ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 1-2, с. 69-72
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ ПРИ АННИГИЛЯЦИИ К-МЕЗОНОВ
В ЯДЕРНОЙ ФОТОЭМУЛЬСИИ
2015 г. В.В.Дубинина, Н. П. Егоренкова, Е. А. Пожарова, В. А. Смирнитский*
Институт теоретической и экспериментальной физики; Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва, Россия
Поступила в редакцию 18.04.2014 г.
Измерено испускание легких ядер (р, ¿, при аннигиляции остановившихся в ядерной фотоэмульсии К ^-мезонов. Измерено отношение выходов ¿/р = 0.32 ± 0.05. Показано, что наблюдается избыток испарительных протонов, связанный с корреляциями нуклонов в ядре.
DOI: 10.7868/S0044002715010067
1. ВВЕДЕНИЕ
В результате ядерных реакций или при поглощении ядром таких частиц, как ц-, п-, K--мезонов и антипротонов, происходит возбуждение ядра-мишени, при котором испускаются нуклоны и мно-гонуклонные образования. Эти процессы описываются теорией испарения частиц из возбужденного ядра, использующей компьютерные программы (Monte Carlo) [1]. Процесс испарения описывается не только статистическими моделями. Так, в работе [2] аналитически вычислены все параметры испарительного процесса испускания нуклонов и фрагментов из возбужденного ядра. В этих расчетах используются начальное возбуждение ядра и распределение плотности уровней ядра-мишени, кинетическая энергия испускаемых частиц, энергия связи нуклонов в ядре и кулоновский барьер. Наблюдается качественное согласие с экспериментальными данными и расчетами по статистическим моделям.
Аннигиляция в ядерной фотоэмульсии приведенных выше частиц сопровождается различными процессами. Поглощение ц--мезонов ядрами изучалось в работе [3] и подробно рассмотрено в монографии [4]. Взаимодействие мюона с ядром объясняется поглощением ц--мезона протоном, при этом испускаются нейтрино и нейтрон, энергия которого может достигать (из-за движения нуклонов в ядре) нескольких десятков МэВ. Быстрый нейтрон "нагревает" ядро, и из ядра "испаряются" протоны и другие заряженные частицы. При поглощении медленных п--мезонов [5] испускание испарительных частиц невозможно согласовать с термодинамической картиной процесса испарения.
E-mail: vladimir@itep.ru
Сравнение энергетических спектров испарительных частиц с расчетами по теории прямых реакций [6] показывает, что экспериментальные данные описываются полюсным механизмом поглощения ядром п"-мезонов, в предположении, что виртуальной частицей является 4Не. Аннигиляция медленных антипротонов в ядерной фотоэмульсии рассмотрена в работе [7]. При аннигиляции остановившихся антипротонов в ядре образуется локальное состояние ядерной материи с барионным числом, равным нулю, и выделяется энергия ^2 ГэВ. Эта энергия реализуется, в основном, в виде ^5 пионов, из которых 2—3 поглощаются в ядре, а остальные вылетают из ядра прежде, чем установится тепловое равновесие. Эти пионы уносят ГэВ энергии, а оставшаяся энергия реализуется в испарительном процессе. Из возбужденного ядра испускаются 5—6 испарительных частиц: протоны, дейтроны, тритий и а-частицы. Около 2% антипротонов поглощается в глубине ядра, и это вызывает испускание ~11 испарительных частиц [7].
Поглощение в ядре К "-мезонов происходит с сохранением странности и барионного заряда (числа барионов). Поэтому в этом процессе образуются гипероны, уносящие странность и обеспечивающие сохранение барионного заряда. Часть аннигиляци-онной энергии затрачивается на возбуждение ядра и испускание испарительных частиц. В работе [8] теоретически исследовался механизм поглощения К" -мезонов ядерной материей. Для этого был рассчитан потенциал мезонной и безмезонной аннигиляции К "-мезонов одним или двумя нуклонами ядра. Поглощение К "-мезонов, в результате которого испускаются пион и гиперон: К"Ы ^ (пУ), называется мезонным, а поглощение двумя нуклонами: К"ЫЫ ^ (УЫ) — безмезонным. По этим
Таблица 1. Данные по испусканию Ь, д и в-частиц в результате ядерных реакций и при поглощении ядрами фотоэмульсии различных частиц
Частица Ъ 9 s Энергия, ГэВ Литература
7г+-мезоны 4.29 ±0.07 2.23 ±0.05 4.80 ±0.06 20 [9]
р — протоны 4.70 ±0.10 2.50 ±0.10 5.80 ±0.20 21 [10]
е+ — позитроны 6.13 ± 0.18 3.38 ±0.14 5.65 ±0.18 32 [П]
V — нейтрино 4.41 ±0.32 1.92 ±0.24 5.72 ±0.41 50 [12]
уи,+ -мезоны 3.40 ±0.26 0.83 ±0.17 0.70 ±0.14 32 [13]
7-кванты 3.10 ±0.21 0.82 ± 0.11 0.31 ±0.07 - [П]
— антипротоны 4.08 ±0.06 1.05 ±0.03 2.25 ±0.05 Остановка [7]
7г~-мезоны 1.84 ±0.10 0.08 ±0.02 0.04 ±0.01 Остановка [5]
/х--мезоны 1.01 ±0.05 0.04 ±0.01 0.00 ±0.00 Остановка [3]
-мезоны 2.24 ±0.07 0.34 ±0.03 0.18 ±0.02 Остановка Настоящая работа
каналам аннигиляция происходит в ^80% и ^20% соответственно.
В настояшей работе мы измерили испускание испарительных частиц при поглощении медленных К- ядрами фотоэмульсии, оценили отношение выходов й/р и сравнили это отношение с теорией испарения.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Эмульсионная камера, собранная из 600-мкм слоев ядерной фотоэмульсии П^^ G.5, была облучена в пучке К--мезонов с импульсом 400 МэВ/с на ускорителе в Беркли. При просмотре эмульсионных слоев по площади для дальнейшего анализа и измерений было отобрано ^500 остановок К--мезонов, из них 480 с наблюдаемым взаимодействием. В каждой такой остановке проводилась классификация частиц: Ь-частицы, имеющие
N
120 - _, -,
80 -40 -
0__I_I_I_I_I_I_I__
-1.0 -0.5 0 0.5 1.0
cos 0
Рис. 1. Распределение по cos в 6-частиц, возникающих при поглощении K--мезонов ядрами фотоэмульсии (в — угол с направлением пучка каонов).
пробег от 5 мкм до 3.5 мм (меньше 5 мкм возможен след ядра отдачи); g-частицы с пробегом >3.5 мм и скоростью ^0.7 в (относительная ионизация I/I0 ^ 1.4, где I0 — ионизация релятивистских частиц); s-частицы, скорость которых >0.7в (I/Io < 1.4).
Асимметрия вылета испарительных b-частиц относительно направления пучка позволяет определить скорость каонов в момент их поглощения ядром. На рис. 1 показано распределение b-частиц по cos в (где в — угол с направлением пучка). Видно, что распределение является равномерным. Это позволяет нам считать, что мы наблюдаем захват ядрами фотоэмульсии практически остановившихся K "-мезонов.
В табл. 1 показаны собранные нами данные по испусканию b, g и s-частиц, возникающих в результате ядерных реакций и при поглощении ядрами остановившихся , п", K"-мезонов и антипротонов. Первые шесть строк этой таблицы представляют испарительные b-частицы, испущенные из возбужденного ядра в результате взаимодействия различных частиц высокой энергии с ядрами фотоэмульсии. Взаимодействие адронов и нейтрино, отобранное по заряженному току и сопровождаемое адронной струей, имеют одинаковое среднее число b-частиц. Взаимодействие позитронов сопровождается "размножением" в ядре энергичных е+, и поэтому количество b-частиц заметно увеличивается. Электромагнитное взаимодействие
и y приводит к одинаковому возбуждению ядра и совпадающему числу b-частиц. Анализ экспериментальных данных в работах [9—11] показал, что приведенные выше данные не противоречат теоретическим расчетам, описывающим испускание ис-
ИСПАРИТЕЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ
71
Таблица 2. Результаты фитирования гистограммы спектра масс Ь-частиц ( в МэВ)
Значение массы Дисперсия
в максимуме нормаль- нормального Ядро
ного распределения распределения
1037.4 422.4 Протон
1976.3 239.3 Дейтрон
2749.0 106.6 Тритий
Таблица 3. Отношение выходов испарительных протонов, дейтронов и трития при аннигиляции остановившихся К ^-мезонов и антипротонов в ядерной фотоэмульсии
Отношение выходов Антипротоны K--мезоны
d/p 0.86 ±0.09 0.32 ±0.05
t/p 0.36 ±0.04 0.12 ±0.04
t/d 0.41 ±0.09 0.38 ±0.07
парительных частиц из возбужденного состояния ядра-мишени.
Для выяснения, что происходит при поглощении К"-мезонов ядрами фотоэмульсии, необходимо измерить выходы легких ядер (р, ¿, ¿) и сравнить с теорией их испарения из возбужденных ядер. Максимальная длина треков испарительных Ь-частиц (по определению) составляет 3.5 мм. При такой
Масса, МэВ
Рис. 2. Спектр масс 6-частиц. Гистограмма — экспериментальный спектр, сплошная кривая — результат фитирования тремя нормальными распределениями.
выборке длин диапазон энергий: для протонов — от 5.9 до 30 МэВ, для дейтронов — от 6.8 до 39 МэВ, для трития — от 9.2 до 46 МэВ. Безмезонная аннигиляция К "-мезонов может дать дополнительный вклад в испускание медленных нуклонов, который возможно оценить по измерению спектра масс Ь-частиц, возникающих при поглощении каонов. Измерения проводились методом "постоянной сагитты" по протонной программе [7] на микроскопе К£М. Программа сопровождения позволяла оператору контролировать результаты измерений. На рис. 2 гистограммой показан спектр масс Ь-частиц и сплошной кривой — сумма трех нормальных распределений, которые наилучшим образом описывают гистограмму. В табл. 2 приведены результаты фитирования.
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Дисперсия нормального распределения, описывающего ширину распределения испарительных протонов, составляет 422.4 МэВ, тогда как при аннигиляции антипротонов она равна 176.0 МэВ [7]. Это, возможно, свидетельствует о том, что к испарительным протонам примешиваются частицы (скорее всего, протоны), возникающие при аннигиляции K"-мезонов. Подтверждением этому является сравнение отношений выходов испарительных частиц, приведенное в табл. 3. Из данных этой таблицы следует, что испарительный процесс испускания дейтронов и трития совпадает для антипротонов и K"-мезонов (третья строка табл. 3). Однако наблюдается избыточное количество протонов при аннигиляции K"-мезонов (первая и вторая строки табл. 3). Избыток протонов, скорее всего, связан с безмезонным поглощением K"-мезонов, в котором участвует дополнительный нуклон (Short Range Correlation) [8]. Количественно рассчитать механизм испарения с учетом дополнительных протонов от парной корреляции нуклонов ядра-мишени, сохранения странности и барионного заряда не представляется нам возможным. Качественная же оценка отношения выходов дейтронов и протонов по работе [1, с. 1671, рис. 24], при энергии поглощения каонов ядром ^500 МэВ, дает величин
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.