependence of the 7p> —> П7Г°7Г+ reaction in the second resonance region. Phys. Lett. В, 551:49-55, 2003.

10. J. Ahrens et al. Helicity dependence of the 7p —> тт channels and multipole analysis in the 6 region. Eur. Phys. J. A, 21:323-333, 2004.

11. J. Ahrens et al. Eur. Phys. J. A, 624:173-180, 2005.

12. J. Ahrens et al. Phys. Rev. C, 74:045204, 2006.

13. J. Ajaka. Photoproduction dun mison eta sur l?hydrogene du seuil jusqu?a 1100 MeV: mesure de Ifasymetrie faisceau E. PhD thesis, Universite Louis Pasteur Strasbourg, 1997.

14. J. Ajaka et al. Phys. Rev. Lett., 81:1797, 1998.

15. J. Ajaka et al. Phys. Lett. B, 475:372, 2000.

16. T. Armstrong. Total hadronic cross section of gamma rays in hydrogen in the energy range 0.265 4.215 gev. Phys. Rev. D, 5:1640, 1972.

17. Y. Assafiri et al. Double 7r0 photoproduction on the proton at graal. Phys. Rev. Lett., 90:222001, 2003.

18. D. Barancourt et al. Nucl. Instr. and Meth. A, 388:226, 1997. O. Bartalini et al. Phys. Lett. B, 544:113, 2002. R. Beck et al. Phys. Rev. Lett., 78:606, 1997. R. Beck et al. Phys. Rev. C, 61:035205, 2000.

19. V. Bellini et al. Position sensitive disc for charged particle detection. Nucl. Instr. and Meth. A, 461:174-177, 2001.

20. R. Bhalerao and L. Liu. Off-shell model for threshold pionic 77-production on a nucleon and for 77n-scattering. Phys. Rev. Lett. 54:865, 1985.

21. R. Bijker, F. Iachello, and A. Leviatan. Phys. Rev. D, 55:2862, 1997.

22. G. Blanpied et al. Phys. Rev. C, 64:025203, 2001.

23. A. Bock et al. Phys. Rev. Lett., 81:534, 1998.

24. A. Braghieri et al. Phys. Lett. B, 363:46, 1995.

25. K. Buchler et al. Nucl. Phys. A, 570:580, 1994.

26. S. Capstick and W. Roberts. Quark models of baryon masses and decays. Prog. Part. Nucl. Phys., 45:241, 2000.

27. W.-T. Chiang, S.-N. Yang, L. Tiator, and D. Drechsel. Nucl. Phys. A, 700:429-453, 2002.

28. R. Chrien. Search for bound states of the 77-meson in light nuclei. Phys. Rev. Lett., 60:2595, 1988.

29. V. Crede et al. Phys. Rev. Lett., 94:012004, 2005.

30. V. Crede et al. Neutral-pion photoproduction off protons in the photon energy range 0.3 gev 3 gev. Phys. Rev. Lett., 94:012003,

31. R. M. Davidson and N. C. Mukhopadhyay. Phys. Rev. Lett., 79:4509, 1997.

32. R. Di Salvo. Beam asymmetry in meson photoproduction on deuteron targets at graal. Int. J. Mod. Phys. A, 20:1918-1922, 2005.

33. D. Drechsel, S. Kamalov, and L. Tiator. Nucl. Phys. A, 645:145-174, 1999.38 39 [40 [4142 434448 4950 5152