ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2019, том 82, № 2, с. 94-99

ЯДРА

ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ С ЭНЕРГИЕЙ

БОЛЬШЕ ИСПАРИТЕЛЬНОЙ, ВОЗНИКАЮЩИЕ

ПРИ ПОГЛОЩЕНИИ K⁻-МЕЗОНОВ ЯДРАМИ

НИЦ “Курчатовский институт” — ИТЭФ, Москва, Россия

Поступила в редакцию 31.10.2018 г.; после доработки 31.10.2018 г.; принята к публикации 31.10.2018 г.

Показано, что при остановке и поглощении ядром K^--мезона возникают частицы, появление которых

невозможно согласовать с термодинамической теорией испарения. Отождествление этих частиц

различными методами позволило оценить практически одинаковые выходы³Н и³Не. Этот результат

может служить указанием на то, что при поглощении K^--мезонов в ядре наблюдаются прямые

реакции взаимодействия с⁴Не.

DOI: 10.1134/S0044002719020053

1. ВВЕДЕНИЕ

При поглощении K^--мезонов ядрами выделя-

ется энергия ∼500 МэВ, а сам процесс должен

В результате ядерных реакций при поглоще-

проходить с сохранением “странности” и “бари-

нии медленных K^--мезонов возникает возбужде-

онного заряда” (числа барионов), поэтому в этом

ние ядра-мишени, при котором испускаются раз-

взаимодействии часто образуются гипероны, уно-

личные частицы и многонуклонные образования.

сящие странность и сохраняющие барионный за-

Теория испарительного процесса подробно изучена

ряд. При поглощении K^--мезонов из ядра, кро-

и опубликована в цикле работ [1, 2]. Эксперимен-

ме испарительных частиц, испускаются частицы,

тальные результаты изучения испарения при по-

количество и энергию которых невозможно согла-

глощении ядрами медленных или остановившихся

совать с термодинамической картиной испарения.

μ^-, π^-, K^--мезонов представлены в [3-5]. В этих

По расчетам работы [1] вероятность испускания

работах описаны эксперименты и приведена по-

заряженной частицы (протона или более тяжелой

дробная библиография.

частицы с энергией >500-600 МэВ) составляет

w_p ∼ 10-4 (при энергетическом распределении ис-

Механизм поглощения остановившихся K^--

парительных частиц в соответствии с уравнением

мезонов изучался во многих экспериментах. Так,

Максвелла). Эти быстрые частицы могут являться

в пузырьковой камере, наполненной дейтерием,

продуктом своеобразной прямой реакции [10], ко-

исследовалось двухнуклонное поглощение медлен-

гда энергия при поглощении K^--мезона передает-

ных K^--мезонов по различным каналам [6]. Ана-

ся небольшой группе нуклонов ядра.

логичное исследование проведено в гелиевой пу-

В нашей работе мы попытались наблюдать по-

зырьковой камере [7]. В этой работе частицы, воз-

глощение K^--мезонов кластерами⁴Не в ядрах

никающие при поглощении K^--мезонов, опреде-

лялись восстановлением различных каналов ан-

фотоэмульсии. Для этого³H и³He, возникаю-

нигиляции путем кинематического анализа. Непо-

щие в этом процессе, отождествлялись с энергией,

средственного отождествления заряженных частиц

превышающей энергию испарительных частиц, с

в этой работе не проводилось. Поглощение оста-

целью возможного наблюдения прямой реакции.

Этому соответствуют наблюдавшиеся в гелиевой

новившихся K^--мезонов в пузырьковой камере,

пузырьковой камере [7] ядерные реакции.

наполненной тяжелой жидкостью, изучалось в ра-

боте [8] с целью наблюдения нейтронного гало. Ме-

Реакции (в %):

зонная и безмезонная аннигиляция K^--мезонов

K^- +⁴He → (Λ⁰π^-) +³Hе

11.2 ± 2.7,

(1a)

измерена и изучена в работах [9, 5].

→ (Σ^-π⁰) + ³He

1.0 ± 0.5,

(1б)

^*E-mail: Vladimir@itep.ru

ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ

logN(l)

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

1.75

2.0

d/〈d〉

Рис. 1. Зависимость количества просветов N(l) с длиной, больше заданной, от отношения d/〈d〉.

→ (Σ⁰π^-) + ³He

0.9 ± 0.6,

(1в)

указание на возможные прямые ядерные реакции

при поглощении K^--мезонов ядрами фотоэмуль-

K^- +⁴Не → (Σ⁺π^-) +³Н

9.3 ± 2.3,

(2a)

сии. Для этого при поглощении K^--мезонов от-

бирались gb-частицы, энергия которых превышает

→ (Σ^-π⁺) + ³Н

4.2 ± 2.3.

(2б)

энергию испарительных частиц, c целью отож-

дествления среди них³Н и³Не (gb-частицы имеют

Вместо реакций (2а) и (2б) могут иногда наблю-

пробег в эмульсии R > 3.5 мм и β ≤ 0.7). При

даться и безмезонные реакции:

определении³Н и³Не мы применили все извест-

K^- +⁴Не → (Λ⁰) +³Н,

(3)

ные [11] и доступные нам методы идентификации

частиц: измерение длин просветов на треках, иони-

→ (Σ⁰) + ³Н.

зацию и пробег (метод g, R), рассеяние и пробег

В этих реакциях фрагменты ³Н и ³Не могут полу-

(метод pβ, R), ионизацию и рассеяние (метод g, pβ).

чить энергию, значительно превышающую энергию

в испарительном процессе, и соответственно имеют

2. ЭКСПЕРИМЕНТ И РЕЗУЛЬТАТЫ

пробег в ядерной фотоэмульсии больше, чем испа-

рительные частицы.

ИЗМЕРЕНИЙ

Поглощение K^--мезонов подробно исследова-

Мы использовали эмульсионную камеру, со-

но в гелиевой (⁴Не) пузырьковой камере. В этой

бранную из слоев фотоэмульсии Ilford G5 и об-

работе [7] измерено отношение выходов W (³Н) и

лученную на ускорителе в Беркли пучком K^--

W(³Не): W(³H)/W(³He) ≈ 1. Надеемся, что, из-

мезонов с импульсом 400 МэВ/c. При просмот-

мерив это отношение в нашем опыте, мы получим

ре было отобрано для измерений ∼1700 остано-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

ДУБИНИНА и др.

2.1. Измерение просветов

Измерение длин просветов проводилось на мик-

роскопе KSM, связанном в линию с ЭВМ. Про-

грамма сопровождения позволяла контролировать

результаты измерений. В каждом поглощении K^--

мезона выбирались для измерения gb-частицы.

Величина просвета в треке определялась путем из-

мерения трех координат (x, y, z) его начала и конца.

По этим измерениям вычислялись: распределения

по длинам d, 〈d〉 и длина трека (R_изм), на которой

проводились эти измерения. Просветы измерялись

не на полной длине траектории, а от остановки

частицы до набора примерно равного числа из-

мерений d для всех частиц. На рис. 1 приведены

результаты наших измерений в соответствии с за-

висимостью (4). Как видно из данных этого рисун-

ка, выделяются две группы частиц — одна обозна-

чена темным кружком, а другая — светлым. Пер-

вая (многочисленная) — это в основном протоны,

и ∼20% — дейтроны [8, 7]. Вторая группа (светлые

l_норм

кружки) — это более тяжелые частицы, которые

по ионизации заметно отличаются от протонов и

Рис. 2. Распределение количества событий N в за-

дейтронов. Всего были измерены просветы на 155

висимости от среднего просвета 〈d〉, нормированно-

траекториях частиц. Для трека каждой частицы

го на измерительную длину Rизм (lнорм = (〈d〉/Rизм) ×

проверялось (визуально), что пять значений вели-

× 100). Гистограмма — экспериментальный результат,

сплошная кривая — распределение Максвелла, штри-

чины d/〈d〉 соответствуют зависимости (4). Таким

ховая — нормальное распределение.

образом, на рис. 1 показано распределение 775

значений нормированных просветов. Этот первый

отбор частиц показал, что при поглощении K^--

вок K^--мезонов. В каждом взаимодействии про-

мезонов возникают частицы тяжелее протонов и

водилась классификация частиц: испарительные

дейтронов, среди которых, возможно, находятся³Н

b-частицы, имеющие пробег 5 < R ≤ 3500 мкм;

и³Не.

g(gb)-частицы с R > 3500 мкм и β ≤ 0.7 (отно-

сительная ионизация I/I₀ ≥ 1.4, где I₀ — иониза-

2.2. Метод g, R

ция релятивистских частиц); s-частицы с β > 0.7

(I/I₀ < 1.4).

Ионизация всех этих отобранных частиц изме-

рена на близких, но разных (по длине) участках

В [11] было показано, что наилучшая идентифи-

траектории, поэтому для их сравнения необходимо

кация частиц по их массам получается при измере-

нормировать ионизационные измерения на “из-

нии N(l) — количества просветов (d) — с длиной,

мерительную длину” R_изм следа частицы. Чтобы

больше заданной (l), нормированного на их сред-

не потерять 3Н и3Не, методом g, Rизм были

нюю величину 〈d〉. Распределение этой величины

обработаны все данные (те же, что и в разд.

подчиняется экспоненциальному закону:

2.1). На рис. 2 показаны результаты этих изме-

рений. Гистограммой показан экспериментальный

N (l) = N₀ exp(-d/〈d〉).

(4)

результат — зависимость количества событий от

отношения l_норм = (〈d〉/R_изм) × 100. Сплошная

Здесь 〈d〉 — среднее значение d на той длине тра-

кривая — результат фитирования в соответствии

ектории частицы (R_изм), на которой проводились

с уравнением Максвелла N(l_норм) = p₁((l_норм -

измерения просветов. В работе [11] подробно опи-

саны преимущества такого метода идентификации

- p₂)/p∗∗23)exp(-(l_норм - p₂)/p₃)

[1], где p_i —

частиц. Из них главные — это независимость пара-

параметры фитирования, а штриховая — нормаль-

ное распределение. Оказалось, что все события,

метра d/〈d〉 от наклона их траектории в плоскости

обозначенные на рис. 1 светлым кружком, нахо-

эмульсии и слабая, но все же заметная, зависи-

дятся в части гистограммы, описанной Гауссом.

мость от длин участков траекторий, где проведены

измерения, если для всех частиц они начинаются от

Экспериментальные данные невозможно описать

их остановки.

(с разумным χ²) только одним распределением —

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ

МэВ/с

600

500

400

300

200

100

R, мм

Рис. 3. Зависимость многократного рассеяния частицы pβ от пробега R до остановки. Расчетные кривые: 1 — протоны и

дейтроны (точки ▴ — прошедшие проверку (см. разд. 2.2)), 2 — тритий³H, 3 —³He, 4 —⁴He.

Максвелла или Гаусса. В результате этого отбора

осталось из 155 частиц семь частиц (светлые и тем-

для дальнейших измерений остались траектории 22

ные кружки) — кандидаты на³Н и³Не, к которым

частиц (l_норм ≤ 3.5).

был применен четвертый способ отождествления.

2.4. Метод g^∗, pβ

2.3. Метод pβ, R

Для того чтобы использовать метод g^∗, pβ,

Все события, которые на рис. 2 имеют l_норм ≤

необходимо оценить величину плотности зерен

≤ 3.5, были измерены по программе pβ, R. Эмуль-

на треке частицы (ионизационные потери g^∗ ∼

сионная камера имела цифровую маркировку, ко-

∼ dE/dx). Известно, что трек заряженной частицы

торая позволяла переходить из слоя в слой, про-

имеет просветы, а остальная часть трека — это

слеживая траекторию частицы до ее остановки.

сплошные зерна или отдельные блобы (сгусток

Пробег R в эмульсии частиц, отобранных для даль-

из “слипшихся” зерен). Для оценки величины g^∗

нейшего измерения, имел величину от 4 до ∼30 мм.

мы из “измерительной длины” R_изм трека частицы

Измерения многократного рассеяния проводились

исключили суммарную длину просветов (Σd_i). То-

от места поглощения K^--мезона и до заметного

гда g^∗ = ((R_изм - Σd_i)/r)/R_изм является оценкой

изменения ионизационных потерь. По этим из-

величины ионизационных потерь частицы (здесь

мерениям вычислялась величина pβ. На рис. 3

r = 0.8 мкм —средний размер зерна). Значение же

показаны результаты измерения для отобранных

pβ было измерено нами в предыдущем разд. 2.3.

(предыдущим методом) 22 частиц зависимости pβ

Результат зависимости g^∗(в относительных едини-

от пробега R. В результате этих трех отборов у нас

цах) от pβ для семи частиц показан на рис. 4.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

ДУБИНИНА и др.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

100

ИЗМЕРЕНИЙ

Окончательный результат тестирования траек-

торий частиц четырьмя измерительными метода-

ми показан на рис. 4. Из оставшихся после 2-го

метода отбора 22 частиц 15 были отфильтрованы

третьим методом отождествления. Семь прошед-

ших фильтрацию и оставшихся частиц отождеств-

ляются как³Н (светлые кружки) и³Не (темные).

Прямые линии на рис. 4 соответствуют линейной

зависимости g^∗ от pβ для³Н и³Не ([11], стр. 119).

Использовать пятый метод для уточнения массы

частиц (метод “постоянной саггиты”) невозмож-

но из-за практического равенства масс: M(³Н) =

= 3.16997, а M(³Не) = 3.16977 (относительно ¹⁶О

[12]).

Ядерная фотоэмульсия имеет сложный ядерный

состав [12]: ∼56% — легкие ядра (¹²С,¹⁴N,¹⁶O)

и ∼44% — тяжелые ядра (¹⁰⁸Ag, ⁸⁰Br). По данным

70 80 90

100

200

300

400

МэВ/с

работы [2] при захвате ядром K^--мезонов (энергия

возбуждения ∼500 мэВ), помимо пионов и гиперо-

нов, испускаются испарительные частицы. Причем,

Рис. 4. Зависимость ионизационных потерь g^∗ (в отн.

до ≤(3-4) b-частиц преимущественно из легких

ед.) от многократного рассеяния pβ-частиц, идентифи-

ядер, а ≥(6-8) — из тяжелых [1]. На рис. 5 показа-

цированных как³Н (◦) и³Не (•).

но распределение количества событий поглощения

K^--мезонов в зависимости от множественности

испарительных b-частиц. На гистограмме штри-

ховкой показаны семь событий, отождествленных

как³Н и³Не. Утверждать, что в опыте наблюдает-

ся предпочтительное поглощение на легких ядрах

при столь незначительной статистике, нет основа-

ний. Взаимодействия K^--мезонов с испусканием

³Н и³Не происходят как на легких, так и на

тяжелых ядрах.

Наблюдаемое нами практически одинако-

вое количество испускания ядер

³Н и

³Не

(W (³H)/W (³He) ∼ 1) может служить указанием

на то, что при поглощении K^--мезонов в ядре

наблюдается прямая реакция взаимодействия K^-

с⁴Не.

Авторы благодарят В.В. Шаманова за помощь в

обработке результатов измерений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. I. Dostrovsky, P. Rabinowitz, and R. Bivins, Phys.

Rev. 111, 1659 (1958); I. Dostrovsky, Z. Fraenkel,and

G. Friedlander, Phys. Rev. 116, 683 (1959).

b-частицы

2. R. Chasman, Phys. Rev. 122, 902 (1961).

3. А. О. Вайсенберг, Мю-мезон (Наука, Москва,

Рис. 5. Распределение количества событий поглоще-

1964); H. Morinaga and W. F. Fry, Nuovo Cimento

ния K^--мезонов в зависимости от множественности

10, 308 (1953).

испарительных b-частиц. Заштрихованная часть ги-

4. А. О. Вайсенберг, Э. Д. Колганова, Н. В. Рабин,

стограммы — события, в которых содержатся отож-

ЖЭТФ 47, 1262 (1964) [Sov. Phys. JETP 20, 854

дествленные³H и³He.

(1965)].

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019

ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ

5. В. В. Дубинина, Н. П. Егоренкова, Е. А. Пожарова,

53, 313 (1968); C. Vander Velde-Wilquet, J. Sacton,

В. А. Смирнитский, Письма в ЖЭТФ 98, 752

J. H. Wickens, D. N. Tovee, and D. H. Davis, Nuovo

(2013) [JETP Lett. 98, 661 (2013)]; В. В. Дубинина,

Cimento A 39, 538 (1977).

Н. П. Егоренкова, Е. А. Пожарова, В. А. Смирнит-

9. T. Sekihara, J. Yamagata-Sekihara, D. Jido, and

ский, ЯФ 78, 69 (2015) [Phys. Atom. Nucl. 78, 65

Y. Kanada-En’yo, arXiv: 1204.3978v2 [nucl-th].

(2015)]; В. М. Колыбасов, ЯФ 3, 965 (1966).

10. И. С. Шапиро, В. М. Колыбасов, ЖЭТФ 44, 270

6. V. R. Veirs and R. A. Burnstein, Phys. Rev. D 1, 1883

(1963) [Sov. Phys. JETP 17, 185 (1963)].

(1970).

11. С. Пауэлл, П. Фаулер, Д. Перкинс, Исследование

7. P. A. Katz, K. Bunnell, M. Derrick, T. Fields,

элементарных частиц фотографическим ме-

L. G. Hyman, and G. Keyes, Phys. Rev. D 1, 1267

тодом (Изд-во иностр. лит., Москва, 1962).

(1970).

8. H. Davis, F. Oppenheimer, W. L. Knight,

12. Справочник по ядерной физике (Физматгиз,

F. R. Stannard, and O. Treutler, Nuovo Cimento A

Москва, 1963).

CHARGED PARTICLES WITH AN ENERGY GREATER

THAN EVAPORATION ENERGY, ARISING FROM THE ABSORPTION

OF K⁻ MESONS BY NUCLEI

V. V. Dubinina, N. P. Egorenkova, E. A. Pozharova, V. A. Smirnitsky

National Research Center Kurchatov Institute — ITEP, Moscow, Russia

It is shown, that during stopping and absorption of K^- meson by nuclei there arise particles appearance of

which is impossible to reconcile with the thermodynamic theory of evaporation. The identification of these

particles by various methods made it possible to estimate, practically identical, the yields of³H and³He.

This result may serve as an indication that during the absorption of K^- mesons, direct reactions with⁴He

are observed in the nucleus.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 82

№2

2019