ГЛАВА 15

Кулоновская диссоциация релятивистских ионов.
Встречные пучки электронов и тяжелых ионов

    Взаимодействие релятивистских тяжелых ионов изучалось ранее, главным образом, в процессах прямого соударения, по природе своей имеет сильно действующий, адронный характер. Однако, при высоких энергиях сталкивающихся ионов благодаря существенному усилению напряженности поля при высоком Лоренц–факторе, существенную роль начинает играть дальнодействующее, или периферическое взаимодействие, которое возникает благодаря электромагнитным силам (кулоновское взаимодействие сталкивающихся зарядов). Механизм такого взаимодействия рассматривается обычно в рамках модели Вайцзекера – Вильямса, или метода виртуальных фотонов. На современных ускорителях типа RHIC и LHC вероятность кулоновского взаимодействия, вызывающего ядерные реакции, намного превышает вероятность прямого столкновения тяжелых ионов. Поэтому исследование фотоядерных реакции, или кулоновской диссоциации релятивистских тяжелых ионов, представляет значительную проблему физики тяжелых ионов.
    Согласно методу виртуальных фотонов Вайцзекера – Вильямса, кулоновские поля сталкивающихся ионов являются интенсивным источником виртуальных фотонов в широком энергетическом диапазоне. Поэтому основным каналом электромагнитной диссоциации тяжелых ядер являются фотонейтронные реакции и фотоделение (в случае ядер – актинидов).
    Пионерские экспериментальные работы в этой области были выполнены более 20 лет назад. Однако, серьезный интерес к этой проблеме появился после создания ускорителей релятивистских ионов RHIC в Японии и LHC в ЦЕРНе, позволяющих создать пучки виртуальных фотонов значительной интенсивности.
     Согласно модели Вайцзекера – Вильямса, спектр виртуальных фотонов при столкновении тяжелых ионов можно выразить (в с.ц.м.) следующей формулой:

(15.1)

 где α - постоянная тонкой структуры, x = E₁b/(γβhc) – аргумент функции Бесселя нулевого и первого порядка (К₀ и К₁) , β = v/c, = (1- β²)^-1/2 – Лоренц - фактор движущегося заряда Z₁. b – параметр столкновения (расстояние между центрами сталкивающихся ионов, в этом случае превышает сумму радиусов R₁ и R₂ сталкивающихся ионов.

Рис. 15.1. Поток виртуальных фотонов при взаимодействии тяжелых ионов Pb + Pb на ускорителях RHIC (пунктир) и LHC (сплошная линия) в зависимости от параметра соударения (нормировано на число взаимодействий тяжелых ионов).

    Полное число виртуальных фотонов, интегрированное по всему спектру, можно выразить формулой:

(15.2)

Здесь – полное сечение фотопоглощения. E_min – обычно выбирается равной порогу фотонейтронной реакции, или энергии связи, E_max γ/R_1,2. Результаты расчетов показаны на рис. 15.1.
    Интересной особенностью кулоновской диссоциации является достаточно большая вероятность поглощения одновременно нескольких виртуальных фотонов одним ядром. Диаграммы для таких процессов показаны на рис.15.2.

Рис.15.2. LO – процесс лидирующего порядка, NLO12 , NLO22– процессы с однофотонным и двухфотонным обменом.

Табл.15.1. Сечения электромагнитной диссоциации для одно, двух и трехфотонных возбуждений при Pb-Pb взаимодействиях на ускорителе LHC.

Cross section (barns)	2.75+2.75 A TeV Pb-Pb at LHC
	3.92
	1.50
	0.23
Tripple exitations: NLOTR	0.56
	6.21

    Видно, что двухфотонные и трехфотонные возбуждения составляют 28% и 9%, соответственно, что является уникальной возможностью для исследования гигантских резонансов в ядрах. Таким образом, изучение электромагнитных взаимодействий тяжелых ионов может дать новую информацию о фундаментальных свойствах ядерной материи.
    Еще одним из примеров такого рода могут служить данные по полным сечениям фотопоглощения тяжелых делящихся ядер. Как отмечалось в 3-ей главе, для ядер – актинидов полные сечения фотопоглощения по крайней мере на 15% превосходят сумму сечений фотопоглощения на квазисвободных нуклонах (универсальную кривую). Одно из предположений о природе такого превышения можно связать с процессами с малой передачей энергии и импульса , например, неупругого рождения электрон-позитронных пар, которое происходит в результате дальнодействующего взаимодействия (процесс Бете-Гайтлера). В последние годы интерес к таким процессам возрос в связи с изучением виртуального Комптон – эффекта и виртуального фоторождения пар на нуклонах . Отдельного обсуждения заслуживает изучение электродинамических процессов малого порядка (по константе электромагнитного взаимодействия α = 1/137). Теоретические оценки вероятности неупругого рождения е⁺е^- пар, приводящего к делению ядер-актинидов, дали величину сечения на три порядка ниже, чем получено в эксперименте. Следует отметить, что сечение этого процесса очень сильно зависит от величины обрезания ядерного формфактора, которое не имеет достаточного теоретического обоснования. Поэтому одним из аргументов в обоснование необходимости изучения указанного процесса, независимо от его относительной вероятности, является возможность получения новой информации о формфакторах тяжелых ядер. В этой связи представляет интерес анализ данных по кулоновской диссоциации релятивистских ядер, - процесса, который по своей природе очень близок к неупругому фоторождению е⁺е^- пар на ядрах.
    Диаграммы, соответствующие неупругому рождению е⁺е^- пар на ядре и кулоновской диссоциации релятивистских ионов, практически совпадают, и теоретическое описание обоих процессов имеет общий характер. Общепринятым методом анализа указанных процессов является метод виртуальных фотонов. В Борновском приближении спектр виртуальных фотонов зависит, в основном, от начального и конечного импульса налетающей частицы. Поэтому, можно экстраполировать имеющиеся данные по сечениям, в область малых Z.
    Экстраполяция имеющихся сечений кулоновской диссоциации релятивистских тяжелых ионов в область малых Z показывает, что зависимость сечения от заряда ядра имеет квадратичный характер в соответствии с теоретическими оценками. Абсолютная величина сечения неупругого рождения е⁺е^- пар c испусканием нейтрона или деления (вероятности этих процессов вблизи барьера близки друг к другу) получается близкой к 10 мбарн.
    При этом полное сечение фотоделения ядер актинидов близко к 100 мбарн в максимуме Р₃₃ резонанса (E_γ = 300 МэВ) и падает до 50 мбарн при энергиях фотонов около 1 ГэВ. Следовательно, данные по сечениям, полученные методом экстраполяции, не противоречат экспериментальным результатам об относительных делимостях ядер урана и нептуния, приведенным выше. К сожалению, точность такой экстраполяции недостаточна для окончательных выводов. Поэтому полного ответа на вопрос о причине отличия полных сечений фотопоглощения от универсальной кривой пока нет. Тем не менее, последние данные по фотоделению ядер-актинидов в области промежуточных энергий поставили ряд вопросов, которые открывают новые актуальные направления исследований в этой области. Основным результатом можно считать то, что для тяжелых ядер-актинидов “универсальная” кривая фотопоглощения не является универсальной. Объяснение этому факту пока отсутствует.

Дополнительная литература

1. L.A.Kondratyuk e.a. Nucl. Phys. A579 (1994), 453-471].
2. I.A.Pshenichnov. Proc. Of X-Seminar EMIN-2003, publ.INR (2003) Moscow, p. 234-243.

_24.04.2014