Анализ процессов множественного рождения частиц в ядро-ядерных взаимодействиях в рамках модели FRITIOF

Несмотря на успехи квантовой хромодинамики познание механизма «мягких» адрон-адронных, адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий все еще остается нерешенной проблемой. На ее решение направлены многочисленные эксперименты реализуемые и планируемые в ряде крупнейших физических центров мира таких, как Брукхейвн, Дармштадт, Дубна и ЦЕРН. Уже получены ультра-релятивистские пучки ядер золота (,£7лаб=10.6 А ГэВ) и ядер свинца (Вла5= 160 А ГэВ) на ускорителях АСЭ-ВМЬ (США) и ЭРБ-СЕГШ (Швейцария). Ведется интенсивная работа по созданию ядерных коллайдеров 1Ш1С-В1ЧЬ (США) и ЪНС-СЕ1Ш (Швейцария).

Впервые пучки релятивистских ядер были получены в 1970 г. на синхрофазотроне ОИЯИ, что дало начало развитию новой области физикирелятивистской ядерной физики [1]. Впоследствии релятивистские ядра были получены и на других ускорителях. С тех пор был накоплен колоссальный объем экспериментальной информации о различных характеристиках ядро-ядерных взаимодействий. Для интерпретации полученных данных и выбора наиболее перспективных направлений исследований необходимо развивать существующие теоретические подходы и развивать новые, применимые во всем диапазоне энергий.

В первое время в релятивистской ядерной физике широко использовалась каскадно-испарительная модель (КИМ) [2] - [7]. Однако скоро выяснилось, что ее предсказания все более и более расходятся с экспериментальными данными при увеличении масс сталкивающихся ядер. Многочисленные попытки усовершенствовать каскадно-испарительную модель не привели к существенному прогрессу. Потенциал ее развития был исчерпан. Требовался принципиально новый подход. К счастью в то время А. Капеллой и А. Б. Кайдаловым была предложена дуальная партонная модель или модель кварк-глюонных струн (см. обзор в [8]), в которой использовались современные кварковые представления. Дуальная пар-тонная модель предполагает вычисление амплитуды упругого рассеяния ядер, применение правил разрезания Абрамовского — Грибова — Канчели, определение числа кварковых систем и их характеристик. При умеренных энергиях амплитуду упругого рассеяния ядер обычно вычисляют в приближении Глаубера — Ситенко. Применить к ней ассимптотические правила разрезания Абрамовского — Грибова — Канчели не представляется возможным. Тем не менее это делают и сталкиваются с различными трудностями, которые до сих пор не преодолены.

Другой кварковый подход был предложен группой Лундского университета и нашел воплощение в всемирно известной программе ПИТЮГ [9]. В настоящее время она пользуется наибольшей популярностью. Ее основные положения легли в основу современных моделей таких, как модель релятивистской квантовой молекулярной динамики (ЫС^МВ) [10]- [12] и модель НиШС [13]. К сожалению, ряд недостатков модели ПИТЮГ не позволял использовать ее при энергиях дубненского синхрофазотрона. Часть из них была устранена в работах [14], [15], что сделало возможным впервые применить модель ПИТЮГ при энергиях порядка 3,2 — 3,5 ГэВ/нуклон. Результаты этой работы представлены в настоящей диссертации.

Широкую базу для анализа дают данные 2-х метровой пропановой пузырьковой камеры ЛВЭ ОИЯИ, облучаемой пучками ядер с импульсом 4,2 ГэВ/с, и данные однометровой водородной камеры ЛВЭ ОИЯИ, облученной пучками нейтронов.

Надо отметить, что анализ адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействий в рамках тех, или иных теоретических подходов существенно осложняется влиянием ядерной среды на процессы множественного рождения частиц. Думается, что характеристики отрицательно-заряженных частиц в наименьшей степени подвержены этом}' влиянию. В то же время характеристики протонов в значительной мере отражают сугубо ядерные эффекты. Поэтому раздельное изучение 7г~-мезонов и протонов позволяет анализировать различные аспекты «мягких» взаимодействий и проверить различные аспекты модели FRITIOF.

Исходя из вышесказанного, цели: и задачи исследования формулируются следующим образом:

1. Анализ данных о нейтрон-протонных взаимодействиях при рп = 1,25−1-5,1 ГэВ/с с целью уточнения параметров модели FRITIOF. Эта задача имеет самостоятельный интерес поскольку позволяет проверить основные положения модели на границе области применимости модели;

2. Анализ существующих данных о процессах множественного рождения 7г~-мезонов в ядро-ядерных взаимодействиях в рамках каска дно-испарительной модели и модели FRITIOF;

3. Получение и анализ в рамках модели FRITIOF экспериментальных данных о 7г~-мезонах и протонах, полученных с помощью 2-х метровой пропановой камеры ЛВЭ ОИЯИ с учетом последних методических, экспериментальных достижений.

В первой главе диссертации дано описание двухметровой пропановой пузырьковой камеры ДППК-500 ЛВЭ ОИЯИ. Приведены: система фотографирования, характеристики магнитного поля камеры, процедуры обработки и корректировки экспериментальных данных.

Во второй главе диссертации рассматриваются используемые теоретические модели: каскадно-испарительная модель и модель ИИТЮР. Основные положения КИМ, изложенные в § 2.1, хорошо известны. В § 2.2 представлены основные положения модели ИИТЮР [9].

В третьей главе диссертации анализируются данные однометровой водородной камеры — исследуется возможность описания в рамках модели ПИТЮР характеристик 7г~-мезонов и протонов, рождающихся в нейтрон-протонных взаимодействиях при />п=1,25−5,1 ГэВ/с.

В четвертой главе диссертации анализируются процессы множественного рождения частиц в адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях. Представлены расчеты средней множественности 7г~-мезонов в рА-взаимодействиях при высоких энергиях. Показано, что модель ПИТЮР воспроизводит множественности рожденных частиц в пределах 7%.

В § 4.2 рассматриваются распределения по множественности 7г~-мезо-нов в ядро-ядерных взаимодействиях, а в § 4.-3 анализируются распределения 7г~-мезонов по кинематическим переменным (по данным стриметной камеры ЛВЭ ОИЯИ).

В § 4.5 анализируются данные пропановой пузырьковой камеры ЛВЭ ОИЯИ, полученные при участии автора диссертации. Рассмотрение начинается с изучения характеристик тт~ мезонов. Далее рассматриваются экспериментальных данных о выходе протонов. По результатам анализа делаеться вывод о качественном согласии предсказаний модели с экспериментальными данными.

В заключении диссертации кратко сформулированы основные результаты, опубликованные в работах [16]-[24].

Список цитируемой литературы находится в конце диссертации.

Заключение

.

Анализ процессов множественного рождения частиц в ядро-ядерных взаимодействий при энергиях 3+3,6 ГэВ/нуклон в основном, ограничивался выяснением эмпирических закономерностей и анализом данных в рамках каскадно-испарительной модели (КИМ) и модели кварк глюонных струн (МКГС). Как показано в гл. 4, каскадно-испарительная модель, также как и МКГС, значительно завышают множественность мезонов с Рт < 0, 2 + 0, 4 ГэВ/с во взаимодействиях налетающих, а частиц и ядер углерода с тяжелыми ядрами. Можно полагать, что это обусловлено некорректной трактовкой поведения А-изобар в ядрах.

По результатам сравнения расчетов, выполненых в рамках КИМ, с экспериментальными данными можно сказать, что предположение о малом времени жизни резонансов в ядре и малом времени формирования вторичных частиц не находит подтверждения в эксперименте.

Модифицированная модель ПИТЮГ, пренебрегающая распадом резонансов в ходе быстрой стадии взаимодействий, наиболее адекватно воспроизводит экспериментальные закономерности.

Для корректного сопоставления расчетов по модели ГШТЮГ с экспериментальными данными по ядро-ядерным взаимодействиям выполнен анализ нейтрон-протонных (пр) взаимодействий при ?>"=1,25+5,1 ГэВ/с (см. гл. 3). Показано, что модель ПИТЮГ с необходимыми изменениями хорошо воспроизводит характеристики тг~ мезонов и протонов в пр-взаимодействиях. Модель описывает среднюю множественность ж~ мезонов в рр—, рп—, и nn-взаимодействиях в пределах (9, 6, 7)% соответственно, при импульсах налетающих частиц рлаб > 3 ГэВ/с.

Модель FRITIOF хорошо описывает экспериментальные данные двухметровой пропановой пузырьковой камеры ЛВЭ ОИЯИ о средней множественности 7г~-мезонов в рС—, dC—, аС—, и СС'-взаимодействиях при импульсе 4,2 ГэВ/с в пределах 8%. Кинематические характеристики тг~- мезонов воспроизводятся в пределах 4%. Наибольшие расхождения между расчетными значениями и экспериментальными данными наблюдаются в областях фрагментаций ядер-модель несколько завышает выход 7г~- мезонов, что связано с недостаточно корректной трактовкой процессов, происходящих в ядрах-остатках.

Указанный недостаток модели FRITIOF наиболее ярко проявляется в распределениях протонов по кинематическим переменным в рС, dC, аС и СС взаимодействиях, хотя средние множественности протонов-участников описываются в пределах 10%. Таким образом дальнейшее экспериментальное и теоретическое изучение процессов, происходящих в ядрах-остатках, представляется крайнее необходимым и желательным.

В целом, модифицированную модель FRITIOF с учетом поправок, предложенных в настоящей диссертации, можно использовать для анализа существующих экспериментальных данных и при планировании новых экспериментальных исследований.

Работа, представленная в диссертации, была бы невозможна без помощи и поддержки многих людей.

Я выражаю искреннюю благодарность директору ЛВЭ ОИЯИ проф. А. И. Малахову, академику Российской АН A.M. Балдину, академику Б. Чадраа — президенту Монгольской АН, Ц. Баатару, X. Намсрай (ИФТ АН Монголии) за предоставленную возможность проводить исследования в ОИЯИ.

Я глубоко признателен моему научному руководителю доктору физикоматематических наук B.B. Ужинскому, который много сделал для моего образования и становления.

Я очень признателен проф. A.A. Кузнецову за постоянное внимание и поддержку моей работы в Дубне и ценные обсуждения.

Я благодарен моим коллегам и друзьям за многочисленные обсуждения и полезные советы — доктору физико-математических наук А.И. Бонда-ренко, кандидатам физико-математических наук Р. Г. Бадаляну Ю. А. Трояну, E.H. Кладницкой, М. К. Сулейманову, A.C. Хорозову, А. П. Иерусалимову.

Я благодарен лаборантам НЭКО ЛВЭ за сотрудничество по обработке и измерению экспериментальных материалов с 2-х метровой пропановой пузырьковой камеры.

Автор признателен группе по исследованию нейтрон-протонных взаимодействий Ю. А. Трояна за предоставленные экспериментальные данные.

Я благодарен жене Юли и дочере Энхбилэгу за предоставленную мне возможность работать над диссертацией.