ГЛАВА 4 Обзор современных фотоядерных
проектов.
|
![]() |
(4.1) |
где функции Fi есть амплитуды
рассеяния,
и
- единичные векторы
фотона и пиона,
- поляризация
фотона. Время – подобная компонента
.
![]() Рис. 4.1 . a), b) - угловые распределения для комптоновского рассеяния и фоторождения ![]() |
Первое систематическое исследование
поляризационных эффектов при взаимодействии
фотонов с нуклонами и ядрами на пучках обратных
комптоновских фотонов было начато на установке LEGS (Laser Electron Gamma Source) в Брукхэвене в 1990 г. при
энергиях от 200 до 320 МэВ. В исследовании структуры
нуклона начался новый этап, связанный с учетом
тензорного взаимодействия, которое согласно кварковой модели приводит к смешиванию спинов
кварков с их относительным движением. В
результате возникает D–волновая компонента
волновой функции нуклона, которая нарушает
сферическую симметрию и ведет к статической
деформации возбужденных состояний нуклона, в
частности Δ-резонанса.
Поскольку фотоны возбуждают Δ-резонанс в результате
М1 взаимодействия, а вклад квадрупольной Е2
компоненты сравнительно мал, то для изучения
внутренней структуры нуклона оказалось удобным
измерение величины и знака отношения Е2/M1
компонент. Основным каналом распада (99,4 %)
возбужденных состояний нуклона в
рассматриваемой области энергий является
образование пионов (πN) и только 0.6 % соответствуют переходу в исходное
начальное состояние (комптоновское рассеяние).
Эти ветви имеют разную чувствительность к вкладу
Е2 компоненты, что было изучено экспериментально
в Брукхэвене.
В экспериментах использовалась
жидководородная мишень, а для регистрации
протонов отдачи - дрейфовые трековые камеры и
пластиковый спектрометр времени пролета. Фотоны
регистрировались детектором NaJ(Tl) высокого
разрешения. Результаты измерений угловых
распределений и асимметрии (сигма) для
комптоновского рассеяния и рождения нейтральных
пионов показаны на рис.4.1. Поляризационные данные
уточняют значение GE/GM и позволяют
определить вклад Е2 компоненты в N-Δ переход.
Наибольший интерес в последние годы вызывает изучение двойных
поляризационных наблюдаемых, когда используются поляризованные гамма кванты и
поляризованная мишень. Недавно в Брукхэвене получены первые результаты по
асимметриям Σ, G, обозначающим пучковую
асимметрию для неполяризованной мишени под углами
Сечение рассеяния поляризованных фотонов в этом случае
выражается через коэффициенты асимметрии Σ, G и E и коэффициент поляризации мишени РZ:
![]() |
(4. 2 ) |
Коэффициенты Qγ(Eγ), Vγ(Eγ), Uγ(Eγ) определяют вектор Стокса гамма-пучка Sγ(Qγ,Vγ, Uγ).
![]() Рис. 4.2 . Cлева - спектр недостающих масс для ![]() ![]() |
Измерения проводились на поляризованной водородно –
дейтериевой мишени SPHICE (Strongly Polarized Hydrogen deuteride ICE). Она
представляет собой молекулярную смесь HD в твердой фазе, которая при низкой
температуре (1.5–2 мК) и сильном магнитном поле (15-17 Т) позволяет иметь
степень поляризации около 80 % для протонов и 50 % для дейтронов. Для циркулярно
поляризованного гамма-пучка измерялись зависимости выхода положительных пионов
при параллельном и антипараллельном направлении спинов нуклона и фотона.
Азимутальная зависимость измеренных асимметрий Σ,
G и E показана на риc.4.2.
Обращает на себя внимание низкий уровень фона в этих
экспериментах. Полученные данные используются для проверки
фундаментальных правил сумм Герасимова-Дрелла-Хирна и поляризуемостей нуклона.
Данные по правилам сумм были использованы для определения аномального магнитного
момента нуклона.
Систематическое изучение фоторождения мезонов и
спектроскопия возбужденных состояний нуклона были расширены в область энергий
гамма – квантов до 1500 МэВ в эксперименте GRAAL на накопителе электронов ESRF
(Гренобль, Франция).Там стало возможным изучение фоторождения странных частиц и
векторных мезонов, что представляет интерес с точки зрения нуклонных и мезонных
степеней свободы.
Параметры пучка и схема установки GRAAL будут описаны ниже.
Здесь мы пока отмечаем общие характерные особенности современных экспериментов.
Это относится как к качеству гамма - пучка, полученного с помощью обратного
комптоновского рассеяния лазерных фотонов на электронах накопителя, так и
качеству широкоапертурного (4π)
детектора с криогенной мишенью. Основная часть
детектора представляет собой шар из 480 кристаллов BGO толщиной в 21
радиационную длину, который обеспечивает энергетическое разрешение 0.0244 E-0.47
(ГэВ) . Для разделения нейтральных и заряженных частиц между BGO и мишенью
помещен пластиковый
Е детектор, состоящий из 32
полос пластика толщиной 5 мм, а также две цилиндрические пропорциональные
камеры, позволяющие находить вершину взаимодействия гамма квантов с мишенью. В
переднем направлении (при углах рассеяния менее 250) регистрация частиц
производится с помощью плоских пропорциональных камер, двух стен из пластиковых
сцинтилляторов площадью 9 м2 и электромагнитного калориметра из слоев пластика и
свинца. Задние углы (более 1550) перекрывает диск из двух сегментов пластика и
свинца. Таким образом, обеспечена регистрация частиц в полном телесном угле.
Первые публикации коллаборации ГРААЛЬ посвящены исследованию
асимметрии фоторождения псевдоскалярных мезонов (нейтральных и заряженных
пионов, а также η-мезонов). Измерения проводились на
пучке линейно поляризованных фотонов с энергией от 500 МэВ до 1100 МэВ с
использованием аргонового лазера ( = 514
нм) и 800 –
1500 МэВ (
= 340
нм). Перекрытие диапазона энергий в
области энергий 800 – 1100 МэВ позволило контролировать систематические ошибки и
получить прецизионные результаты.
Для примера на рис.4.3 показаны данные об
асимметрии фоторождения мезонов как функция угла
![]() Рис. 4.3 . Асимметрия ( ![]() |
Дифференциальные сечения фоторождения π0 и η-мезонов, полученные коллаборацией GRAAL, показаны на рис.4.4-5. Виден рост асимметрии при энергии выше 1 ГэВ, который не предсказывается мультипольным анализом. Возможно, это свидетельствует о вкладе F15 – резонанса в фоторождение η-мезонов в этом диапазоне энергий. В целом, эти результаты имеют важное значение для описания нуклонных резонансов S11 (1525), D13 (1520), D15 (1700), F15 (1580).
![]() Рис. 4.4 . Асимметрия ( ![]() |
![]() Рис. 4.5. Дифференциальные сечения фоторождения ![]() |
Подробный теоретический анализ данных о свойствах нуклонных резонансов, полученных в последние годы, можно найти в обзорах (см. дополнительную литературу). Здесь мы ограничились только отдельными результатами, позволяющими увидеть возможности фотоядерных экспериментов для исследований в этой области.
Дополнительная литература:
24.04.2014