Процессы фрагментации ядер кислорода во взаимодействиях с протонами при 3.25 а гэ в/с и механизмы образования протонов В π− ,р,α,с(с)- и р( 16О, 20Ne)-соударениях при 3−300 ГэВ

Актуальность и востребованность темы диссертации. Одной из фундаментальных проблем в области релятивистской ядерной физики является установление закономерностей фрагментации релятивистских ядер во взаимодействиях с адронами и ядрами. Важную роль при этом играют экспериментальные и феноменологические исследования процессов фрагментации релятивистских ядер в адрон- и ядро-ядерных соударениях, что позволяет получить важную информацию о кластерной структуре (особенно легких) фрагментирующих ядер, ее влиянии на сечение образования и состав фрагментов, а также о вкладах различных механизмов в их формировании. При энергиях столкновения в несколько ГэВ на нуклон в ядерных соударениях доминирующим процессом является фрагментация ядер, вклад которой составляет около 80% от полного сечения реакции. Особый интерес при этом представляет экспериментальное изучение процессов фрагментации легких релятивистских четно-четных ядер, таких как 12С, |6О и 20Ne во взаимодействиях с адронами и ядрами, поскольку в этих ядрах ожидается доминирующее проявление a-кластерной структуры.
До сих пор нет однозначного ответа на вопрос о том, какова а-кластерная структура - стационарная или динамическая, проявляющаяся при определенных уровнях возбуждения фрагментирующего легкого, особенно четно-четного ядра. Эффективным способом проверки а-кластерной структуры фрагментирующего ядра является изучение образования а-частиц при разных уровнях возбуждения ядра-снаряда.
Определенный интерес представляет также обнаружение сильнокоррелированных малонуклонных ассоциаций и мультибарионных состояний в ядрах, возможное существование которых предсказывалось рядом моделей, основанных на кварк-партонной структуре адронов. Решение этой задачи непосредственно связано с детальным экспериментальным исследованием процессов формирования частиц в кинематической области, запрещенной для частиц, родившихся в столкновениях свободных нуклонов, в адрон- и ядро-ядерных соударениях при высоких энергиях.
В связи с изложенным актуально проведение систематического и комплексного изучения фрагментации ядер с идентификацией всех возможных фрагментов и вторичных рожденных частиц, прецизионным измерением и определением их кинематических характеристик в широком диапазоне первичных энергий и массовых чисел сталкивающихся ядер на статистически большом экспериментальном материале, что позволит выявить новые закономерности фрагментации ядер.
Востребованным является получение прецизионных данных по сечениям образования всех возможных изотопов фрагментирующих ядер, необходимых для разработки и тестирования теоретических моделей и подходов к описанию явления фрагментации ядер, а также для моделирования взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атмосферы. Кроме этого, экспериментальные данные о средних множественностях (инклюзивных сечениях) легких фрагментов - протонов, дейтронов, ядер трития и гелия-3, образованных во взаимодействиях релятивистских ядер с водородом, крайне востребованы для одной из важных проблем астрофизики - прохождения потоков частиц через межзвездную среду.
Целью исследования является получение достаточно полной экспериментальной информации о процессах фрагментации ядер кислорода во взаимодействиях с протонами при 3.25 А ГэВ/c и установление основных механизмов образования протонов, в том числе кумулятивных, в л”,/?,а,С(С)-и/?(16О,2(>Ке)-соударениях в интервале первичных энергий З-ЗОО ГэВ.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующих результатах, полученных впервые:
прецизионно определены сечения образования стабильных и нестабильных изотопов с Z = 1-8 в |6Ор-соударениях при 3.25 А ГэВ/с и показано, что сечения образования зеркальных ядер совпадают в пределах статистических погрешностей;
оценены полуэмпирическим методом вклады основных механизмов образования протонов в л С-, p20Ne- |6Ор-соударениях при 40 ГэВ/с, 300 ГэВ/c и 3.25 А ГэВ/c, соответственно. Установлена независимость значений этих вкладов от энергии и массового числа фрагментирующего легкого ядра и их чувствительность к типу налетающей частицы (пион или протон);
установлено, что механизмы образования быстрых протонов (р > 0.25 ГэВ/c) в 16Ор-, р12С-, л |2С-, р20№-соударениях при 3.25 А ГэВ/с, 9,9 ГэВ/с, 40 ГэВ/c и 300 ГэВ/с, соответственно, не зависят от первичной энергии, сорта налетающей частицы и типа легкого фрагментирующего ядра, а также от степени возбуждения фрагментирующих ядер (ядерный скейлинг);
установлены основные механизмы образования дейтронов в |6Ор-соударениях при 3.25 А ГэВ/с, связанные с слиянием каскадных нуклонов, ферми-развалом возбужденного ядра-остатка, распадами сравнительно быстрых легких фрагментов и прямым квазиупругим выбиванием дейтронов из ядра кислорода протоном;
определены сечения образования промежуточных состояний ядер (8Ве, 9В, 12С*) в |6О/2-соударениях при 3.25 А ГэВ/с и найдены их вклады совместно с нестабильными ядрами 5Не, ’Li в инклюзивное сечение образования а-частиц. Определен вклад распада возбужденных ядер |2С* в канал образования 3-х а-частиц, который составляет (38 ± 3.0)% сечения этого канала;
доказано, что образование кумулятивных протонов в 16Ор-, р12С-, л |2С-, p20Ne-, а|2С- и |2С12С-соударениях при 3.25 А ГэВ/с, 4.2 ГэВ/с, 9.9 ГэВ/с, 40 ГэВ/с, 300 ГэВ/с и 4.2 А ГэВ/с, соответственно, происходит в результате столкновения налетающего адрона с «флуктонами», образованными посредством флуктуации плотности нуклонов ядра в его основном состоянии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Впервые в условиях 4я-геометрии выполнен систематический анализ образования протонов-фрагментов в |6Ор-соударениях при 3.25 А ГэВ/с и показано, что форма импульсного спектра протонов с р>0.25 ГэВ/с (за исключением «испарительных»), вылетающих в переднюю полусферу в системе покоя фрагментирующего ядра, не зависит от степени его возбуждения, а форма импульсного спектра протонов, вылетающих в заднюю полусферу в системе покоя фрагментирующего ядра, сильно коррелирована со степенью его возбуждения.
Обнаружена нерегулярность в спектре кинетической энергии быстрых протонов в области Т=70-90 МэВ, обусловленная возможным распадом двухнуклонной системы за счет поглощения ею медленного пиона.
Экспериментально оценены вклады основных механизмов образования протонов (испарительный механизм, механизм Ферми-развала возбужденного ядра-остатка и механизм прямого выбивания протонов в процессе каскадирования) и определены их статистические веса (вклады), которые соответственно составили 27.4±0.5%, 32.0±0.6% и 40.6±0.7%.
2. На основе анализа нормированного инвариантного инклюзивного дифференциального сечения образования протонов для 16Ор-взаимодействий при 3.25 А ГэВ/с, р|2С-соударений при 9,9 ГэВ/с, л 12С-взаимодействий при 40 ГэВ/с и /22<>№-соударений при 300 ГэВ/с сделан вывод о том, что механизм образования быстрых протонов, особенно летящих вперед, имеет универсальный характер, выражающийся в его независимости от первичной энергии, сорта налетающей частицы и типа легкого фрагментирующего ядра.
3. Впервые апробирована трехстадийная феноменологическая модель для аналитического описания распределений по множественности протонов в тСС-соударениях при 40 ГэВ/с, /г°№-столкновениях при 300 ГэВ/с и |6Ор-соударениях при 3.25 А ГэВ/с и определены доли вкладов основных механизмов образования протонов - «испарительного», Ферми-развала и прямого выбивания первичным протоном и вторичными частицами. Установлено, что эти доли не зависят от энергии и массового числа фрагментирующего легкого ядра, но чувствительны к типу налетающей частицы (пион или протон), т.е. к числу их валентных кварков. Следует отметить, что значения этих долей для р2()№-столкновений при 300 ГэВ/с и |6Ор-соударений при 3.25 А ГэВ/с совпадают с таковыми, определенными на основе анализа нормированного инвариантного инклюзивного дифференциального сечения образования протонов, образованных в 16Ор-взаимо-действиях при 3.25 А ГэВ/с.
4. В импульсном спектре “дейтронов-вперед” в системе покоя ядра кислорода в области 0.40 < р < 0.55 ГэВ/с обнаружено «плечо», которое может быть связано с механизмом слияния быстрых каскадных нуклонов, распадами сравнительно быстрых легких фрагментов, а также с прямым квазиупругим выбиванием дейтрона из ядра кислорода протоном. Средние множественности фрагментов коррелируют с наличием дейтрона в событии, но не зависят от механизма образования дейтрона. Модель слияния (коалесценции) успешно описывает импульсный спектр быстрых дейтронов и а-частиц.
5. Выполнено систематическое сравнение экспериментальных данных по фрагментации ядра кислорода в |6Ор-соударениях при 3.25 А ГэВ/с с предсказаниями КФИМ. Установлены основные черты КФИМ, требующие изменения аксиоматики и вводимых в модель параметров для улучшения предсказательной силы КФИМ. Показано, что для реалистического описания процессов фрагментации ядер в адрон-ядерных соударениях при высоких энергиях в модели необходим учет как вкладов испарительного механизма (даже для таких легких ядер, как |6О), так и механизма слияния быстрых каскадных нуклонов, а также a-кластерной структуры легких ядер. Доказана необходимость учета небольшого углового момента, приобретаемого фрагментирующим ядром.
6. Исследовано образование и-частиц в 16Ор-реакциях и в различных топологических каналах развала ядер кислорода, проанализированы их импульсные и угловые спектры. Разработаны и апробированы феноменологические модели образования а-частиц через нестабильные промежуточные ядра sBe, 9В и возбужденное ядро 12С . В частности установлено, что доминирующим каналом мультифрагментации является развал ядра кислорода с выходом ядер гелия, часть которых является продуктом распадов короткоживущих ядер 5Li, 5Не, sBe, 9В и |2С*.
В каналах образования трех и четырех а-частиц обнаружена коллинеарность, обусловленная распадами нестабильных ядер sBe и 9В.
Впервые количественно установлены вклады каналов от распада sBe, 9В и возбужденного ядра |2С* в инклюзивный канал образования а-частиц. Вклад распада возбужденных ядер |2С* в канал образования трех а-частиц составляет 38±3.0% сечения этого канала, а оставшаяся часть сечения канала реализуется через прямой Ферми-развал или квазиупругое выбивание одного a-кластера из слабо связанного ядра-остатка, содержащего три а-частицы.
Анализом угловых спектров двух-, трех- и четырехнуклонных фрагментов получено указание на наличие углового момента у фрагментирующего ядра-остатка; эффект усиливается при переходе от легкого фрагмента к более тяжелым.
7. Впервые в условиях полной геометрии измерены сечения образования стабильных и нестабильных изотопов с зарядом Z=l—8 в 16Ор-соударениях при 3.25 А ГэВ/с. Показано, что сечения образования зеркальных ядер с массовыми числами, различающимися на АА = ± 1 от основного массового числа, определяемого как А = 2Z, в пределах статистических погрешностей совпадают. В пределах статистических погрешностей также совпадают сечения выходов нестабильного изотопа 9В и зеркального ему стабильногоизотопа 9Ве. Наблюдаемая закономерность распространяется и на зеркальные ядра (l5N, |5О), образовавшиеся в результате потери одного нуклона исходного ядра 16О в периферических соударениях с протоном-мишенью.
8. Впервые проведен комплексный сравнительный анализ процессов образования кумулятивных протонов в |6О/?-соударениях при 3.25 А ГэВ/с, в р12С-взаимодействиях при 4.2 ГэВ/с и 9,9 ГэВ/с, в тг |2С-взаимодействиях при 40 ГэВ/с и в /220№-соударсниях при 300 ГэВ/с, в а12С- и 12С12С-соударениях при 4.2 А ГэВ/с и показано, что значение параметра наклона распределений инвариантных дифференциальных инклюзивных сечений образования кумулятивных протонов по 0 демонстрирует универсальный характер («ядерный скейлинг»), заключающийся в его независимости от типа снаряда, мишени и первичной энергии. Установлена независимость средней множественности кумулятивных протонов в кумулятивных событиях для одного и того же ядра-мишени от первичной энергии и типа снаряда. Показано, что образование кумулятивных протонов происходит преимущественно по сценарию «холодной» модели. Установлено отсутствие корреляций между механизмами образования кумулятивных протонов и вторичных частиц и фрагментов.
9. Установлена независимость механизмов формирования легких фрагментов. Наблюдаемые в эксперименте корреляционные явления являются следствием действия законов сохранения энергии-импульса, электрического и барионного зарядов в процессах фрагментации ядер.
Общий итог проведенных работ сводится к систематическому и комплексному исследованию процессов фрагментации легких ядер в широком диапазоне первичных энергий с помощью единой методики. Подавляющая часть данных, включенных в эту диссертацию, получена впервые, и эти данные позволяют глубже и детальнее понять особенности и свойства ядер, фрагментирующих под действием частиц высоких энергий и релятивистских ядер.
Поставленные в диссертационной работе задачи по комплексному экспериментальному и феноменологическому исследованию процессов фрагментации и выяснению основных механизмов образования протонов и легких фрагментов в тг~, /?,а,С(С)- и /?(|6О,20\е)-соударениях в интервале первичных энергий З-ЗОО ГэВ решены полностью.
Результаты диссертационной работы дают обширный экспериментальный материал для проверки адекватности теоретических моделей и подходов к проблеме фрагментации ядер в адрон- и ядро-ядерных соударениях при высоких энергиях, и могут быть использованы при планировании и проведении новых экспериментов на ускорителях ионов.
Данные о сечениях образования стабильных и нестабильных изотопов, полученных во взаимодействии ядер кислорода с протонами при высоких энергиях могут найти применение в космофизических и космохимических исследованиях для выяснения особенностей протекания космогенного нуклеосинтеза.