ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2020, том 83, № 5, с. 455-459

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ДИНАМИКА ЯДЕРНЫХ КАСКАДОВ

ПРИ ФОТОРОЖДЕНИИ ЛЕГКИХ НЕЙТРАЛЬНЫХ МЕЗОНОВ

Поступила в редакцию 26.04.2020 г.; после доработки 26.04.2020 г.; принята к публикации 26.04.2020 г.

Обсуждаются новые экспериментальные данные по мультифрагментации ядер углерода, иницииро-

ванной фоторождением нейтральных π⁰- и η-мезонов. Новизна связана с эксклюзивным характером

изучаемых процессов, когда выделяются парциальные реакции фоторождения мезонов с последу-

ющим анализом комплементарных частиц на совпадение. Эксперимент выполнен в коллаборации

GRAAL (Grenoble Accelerateur Anneau Laser) на пучке комптоновских фотонов с энергией 500-

1500 МэВ. Обсуждаются возможности новых экспериментов в коллаборации BGO-OD (Бонн,

Германия). Обсуждается новый метод изучения взаимодействия короткоживущих мезонов с ядрами,

основанный на регистрации каскадных нуклонов отдачи.

DOI: 10.31857/S0044002720050177

1. ВВЕДЕНИЕ

вперед располагались плоская пропорциональная

камера, годоскоп из пластиковых сцинтилляцион-

Мотивация изучения внутриядерных каскадов

ных полос и ливневый сцинтилляционный детектор

в области нуклонных резонансов на современном

площадью 3 × 3 м². Это позволяло идентифициро-

этапе связана с возможностью получения новой

информации о взаимодействии нестабильных ко-

вать с высокой эффективностью протоны отдачи

и ядерные фрагменты с разрешением по импульсу

роткоживущих мезонов (π⁰, π⁺, π^-, η, ρ, ω) с

около 10%. В согласии с результатами модели-

ядрами. Это стало возможным благодаря созданию

экспериментальных установок, на которых в режи-

рования, выполненного по программе GEANT-4,

ме совпадений можно изучать процессы мульти-

время пролета протонов не превышало 30 нс при

фрагментации ядер под действием фотонов проме-

пролетной базе 3 м. Фрагменты тяжелее протона

жуточных энергий. Таким образом, на повестке дня

регистрировались в области больших времен про-

стоит переход от инклюзивных экспериментов по

лета (от 30 до 100 нс).

фрагментации ядер к эксклюзивным эксперимен-

На рис. 1 показаны новые результаты по ис-

там с идентификацией начальной стадии взаимо-

пусканию каскадных протонов в эксклюзивном

действия на совпадение с каскадными нуклонами и

режиме из ядра¹²С в результате фоторождения

ядерными фрагментами.

нейтральных π⁰-мезонов фотонами с энергией от

800 до 1500 МэВ. Экспериментальные данные

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

сравниваются с результатами моделирования по

И ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

программе RELDIS [3]. Можно отметить хорошее

согласие экспериментальных и модельных резуль-

Первые фотоядерные эксперименты по изуче-

татов для событий с разной множественностью (от

нию мультифрагментации ядер были выполнены на

1 до 6) испускания протонов. Но события коге-

установке GRAAL [1, 2] на пучке квазимонохрома-

рентного фоторождения мезонов, когда нуклонов

тических (меченых) фотонов, полученных методом

отдачи быть не должно, в эксперименте достоверно

обратного комптоновского рассеяния. Для реги-

не наблюдаются. Пока на основании полученных

страции продуктов реакций использовался широ-

данных можно говорить только о существовании

коапертурный детектор LAGRANγE, состоящий из

верхней границы вероятности когерентного про-

двух основных частей. Центральная часть вклю-

цесса на уровне 5% по отношению к полному

чала в себя широкоапертурный BGOкалориметр,

сечению фоторождения π⁰-мезонов. Этот вопрос

кольцевой пластиковый сцинтилляционный ΔE-

требует дальнейшего изучения.

детектор и координатно-чувствительную кольце-

вую пропорциональную камеру. В направлении

На рис. 2 показаны экспериментальные дан-

ные для реакции фоторождения нейтральных η-

¹⁾Институт ядерных исследований РАН, Москва, Россия.

мезонов в сравнении с данными, приведенными

^*E-mail: vladimir@inr.ru

на рис. 1. Видно, что вероятность испускания

455

456

НЕДОРЕЗОВ, ТУРИНГЕ

0.45

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

Рис. 1. Вероятности вылета каскадных протонов (P) в реакции фоторождения π⁰-мезонов на ядре¹²С в зависимости

от их множественности (Np). Квадраты и ромбы соответствуют результатам эксперимента и моделирования соответст-

венно.

0.45

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

Рис. 2. Вероятности вылета каскадных протонов в реакции фоторождения π⁰-мезонов (ромбы) и η-мезонов (квадраты)

на ядре¹²С.

протонов с разной множественностью практически

фотонов, оценка фоновых условий, исследование

одинакова для реакций с образованием π⁰- и η-

вероятности испускания более тяжелых фрагмен-

мезонов.

тов по сравнению с протонами.

Полученные результаты следует считать пред-

Новые эксперименты планируются на установке

варительными. В настоящее время проводится изу-

BGO-OD на ускорителе ELSA в Германии [4]. Су-

чение вероятности изучаемых эффектов от энергии

щественное улучшение параметров этой установки

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№5

2020

ДИНАМИКА ЯДЕРНЫХ КАСКАДОВ

457

dσ/dΩ, мбн/ср

2.0

1.8

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

100

120

140

160

θ, град

Рис. 3. Угловые распределения каскадных протонов из ядра¹²С. Кружки (кривая 2) и треугольники (кривая 3) соот-

ветствуют реакциям фоторождения π⁰-мезонов и η-мезонов с не изотропным угловым распределением соответственно

(сечение для η-мезона умножено на 30). Квадраты (кривая 1) соответствуют остальным каскадным нуклонам.

E_p, ГэВ

1.5

π^π

1.4

1.3

1.2

1.1

1.0

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

E_γ, ГэВ

Рис. 4. Зависимость энергии каскадных протонов от энергии фотонов для разных парциальных реакций фоторождения

мезонов по результатам моделирования.

по отношению к эксперименту GRAAL связано

3. ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

НЕСТАБИЛЬНЫХ КОРОТКОЖИВУЩИХ

с наличием дипольного магнита OD в переднем

МЕЗОНОВ С ЯДРАМИ

направлении относительно мишени. Это позволит

Полученные данные позволяют провести клас-

примерно в 10 раз улучшить разрешение по им-

сификацию изучаемых процессов фрагментации

в зависимости от множественности испускаемых

пульсу и повысить точность идентификации частиц.

нуклонов (см. табл. 1). При этом следует учиты-

Но эксперимент еще не вышел на стадию набора

вать, что фоторождение мезонов происходит на

статистики и находится в стадии подготовки.

квазисвободных нуклонах ядра. Это подтвержда-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№5

2020

458

НЕДОРЕЗОВ, ТУРИНГЕ

Таблица 1. Механизмы образования каскадных нуклонов в зависимости от их множественности

Множественность

Механизм взаимодействия мезонов с ядрами

нуклонов

n=1

Фоторождение мезонов на квазисвободных нуклонах.

Упругое рассеяние мезонов на нуклонах ядра.

n=2

Неупругое взаимодействие с внутриядерными нуклонами.

Например, в реакции π⁰p > ηp.

n>2

Мультифрагментация за счет внутриядерного каскада.

Фазовый переход в ядре от жидкой капли в газообразное состояние.

n=0

Когерентное взаимодействие.

ется универсальной зависимостью процессов фо-

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

торождения от атомного веса ядра мишени, когда

полное сечение фотопоглощения пропорционально

На основании представленных данных можно

числу нуклонов в ядре [5].

сделать вывод о том, что современные экспе-

Было экспериментально установлено, что по

риментальные возможности открывают довольно

энергетическим и угловым распределениям кас-

широкую программу работ по изучению динамики

кадных протонов возможно выделить первый про-

внутриядерных каскадов, исследованию взаимо-

тон, получивший импульс от налетающего фотона.

действия нестабильных мезонов с ядрами.

Из рис. 3 видно, что вылет одного из протонов

происходит вдоль импульса налетающего фотона.

Энергия этого протона выше, чем у остальных про-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

тонов, которые имеют изотропные распределения.

Очевидно, это связано с тем, что налетающий фо-

1. J. P. Bocquet, J. Ajaka, M. Anghinolfi, V. Bellini,

тон полностью поглощается квазисвободным нук-

G. Berrier, P. Calvat, M. Capogni, L. Casano,

лоном ядра и передает ему свою энергию и импульс.

M. Castoldi, P. Corvisiero, A. D’Angelo, J. P. Didelez,

Благодаря этому появляется возможность иденти-

R. Di Salvo, Ch. Djalali, M. A. Duval, R. Frascaria,

фицировать тип реакции фоторождения с образо-

et al. (GRAAL Collab.), Nucl. Phys. A 622, с124

ванием конкретного мезона без его регистрации и

(1997).

без использования кинематического анализа, т.е.

2. V. Nedorezov, A. D’Angelo, O. Bartalini, V. Bellini,

использовать протон отдачи как метку (таггер).

M. Capogni, L. E. Casano, M. Castoldi, F. Curciarello,

На рис. 4 показана зависимость энергии прото-

V. De Leo, J.-P. Didelez, R. Di Salvo, A. Fantini,

D. Franco, G. Gervino, F. Ghio, G. Giardina, et al.

нов от энергии налетающего фотона, полученная в

(GRAAL Collab.), Nucl. Phys. A 940, 264 (2015).

результате моделирования по программе GEANT-

4. При этом другие кинематические переменные,

3. I. A. Pshenichnov, I. N. Mishustin, J. P. Bondorf,

A. S. Botvina, and A. S. Iljinov, Phys. Rev. C 57, 1920

например, импульс протона, жестко фиксируются

(1998).

(в пределах нескольких процентов). Видно, что

разные парциальные реакции фоторождения π, η,

4. T. C. Jude, S. Alef, P. Bauer, D. Bayadilov, R. Beck,

ρ, ω-мезонов, образующихся в области нуклон-

J. Bieling, A. Bella, S. Boese, A. Braghieri,

ных резонансов, попадают в разные кинематиче-

K. Brinkmann, D. Burdeynyi, P. Cole, R. Di Salvo,

ские области. Таким образом, можно использовать

D. Elsner, A. Fantini, O. Freyermuth, et al.

(BGO-OD Collab.), PoS (Hadron2017) 054 (2018);

протоны отдачи как метку (“tagger”) протекающей

реакции.

doi:10.22323/1.310.0054

Постановка задачи по изучению реакций взаи-

5. J. Ahrens, Nucl. Phys. A 446, 229 (1985).

модействия нестабильных короткоживущих мезо-

6. A. Ignatov, O. Bartalini, V. Bellini, J. P. Bocquet,

нов с ядрами впервые была описана в работе [6].

P. Calvat, M. Capogni, M. Casano, M. Castoldi,

В настоящее время по этому предложению прово-

A. D’Angelo, J.-P. Didelez, R. Di Salvo, A. Fantini,

дится анализ полученных данных для определения

G. Gervino, F. Ghio, B. Girolami, A. Giusa, et al.,

сечения реакции ηn → π^-p на ядре¹²C.

Prog. Part. Nucl. Phys. 61, 253 (2008).

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 83

№5

2020