CC BY
19
УДК 519.17
ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЯДЕРНОГО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ АДРОНОВ НА ПУЧКЕ УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ С ЭНЕРГИЕЙ 2 ГЭВ
Г. А. Сокол1, Е.М. Лейкин2
Приведено обоснование организации в г. Троицке Центра электромагнитных исследований на базе ускорителя электронов, создаваемого на основе криогенных ВЧ-структур, с энергией 2 ГэВ и непрерывным во времени высокоинтенсивным пучком электронов. Обсуждается получение меченых по энергии короткоживущих мезонов. Основное направление исследований - изучение ели-яния ядерной среды на характеристики адронов.
Ключевые слова: ядерное и электромагнитное взаимодействия, ускорители электронов, криогенные ВЧ-структуры, влияние ядерной среды на характеристики мезонов.
Владимир Иосифович BEKCJIEP (1907-1966) - действительный член АН СССР, автор принципа «автофазировки», позволившего осуществить ускорение релятивистских частиц, лауреат Международной премии «АТОМ для МИРА» (вместе с Э. Макмилланом), лауреат Ленинской и Государственных премий, основатель Эталонной лаборатории ФИАН, руководитель фундаментальных исследований по физике ядра и частиц на созданных им ускорителях электронов с энергиями 30, 280, 600, 1300 МэВ (ФИАН) и на ускорителе протонов (синхрофазотроне) с энергией 10 ГэВ (ОИЯИ г. Дубна)
1 Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: gsokol@venus.lpi.troitsk.ru.
2 Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ, e-mail: leikin@sinp.msu.ru.
Одним из основных направлении фундаментальных исследований, проводившихся в ФИАНе, начиная с 40-х годов, было изучение электромагнитных процессов на базе 4-х поколений электронных синхротронов, область энергий которых простиралась от 30 до 1300 МэВ. Эти исследования были инициированы В. И. Векслером и их результаты внесли существенный вклад в формирование современных представлений о механизме ядерных реакций и свойствах фундаментальных частиц.
В настоящей статье рассматриваются перспективы традиционных для ФИАН исследований электромагнитных процессов в области энергии 2 ГэВ. Одно из фундаментальных направлений этих исследований связано с выяснением влияния ядерной среды на характеристики (массу, время жизни и др.) адронов. что непосредственно затрагивает проблему механизма возникновения массы адронов одну из центральных проблем современной теории сильных взаимодействий.
Важным явлением физики сильных взаимодействий является динамическое нарушение киральной симметрии, которое в рамках квантовой хромодинамики (КХД) связано с конденсацией кварк антикварковьтх пар в КХД вакууме, аналогичной конденсации куперовских пар в теории сверхпроводимости. Предполагается, что с ростом температуры и плотности среды в КХД вакууме возможен переход в состояние с киральной симметрией. Более того, частичное восстановление киральной симметрии возможно уже в условиях, характерных для внутриядерной среды.
Киральная симметрия относится к скрытым симметриям. По существу она включает в себя операции внутренней симметрии, которые могут переводить и-кварк в кварк и наоборот, но при этом действуют независимо на кварки с левой и правой спи-ральностью (имеется в виду, что их спины ориентированы против или по направлению движения кварка отсюда и термин "спиральность" или "киральность" (по-гречески рукоподобньтй). Е ели бы киральная симметрия была явной, это означало бы. что частицы с правой и левой спиральностью никогда не могли бы взаимодействовать друг с другом (из статьи К. Льюэллин-Смита. Фундаментальная структура материи, из-во "Мир", 1984, стр. 97).
Как известно, в отличие от масс атомов, молекул и ядер, массы адронов возникают динамически и связаны со спонтанным нарушением киральной симметрии. Частичное восстановление киральной симметрии во внутриядерной среде может проявляться в виде модификации свойств адронов.
Интерес к исследованиям электромагнитных взаимодействий в последнее время возник в связи с отмеченными в целом ряде работ определенными преимуществами изу-
чения структуры частиц и ядер с помощью пучков электронов и гамма-квантов по сравнению с исследованиями на пучках нуклонов и ядер. При соударениях ультрарелятивистских пучков тяжелых ионов достигаются состояния ядерной материи с высокой плотностью и температурой. Однако динамика происходящих процессов представляет собой сложную картину превращения ядерного вещества в различных стадиях (предравновесной. равновесной, постравновесной), с различной плотностью и температурой. и в различных состояниях ядерной материи (адронной. кварк-глюонной с последующей адронизацией). Все эти стадии требуют детального описания (неизбежно модельно-зависимого) всей сложной динамики, включая гидродинамические подХОДЫ 111.
Преимущество использования для изучения структуры частиц и ядер, а также поведения частиц в ядерной среде пучков электронов и гамма-квантов обусловлено стационарным состоянием ядра, а также возможностью исследовать воздействие ядерной материи на характеристики конкретных частиц.
Пучкам электронов и гамма-квантов присущи следующие особенности:
- точечность взаимодействия - размеры электрона оцениваются на уровне 10"16 см, что на много порядков меньше размера нуклона (10"13 см);
взаимодействие электронов и гамма-квантов с частицами носит электромагнитный характер и хорошо описывается законами современной электродинамики;
электромагнитное взаимодействие сравнительно слабо возмущает объект исследования, что позволяет получать достоверные данные о его структуре.
В мире в настоящее время существует несколько ускорителей электронов в Гэв-ой области энергии пучка. К ним можно отнести ускоритель в г. Майнц (Германия) МАМ1 - С с энергией Ее = 1500 МэВ, ускоритель-накопитель с Ее = 3 ГэВ в г. Бонн (Германия), ускоритель с энергией Ее = 250 МэВ (планируется увеличение энергии) в г. Лунд (Швеция) и ускоритель в г. Гренобль (Франция) с энергией фотонного пучка Е~( = 0.6 ГэВ , полученного при использовании обратного комптон-эффекта. К этому перечню следует отнести и ускоритель СЕБАФ (США) с энергией Ее = 6 ГэВ.
На этих ускорителях проводится широкий спектр исследований структур атомных ядер и элементарных частиц, изучение влияния ядерной среды на характеристики частиц и кварков, исследования по поляризации рождающихся в реакциях частиц, по фото- и электророждению мезонов, по изучению ядерного взаимодействия мезонов.
К сожалению, в России, начиная с 80-х годов, практически не рассматривались вопросы создания новых ускорителей электронов. Существующий в РАН, в г. Троицке
ускоритель электронов "ПАХРА" был создан в 70-е годы и к настоящему времени он практически исчерпал свои ресурсы.
Попытки определить влияния ядерной материи на характеристики адронов предпринимались на зарубежных ускорителях неоднократно, однако существующие к настоящему времени данные крайне противоречивы [3].
По нашему мнению, для получения достоверных и надежных результатов крайне желательно выполнение следующих условий:
использование энергии частиц пучка и кинематики эксперимента, соответствующих безотдачной кинематике для рождающихся мезонов с тем. чтобы мезон значительную часть своего времени жизни находился внутри ядра;
предпочтителен выбор митттени. содержащей помимо исследуемого ядра А также ядра водорода Н (типа Н2О, СН2, СзНв)- В этом случае суммарный спектр, возникающий на такой митттени. будет содержать узкий пик. отвечающий рождению мезона на водороде и широкий пик. отвечающий рождению на нуклоне в ядре А и смещенный относительно рождения на Н (см. рис. 1 в [2]).
В настоящее время при сооружении ускорителей электронов широко используются криогенные ускоряющие высокочастотные (ВЧ) структуры, что обеспечивает получение практически непрерывного во времени пучка, высокую степень монохроматичности и малую пространственную расходимость пучка. Примером ускорителя электронов. при сооружении которого использовались высокочастотные (ВЧ) структуры, может служить ускорительный комплекс СЕБАФ (США). Он был построен в 80-е годы с использованием ВЧ-структур с ускорением АЕ = 5 МэВ/м. Общая длина комплекса достигала более 100 м. В настоящее время существуют разработки ВЧ-структур с АЕ = 50 МэВ/м. Применение ВЧ-структур с АЕ = 25 МэВ/м, которые существуют в промышленном выпуске, позволяет создать компактный ускоритель электронов на энергию 2 Гэв [4] с возможностью размещения в существующем ускорительном зале комплекса Отдела физики высоких энергий ФИАН в г. Троицке, что обеспечит существенное удешевление общей стоимости создания нового ускорителя. Планируется рекуперация энергии электронного пучка, что значительно снизит энергозатраты и позволит достичь энергии 2 ГэВ при большом токе пучка.
Среди большого круга научных задач, решаемых на электронных ускорителях с энергией в ГэВ-ной области энергий, в программе нового ускорителя в ФИАНе основное внимание будет уделено проблемам создания и изучения мезо-ядер. т.е. ядер, в составе которых, помимо нуклонов, могут находиться и мезоньт.
Рис. 1: Схема размещения ускорителя электронов на основе криогенных ВЧ-структур с энергией Е = 2 ГэВ и экспериментальных установок в залах ускорительного комплекса ФИАН в г. Троицке. 1 - ускоряющие ВЧ-структуры, 2 - магнитные линзы, 3 - инжектор электронов, 4 ~ "могильник" е-пучка, 5 - система мечения 7-квантов, 6 - экспериментальная установка, 1 - система мечения мезонов, 8 - установка для СИ пучков, 9 - "могильник" для 'у-щчка, 10 - установка для работы с тормозным спектром, 11 - схема рециркуляции электронного пучка.
Ниже пойдет речь об изучении ядерного взаимодействия изоскалярных ц-, и- , пи с непрерывных во времени пучков электронов и 7-квантов с
энергиями Е ~ 2 ГэВ. Постановка эксперимента описана в [2]. Схематичный план расположения ускоряющих структур нового 2 ГэВ-го ускорителя в ускорительном зале и план размещения экспериментальных установок в экспериментальных залах комплекса "ПАХРА" представлен на рис. 1. В одном из них намечается получение меченого по энергии пучка гамма-квантов, на основе выведенного в этот зал пучка электронов, и, затем, получение меченых по энергии мезонов. Во втором экспериментальном зале планируется получение квазимонохроматических пучков гамма-квантов высокой интенсивности путем применения обратного комптон-эффекта, а также обычных пучков
тормозного излучения. Разрабатывается вариант накопительного кольца диаметром порядка 40 метров с целью создания световых пучков высокой яркости (4-го поколения) на основе ввода пучка электронов из ускорителя в накопитель.
Мечение по энергии короткоживутцих мезонов предполагается проводить на основе процесса фоторождения мезона на ядерном нуклоне: 7 + N — M + N, с регистрацией и измерением энергии ядерного нуклона, на котором произошло рождение. При известной энергии гамма-кванта энергия мезона будет равна E(M) = E(7) — E(N). В случае короткоживутцих мезонов, которые практически не вылетают из митттени. где они возникли. изучение их взаимодействия с нуклонами ядра возможно путем регистрации вторичных продуктов реакции.
Использование меченых по энергии мезонов явится эффективным средством изучения взаимодействия мезонов с нуклонами и ядрами. Оно обеспечит получение энергетических зависимостей первичных процессов взаимодействия элементарных частиц, что пока не удается реализовать в существующих ускорительных центрах.
Эта-мезонные ядра являются новым типом атомных ядер. Эта(п)-мезонное ядро -это сильно связанная адронная система, тогда как ооьтчньте ядра это чисто барионньте системы. Впервые теоретические расчеты ядерно-связанной системы ^-мезона и ядра были выполнены L. Liu , Q. Haider [5]. Ими был предложен эксперимент на ^-мезонном пучке в БИЛ (США), который и был проведен, но с отрицательным результатом.
В 1991 году в работе А. И. Лебедева и В. А. Трясучева [6] было рассмотрено образование эта(п)-мезонных ядер в фотореакции.
Возникновение ^-мезона в ядре происходит в результате образования 5ц (1535) резонанса на ядерном нуклоне: 7 + N — N + ¿п, с последующим распадом ¿п-резонанса: 5л — п + Ni, и вылетом нуклона N1 "вперед". В этом случае n-мезон будет обладать малой кинетической энергией и с большой вероятностью останется в ядре, образуя п~ ядро. Вероятность распада ¿п-резонанса на nN-napy составляет около 50%, что означает большую вероятность вторичного образования ¿п-резонанса в результате ядерного взаимодействия n-мезона с одним из нуклонов ядра. При распаде ¿11 — nN внутри яд-
¿11
кинетической энергией (на уровне ферми-импульса). Таким образом в эта-ядре может возникнуть цепочка переходов
П + N —► ¿11 —* п + N —^ • • • —^ ¿11 —^ п + N —^ ¿11 —^ • • •
Такая картина эволюции эта-ядра позволила В. И. Ритусу [10] сравнить эта-ядро с ядерным резонатором с двумя уровнями: nN и ¿11; но с плохой добротностью, т.к. после 3-5
колебаний ^ Б11 колебания прекращались, т.к. эта-ядро распадалось по каналу Б11 — п + N.
Существует также канал распада эта-ядра, связанный с процессом взаимодействия Б11 (1535)-резонанса с нуклоном ядра: Б11 + N — N2 + N3.
Рис. 2: Схема образования п~мезонного ядра в 7Л-реакции, его эволюция и распад по NN п^ и 1^-каналам.
Схема образования п-мезонного ядра в 7Л-реакции, его эволюция и распад по NN^ пN и 77-каналам представлена на рис. 2. Эта схема соответствует постановке эксперимента на пучке тормозного излучения синхротрона ФИАН, где впервые были обнаружены эта (п)-ядра в реакции 7 +12 С — р(п) (Л — 1) — п + + п + X [7-9].
Рис. 3: Двухмерные распределения коррелированных (п + ,и)-пар в зависимости от кинетической энергии ЕП+ и Е(п+п) для Е7тах = 650 и 850 МэВ.
Рис. 4: Экспериментальное распределение по суммарной энергии Е = ЕП + Еп продуктов распада Бц-резонанса внутри ядра в сравнении с распад ом свободного Бц-резонанса.
Эксперименты в ФИАНе были начаты в 1994 году. Результаты эксперимента представлены на рис. 3 и 4 в виде 2-х распределений по суммарной энергии Е^(п,и), полученного в эксперименте и при распаде свободного Бц-резонанса. В предположении, что (п +, и)-события возникают в результате распада в ядре Бц-резонанса, можно сделать вывод, что экспериментальные данные свидетельствуют об уменьшении массы Бц-резонанса, находящегося в ядерной среде.
В 2008-2009 годах на синхротроне ФИАН были продолжены исследования эта-мезонньтх ядер и получены результаты, подтвердившие данные 1999-2000 годов [7 9]. Намечается продолжение экспериментов по эта-ядрам на синхротроне ФИАН. а затем на 2 ГэВ-ом ускорителе, как для получения большей статистики событий, так и для измерений выходов (n,N), а также (N1N2) ж (NNN^-событий для разных ядер и в более широком диапазоне энергий пучка электронов.
Создание ускорителя электронов на энергию 2 ГэВ и систем мечения по энергии гамма-квантов и мезонов, а также проведение экспериментальных исследований, предполагают активное участие физиков ФИАН. а также ИЯИ РАН. НИИЯФ МГУ. ЛФВЭ ОИЯИ. МИФИ. ИЯФ ТПУ и ряда других научно-исследовательских и учебных институтов России.
Организация в г. Троицке Центра электромагнитных исследований (ЦЭМИ) позволит объединить усилия ряда институтов РАН и Министерства образования и науки и будет содействовать активному развитию электромагнитных исследований в ядерной физике и физике элементарных частиц.
Авторы выражают благодарность В. И. Ритусу за обсуждение поднятых в статье вопросов и ценные замечания.
Л И Т Е Р А Т У Р А
[1J S. V. Akkelin, Yu. М. Sinyukov, Pliys. Rev. С 73, 034908 (2006).
[2j G. A. Sokol, E. M. Leikin, arXiv: nucl-ex/09021408 v.1.(2009); Краткие сообщения по физике ФИАН 37(7), 15 (2009).
[3J М. Kotulla et. al., Phys. Rev. Lett. 100, 192302 (2008); R. Nasseripour et. al, arXiv: nucl-ex/07072324 v.3 Jul 2007; V. Metag, arXiv: nucl-ex/0711.4709 v.3 Mar 2008; S. Schadmand, arXiv: nucl-ex/0709.2903 v.l Sep 2007; T. Mertens et. al., arXiv: nucl-ex/0810.2678 v.l Okt. 2008; M. Hedayati-Poor, H. S. Sharif, Pliys. Rev. С 76, 055107 (2007); R. Hayano, Nucl. Plivs. А 805, 295 (2009).
[4J V. G. Kurakin et. al., Proc. RuPAC 08, Zvenigorod, Russia, p. 107 (M., ИЯИ, 2008).
[5J L. Liu, Q. Haider, PR С 34, 1845 (1986).
[6J A. I. Lebedev, V. A. Tryasuchev, J. Plivs. G. Nucl. Phys. 17, 1197 (1991).
[7J Г. А. Сокол, Препринт ФИАН 5 (M., 2005).
[8J G. A. Sokol et. al, Fizika В (Zagreb) 8(1), 85 (1999).
[9j Г. А. Сокол и др., Письма ЭЧАЯ 5(102), 71 (2000). [10] В. И. Ритус - отзыв па диссертацию Г. А. Сокола (2004 г.)
Поступила в редакцию 19 апреля 2010 г.
