ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 5, с. 411-416
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЛЕГКИХ ЭКЗОТИЧЕСКИХ ЯДЕР МЕТОДОМ УПРУГОГО РАССЕЯНИЯ ПРОТОНОВ В ИНВЕРСНОЙ КИНЕМАТИКЕ
2015 г. Г. Д. Алхазов, А. А. Воробьев, А. В. Добровольский*, А. Г. Инглесси, Г. А. Королев, А. В. Ханзадеев
Петербургский институт ядерной физики Национального исследовательского центра "Курчатовский институт", Гатчина, Россия Поступила в редакцию 29.06.2014 г.
Для изучения пространственной структуры экзотических ядер в ПИЯФ было предложено измерять дифференциальные сечения упругого рассеяния протонов на малые углы в инверсной кинематике. С помощью созданного в ПИЯФ ионизационного спектрометра ИКАР проведен цикл экспериментов на пучках радиоактивных ядер с энергией 0.7 ГэВ/нуклон в Ядерном центре тяжелых ионов (GSI, Дармштадт). Ионизационная камера ИКАР, наполненная водородом при давлении 10 бар, служила одновременно мишенью и детектором протонов отдачи, измерявшим их энергию. Измерялся также угол рассеяния частиц пучка. Полученные сечения анализировались в рамках теории Глаубера— Ситенко с использованием феноменологических пространственных распределений ядерной плотности с двумя свободными параметрами. Были найдены распределения ядерной материи и определены среднеквадратичные радиусы исследовавшихся ядер. В частности, определены размеры гало в ядрах 6Не, 8Не, 11 Li и 14Ве. Из комбинации полученных данных с известными величинами протонных радиусов получена информация о нейтронном распределении в ядрах. Значительная нейтронная шуба выявлена в ядрах ^ и 12 Ве.
DOI: 10.7868/80044002715020075
1. ВВЕДЕНИЕ
Развитие техники получения достаточно интенсивных пучков радиоактивных ядер позволило исследовать изменение структуры и свойств атомного ядра по мере удаления от дорожки /3-стабильности. Были обнаружены новые свойства ядерной материи у нейтронно-избыточных ядер — существование нейтронной шубы и гало [1—3]. При уменьшении энергии отделения последнего или двух последних валентных нуклонов у нейтронно-избыточных ядер происходит изменение формы ядра, в котором образуется гало — протяженное распределение ядерного вещества за пределами ядерного кора. Увеличение среднеквадратичного радиуса (с.к.р.) Rm пространственного распределения ядерного вещества в ядрах у границы нейтронной стабильности явилось первым признаком гало в экзотических ядрах, таких, как 6He, 11 Li, nBe и 14Be.
Размеры ядра и форма радиального распределения ядерной материи и заряда являются фундаментальными характеристиками ядер. Распределения протонов в ядрах стабильных изотопов с
E-mail: dobrov@pnpi.spb.ru
высокой степенью точности определяются в экспериментах по упругому рассеянию электронов на исследуемых ядрах. Что касается распределений ядерной материи, включающей как протоны, так и нейтроны, то для их изучения необходимо использовать сильновзаимодействующие пробные частицы, такие, как протоны и а-частицы. При этом описание процесса взаимодействия требует наличия адекватной теоретической модели. Только в случае рассеяния протонов промежуточной энергии (около 1 ГэВ) имеются теории многократного рассеяния (в частности, теория дифракционного рассеяния Глаубера—Ситенко), позволяющие достаточно точно связать измеренные сечения рассеяния с искомыми распределениями ядерной плотности. Именно поэтому наиболее надежная информация о распределениях ядерной материи в стабильных ядрах получается методом упругого рассеяния протонов промежуточной энергии [4]. Для исследования экзотических ядер в ПИЯФ было предложено [5] проводить эксперимент в инверсной кинематике, при этом пучки экзотических ядер рассеивать на водородной мишени, в качестве которой использовать созданный в ПИЯФ ионизационный спектрометр ИКАР. Спектрометр ИКАР
411
3*
ИКАР Магнит ALADIN
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: ИКАР — ионизационная камера, наполненная водородом при давлении 10 бар, служит для точного измерения энергии протонов отдачи TR; ПК1 — ПК4 — проволочные пропорциональные камеры, используются для определения угла рассеяния 0 частиц пучка; S1—S3 и VETO — сцинтилляционные счетчики, применены для триггерирования и идентификации частиц пучка; ALADIN — дипольный магнит, ALADIN и система сцинтилляционных детекторов позволяют идентифицировать рассеянные частицы пучка.
-1, (ГэВ/с)2
Рис. 2. Дифференциальные сечения упругого рассеяния протонов с энергией 0.7 ГэВ на ядрах изотопов Li, измеренные в инверсной кинематике, в зависимости от квадрата переданного импульса. Сплошные кривые — сечения, рассчитанные по теории Глаубера—Ситенко.
[6, 7] ранее успешно использовался в экспериментах по исследованию упругого рассеяния адронов на малые углы [8—11].
Вследствие того что интенсивность вторичных пучков радиоактивных ядер относительно низка, измерять дифференциальные сечения с достаточной статистической точностью при больших углах рассеяния представляется затруднительным. Однако, как следует из теоретического рассмотрения, анализ дифференциальных сечений упругого рассеяния даже в ограниченном диапазоне малых углов — при условии, что сечения измерены достаточно точно — позволяет получить информацию не
только о с.к.р. ядра, но и о форме радиального распределения ядерной материи. Более того, в случае ядер с гало наиболее информативными являются дифференциальные сечения рассеяния как раз при малых углах. Действительно, рассеяние на нейтронах гало дает вклад в наклон дифференциального сечения ¿а/М при малых переданных импульсах |£|, т.е. при малых углах рассеяния. Анализ формы измеренных сечений позволяет определить размер как ядерного кора, так и ядерного гало. В серии экспериментов, которые были проведены на пучках ускорителя Ядерного центра тяжелых ионов
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЛЕГКИХ ЭКЗОТИЧЕСКИХ ЯДЕР
413
в Дармштадте, физиками Коллаборации ПИЯФ— GSI были измерены сечения da/dt упругого рассеяния протонов на стабильных ядрах 4Не, 6Li и радиоактивных нейтронно-избыточных ядрах 6Не, 8Не, 8Li, 9Li, 11 Li, 12Be и 14Ве [12-16] при энергии 0.7 ГэВ/нуклон в диапазоне переданных импульсов 0.002 ^ \t\ ^ 0.05 (ГэВ/с)2. В проведенном анализе данных были найдены параметры распределения ядерной материи этих ядер.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Пучки исследуемых ядер с интенсивностью около 103 частиц/с взаимодействовали с ядрами водорода ионизационной камеры ИКАР, работающей при давлении 10 бар. Спектрометр ИКАР являлся одновременно мишенью и детектором протонов отдачи. Величина квадрата, переданного при рассеянии импульса, определялась по энергии протона отдачи TR, измерявшейся спектрометром ИКАР:
\t\ = 2mTR,
где m — масса протона отдачи. Для лучшего выделения полезных событий величина переданного импульса \t\ также находилась по величине угла рассеяния в налетающего ядра, который измерялся с помощью системы пропорциональных камер ПК1—ПК4, установленных спереди и сзади детектора ИКАР. Сцинтилляционные счетчики S1 — S3 служили для идентификации частиц пучка по времени пролета и величине dE/dx. Сцинтилля-ционный детектор VETO, включенный на антисовпадения, отбирал только те пучковые частицы, которые проходили на расстоянии не более 10 мм от оси камеры. Расположенные в конце экспериментальной установки дипольный магнит ALADIN и система сцинтилляционных детекторов за ним позволяли выделять неупругие каналы с развалом рассеиваемых ядер в реакциях в рабочем объеме ионизационной камеры. Энергетическая калибровка /-шкалы осуществлялась с помощью
da/dt/C0exp(B0t)
a-источников
241
Am, нанесенных на электроды камеры; погрешность калибровки не превышала 1%. Высокая эффективность регистрации как частиц пучка, так и событий упругого рассеяния в камере определяла точность абсолютной нормировки измеренных дифференциальных сечений (2—3%). Детальное описание экспериментальной установки приводится в [13]. Для проверки методики было измерено сечение упругого р4Не-рассеяния в инверсной кинематике [13], которое хорошо согласовалось с проведенными ранее прецизионными измерениями этого же сечения в прямой кинематике [11].
8Li
9Li
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
- г, (ГэВ/с)2
Рис. 3. Те же сечения, что и на рис. 2, деленные на экспоненциальную функцию от квадрата переданного импульса |£|. Положительная кривизна в Щ4а/М) указывает на наличие гало в ядре 11 Li.
3. АНАЛИЗ ДАННЫХ
На рис. 2 представлены дифференциальные сечения упругого рассеяния протонов на ядрах изотопов 6'8'9'1Х и, измеренные в инверсной кинематике при энергии Ер = 0.7 ГэВ [15]. Для получения информации о распределениях ядерной плотности проводилось сравнение расчетных сечений, вычислявшихся по формулам теории Глаубера—Ситенко с амплитудами свободного нуклон-нуклонного рассеяния, параметры которых брались из экспериментальных данных и из фазового анализа данных по нуклон-нуклонному рассеянию, с экспериментальными сечениями. При расчете сечений использовались несколько феноменологических распределений ядерной материи с двумя свободными параметрами, определявшимися из условия наилучшего согласия расчетных сечений с экспериментальными [14]. В
1
1
1
1
Рис. 4. а — Распределение плотности материи в ядре 6и1, полученное из данных по упругому рассеянию протонов [15] с использованием параметризации GG (сплошная кривая), и распределение протонов, извлеченное из данных по упругому рассеянию электронов [17] (штриховая кривая). Ширина заштрихованного коридора отображает величину статистических и модельных неопределенностей извлечения плотности. б — Распределение ядерной плотности в коре и всей ядерной материи в ядре пи1. Использованы параметризации GG и GO.
двух параметризациях распределения плотности — в симметризованном распределении Ферми (SF) и в "гауссовском распределении с гало" (GH) — не делалось различия между валентными нуклонами и нуклонами кора. В двух других параметризациях — GG и GO — предполагалось, что ядро состоит из нуклонов кора и валентных нуклонов (нуклонов гало), причем в обоих случаях использовалось гауссовское распределение для плотности нуклонов кора, в то время как для нуклонов гало использовались
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.