Исследование рождения адронов в ядро-ядерных взаимодействиях при умеренно высоких энергиях вблизи и за кинематической границей свободных NN-соударений

Исследование кумулятивного эффекта, предсказанного А.М.Балди-ным [1] и экспериментально обнаруженного группой В.С.Ставинского[2], является актуальной проблемой физики высоких энергий, как с точки зрения определения кварк-глюонного строения ядра, так и для выяснения механизмов процессов множественного рождения. Под кумулятивным эффектом понимается рождение частиц в адрон-ядерных или ядро-ядерных взаимодействиях в областях предельной фрагментации ядер, за кинематической границей свободных нуклон-нуклонных соударений. Так в эксперименте [2] наблюдался вылет мезонов из медной мишени под действием быстрых дейтронов с импульсами, близкими к импульсу налетающих дейтронов и заведомо больше, чем импульс одного нуклона в дейтроне.

В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал по кумулятивным процессам (см. обзоры [3, 4, 5]) и предложено множество теоретических подходов, объясняющих это интереснейшее явление. Однако нет единого, целостного понимания этого эффекта. Так называемые «холодные» модели объясняют образование кумулятивных частиц за счет структурных особенностей ядер — флуктуаций плотности ядра («флуктонов»), малонуклонных корреляций [6], многокварковых образований [7] и т. д. В «горячих» моделях кумулятивные процессы обусловлены цветовой перезарядкой кварков [8], или многократными перерассеяниями вторичных частиц [9], или образованием массивных объектов в ядре в процессе адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий [10, 11, 12]. Существующие теоретические подходы, как правило, имеют аналитическую форму и их результаты трудно воспроизводимы. Аналитические модели не допускают эксклюзивного анализа адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий. При современном состоянии физики высоких энергий только небольшая часть экспериментальной информации может быть непосредственным образом сопоставлена с предсказаниями новых и активно изучаемых теоретических и феноменологических моделей. Дело в том, что в экспериментальной физике все большее распространение получают широ-коаппертурные электронные детекторы, которые позволяют осуществлять быстрый отбор событий и набор экспериментального материала, проводить селективный анализ взаимодействий, различных корреляционных зависимостей и т. д. Удовлетворить возросшие потребности эксперимента позволяют теоретические модели, реализованные в виде генераторов искусственных событий. В физике высоких энергий в настоящее время существует целый ряд таких монтекарловских моделей, допускающих эксклюзивный анализ ядро-ядерных реакций и прямое сопоставление расчетов с экспериментальными данными. Эти программы-генераторы событий позволяют оценить фоновые и радиационные условия, разработать методы выделения сигналов, смоделировать энергетическую и геометрическую реконструкцию событий, что необходимо для планирования и проведения экспериментов. Имеется большое количество монтекарловских моделей множественного рождения, но ни одна из них не учитывает образования кумулятивных частиц в явном виде.

Исходя из вышесказанного, представляется актуальным усовершенствование монтекарловских моделей, позволяющих эксклюзивный анализ адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий, сопровождаемых рождением кумулятивных частиц. Попытки такого рода с использованием кас-кадно-испарительной модели предпринимались в работах [13, 14], в которых оценивалось искажение спектров кумулятивных частиц из-за вторичных взаимодействий в ядрах. Однако каскадно-испарительная модель, использованная в [13, 14], не учитывает рождение мезонных и барионных резонансов, в результате чего она не работает при энергиях больше 10 ГэВ/нуклон. Поэтому необходимо рассмотреть другие модели.

Существующие модели можно разделить на три класса: различные обобщения модели внутриядерного каскада, среди которых наиболее известна модель релятивистской квантовой молекулярной динамики (ИХ^МО) [15]—[17]- популярная модель РШТЮЕ [18] и дуалъная-партонная модель [19], в частности, модель кварк-глюонных струн [20]. Отметим, что ни одна из них не описывает рождение частиц в областях фрагментации ядер с необходимой точностью. Поэтому возникает задача корректного описания областей фрагментации ядер и, особенно, выходов протонов, которые доминируют в этих областях. Ее решение имеет большое значение не только для физики высоких энергий, но и для физики промежуточных энергий, в которой в последние годы были открыты новые явления: калориметрические свойства высоковозбужденных ядер [21] и радиальный поток фрагментов [22]. Необходимо ее решение и для практических приложений: разработки электроядерных установок, трансмутации радиоактивных отходов, для космического материалловедения и т. д.

В диссертации рассматриваются модели ГК^МБ и ЕШТЮЕ, основные положения которых приведены в первой главе.

Во второй главе сначала анализируется описание нуклон-нуклонных взаимодействий указанными моделями. Используются экспериментальные данные группы Ю. А. Трояна о нейтрон-протонных взаимодействиях при импульсах 1.25 — 5.1 ГэВ/с [23]. Представляется очевидным, что теоретические модели должны удовлетворительно описывать нуклон-нуклонные взаимодействия. В противоположном случае при анализе ядро-ядерных взаимодействий может возникнуть вопрос — обусловлено ли расхождение между модельными предсказаниями и экспериментальными данными недостатками модели или неучтенными физическими процессами. Как показано в этой части диссертации, модель RQMD хорошо воспроизводит характеристики 7г~-мезонов и дает неудовлетворительное описание спектров протонов. Модель FRITIOF точнее описывает данные. Далее в этой главе анализируются ядро-ядерные взаимодействия.

Как известно, в Лаборатории высоких энергий ОИЯИ получены разнообразные экспериментальные данные, которые создают базу для анализа теоретических моделей. Для решения задач настоящей диссертации наиболее подходят экспериментальные данные Сотрудничества по обработке снимков 2-х метровой пропановой камеры ЛВЭ ОИЯИ В рамках Сотрудничества было найдено, что спектры протонов сильно меняются в зависимости от числа нуклонов, принявших участие во взаимодействии, или в зависимости от центральности соударений [24]-[29]. Во второй главе используется этот подход, дополненный анализом корреляций между характеристиками вторичных частиц в СС-взаимодействиях при энергии 3.36 ГэВ/нуклон.

Данные анализируются в рамках моделей RQMD и FRITIOF. Сначала рассматриваются взаимодействия с различным числом протонов-участников. Показано, что распределения протонов по быстротам сильно зависят от множественности протонов-участников, а форма распределений 7г~-мезонов по быстротам остается практически постоянной, изменяется только их множественность. Для описания экспериментальных данных в модели FRITIOF учтены упругие перерассеяния нуклонов и достигнуто хорошее воспроизведение характеристик мезонов и быстрых протонов. Характеристики мягких, испарительных протонов модель не описывает, что обусловлено недостатками используемой испарительной модели де-возбуждения ядер-остатков. При анализе этой совокупности.

1 Автор благодарен Сотрудничеству за предоставленные данные, и особенно членам Сотрудничества Е. Н. Кладницкой и О. В. Рогачевскому. экспериментальных данных модель 1К^МВ не используется, поскольку неудовлетворительное описание спектров протонов в нуклон-нуклонных взаимодействиях в модели приводит к неправильному разделению на группы с различной центральностью соударений. Для проверки модели ЛС^МО весь ансамбль СС-взаимодействий разделен на группы с различной множественностью отрицательно заряженных 7г-мезонов. Показано, что модель Б^МБ неудовлетворительно воспроизводит распределения протонов по быстротам в этих группах событий. Сделан вывод, что модель ГК^МБ необходимо усовершенствовать, а модель ПИТЮГ, дополненную учетом упругих перерассеяний, можно использовать для более детального анализа данных.

В третьей главе диссертации представлены экспериментальные данные о рождении 7г°- мезонов в ядро-ядерных взаимодействиях вблизи и за кинематической границей свободных ТУТУ-соударений при импульсе 4.5 ГэВ/с/нуклон. Данные были получены на установке ФОТОН ЛВЭ ОИЯИ. Установка представляет собой 90-канальный черенковский масс-спектрометр. Детекторы 7-спектрометра, работающие независимо, собраны в матрицу 7×13 размерами 140×215 см. Экспериментальная аппаратура позволяла измерять как энергии, так и направления вылета 7-квантов, образующихся в результате распадов 7г°-мезонов. В диссертации изложен принцип работы спектрометра, приведена схема установки и ее основные параметры, даны критерии отбора событий и реконструкции 7г°-мезонов. На установке получены данные о рождении нейтральных мезонов с углами 9по < 16° (л.с.) и энергиями Ежо > 2 ГэВ.

В третьей главе представлены инвариантные инклюзивные сечения образования 7г°-мезонов в ССи ССм-взаимодействиях в зависимости от кумулятивного числа X. В диапазоне X = 0,9 — 1,9 сечения экспоненциально убывают. Показано, что экспериментальные сечения имеют слабую зависимость от массы ядра, на котором происходит фрагментация, и сильную зависимость от массы налетающего ядра. Приведен также анализ инклюзивных сечений рождения 7г°-мезонов в (1С-взаимодействиях.

В диссертации отмечается, что общая картина адрон-ядерных взаимодействий, предполагаемая «горячими» моделями рождения кумулятивных частиц [10]-[12], используется и в моделях ИХ^МО и ИИТЮЕ. Поэтому можно ожидать, что эти модели будут предсказывать образование кумулятивных частиц. Что подтверждается расчетами инвариантных инклюзивных сечений образования 7г°-мезонов в р, а, С + С, Си взаимодействиях при 4.5 ГэВ/с/нуклон, представленными в § 3.2. Показано, что наклоны экспериментальных и расчетных спектров близки, однако расчетные величины сечений в 2 — 3 раза превосходят экспериментальные значения инвариантных инклюзивных сечений рождения 7г°-мезонов в ССи ССи-взаимодействиях. Расчеты по модели ЕШТЮГ качественно согласуются с экспериментальными данными о сечениях образования 7г°-мезонов в ¿-/-Невзаимодействиях при различных энергиях и углах вылета 7г°-мезонов. В рамках модели ЕШТЮГ выполнен детальный анализ механизма рождения кумулятивных 7г°-мезонов в СС-взаимодействиях. Сделано заключение о том, что модели ЛС^МО и ИИТЮЕ качественно описывают характеристики 7г°-мезонов, наблюдаемых на установке ФОТОН.

В четвертой главе проведен анализ рождения заряженных частиц в адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях вблизи и за кинематической границей свободных N/У-в заимодействий в рамках модели ШИТОЕ. Здесь рассматриваются экспериментальные данные о взаимодействиях ад-ронов и ядер с ядрами углерода и тантала при энергии 3.36 ГэВ/нуклон, данные о реакциях й + А —> тг~(0°) + X при = 8.9 ГэВ/с, и данные о^{Л-взаимодействиях} при 400 ГэВ. Показано, что модель удовлетворительно воспроизводит спектры мезонов, испускаемых в заднюю полусферу в лабораторной системе. В среднем, расчетные величины сечений для АС-взаимодействий несколько превышают соответствующие экс.

— 10периментальные значения. Аналогичное превышение наблюдается и для с/А-соударений. Достичь согласия можно при 30% уменьшении сечения нуклон-нуклонных взаимодействий, используемого в модели.

Со спектрами протонов ситуация иная. Модель позволяет воспроизводить мягкую часть спектра. Выход жестких протонов модель недооценивает. Понимание жесткой части спектров требует привлечения новых подходов.

В целом, усовершенствованную модель ЕШТЮЕ можно использовать для моделирования процессов рождения частиц в областях фрагментации ядер, и, в частности, процессов кумулятивного образования частиц с порядком кумулятивности X < 2. Модель можно использовать при разработке экспериментов, в том числе выполняемых на установках СФЕРА и ФОТОН.

В Заключении кратко сформулированы основные результаты.

Список цитируемой литературы находится в конце диссертационной работы. Нумерация формул в диссертации тройная: первая цифра — номер главы, вторая — номер параграфа, третья — номер формулы в данном параграфе. Аналогично нумеруются рисунки и таблицы.

Заключение

.

1. Выполнен анализ предсказаний моделей множественного рождения RQMD и FRITIOF для np-взаимодействий при Рп = 1.25−5.1 ГэВ/с. Показано, что модели удовлетворительно описывают распределения 7г~-мезонов по кинематическим переменным у и Рр. В спектрах протонов обнаружено существенное расхождение предсказаний моделей. Модель RQMD предполагает бимодальную структуру распределений протонов по быстротам в противоречии с экспериментальными данными группы Ю. А. Трояна. Расчеты по модели FRITIOF хорошо согласуются с экспериментальными данными.

2. Указанный недостаток модели RQMD четко проявляется в ядро-ядерных взаимодействиях. Для демонстрации этого получены экспериментальные данные о характеристиках вторичных частиц в СС-взаимодействиях с энергией 3.36 ГэВ/нуклон, отличающиеся разной степенью центральности соударений, и сопоставлены с модельными расчетами. Показано, что модель RQMD неправильно воспроизводит спектры протонов.

3. Для достижения согласия с экспериментальными данными о характеристиках протонов, рождающихся в ядро-ядерных взаимодействиях в областях фрагментации, в модели FRITIOF учтены упругие перерассеяния нуклонов. Показано, что усовершенствованная модель FRITIOF качественно и количественно воспроизводит характеристики 7г~-мезонов и протонов в СС-взаимодействиях с энергией.

3.36 ГэВ/нуклон с разной степенью центральности соударений.

4. Представлены экспериментальные данные о рождении 7г°-мезонов в ядро-ядерных взаимодействиях при импульсе 4.5 ГэВ/с/нуклон в областях фрагментации ядер вблизи и за кинематической границей свободных К]Ч-соударений. Показано, что инвариантные инклюзивные сечения 7г°-мезонов также, как и сечения заряженных частиц, полученные в других экспериментах, экспоненциально убывают с ростом кумулятивной переменной X. Сечения имеют слабую зависимость от массы ядра, на котором происходит фрагментация, что свидетельствует о периферическом характере взаимодействий, и сильную зависимость от массы фрагментирующего ядра.

5. Впервые модели ядро-ядерных взаимодействий ИНТЮГ и ИХ^МО применены для анализа данных о кумулятивных частицах, т. е. частицах, образованных в областях фрагментации ядер вне кинематических границ свободных нуклон-нуклонных столкновений. Показано, что модели предсказывают правильное экспоненциальное убывание сечений с ростом X, но переоценивают абсолютные величины сечений. Воспроизводятся также зависимости сечений от масс сталкивающихся ядер и от поперечного импульса 7Г°-мезонов.

6. В рамках усовершенствованной модели ИНТЮЕ выполнен анализ экспериментальной информации о рождении 7г~-мезонов и протонов вблизи и за кинематической границей свободных К1Ч-соударе-ний. Показано, что модель удовлетворительно воспроизводит спектры 7г~-мезонов в ядро-ядерных взаимодействиях. Обращение к экспериментальным данным о реакциях ¿-+А —" 7г-+Х, полученных на установке СФЕРА, позволило установить, что за переоценку модельных сечений «отвечает» глауберовское приближение. При уменьшении сечений М1^-взаимодействий, используемых в глауберовском подходе, на 30% достигнуто согласование модельных предсказаний и экспериментальных данных.

7. Показано, что модель FRITIOF, дополненная реджеонной моделью разрушения ядер, описывает мягкую часть спектров протонов, вылетающих назад в адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях. Для анализа жесткой части спектров протонов, по-видимому, необходимо учесть другие механизмы рождения кумулятивных протонов (например, флуктоны или многокварковые мешки).

В целом, усовершенствованную модель FRITIOF можно использовать для моделирования процессов рождения частиц в областях фрагментации ядер и, в частности, процессов кумулятивного образования частиц с порядком кумулятивности X < 2. Модель можно использовать при разработке экспериментов, в том числе, выполняемых на установках СФЕРА и ФОТОН. Большое значение для развития теоретических представлений имеет получение экспериментальных данных о рождении кумулятивных частиц в ядро-ядерных взаимодействиях с различной степенью центральности. Такие электронные эксперименты могут быть реализованы на установках СФЕРА и МАРУСЯ. В теоретическом плане становится актуальным систематический анализ обширного экспериментального материала о рождении кумулятивных частиц в адрон-ядерных взаимодействиях в рамках современных теоретических моделей таких, как FRITIOF, модель ультрарелятивистской квантовой молекулярной динамики (Ur.QMD), модель кварк-глюонных струн и т. д. Все это важно для понимания механизмов реакций, структуры ядер и природы сильных взаимодействий.

В заключение автор считает свои приятным долгом выразить благодарность научным руководителям д.ф.м.н. В. В. Ужинскому и к.ф.м.н. Г. Л. Мелкумову за ту поддержку и внимание, которое они уделяли мне в течение всего времени нашей совместной работы. Особенно мне приятно.

— 111 выразить благодарность профессору М. Н. Хачатуряну, к.ф.м.н. Х.У. Аб-раамяну, к.ф.м.н. Н. М. Агабабяну и др. членам сектора НЭОРЯФ-2 за совместную работу, обсуждения и ценные замечания по проблемам, которые представлены в диссертации. Отдельно мне хочется поблагодарить к.ф.м.н. E.H. Кладницкую за плодотворное сотрудничество, многочисленные советы и рекомендации. Я рада поблагодарить зам. директора ЛИТ А. Полянского за творческую помощь и возможность пользоваться вычислительными ресурсами ЛИТ. Мне приятно выразить свою признательность д.ф.м.н. В. К. Бондареву и к.ф.м.н. А. Г. Литвиненко за полезные дискуссии и ценные советы. Весьма признательна дирекции ЛВЭ за предоставленную возможность работать в ОИЯИ и за постоянную поддержку, особенно директору ЛВЭ А. И. Малахову и зам. директору ЛВЭ В. Н. Пеневу.