CC BY
21
УДК 519.17
ИЗУЧЕНИЕ ЯДЕРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИЗОСКАЛЯРНЫХ т/-, о;-, г]- И ^-МЕЗОНОВ
Г. А. Сокол1, Е. М. Лейкин2
Рассмотрена возможность экспериментального изучения ядерного взаимодействия мезонов с нуклонами и ядрами.
В данной статье рассмотрена возможность экспериментального обнаружения ядерного взаимодействия мезонов с нуклонами и ядрами. Это взаимодействие мезонов с ядерным веществом может приводить к изменению массы и времени жизни мезонов и рассматриваться в качестве следствия спонтанно нарушенной киральной симметрии - одного из фундаментальных свойств квантовой теории поля [1].
Из большого количества мезонов выбраны для рассмотрения изоскалярные мезоны, обладающие малой шириной распределения по массе и имеющие достаточно выраженную вероятность (несколько % и больше) распада на два 7-кванта или на две заряженные частицы. Условие распада на 2 частицы связано с предполагаемым методом выделения подобных событий. К таким мезонам можно отнести 77-, и;-, 77- и ¡/?-мезоны. Другие же имеют либо очень широкое распределение по массе, либо очень малую вероятность распада на 2 частицы.
В таблице 1 приведены основные характеристики и вероятности распада на 2 частицы для 77-, 77- и (^-мезонов [2].
Ядерное взаимодействие мезонов с нуклонами при их распаде внутри ядра может проявиться в изменении распределения продуктов распада по энергии. Влияние ядерной среды на характеристики мезонов (массу, время жизни и др.) должно приводить к уменьшению массы мезона, что отразится в распределении по энергии распадных
1 gsokoI@venus.lpi.troitsk.ru
2НИИ ЯФ МГУ, leikin@sinp.msu.ru
частиц, а также в уменьшении времени жизни мезона, т.е. в увеличении ширины Г распределения по массе. Для этого необходимо, чтобы осуществлялся распад медленного мезона в ядре, что может быть обеспечено, если образование мезона на ядерном нуклоне происходит в условиях, близких к безотдачной кинематике, т.е. когда образующийся мезон обладает близкой к нулевой кинетической энергией [3]. Такую кинематику легко обеспечить в случае рождения мезона на свободном нуклоне. При рождении мезона на ядерном нуклоне условие безотдачной кинематики размывается ферми движением нуклонов в ядре и может быть обеспечено только в узком интервале ферми-импульсов. В этом случае распределение распадных частиц от мезона будет достаточно размытым по энергии и по углу их разлета относительно (в) = 180°.
Таблица 1
Основные характеристики и вероятность распада на 2 частицы (ц-, тгтг-, К К-) для 7)-, и>~, rj- и ц>-мезонов (из Particle Data-2008)
Мезон Масса m, MeV Ширина Г, MeV Распад % р, MeV/c
т, (547) 547.85±0.02 1.30±0.07 (KeV) 77 39.31±0.5 -
и (782) 782.65d=0.12 8.49±0.08 7Г~7Г + 1.53±0.12 366
ту (958) 957.66±0.24 0.205±0.01о 77 2.10±0.12 479
Ч> (1020) 1019.51db0.18 4.26гЬ0.05 К~К+ 49.2±0.6 127
Предполагается следующая постановка эксперимента для обнаружения ядерного взаимодействия ту-, со-, т/- и у?-мезонов с нуклонами при использовании пучков е- и 7-квантов, а также р- и ¿-пучков:
- используется мишень в виде пленки из полистирола (СН2) либо из метил-метакрилата (СзН8). Вторая мишень предпочтительна по соотношению числа нуклонов в Я и С ядрах в мишени. Предполагается, что на Я процесс рождения мезона происходит как на свободном протоне и, тем самым, в эксперименте будет обеспечена необходимая энергетическая калибровка для процесса рождения мезона на ядерном нуклоне;
- энергия падающих частиц (е, 7, р, д) подбирается таким образом, чтобы для Я осуществлялось условие безотдачной кинематики для рождения соответствующего мезона М;
- для измерений выбирается интервал энергий, соответствующий моде распада М-мезона на 2 7-кванта (77-мезон) или на 2 заряженных частицы (тг~тг+ или К~ К+-мезоны) (ы-, 77'-, ф-мезоны);
- при реализации условия безотдачной кинематики частицы от распада мезона будут разлетаться под углом (О(тгтг)) = 180°, а их раиределение по энергии будет достаточно узким, в соответствии со значением ширины Г распределения по массе регистрируемого мезона;
- распадные частицы будут регистрироваться двумя спектрометрами, расположенными под углом 90° к падающему пучку;
- если часть мезонов испытывает ядерное взаимодействие внутри ядра-мишени, то регистрируемое распределение по энергии распадных частиц будет сдвинуто относительно узкого пика, отвечающего рождению мезона на Я, и будет представлено в виде более широкого пика, отвечающего рождению мезона на ядерном нуклоне. Более широкий пик будет сдвинут к меньшим энергиям из-за уменьшения массы мезона в ядерной среде и размыт из-за влияния ферми - движения нуклонов в ядре.
Таким образом, наблюдение суммарного распределения по энергии распадных частиц для конкретного мезона М, состоящего из узкого и более широкого, сдвинутого по энергии, пика, при использовании в эксперименте составной мишени, содержащей Н и ядро А (например, СН2), будет свидетельствовать о наличии влияния ядерной среды, т.е. ядерного взаимодействия мезона М и ядра А.
На рис. 1 схематично представлено ожидаемое распределение по энергии раснадных частиц мезона М для случая мишени, содержащей Н и ядро 12С.
Таблица 2 Значения кинетических энергий протона ТР (в ГэВ) при образовании мезона М в рр-реакции и энергии Е(7) (в ГэВ) при фоторождении мезона М в (^р)-реакции в условиях безотдачной кинематики,
когда Т(М) = 0
Реакция V 0.547 UJ 0.782 V 0.958 Ч> 1.020
Т(р) р + р-^М + р + р Т(р) p + d^y М + p + d 2.24 1.04 7.37 1.73 2.43 2.74
Е(7) 7 -f р М + р E{l) i + d-> М + d 1.0 0.63 3.90 0.95 1.20 1.42
в позициях, отмеченных (-), условие безотдачной кинематики не реализуется, т.к. масса мезона М превышает массу частицы-мишени.
Рис. 1. Схематический ожидаемый энергетический спектр по суммарной энергии ЕЕх частиц от распада мезона М, возникающего в результате рождения на ядерном нуклоне ядра 12С и на ядре Я2 в составной мишени СП2.
В таблице 2 приведены значения кинетических энергий Т(р) (в ГэВ) налетающего протона при рождении мезона М в рр-столкновении и значения £(7) (в ГэВ) при фоторождении мезона М в 7р-реакции, отвечающих условию безотдачной кинематики, когда кинетическая энергия мезона М ТКУШ(М) = 0 в лабораторной системе координат.
Таблица 3
Значения пороговых энергий #(7, порог) (в ГэВ) в реакции фоторождения М-мезонов на протоне и пороговых энергий Т(р, порог) (в ГэВ) при образовании мезона М в рр-реакции
Реакция Л 0.547 и 0.782 V 0.958 Ч> 1.020
Е{7, порог) 7 + р —> М + р 0.71 1.11 1.45 1.57
Т(р, порог) р + р М + р + р 1.25 1.89 2.40 2.59
В таблице 3 приведены пороговые энергии £(7, порог) (в ГэВ) при фоторождении мезонов М в (7, р)-реакции и пороговые энергии Т(р, порог) (в ГэВ) для образования мезонов М в рр-реакции.
Остановимся на условии безотдачной кинематики, которое составляет основную особенность эксперимента.
Создание для мезона М условия безотдачной кинематики, т.е. условия, когда мезон М в ядре практически покоится, важно по следующим причинам:
- если мезон М распадается на 2 частицы, то частицы разлетаются под углом (в) = 180°. Разлет происходит во все 4х пространство, что позволяет выбрать положение для 2-х спектрометров с минимальным уровнем фона. Предпочтительно расположение спектрометров под углом (в) = 90° по отношению к падающему пучку, по обе стороны от пучка, и в вертикальной плоскости реакции;
- если условие безотдачной кинематики не выполнено и мезон М обладает заметной кинетической энергией Т(М), то он может вылететь из ядра и его распад будет происходить вне ядра и влияние ядра на характеристики мезона М не будет сказываться.
По этим причинам условие безотдачной кинематики важно, т.к. увеличивает выход ожидаемой реакции и обеспечивает условия для регистрации частиц, возникающих при распаде мезона М в ядре.
В работах [4, 5, 7, 8] рассматривалось влияние ядерной среды на характеристики мезонов и наблюдалось смещение измеряемого энергетического распределения распад-ных частиц мезона М в ядре по сравнению с распределением при распаде свободного мезона. В этих работах условие безотдачной кинематики не рассматривалось, поэтому эффект смещения распределения был мал. Тем не менее, смещение было зафиксировано и связывалось с влиянием ядерной материи на характеристики мезонов, т.е. с ядерным взаимодействием мезона М с ядром.
Возможность изучения свойств барионных резонансов в ядерной среде рассмотрена в [6].
В работах [9-11], выполненных с целью обнаружения эта(т7)-мезонных ядер, наблюдалось смещение положения по энергетической шкале 5ц(1535)-резонанса, образован ного в ядре А в результате реакции 7 + N —> 5ц(1535), когда 77-мезон возникал внутри ядра в процессе 7 + А —> N + [rj + (А — 1)]. Смещение в положении 5ц( 1535)-резонанса по сравнению с положением в случае распада свободного 5ц(1535)-резонанса можно рассматривать как результат изменения свойств (массы) 77-мезона в ядерной среде.
Авторы выражают благодарность В.А. Баскову за помощь в оформлении рисунка.
ЛИТЕРАТУРА [1] В. Krushe, Pr. Part. Nucí. Phys. 55, 46 (2005).
[2] С. Amsler et al. (Particle Data Group), Phys. Lett. В 667, 1 (2008).
[3] A. M. Балдин и др., Кинематика ядерных реакций (М., Атомиздат, 1968 ).
[4] М. Hedayati-Роог, Н. S. Sherif, arXiv: nucl - th/0604016
[5] S. Eidelman et al. (Particle Data Group), Phys. Lett. В 592, 1 (2004).
[6] А. И. Лебедев, в: Труды 1-го рабочего совещания "Поиск и исследование 77-мезонных ядер в рА-реакции на нуклотроне ОИЯИ" (ОИЯИ, Дубна, 2007), стр. 8.
[7] J. Wei/9 et al., Eur. Phys. J. A 16, 275 (2003).
[8] D. Trnka et al., Phys. Rev. Lett. 94, 192303 (2005).
[9] G. A. Sokol et al., Fizika В (Zagreb) 8(1), 85 (1999).
[10] Г. А. Сокол и др., Письма ЭЧАЯ N 5, 71 (2000).
[11] Г. А. Сокол и Л. Н. Павлюченко, ЯФ 71(3), 509 (2008).
Поступила в редакцию 3 декабря 2008 г.
