ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 7-8, с. 687-695
= ЯДРА ^^
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИИ й + й — + 2п ПРИ ЭНЕРГИИ ДЕЙТРОНОВ 15 МэВ
© 2015 г. Е. С. Конобеевский1)*, С. В. Зуев1), А. А. Каспаров1), В. М. Лебедев2), М. В. Мордовской1^ А. В. Спасский2)
Поступила в редакцию 20.11.2014 г.
Описана экспериментальная установка для исследования реакции д + д — 2Не + 2п и приведены первые предварительные результаты измерений при энергии дейтронов 15 МэВ. Целью эксперимента являлось определение важных характеристик ЖЖ-взаимодействия — энергий квазисвязанных син-глетных состояний двухнуклонных систем (пп и рр). Измерения проведены на дейтронном пучке циклотрона У-120 НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ. В эксперименте детектировались два протона и один из нейтронов от развала "динейтронной" системы. Проведенное моделирование реакции и предварительные результаты исследования показывают возможность определения энергии квазисвязанных синглетных состояний по форме энергетических спектров частиц от их развала.
DOI: 10.7868/80044002715030137
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследование нуклон-нуклонного взаимодействия ведется уже на протяжении почти столетия. Накоплено большое количество данных по pp-и np-взаимодействию, проведен тщательный их анализ, в результате которого получены NN-потенциалы взаимодействия, описывающие подавляющее количество экспериментальных данных [1]. Некоторые расхождения эксперимента и теории удается устранить за счет введения трехнуклонных (3NF) сил [2].
Более неоднозначная ситуация возникает, когда мы говорим о nn-взаимодействии. Ввиду отсутствия нейтронной мишени, данные об этом взаимодействии получают в основном из анализа реакций с двумя нейтронами в конечном состоянии. Наиболее простой и перспективной реакцией в этом смысле является реакция развала дейтрона нейтроном или протоном n + d — n + n + p или p + + d — p + p + n.
В последние годы выполнено множество экспериментов, в которых весьма точно измерены сечения трехчастичного N + d развала в различных геометриях. Эти точные экспериментальные данные затем были подвергнуты тщательной проверке с использованием детальных расчетов на основе
!)Институт ядерных исследований Российской академии наук, Москва.
2)Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Россия. E-mail: konobeev@inr.ru
уравнений Фаддеева [3]. Оказалось, что во многих случаях имеются сильные расхождения получен -ных экспериментальных данных с результатами наиболее полных и точных на сегодня фаддеевских расчетов.
Наиболее сильные расхождения обнаружены в нейтрон-нейтронном квазисвободном рассеянии (КСР). Экспериментальные сечения nn-КСР, полученные при исследовании реакции nd-развала при En = 26 МэВ [4] и En = 25 МэВ [5], превышают теоретические оценки на ~18%. При этом теория хорошо описывает сечения np-КСР, полученные в [4]. Анализ, проведенный в [6], показал, что теоретические результаты являются достаточно стабильными при замене стандартных потенциалов и включении современных 3N-сил. Так как в сечении КСР при низких энергиях доминирует синглетная 1S0 составляющая, авторы [7] пришли к выводу, что именно этот вклад недооценен и эта недооценка является причиной несовпадения эксперимента и теории. Увеличение величины этой составляющей на ^8% дало согласие теории и эксперимента как для np-, так и для nn-КСР, но привело к уменьшению значения эффективного радиуса от reg = 2.75 Фм до reg = 2.41 Фм, а также к серьезным изменениям длины nn-рассеяния и даже к изменению ее знака и существованию связанного "динейтрона". В [7] было показано также, что данная модификация 1So nn-силы не позволяет объяснить существующее расхождение между расчетом [8] и экспериментальными данными для nd- и pd-развала в геометрии "Space—Star" [9—12].
В последнее время обсуждается возможность использования для исследования нуклон-нуклонного взаимодействия реакций с трехнук-лонными ядрами 3Н и 3Не [6]. Известно, что 3Не представляет собой состояние, состоящее из двух протонов с противоположными спинами и нейтрона. Аналогично в 3Н два нейтрона находятся в спин-синглетном состоянии. Это делает 3Н-и 3Не-мишень или снаряд очень удобным для определения энергий пп и рр квазисвязанных синглетных ^о состояний.
В [13] было высказано предположение, что в ядре 3Н (система п + п + р) дополнительная корреляция двух нейтронов, индуцированная протоном, приводит к появлению эффективного "слабосвязанного состояния" двух нейтронов в поле протона, а соответственно в ядре 3Не (система р + р + п) появляется околопороговое состояние двух протонов в поле нейтрона. Но при слабой связи двух нейтронов в 3Н замена их на два протона в 3Не и дополнительное кулоновское взаимодействие в паре рр может кардинально изменить весь механизм такой парной корреляции. В частности, вместо "связанной" пп-пары получается резонансная рр-пара, и динамика ее распада будет совсем иная, чем динамика распада "эффективного пп-связанного состояния".
Идея предложенных в [13] экспериментов состоит в том, что если из 3Н быстро удалить протон (или из 3Не — нейтрон), то наблюдаемый характер импульсных распределений "оставшихся" пп- или рр-пар не должен измениться, так как динейтрон-ная и дипротонная пары являются в таком эксперименте "спектаторами". Эти пары нуклонов быстро вылетают из зоны реакции без сильных искажений того состояния, которое они имели первоначально. Поэтому предлагаемая серия экспериментов направлена на исследование исходных парных пп- и рр-корреляций в 3Н и 3Не соответственно. Можно ожидать, что измеренные пп- и рр-корреляции и извлеченные из них длины рассеяния и энергии квазисвязанной пары, окажутся совсем не те, которые присущи свободным пп- и рр-системам.
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕАКЦИЙ С ОБРАЗОВАНИЕМ И РАЗВАЛОМ ДВУХНУКЛОННЫХ СОСТОЯНИЙ
В [13] нами было предложено исследование реакций подхвата протона (нейтрона) из ядра 3Н (3Не) в реакциях
й + 3Н ^ 3Не + (пп), (1)
3Не + 2Н ^ 3Н + (рр). (2)
Моделирование планируемых экспериментов проводилось с помощью программы, предназначенной для изучения реакций с тремя частицами в конечном состоянии и идущих в два этапа через распадающееся промежуточное состояние [14]. Программа позволяет проводить выбор геометрии эксперимента, в выбранной геометрии рассчитывать времена пролета и энергии всех вторичных частиц, оптимизировать параметры установки, оценивать как область энергий возбуждения, доступную в эксперименте, так и возможное разрешение по энергии возбуждения.
Основным условием экспериментов является детектирование в совпадении заряженной частицы и нуклона от развала двухнуклонной системы. Энергия и угол вылета второго "развального" нуклона будут восстановлены применением законов сохранения энергии и импульса. Энергия возбуждения двухнуклонной системы может быть рассчитана по формуле
Е* = [Е\ + Е2 - 2(Е1 • £2)1/2 х (3)
X 008(01 - ©2)]/2.
Для оценки возможного разрешения по энергии возбуждения рассмотрим, например, результаты моделирования для реакции (1) при энергии падающих нейтронов 20 МэВ и для углов регистрации 3Не и нейтрона 25° ± 0.5° и 78° ± 0.5° соответственно. Такие значения углов регистрации соответствуют кинематике двухчастичной реакции й + 3Н ^ 3Не + 2п, при этом в расчете масса 2п превышает массу 2тп на 130 кэВ. Энергетическое разрешение при регистрации заряженной частицы (3Н) взято равным ^100 кэВ, временное разрешение и длина времяпролетной базы при регистрации нейтрона — 0.5 нс и 1 м соответственно. На рис. 1 показана аппаратная функция установки (разрешение по энергии возбуждения) для "входной" энергии возбуждения синглетного состояния Е* = 130 кэВ. "Выходная" энергия возбуждения рассчитывалась для каждого промоделированного события по формуле (3) для рассчитанных значений энергий (с учетом энергетического и углового разрешения) двух нейтронов. Видно, что разрешение при моделировании составляет порядка 30 кэВ и будет лучше при более оптимальных параметрах детектирующей системы.
В реакциях с образованием и развалом квазисвязанного пп(рр)-состояния и при условии, что детектирование частицы происходит под углом, соответствующим вылету ЖЖ-системы в двухчастичной реакции, попасть в детектор могут только "развальные" частицы, вылетающие в с.ц.м. двух нуклонов или вперед (~0°), или назад (~180°). В результате получается специфический энергетический (и соответствующий ему временной) спектр,
N
соб
600
400
200
80 100 120 140 160 Е, МэВ
0
Рис. 1. Результаты моделирования аппаратной функции установки для реакции ( + 3Н ^ 3Не + 2п при "входной" энергии возбуждения Е* (2п) = 130 кэВ. Параметры моделирования: энергия падающих нейтронов — 20 МэВ, углы регистрации 3Не — 25° ± 0.5° и нейтрона — 78° ± 0.5°, энергетическое разрешение при регистрации заряженной частицы (3Н) ~ 100 кэВ, временное разрешение — 0.5 нс и длина времяпролетной базы при регистрации нейтрона — 1 м.
характеризующийся двумя пиками с расстоянием между ними, зависящим от энергии квазисвязанного состояния. На рис. 2 показаны двумерная диаграмма Еп\—Еп2 (рис. 2а) и временной спектр нейтронов (рис. 26), образующихся при распаде квазисвязанного пп-состояния с энергией 80 кэВ
(1). На рис. 26 показан также спектр нейтронов
(2) для фоновой реакции й + 3Н — 3Не + п + п без образования квазисвязанного состояния. На рис. 3 показаны полученные в результате моделирования времяпролетные спектры одного из нейтронов, регистрируемого под углом вылета пп-системы для различных энергий квазисвязанного состояния. Видно, что различным энергиям соответствуют различные временные расстояния между пиками. Следует отметить, что форма спектров развальных частиц зависит только от энергии квазисвязанного состояния и кинетической энергии двухнуклонной системы до ее развала и не зависит от реакции, в которой эта система (пп или рр) была образована.
Таким образом, исследование времяпролетных спектров нейтронов (или энергетических спектров протонов), регистрируемых под углом, близким к углу вылета 2п-системы (или 2Не-системы), позволит получить информацию об энергии квазисвязанного
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.