ГЛАВА 4

Обзор современных фотоядерных проектов.
Поляризационные наблюдаемые.
Сечения и асимметрии реакций фоторождения мезонов.

    Общие тенденции, которые можно отметить в исследовании фотоядерных реакций последних лет, состоят в следующем. Во-первых, эксперименты ведутся наиболее активно при энергиях от порога рождения пионов (150 МэВ) до нескольких ГэВ, то есть в области нуклонных резонансов. Об этом можно судить по трудам регулярно проводимых конференций NSTAR, EMIN и другим. По названиям конференций их легко можно найти в ИНТЕРНЕТе. Во-вторых, почти все эксперименты имеют корреляционный характер, то есть одновременно изучаются на совпадение все образующиеся продукты, связанные с фоторождением мезонов. В-третьих, особое внимание уделяется поляризационным эффектам и спиновой структуре нуклонов. Это стало возможным благодаря большому прогрессу в развитии как методов получения фотонных пучков нужного качества (высокая интенсивность, монохроматичность, поляризация), так и детектирующей аппаратуры (большой телесный угол, идентификация частиц, высокая эффективность).
    Такие исследования стали концентрироваться в крупных научных центрах на базе современных ускорителей в виде довольно крупных международных коллабораций. В Европе к активно работающим центрам относятся Университет г.Майнц в Германии (микротрон MAMI-B), MAX-lab в ЛУНДе в Швеции (накопитель электронов MAX-II на энергию 1.5 ГэВ), GRAAL в Гренобле во Франции (накопитель электронов ESRF на энергию 6 ГэВ). Недавно в Дармштадте в Германии начал развиваться перспективный проект эксперимента по рассеянию электронов на встречных пучках тяжелых ионов ELISe. В Японии основным центром фотоядерных исследований является накопитель SP-ring8 на энергию 8 ГэВ, где создана установка LEPS. В Америке можно отметить установку LEGS в Брукхэвенской национальной лаборатории (BNL) на накопителе электронов NSLS с энергией 2 ГэВ. Исследование рассеяния электронов активно ведется в лаборатории Джефферсона (JLAB) на ускорителе электронов CEBAF c энергией электронов 4 ГэВ. В России современные фотоядерные исследования при энергиях выше порога рождения мезонов выполнялись на установках РОКК в Новосибирском институте ядерной физики совместно с Институтом ядерных исследований РАН на накопителях электронов ВЭПП-3 и ВЭПП-4 на энергию 2 и 5.5 ГэВ, соответственно.
    Перечисление почти всех крупных мировых фотоядерных проектов, большинство из которых являются международными, позволяет сделать вывод о том, что исследования ведутся преимущественно на установках нового типа с использованием электронных накопителей. В отличие от традиционных ускорителей с выведенным пучком электронов, накопители позволяют реализовать новые методы получения фотонных пучков, о которых подробно будет сказано в следующей главе.
    По материалам выполненных исследований по фоторождению мезонов созданы электронные базы данных: SAID в Вашингтонском Университете [1] в США, MAID в Университете г. Майнца в Германии [2], MESON в Центре данных фотоядерных экспериментов при НИИЯФ МГУ [3].
    Одной из новых важных задач в этой связи является изучение поляризационных эффектов, поэтому рассмотрим кратко, какие поляризационные наблюдаемые представляют основной интерес. Для работы с этими базами и изучения спиновых характеристик нуклонов полезно иметь как общую информацию, так и методы обработки данных. Рассмотрим некоторые из них (по материалам обзора [4]).
    В общем виде оператор фоторождения псевдоскалярных мезонов (пионов и каонов) может быть записан в системе ц.м. в виде двух компонент. Пространственно подобная компонента определяется через 6 различных факторов:

,

(4.1)

где функции F_i 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 0 - мезонов на протоне, соответственно, по данным LEGS. Кривыми обозначены различные варианты теоретических расчетов); с) и d) соответствуют угловым распределения и отношению сечений, соответственно, для комптоновского рассеяния и фоторождения π0 – мезонов на протоне на пучке поляризованных фотонов.

   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 G_E/G_M 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 0 ⁰/90 ⁰ и +45 ⁰/-45 ⁰ и E – спиральную пучковую асимметрию.
    Сечение рассеяния поляризованных фотонов в этом случае выражается через коэффициенты асимметрии Σ, G и E и коэффициент поляризации мишени Р_Z:

(4. 2 )

Коэффициенты Q_γ(E_γ), V_γ(E_γ), U_γ(E_γ) определяют вектор Стокса гамма-пучка S_γ(Q_γ,V_γ, U_γ).

Рис. 4.2 . Cлева - спектр недостающих масс для + -мезонов из поляризованной мишени на циркулярно поляризованных фотонах. h(1/2) и h(3/2) означает, что спины фотона и протона параллельны и антипараллельны, соответственно. Справа – асимметрия фоторождения + - мезонов для отношения 00/900 (вверху), -450/450 (в середине) на линейно поляризованных фотонах; внизу – асимметрия на циркулярно поляризованных фотонах. Кривые – результат аппроксимации.

    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 θ_см для разных энергетических диапазонов E_γ. Здесь представлены данные разных экспериментов в сравнении с теоретическими расчетами.

Рис. 4.3 . Асимметрия ( ) для рождения π+-мезонов в реакции γp - π+n как функция угла вылета пиона в с.ц.м. для различных интервалов энергии налетающих фотонов. Сплошные кружки и треугольники – результаты работ GRAAL [31], открытые кружки – данные Дарресбюри, открытые треугольники и квадраты – данные установки SLAC. Сплошные кривые – результат мультипольного анализа. Пунктирные и точечные линии показывают предсказания изобарной модели.

    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 ( ) для рождения π0 - мезонов в реакции γp - π0p как функция угла вылета пиона в с.ц.м. для различных интервалов энергии налетающих фотонов по данным GRAAL. Сплошные кривые – результат мультипольного анализа.

Рис. 4.5. Дифференциальные сечения фоторождения -мезонов в реакции γp - ηp как функция косинуса угла вылета пиона в с.ц.м. для различных интервалов энергии налетающих фотонов. Сплошные и открытые кружки – данные GRAAL и MAMI, соответственно. Справа на а,b,c показаны результаты аппроксимации сечения по формуле:  dσ/dΩ = q/k(a + bcosθ + ccos2θ) мультипольного анализа. Точечные и сплошные линии показывают предсказания теоретических моделей.

    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:

1. SAID: http://said.phys.vt.edu
2. MAID: www.uni-mainz.de
3. http://cdfe.sinp.msu.ru/services/meson.en.html
4. В.Г.Недорезов, А.А.Туринге, Ю.М.Шатунов. Фотоядерные эксперименты на пучках гамма-квантов, получаемых методом обратного комптоновского рассеяния. УФН 174, 4 (2004) 354-370.
5. B.Krusche and S.Schadmand, arXive:nucl-ex/0306023 v.1 (2003)

_24.04.2014