Измерение спиновых наблюдаемых AOOnn, AOOsk, DOn «On, KOs» kO, KOs «sO, NOs» kn и NOs"sn в упругом np-рассеянии при энергиях 230-590 МэВ

Детальное знание свойств процесса нуклон-нуклонного (NN) взаимодействия имеет существенное значение, так как эти свойства проявляются во многих областях ядерной и субъядерной физики и играют важную роль в физике сильных взаимодействий в целом. В частности, изучение AW-взаимодействий при промежуточных и высоких энергиях является важным источником информации о спиновой зависимости ядерных сил, действующих между нуклонами. Хотя в случае упругого AW-рассеяния с переданным импульсом менее ~ 2 ГэВ/с мы имеем дело с относительно простым процессом, до сих пор не существует его удовлетворительного теоретического описания. При отсутствии строгой и законченной теории сильных взаимодействий (непертурбативной КХД) результаты экспериментов по упругому AW-рассеянию в широкой области энергий и углов рассеяния служат созданию и пополнению базы прецизионных данных. Эти данные необходимы для выполнения феноменологических анализов, таких как фазовый анализ и прямое восстановление амплитуд матрицы упругого AW-рассеяния, а также они будут решающими для проверки непертурбативных теорий сильных взаимодействий.

Пузиков, Рындин и Смородинский [PUZ57] на примере упругого AW-рассеяния ввели понятие «полного эксперимента». Эксперимент по изучению реакции называется полным, если в результате получен такой набор экспериментальных наблюдаемых, который позволит провести полное и исчерпывающее описание процесса В этой связи удобным и модельно-независимым средством для описания основных свойств взаимодействия является формализм матрицы рассеяния (см [BYS78, LEC93] и ссылки в этих работах) В этом случае «полный эксперимент» можно определить как совокупность экспериментов, позволяющих измерить такой набор экспериментальных наблюдаемых, который позволит осуществить прямое и однозначное восстановление спиновой структуры матрицы упругого AW-рассеянпя.

Наличие у нуклона спина позволяет записать матрицу упругого NN-рассеяния в виде линейной комбинации восьми независимых членов, построенных в общей форме из кинематических и спиновых переменных нуклонов, участвующих в рассеянии, и восьми инвариантных комплексных амплитуд, которые являются функциями угла рассеяния и энергии [BYS78], Предположения о сохранении пространственной четности и временной инвариантности, принципа Паули и изоспиновой инвариантности приводят к сокращению числа независимых слагаемых матрицы рассеяния до пяти членов. В этом случае для однозначного построения матрицы рассеяния надо определить в каждом канале реакции с изоспином 1=1 и I = 0 пять функций и четыре их относительные фазы. Для этого требуется осуществить, как минимум, девять разных опытов для каждого канала, энергии и угла рассеяния. Измерение разных спиновых наблюдаемых в упругом рри ир-рассеянии при разных энергиях и углах рассеяния позволяет решить эту задачу.

Методически непростой характер спиновых экспериментов, однако, делает задачу осуществления таких опытов довольно сложной. Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) был одним из научных центров, где развитие спиновой физики средних и высоких энергий началось с 1950;х гг. Многие экспериментальные и теоретические исследования в области спиновой физики, выполненные в ОИЯИ, нашли позже свое развитие в ряде других институтов. Перечислим, например, некоторые из основных экспериментальных результатов, полученных в ОИЯИ с использованием пучков протонов с энергией 660 МэВ. М. Г. Мещеряковым, С. Б. Нурушевым и Г. Д. Столетовым была наблюдена поляризация протонов в ядерном [MES56] и да-рассеянии [MES57], Ю. П. Кумекиным, М. Г. Мещеряковым, С. Б. Нурушевым и Г. Д. Столетовым были проведены измерения параметров тройного рассеяния протонов при энергии 660 МэВ [KUM58, KUM60, KUM62, KUM63], Б. М. Головиным, В. П. Джелеповым, В. С. Надеждиным и В. И. Сатаровым был предложен возможный набор экспериментов для одновременного анализа данных по MV-рассеянию [GOL59], Идея получения продольно-поляризованного пучка протонов была реализована Ю. П. Кумекиным, М. Г. Мещеряковым, С. Б. Нурушевым и Г. Д. Столетовым [KUM63a]. Первые фазовые анализы /?р-рассеяния при энергии выше порога образования пионов были проведены Р. Я. Зулькарнеевым и И. Н. Силиным [ZUL63], JI. С. Ажгиреем, Н. П. Клепиковым, Ю. П. Кумекиным, М. Г. Мещеряковым, С. Б. Нурушевым и Г. Д. Столетовым [AZH63, AZH63a]. Результаты этих анализов позволили впервые проследить энергетическую зависимость основных фазовых сдвигов рр-системы в интервале энергии протонов от 0 до 660 МэВ. Измерение параметра R в рп-рассеянии при энергии 605 МэВ и фазовый анализ AW-рассеяния был проведен Ю. М. Казариновым, Ф. Легаром и их сотрудниками [KAZ66], В результате пионерских работ Б. С. Неганова в Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ Б. С. Негановым, Н. С. Борисовым и М. Ю. Либургом впервые был создан рефрижератор растворения 3Не—4Не [NEG66], позволяющий получать в стационарном режиме температуры в области десятков мК. Это оказалось настоящим прорывом в области конструирования твердотельных поляризованных мишеней для ядерно-физических исследований и определило дальнейшие перспективы поляризационных экспериментов в области ядерной физики и физики частиц. Первые опыты по двойному iVTV-рассеянию на протонной поляризованной мишени в ЛЯП ОИЯИ были осуществлены Я. Быстрицким, Я. Чехом, 3. Яноутом, Ю. М. Казариновым и Ф. Легаром [BYS70],.

На основе дальнейшего прогресса в области получения поляризованных пучков протонов, дейтронов и нейтронов в широкой области энергий, разработок и создания поляризованных мишеней протонов и дейтронов вместе со значительным прогрессом в развитии детектирующей техники и систем сбора данных стало возможным в нескольких лабораториях приступить к осуществлению полных опытов как в упругом рр-рассеянии, так и в упругом лр-рассеянии в широкой области энергий. Эта задача оказалась проще в случае рр-рассеяния и труднее в случае лр-рассеяния, в основном, из-за сложности получениия высококачественных поляризованных пучков нейтронов большой интенсивности. В течение 1975—1985 гг. были предприняты большие усилия в нескольких лабораториях, чтобы исследовать спиновые эффекты в упругом рр-взаимодействии, что позволило получить полный набор точных данных. В результате этого в 1981 г. в первый раз удалось провести прямое построение матрицы рассеяния для канала с изоспином I 1. Эта работа и последующие в этом направлении способствовали тому, что в настоящее время амплитуды матрицы упругого да-рассеяния для 1=1 экспериментально исследовались вплоть до энергии 2,6 ГэВ [BYS78, LEC93], в частности, в экспериментах в Институте им. П. Шеррера (PSI) [BYS78, LEC93, APR81, APR89] и в лаборатории SATURNE П [LAC90], В связи с трудностями получения высококачественного и интенсивного пучка поляризованных нейтронов работы по систематическому исследованию упругого ир-рассеяния были начаты позже. Так, среди лабораторий, где были созданы интенсивные и качественные пучки поляризованных нейтронов были: TRIUMF (200−520 МэВ), PSI (200−590 МэВ), LAMF (480−800 МэВ), SATURNE П (800−1100 МэВ) и ОИЯИ (1−6 ГэВ).

Весь этот комплекс проведенных исследований MV-взаимодействия оказался очень результативным и позволил получить большое количество новых экспериментальных данных. Очень результативной была программа рри пр-исследований в PSI. Особенно полезной эта программа оказалась для изучения роли однои двухбозонных обменов во взаимодействии двух нуклонов в промежуточной области энергий. Полученные из фазового анализа феноменологические амплитуды упругого AW-взаимодействия послужат проверкой предсказаний теоретических моделей. Существенные усилия посвящены в настоящее время объяснению адрон-адронных процессов, в том числе NN-взаимодействий, и природы ядерных сил на основе представлений кварк-глюонных моделей и квантовой хромодинамики (КХД) [EID04],.

Представленная здесь работа является частью широкой-экспериментальной программы, нацеленной на осуществление полного опыта в упругом лр-рассеянии в области энергий 260−540 МэВ, предложенной и реализованной коллаборацией Freiburg-Geneva-PSI-JINR-Prague-Saclay в PSI. Для достижения этой цели на ускорительном комплексе PSI был создан специальный новый экспериментальный зал НА2 с пучком неполяризованных и поляризованных нейтронов большой интенсивности и энергией 200−590 МэВ. В случае поляризованного нейтронного пучка имелась возможность установить поляризации пучка нейтронов в любом направлении. Были созданы две экспериментальные установки, расположенные на нейтронном пучке одна за другой. В первой установке использовалась протонная поляризованная замороженная мишень и во второй установке жидководородная неполяризованная мишень. Составной частью обеих установок были поляриметры для анализа поляризационных состояний протонов отдачи упругого я/>-рассеяния. Такая компоновка позволила одновременную работу обеих установок, что способствовало эффективному использованию предоставленного времени ускорителя для эксперимента. В проведенных сеансах было использовано в общей продолжительности около двадцати недель пучкового времени. На основе созданной методики в результате проведенных экспериментов при участии автора было определено 15 разных однодвухи трехспиновых наблюдаемых в области энергий с 260 до 540 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс (с.ц.м.) 60−160 градусов [АНМ92, АНМ93, АНМ94, АНМ94а, АНМ94Ъ, АНМ94с, АНМ96, АНМ98, ARN94, ARN94a, ARN95, ARN96, ARN96, ARN97, ARN97a, ARN98, ARN99, ARN99a, ARN99b, ARN00, ARNOOa, BRA94, BRA99, DEM99, FIN98, FIN99, FIN07, FIN07a], а именно: анализирующая способность Aooon, коэффициенты корреляции поляризации Аоопп, Aooss, Аоокк, Aoosk, коэффициенты деполяризации D0&bdquo-0п, DозОч, Оо*ок, коэффициенты передачи поляризации К0, то, Kosko и трехспиновые коэффициенты Ыо"кк, Noskn, Nossn и Шесть наблюдаемых коэффициентов: коэффициент поляризации Аоопо и коэффициенты передачи поляризации К ото, К окко, Koja-o, Коьо и Ка"о были получены в области энергий и угла рассеяния в системе центра масс в диапазоне 200−560 МэВ и 160−176 градусов соответственно. Большинство из этих спиновых наблюдаемых получено впервые. Всего было получено более чем 1300 значений указанных спиновых наблюдаемых. Полученные данные позволят провести прямое построение амплитуд матрицы рассеяния для 1 = 0 канала для разных углов и энергий указанной области.

В первой Главе представленной работы приведено феноменологическое описание нуклон-нуклонного взаимодействия с использованием матрицы рассеяния и матрицы плотности. Даются основные определения и обозначения величин используемых в работе, в частности, рассмотрена структура матрицы рассеяния, дается определение амплитуд рассеяния и классификация спиновых наблюдаемых в упругом нуклон-нуклонном взаимодействии. Во второй Главе описан физический комплекс, созданный в PSI, для проведения поляризационных исследований в нуклон-нуклонных взаимодействиях, приведены основные характеристики отдельных узлов комплекса. В третьей Главе описаны основные принципы обработки экспериментальных данных и способы определения спиновых наблюдаемых. В четвертой Главе приводятся результаты проведенных прецизионных измерений энергетического спектра и поляризации нейтронов в зарядо-обменной реакции 12С (рп)Х с поляризованными протонами с энергией 590 МэВ. В пятой Главе приведены результаты проведенных в рамках диссертационного проекта измерений спиновых наблюдаемых в упругом пр-рассеянии: коэффициентов асимметрии А000&bdquo-, коэффициентов поляризации РОГЮо, коэффициентов корреляции поляризации Аоопп и Aoosk, коэффициентов деполяризации Donon, коэффициентов передачи поляризации KOS" ko и Kos-so и трехспиновых коэффициентов Nos-kn и Nos" s" в диапазоне энергий 230 — 590 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс 60° - 124°. В совокупности получено более 350 значений спиновых наблюдаемых в указанной области энергий и углов рассеяния. В Заключении перечислены основные результаты, полученные в работе.

Основные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. При участии автора диссертации в Институте им. Паула Шеррера введен в эксплуатацию спектрометрический комплекс для измерений одно-, двухи трехспиновых наблюдаемых в упругом ир-рассеянии, при энергиях нейтронов 200 -590 МэВ и в диапазоне углов рассеяния 60° - 180° в системе центра масс, использующий поляризованный нейтронный пучок и протонную поляризованную мишень.

2. Отработана методика калибровки отдельных узлов спектрометрического комплекса для измерения многоспиновых наблюдаемых в упругом ир-рассеянии: мониторных систем первичного пучка нейтроновдетекторной системы протонов отдачи и измерения их поляризациидетектора рассеянных нейтроновполяризации протонов в протонной замороженной поляризованной мишени.

3. Проведены прецизионные измерения энергетического спектра и поляризации нейтронов из зарядо-обменной реакции 12С (рп)Х с поляризованными протонами при энергии 590 МэВ.

4. Определен коэффициент передачи поляризации DVoto (0°) в реакции.

5. Используя разные комбинации поляризационных состояний нейтронного пучка и протонов мишени и анализируя спиновое состояние протонов отдачи в упругом пр-рассеянии, проведены измерения коэффициентов асимметрии Аоооги коэффициентов поляризации РОПоо, коэффициентов корреляции поляризации.

А-оопп И A0osh коэффициентов деполяризации Donon, коэффициентов передачи поляризации KOS ko и Kos" so и трех-спиновых коэффициентов Nos" kn и N0! i" sn в диапазоне энергий 230 — 590 МэВ и углов рассеяния в системе центра масс 60° - 124°. В совокупности получено более 350 значений спиновых наблюдаемых в указанной области энергий и углов рассеяния.

Сравнение полученных нами экспериментальных данных с результатами полученными в других экспериментах, где такие имеются, показывает, что в многих случаях измеренные нами спиновые наблюдаемые получены впервые, и там, где экспериментальные данные уже имеются, полученные нами новые результаты существенно улучшают литературные данные.

Полученные новые экспериментальные данные существенным образом улучшили базу данных, касающихся спиновых наблюдаемых в упругом нейтрон-протонном рассеянии. Новые результаты, в совокупности с результатами, полученными в экспериментах по изучению спиновых наблюдаемых в протон-протонных взаимодействиях, позволят восстановить параметры матрицы рассеяния для I = 0, и, таким образом, завершить осуществление полного эксперимента в упругом NN-рассеянии в исследуемой области энергий.

Новые экспериментальные данные будут также способствовать улучшению решений фазового анализа. Анализ имеющихся в настоящее время отклонений теоретических предсказаний, полученных на основе разных модельных потенциалов, и данных, полученных в эксперименте, сможет содействовать улучшению имеющихся теоретических моделей.

В заключение считаю приятным долгом выразить свою глубокую благодарность моим научным руководителям, профессору Ю. М. Казаринову и профессору О. А. Займидороге за помощь при постановке задачи, постоянный интерес к ней, ценные советы и замечания в процессе выполнения работы.

Я искренне рад также выразить свою признательность профессору Р. Хессу за предложенный мне научно-исследовательский проект и возможность его реализации в руководимой им группе в Женевском Университете и Институте им. Паула Шеррера, за неоценимую помощь, оказанную мне при выполнении настоящей диссертации, и плодотворные дискуссии.

Я рад выразить свою благодарность всем своим соавторам, которые приняли участие в выполнении работ вошедших в диссертацию. Я также признателен сотрудникам Объединенного Института Ядерных Исследований в Дубне, Института им. Паула Шеррера, Женевского Университета и Фрейбургского Университета, сотрудничество с которыми во многом способствовало успешному созданию экспериментальной аппаратуры, проведению экспериментов и анализу полученных результатов.

Заключение

.