ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2023, том 86, № 6, с. 686-690

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДЕЙТРОННОГО ПУЧКА

С ПОМОЩЬЮ КВАЗИУПРУГОГО ПРОТОН-ПРОТОННОГО

РАССЕЯНИЯ ПРИ ЭНЕРГИЯХ 500 И 650 МэВ/НУКЛОН

А. Ю. Исупов¹⁾, М. Янек²⁾, Ю. Т. Карачук^1),3), А. Н. Хренов¹⁾, П. К. Курилкин¹⁾,

А. Н. Ливанов¹⁾, С. М. Пиядин¹⁾, С. Г. Резников¹⁾, А. А. Терехин¹⁾, А. В. Тишевский¹⁾,

А. В. Аверьянов¹⁾, Е. В. Черных¹⁾, Д. Энаше³⁾, Д. О. Кривенков¹⁾, И. Е. Внуков⁴⁾

Поступила в редакцию 18.06.2023 г.; после доработки 18.06.2023 г.; принята к публикации 18.06.2023 г.

Векторная поляризация дейтронного пучка получена на станции внутренних мишеней Нуклотрона с

использованием данных протон-протонного квазиупругого рассеяния на полиэтиленовой мишени. От-

бор полезных событий был выполнен, используя временную и амплитудную информацию, полученную

с помощью сцинтилляционных счетчиков. Для получения асимметрии на водороде было выполнено

вычитание углеродного фона. Значения векторной поляризации были получены при энергиях пучка 500

и 650 МэВ/нуклон. Полученные значения сравнивались со значениями поляризации, полученными в

дейтрон-протонном упругом рассеянии при энергии 135 МэВ/нуклон.

DOI: 10.31857/S0044002723060090, EDN: OVKVLN

1. ВВЕДЕНИЕ

вклад спин-орбитальных сил, чувствительных к

обмену тяжелыми мезонами. Измерение поляри-

В современной ядерной физике эксперимен-

зации пучков также являются важной частью этих

ты по изучению дейтрон-протонного и протон-

исследований, что создает потребность в развитии

протонного упругого рассеяния являются фунда-

новых методов исследования поляризации и ана-

ментальными для понимания нуклон-нуклонных

лизирующей способности.

взаимодействий. Большая база данных поперечных

В ходе этой работы были получены значе-

сечений и поляризационных наблюдаемых была

ния векторной поляризации дейтронного пучка при

получена для энергий ниже 1 ГэВ, что позволило

энергиях 500 и 650 МэВ/нуклон с использовани-

провести парциально-волновой анализ [1]. Совре-

ем данных, полученных с использованием протон-

менные феноменологические потенциальные моде-

протонного квазиупругого рассеяния.

ли взаимодействия нуклонов обеспечивают хоро-

шее описание данных до порога рождения пионов.

Расширение мезонной обменной модели для

2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА

больших энергий требует включения вкладов

неупругих каналов из-за возбуждения барионных

Эксперимент выполнялся на станции внутрен-

резонансов. Упругое dp- и pp-рассеяние хорошо

них мишеней сверхпроводящего синхротрона Нук-

подходит для изучения короткодействующей части

лотрона, который располагается в Лаборатории

нуклон-нуклонных взаимодействий. Точные зна-

физики высоких энергий Объединенного институ-

чения анализирующей способности при энергиях

та ядерных исследований. Пучок дейтронов для

выше порога рождения пионов позволяют уточнить

эксперимента обеспечивался источником поляри-

зованных ионов [2], ускорялся RFQ и линейным

¹⁾Объединенный институт ядерных исследований, Дубна,

ускорителем, после чего инжектировался в кольцо

Россия.

Нуклотрона. При достижении необходимой энер-

²⁾Жилинский университет, Физическое отделение, Жилина,

гии диск с мишенями, расположенный внутри коль-

Словакия.

ца ускорителя, вращался, выводя необходимую ми-

³⁾Национальный институт исследования и развития элек-

тротехники, Бухарест, Румыния.

шень на траекторию движения дейтронов. Реги-

⁴⁾Белгородский государственный национальный исследо-

страция частиц, полученных в ходе взаимодействия

вательский университет, Белгород, Россия.

пучка с мишенью, производилась с помощью сцин-

^*E-mail: isvolkov@jinr.ru

тилляционных детекторов.

686

ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДЕЙТРОННОГО ПУЧКА

687

Таблица

1. Усредненные значения поляризации

измерений, в которых использовалась углеродная

дейтронного пучка, полученные с помощью

мишень. Предполагалось, что форма углеродного

дейтрон-протонного упругого рассеяния при энергии

спектра была одинакова при рассеянии как на

135 МэВ/нуклон [9]

полиэтиленовой, так и на углеродной мишенях.

Процедура вычитания углеродного фона состояла в

Компонента

p_z

Δp_z

определении коэффициента, на который необходи-

мо умножить данные, полученные на углероде, для

(+1/3, +1)

-0.231

0.008

приближения к углеродному фону в данных, полу-

(+1/3, -1)

-0.245

0.006

ченных на полиэтилене. Для проведения процедуры

вычитания использовалась следующая формула:

Станция внутренних мишеней представляет со-

N_p = NCH2 - kN_C,

(1)

бой сферическую вакуумную камеру с системой

где N_p — число событий на протонах, NCH2 — чис-

смены мишеней [3]. Камера фиксируется на ионо-

ло событий на полиэтилене, N_C — число событий

проводе ускорителя с помощью фланцевого со-

на углероде, k — искомый коэффициент.

единения. Диск с различными мишенями (CH₂,

C, W, Cu и др.) зафиксирован внутри камеры на

Коэффициент k находился следующим образом:

оси шагового двигателя, который используется для

в данных от кинематически связанных счетчиков

поворота диска и выведения нужной мишени на

при рассеянии на полиэтиленовой мишени выде-

траекторию пучка. Для эксперимента использова-

лялась область полезных событий, соответствую-

лись мишени из полиэтиленовой пленки толщиной

щих протон-протонному рассеянию. Этот критерий

10 мкм и углеродных нитей толщиной 8 мкм. Для

также переносился на гистограммы энергетических

получения эффекта на водороде производилась

потерь для углеродной мишени. Учитывая только

процедура вычитания углеродного фона. Сигнал

данные, находящиеся вне критерия, углеродный

от датчика положения мишени использовался для

спектр приближался к полиэтиленовому спектру с

привязки точки взаимодействия к центру ионопро-

помощью метода наименьших квадратов. В резуль-

вода.

тате был получен коэффициент k, на который нуж-

Сцинтилляционные детекторы, расположенные

но умножить углеродный спектр, чтобы получить

вокруг камеры рассеяния в направлении пучка,

спектр, максимально близкий к углеродному фону

регистрировали частицы, полученные в ходе взаи-

в данных на полиэтилене.

модействия пучка с мишенью. Эти счетчики реги-

стрировали продукты реакции протон-протонного

Значения анализирующей способности pp-

квазиупругого рассеяния. Для регистрации прото-

квазиупругого рассеяния вычислялись, исполь-

нов, рассеянных влево и вправо, использовались

зуя данные, полученные с помощью вычитания

22 детектора, которые располагались симметрич-

углеродного фона из данных на полиэтилено-

но относительно оси ионопровода. Два отдельных

вой мишени. На рис. 1 и 2 показаны значения

детектора использовались для мониторирования

анализирующих способностей протон-протонного

интенсивности пучка и располагались под углом

квазиупругого рассеяния при энергиях пучка 500 и

90^◦ в с.ц.м. для обеспечения нечувствительности

650 МэВ/нуклон. Эти значения были получены с

к векторной поляризации пучка. Данные по уг-

использованием поляризации, указанной в табл. 1.

ловой зависимости анализирующей способности

Полученные значения анализирующей способно-

протон-протонного квазиупругого рассеяния были

сти говорят о том, что pp-квазиупругое рассеяние

получены при энергиях 500 и 650 МэВ/нуклон на

можно использовать для вычисления векторной

полиэтиленовой и углеродной мишенях.

поляризации дейтронного пучка.

Для вычисления векторной поляризации пучка

3. АНАЛИЗ ДАННЫХ

были использованы следующие формулы, которые

Полезные события отбирались с использовани-

были выведены из [10] для случая, описанного в

ем критериев для разницы времени пролета пары

данной работе:

сцинтилляционных счетчиков, корреляции энерге-

тических потерь для сигналов кинематически со-

N_L = 1 + P_zA_y,

(2)

пряженных счетчиков, а также для положения ми-

шени, которое записывалось для каждого события

N_R = 1 - P_zA_y,

(3)

в ходе эксперимента.

где N_L, N_R — выходы реакции, P_z — значение

При взаимодействии дейтронного пучка с по-

лиэтиленовой мишенью в данных неизбежно по-

векторной поляризации, A_y — значение векторной

является углеродный фон. Вклад углерода в дан-

анализирующей способности рассеяния. Следую-

ных от CH₂-мишени оценивался из отдельных

щие формулы были использованы для вычисле-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№6

2023

688

ВОЛКОВ и др.

A_y

SAID SP07

0.6

Ay ALBROW 500 МэВ

Ay BYSTRICKY 493 МэВ

Ay COZZIKA 500 МэВ

0.5

Ay DSS 500 МэВ

0.4

0.3

0.2

0.1

Углы в с.ц.м., °

Рис. 1. Сравнение анализирующей способности в реакции pp-квазиупругого рассеяния при энергии 500 МэВ/нуклон

с мировыми данными и результатами решения SP07 парциально-волнового анализа SAID. Заполненные символы —

результаты данного эксперимента. Открытые символы — мировые данные [4-6]. Сплошная кривая — предсказания

SAID [1].

A_y

SAID SP07

Ay ALTMEIER 644 МэВ

Ay GLASS 643 МэВ

0.6

Ay BYSTRICKY 644 МэВ

Ay DSS 650 МэВ

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

Углы в с.ц.м., °

Рис. 2. Сравнение анализирующей способности в реакции pp-квазиупругого рассеяния при энергии 650 МэВ/нуклон

с мировыми данными и результатами решения SP07 парциально-волнового анализа SAID. Заполненные символы —

результаты данного эксперимента. Открытые символы — мировые данные [5, 7, 8]. Сплошная кривая — предсказания

SAID [1].

ния векторной анализирующей способности pp-

N^-LM⁰

N^-RM⁰

квазиупругого рассеяния:

N0LM^-

N0RM^-

P^-z =

(5)

2A_y

где P+z и P^-z — векторные поляризации для со-

N+LM⁰

N+RM⁰

ответствующей поляризационной моды. N_L

, N^-L

N0LM⁺

N0RM

P+z =

(4)

и N0L — количество событий для конкретного угла

2A_y

слева для двух поляризованных мод и неполяри-

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№6

2023

ИЗМЕРЕНИЯ ВЕКТОРНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДЕЙТРОННОГО ПУЧКА

689

P_z

0.10

dp-упругое 135 МэВ/н

pp-квазиупругое 500 МэВ/н

0.15

pp-квазиупругое 650 МэВ/н

0.15

pp-квазиупругое 650 МэВ/н

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

100

120

140

100

120

140

Время, часы

Рис. 3. Сравнениезначений векторной поляризациидейтронногопучка, полученных при энергиях500 и 650 МэВ/нуклон,

со значениями поляризации, полученными с помощью дейтрон-протонного рассеяния при энергии 135 МэВ/нуклон [9].

a —Для поляризационноймоды (+1/3, +1), б —для поляризационноймоды (+1/3, -1).

зованной моды соответственно. N+R, N^-R и N0R —

650 МэВ/нуклон представлены на рис. 1 и 2 со-

количество событий для конкретного угла справа

ответственно. Заполненные символы — результа-

для двух поляризованных мод и неполяризованной

ты этого эксперимента, который проводился на

моды соответственно. M⁺, M^- и M⁰ — количе-

станции внутренней мишени Нуклотрона. Откры-

ство событий в мониторных счетчиках для соответ-

тые символы — данные, полученные в других экс-

ствующих спиновых мод. A_y — значения векторной

периментах [4-8]. Значения анализирующей спо-

анализирующей способности для соответствующе-

собности также сравниваются с предсказаниями

го угла в с.ц.м.

парциально-волнового анализа SP07 SAID [1].

Для определения векторной поляризации ис-

Видно хорошее соответствие данных на Нукло-

пользовались 13 различных пар детекторов: шесть

троне с результатами, полученными ранее, а также

пар при рассеянии частиц влево, шесть пар вправо

с решением SAID SP07. Следовательно, прове-

и одна пара для рассеяния под 90^◦ в с.ц.м. Полу-

сти измерение поляризации пучка дейтронов, ис-

чившиеся результаты для соответствующих углов

пользуя протон-протонное квазиупругое рассея-

затем усреднялись с помощью среднего взвешен-

ние, возможно.

ного для двух поляризационных мод по отдельно-

Значения поляризации дейтронного пучка при

сти.

энергиях 500 и 650 МэВ/нуклон представлены

Поляризация пучка также измерялась регуляр-

на рис. 3. Заполненные символы представляют

но во время эксперимента с помощью дейтрон-

собой результаты этого эксперимента, открытые

протонного упругого рассеяния при энергии пучка

символы — данные по поляризации, полученные

135 МэВ/нуклон [9]. В эксперименте использова-

при энергии пучка 135 МэВ/нуклон. Сплошная

лись три спиновые моды источника поляризован-

линия — средневзвешенное значение поляризации

ных ионов: неполяризованная и две смешанных с

по всем точкам, штриховая — средневзвешенная

идеальными значениями (p_z, p_zz), равными (0, 0),

ошибка измерений. Видно хорошее соответствие

(+1/3, +1) и (+1/3, -1) соответственно.

значений поляризации, представленных в этой ра-

Полученные значения векторной поляриза-

боте, значениям, полученным при другой энер-

ции при энергиях дейтронного пучка

500

гии [9].

650

МэВ/нуклон можно сравнить с данными,

полученными при энергии 135 МэВ/нуклон.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

4. РЕЗУЛЬТАТЫ

На внутренней мишени Нуклотрона ОИЯИ бы-

Угловые зависимости векторной анализирую-

ла получена векторная поляризация дейтронного

щей способности A_y в протон-протонном ква-

пучка. Для этого использовались данные, получен-

зиупругом рассеянии при энергиях пучка 500 и

ные в pp-квазиупругой кинематике для энергий 500

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№6

2023

690

ВОЛКОВ и др.

и 650 МэВ/нуклон. Поляризация дейтронного пуч-

4. M. Albrow, S. A. Almehed, B. Bosnjakovic, C. Daum,

ка была впервые измерена на Нуклотроне, исполь-

F. Erne, J. Lagnaux, J. Sens, and F. Udo, Nucl. Phys.

зуя протон-протонное квазиупругое рассеяние.

B 23, 445 (1970).

Полученные значения поляризации также срав-

5. J. Bystricky, P. Chaumette, J. Deregel, J. Fabre,

нивались с данными, полученными с помощью

F. Lehar, A. De Lesquen, L. Van Rossum, J. Fontaine,

дейтрон-протонного упругого рассеяния при энер-

J. Gosset, F. Perrot, C. Whitten, J. Ball, P. Chesny,

гии 135 МэВ/нуклон. Сравнение показало, что по-

C. Newsom, J. Yonnet, T. Niinikoski, et al., Nucl.

лученные результаты хорошо соответствуют поля-

Phys. B 262, 727 (1985).

ризации, полученной с помощью другого метода [9].

6. G. Cozzika, Y. Ducros, A. de Lesquen, J. Movchet,

Эксперимент проводился в тестовом режиме.

J. C. Raoul, L. van Rossum, J. Deregel, and

Планируется, что в будущих исследованиях с поля-

J. M. Fontaine, Phys. Rev. 164, 1672 (1967).

ризованными пучками протонов и дейтронов будет

7. M. Altmeier, F. Bauer, J. Bisplinghoff, K. Bußer,

улучшена точность измерений поляризации и ана-

M. Busch, T. Colberg, L. Demirors, H. P. Engelhardt,

лизирующей способности.

P. D. Eversheim, K. O. Eyser, O. Felden, R. Gebel,

M. Glende, J. Greiff, F. Hinterberger, E. Jonas, et al.,

Eur. Phys. J. A 23, 351 (2005).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

8. G. Glass, T. S. Bhatia, J. C. Hiebert, R. A. Kenefick,

1. R. A. Arndt, W. J. Briscoe, I. I. Strakovsky, and

S. Nath, L. C. Northcliffe, W. B. Tippens, and

R. L. Workman, Phys. Rev. C 76, 025209 (2007).

J. E. Simmons, Phys. Rev. C 47, 1369 (1993).

2. V. V. Fimushkin, A. D. Kovalenko, L. V. Kutuzova,

Y. V. Prokofichev, B. Shutov, A. S. Belov,

9. Y. T. Skhomenko, V. P. Ladygin, Y. V. Gurchin,

V. N. Zubets, and A. V. Turbabin, J. Phys.: Conf. Ser.

A. Y. Isupov, M. Janek, J. T. Karachuk, A. N. Khrenov,

678, 012058 (2016).

P. K. Kurilkin, A. N. Livanov, S. M. Piyadin,

3. A. I. Malakhov, S. V. Afanasiev, Yu. S. Anisimov,

S. G. Reznikov, A. A. Terekhin, A. V. Tishevsky,

A. S. Artiomov, S. N. Bazilev, A. N. Khrenov,

A. V. Averyanov, A. S. Belov, E. V. Chernykh, et al.,

J. Kliman, V. A. Krasnov, V. Matousek, M. Morhac,

EPJ Web Conf. 204, 10002 (2019).

A. Yu. Starikov, A. V. Shabunov, V. M. Slepnev, and

I. Turzo, Nucl. Instrum. Methods A 440, 320 (2000).

10. G. G. Ohlsen, Rep. Prog. Phys. 35, 717 (1972).

DEUTERON BEAM VECTOR POLARIZATION MEASUREMENT

USING PROTON-PROTON QUASIELASTIC SCATTERING

AT THE ENERGIES 500 AND 650 MeV/NUCLEON

I. S. Volkov¹⁾, V. P. Ladygin¹⁾, Ya. T. Skhomenko¹⁾, Yu. V. Gurchin¹⁾, A. Yu. Isupov¹⁾,

M. Janek²⁾, J. T. Karachuk^1),3), A. N. Khrenov¹⁾, P. K. Kurilkin¹⁾, A. N. Livanov¹⁾,

S. M. Piyadin¹⁾, S. G. Reznikov¹⁾, A. A. Terekhin¹⁾, A. V. Tishevsky¹⁾, A. V. Averyanov¹⁾,

E. V. Chernykh¹⁾, D. Enache³⁾, D. O. Krivenkov¹⁾, I. E. Vnukov⁴⁾

¹⁾Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia

²⁾Physics Department, University of Zilina,

Zilina, Slovakia

³⁾National Institute for R&D in Electrical Engineering ICPE-CA, Bucharest, Romania

⁴⁾Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia

The deuteron beam vector polarization was obtained at the Nuclotron Internal Target Station using

quasielastic proton-proton scattering on the polyethylene target. The selection of useful events was

performed using the time and amplitude information from scintillation counters. The asymmetry on

hydrogen was obtained by the subtraction of the carbon background. The values of vector polarization

were obtained at the beam energies of 500 and 650 MeV/nucleon. The obtained values are compared with

the data obtained in the deuteron-proton elastic scattering at the beam energy of 135 MeV/nucleon.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 86

№6

2023