ИЯИ РАН - Исследование ядерных реакций с рождением пионов на установке PLASMAS

Целью экспериментальных исследований на установке PLASMAS является получение новой физической информации о процессах рождения заряженных пионов на ядрах в глубокоподпороговой области энергии налетающих протонов, поиск коллективных эффектов и узких ядерных резонансов в высоковозбужденных состояниях ядер. К настоящему времени предложено значительное число теоретических моделей, претендующих на описание рождения пионов на ядрах при энергиях вблизи абсолютного кинематического порога (~140 МэВ), начиная от простых моделей, учитывающих высокоимпульсную часть Ферми-распределения нуклонов, и кончая такими экзотическими моделями как модель переходного излучения пионов, модель прямого выбивания виртуальных пионов, а также модель рождения пионов из промежуточных дибарионных, D и D-D высоковозбужденных ядерных состояний. Проверка этих современных гипотез и выделение вкладов различных механизмов требуют проведения детальных экспериментов и систематического сравнения экспериментальных данных и теоретических расчетов. Корреляционные измерения пиона и сопровождающего его легкого ядерного фрагмента позволят разрешить проблемы, связанные с относительными вкладами квазипрямого и кластерного механизмов.

Установка PLASMAS, размещенная в настоящее время на протонном канале Московской мезонной фабрики, представляет собой двухплечевой спектрометр пионов и легких ядерных фрагментов на основе пластмассовых сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов.

Для идентификации заряженных пионов с коэф. R(p/p)=10^-7 и измерения их энергии в области 10-90 МэВ используется спектрометр на основе телескопической системы сцинтилляционных детекторов (I плечо). Спектрометр состоит из быстрого пластмассового сцинтилляционного годоскопа (4 пластины размерами 0,3 х 1,1х 8,8 см каждая), системы дрейфовых камер, стального коллиматора и многослойного телескопа на основе 12 детекторов с пластмассовыми сцинтилляционными пластинами различной толщины. В эксперименте по исследованию околопорогового рождения пионов на ядрах применяются следующие 4 критерия идентификации пионов:

1) многомерный ΔЕ - анализ потерь энергии частицей в каждом слое телескопа с коэффициентом идентификации пионов R(π/р)=10^-2;

2) (Δt-E) - анализ по времени пролета частицы до слоя остановки; R(π⁺/p)=10^-2;

3) формирование "жесткого" триггера с помощью тонких детекторов-идентификаторов, расположенных на входе телескопа; R(π/р)=10^-2;

4) временной анализ реакции распада положительного заряженного пиона: π⁺ -> μ⁺ + ν с коэффициентом идентификации пионов R(π⁺/p)=10^-1-10^-2.

Алгоритм для восстановления кинетической энергии пионов в "пробежном" телескопе детекторов основан на методе анализа потерь энергии частицей в детекторах, в которых сигналы, несущие информацию об энергетических потерях, не искажаются вторичными частицами, возникающими в результате поглощения р^- мезонов или распада р⁺ в чувствительном объеме телескопа.

Для идентификации и измерения энергии легких ядерных фрагментов используется телескопический спектрометр из 6-12 шт. Si-детекторов с обедненным слоем толщиной 500-600 мкм каждый (II-плечо). Камера рассеяния в экспериментальной установке PLASMAS представляет собой алюминиевую вакуумированную камеру диаметром 0,7 м с 10 выходными фланцами и дистанционно-управляемым механизмом автоматической смены 6 рабочих мишеней.

На установке PLASMAS - телескопическом сцинтилляционном и полупроводниковом спектрометре в 1995-1998 г.г. получены новые экспериментальные данные по рождению пионов на ядрах в глубокоподпороговой области энергии протонов. Обработка и теоретическая интерпретация экспериментов позволяют извлечь физическую информацию о коллективных эффектах в высоковозбужденных состояниях ядер. В ходе методического тестового сеанса на установке PLASMAS в 1998 г. испытана быстрая сцинтилляционная времяпролетная система. Методические измерения также показали, что при среднем токе пучка протонов около 1 мкА и частоте макробанчей 50 Гц фон случайных совпадений для спектрометра парных корреляций частиц (p-d), (p-t), (р-Не(З)), (р-Не(4)) составляет 0.1-0.2 совпадательных событий за 1 с и не является существенным при выделении парных событий в дальнейших экспериментах. В 1998 г. проводилась обработка физических экспериментов, в которых при среднем токе пучка протонов 1-2 нА для реакций Сu(p,p⁺)Х, 12C(p,p⁺)X и 12С(p,p^-)X впервые измерены энергетические зависимости сечений рождения р(+) и р(-) мезонов под углом 105 градусов к оси пучка, а также отношения выходов пионов N(p⁺)/N(p^-) при 10 значениях энергии протонов: 159, 175, 180, 185, 192, 193.5, 209, 211, 250,305 МэВ.

Полная область измерения энергии пионов составляла 14-48 МэВ. Хорошее согласие результатов при энергиях протонов 175, 192, и 193.5 МэВ для ядра меди на двух сеансах 1996 и 1997 гг. на ММФ свидетельствует о высокой воспроизводимости данных на установке PLASMAS и отсутствии больших систематических погрешностей. В области энергии протонов 180 МэВ, налетающих на ядро меди, впервые обнаружена нерегулярность (на 4-5 сигма) в плавной энергетической зависимости отношения N(p⁺/N(p^-) (выход пионов интегрировался по области регистрации энергии пионов 14-48 МэВ), измеренной с интервалом 5 МэВ по энергии протонов. Выявленная нерегулярность полностью отсутствует в подобной энергетической зависимости для области энергии пионов 14-22 МэВ (наиболее низких измеряемых энергий пионов) и имеет резкую форму для пионов с энергиями 22-30 МэВ, однако при плохой статистической обеспеченности данных. Вместе с тем, экспериментальные данные для ядра углерода свидетельствуют об отсутствии каких-либо заметных нерегулярностей в плавных энергетических зависимостях отношения N(p⁺)/(p^-). Можно предположить, что аномалия в энергетической зависимости отношения N(p⁺)/(p^-) для ядра меди, обнаруженная в экспериментах на установке PLASMAS (1996 -1997 гг.) при энергии протонов 180 МэВ, связана с образованием дельта-резонансного высоковозбужденного состояния ядра меди с последующим испусканием одного пиона. При этом, аналогичное состояние ядра углерода с энергией возбуждения 180 МэВ отсутствует.

В рамках данного проекта в 1998 г. для теоретического описания подпорогового рождения мезонов в рА-взаимодействиях предложена и разработана новая модель на основе рассмотрения соответствующих прямых и двухступенчатых процессов, учитывающая при описании этих процессов спектральную функцию ядра, извлеченную из экспериментов по квазиупругому рассеянию электронов на ядрах и из многотельных расчетов с реалистическими моделями NN-взаимодействия, а также влияние среднего поля ядра на эти процессы. Эта модель была апробирована на описании подпорогового рождения каонов в протон-ядерных взаимодействиях, а также на описании рождения заряженных пионов на ядрах в наиболее изученной области энергий пучка протонов, лежащей между 1 и 2 ГэВ. Была показана ее применимость к описанию явления подпорогового и надпорогового рождения пионов в рА-соударениях.

Планируется проведение следующих исследований на установке PLASMAS:
1. Детальное, с шагом ~ 1 МэВ, измерение энергетической зависимости сечений рождения р⁺ и р^- мезонов, а также отношения N(p⁺)/N(p^-) вблизи значения энергии протонов 180 МэВ на ядрах углерода, меди и свинца, где ожидается проявление узкого D-резонанса шириной ~ 5 МэВ. Анализ данных, полученных на установке PLASMAS в 1995-1998 гг., выявил, по предварительным оценкам, структуру в пределах 4-5 в энергетических зависимостях при энергии протонов 180 МэВ.
2. Измерения массовых и угловых зависимостей сечений рождения р⁺ и р^- мезонов в области энергии протонов 150-250 МэВ.
3. Корреляционные измерения заряженных пионов и легких ядерных фрагментов в режиме совпадений телескопических сцинтилляционных и полупроводниковых спектрометров (1-го и 2-го плечей уст.PLASMAS).
4. Проведение анализа и интерпретации экспериментальных данных в рамках разработанной модели, учитывающей при описании подпорогового образования мезонов спектральную функцию ядра.