Парциальные сечения фоторождения ? и ? 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 7Ги 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.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработаны алгоритмы и программы анализа экспериментальных данных установки GRAAL по фоторождеиию 7Ги 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

.