Измерение анализирующих способностей в нуклон-ядерном рассеянии в диапазоне импульсов от 1,75 до 5,4 ГэВ/c

Новости, 19 января 2022

Первой премией ОИЯИ за 2020 г. в номинации «Научно-методические и научно-технические работы» был награжден коллектив авторов в составе: О. П. Гаврищук, Д. А. Кириллов, Я. Мушински, Ч. Пердрисат, Н. М. Пискунов, В. Пунджаби, П. А. Рукояткин, И. М. Ситник, Э. Томази-Густафссон, Р. А. Шиндин за работу «Измерение анализирующих способностей в нуклон-ядерном рассеянии в диапазоне импульсов от 1,75 до 5,4 ГэВ/c». От имени коллаборации ALPOM-2 научный труд прокомментировали Н. М. Пискунов (Лаборатория физики высоких энергий ОИЯИ) и Э. Томази-Густафcсон (Франция).

Нуклоны (протоны и нейтроны), составляющие атомного ядра, могут быть поляризованы. Это означает, что их спины предпочтительно выстроены вдоль оси квантования. Спин ― это квантовое свойство частицы, его классический аналог ― волчок. Сильное взаимодействие, которое действует между нуклонами в атомном ядре, чувствительно к поляризации. Для лучшего понимания сильного взаимодействия и структуры нуклона и ядер интересно измерить поляризацию частиц, образующихся в ядерной реакции. Приборы, измеряющие поляризацию, называются поляриметрами. Для разработки, создания, тестирования и подтверждения принципа работы адронных поляриметров требуются поляризованные пучки протонов и нейтронов с известной поляризацией. Сегодня такие пучки в ГэВ-ном диапазоне энергий доступны только на нуклотроне ОИЯИ (Дубна). Проведено первое измерение анализирующей способности поляризованных нейтронов на толстой (тяжелой) мишени.

Упругая реакция eN→eN (N ― нейтрон или протон) с продольно-поляризованным пучком электронов и последующее измерение поляризации нуклона отдачи позволяют получить отношение электрического и магнитного формфакторов µGEp/GMp по методу, предложенному А. И. Ахиезером и М. П. Рекало [1]. Такая наблюдаемая двойной поляризации зависит от интерференционного члена и очень чувствительна к небольшому электрическому вкладу. Серия экспериментов в Лаборатории Джефферсона (США) внесла значительный вклад в изучение отношения формфакторов протона [2, 3] (рис. 1).

Предложенный метод требует двух последовательных реакций: первичной реакции с регистрацией частицы отдачи, поляризация которой должна быть измерена, и второго взаимодействия с мишенью поляриметра для измерения ее поляризации. Вторая реакция должна быть простой для идентификации и очень чувствительной к поляризации частиц. Это количественно оценивается двумя величинами: 1) поперечным сечением, которое характеризует вероятность того, что такая реакция происходит; 2) анализирующей способностью Ay, которая количественно определяет чувствительность реакции к поляризации падающих частиц. Характеристики поляриметра представлены в виде величины FOM (Figure of Merit), FOM A2y, которая является функцией эффективности ε, определяемой как отношение числа «полезных» ко всем регистрируемым событиям, и анализирующей способности Ay.

Анализирующая способность протонов была измерена на синхрофазотроне ОИЯИ на мишени CH2 для импульсов пучка в диапазоне 1,75‒5,3 ГэВ/c. Результаты по анализирующей способности как функции поперечного импульса pt=plab sinθ показаны на рис. 2 [4]. После получения предварительных результатов измерений в Дубне программно-консультативный комитет Лаборатории Джефферсона одобрил измерение коллаборации GEp(3) (рис. 1) отношения формфакторов протонов до 8,5 ГэВ2.

Рис. 1. Отношение формфакторов протона как функция квадрата переданного импульса, измеренное коллаборацией JLab-GEp в серии экспериментов [2]. Приведены значения будущих измерений в эксперименте E12-07-109 [3] (пурпурные квадраты)

Чтобы компенсировать уменьшение анализирующей способности при увеличении энергии частицы (см. рис. 2), необходимо разработать поляриметры нового поколения и изучить их характеристики. Недавно при измерениях на нуклотроне, когда анализирующая способность была определена при импульсе протона (нейтрона) от 3 до 4,2 ГэВ/c, было обнаружено следующее [5]:

Рис. 2. Зависимость анализирующей способности от поперечного импульса pt=plab sinθ для различных импульсов пучка протонов [4]

  1. В установку был добавлен адронный калориметр. Гранулярности модулей было достаточно, чтобы измерить азимутальную асимметрию регистрируемых частиц и сравнить с асимметрией, восстановленной с помощью треков (рис. 3). Хорошее согласие между данными обоих измерений асимметрии позволяет использовать калориметр для поляриметрии протонов с трековыми детекторами и даже без них. Влияние порога энерговыделения в калориметре на величину измеренной анализирующей способности показано на рис. 4 для нейтронного случая. Видно увеличение Ay в 2 раза для реакции перезарядки, вызванной нейтронным пучком, а величина FOM меняется с 8·10–5 до 1,1·10–4 при облучении медной мишени толщиной 4 см. Для реакции, вызванной пучком протонов, величина Ay растет в 1,3 раза. Отбор треков с высоким энерговыделением удаляет события с несколькими треками, поэтому информация о поляризации менее выразительна.

    2. Рис. 3. Азимутальная зависимость Ay для p+CH2-рассеяния при импульсе 3,0 ГэВ/c, полученная из сработавших модулей адронного калориметра (синие квадраты) и по трекам (красные кружки)

    Рис. 4. Анализирующие способности для реакции перезарядки n+Cu в зависимости от порога энергии, выделяемой заряженной частицей в калориметре, как показано вверху справа

  2. С ростом импульса реакция перезарядки становится намного эффективнее по сравнению с упругим (или неупругим) рассеянием и с очевидным преимуществом в нейтронном случае, когда одна заряженная частица (протон) регистрируется в направлении вперед.
  3. Тяжелые мишени, по крайней мере, так же эффективны, как и легкие мишени, богатые водородом, что значительно упрощает концепцию поляриметра; это понимается как реакция, несущая информацию о поляризации частицы, — «квазисвободное» рассеяние NN. Результаты ALPOM-2 показывают, что все еще возможно изобрести поляриметры высоких энергий, а следовательно, проводить измерения поляризации высоких энергий. В частности, будущие измерения формфакторов для протонов [3] и нейтронов [6] в Лаборатории Джефферсона при большой передаче импульса уже включают применение адронной калориметрии, использование тяжелых вторичных мишеней и регистрацию реакции перезарядки.

Коллаборация ALPOM-2 будет проводить поляриметрические исследования пучков с наибольшими импульсами, которые будут доступны в Дубне. Измерения проводят около двадцати физиков из ОИЯИ, России, Словакии, США, Франции и Великобритании.

Список литературы:

  1. Akhiezer A.I., Rekalo M.P. // Sov. J. Part. Nucl. 1974. V.4. P. 277.
  2. Puckett A. J.R. (The GEp Collab.) // Phys. Rev. C. 2017. V.96. P. 055203; Ibid. 2018. V. 98. P.019907.
  3. Perdrisat C.F. et al. JLab Exp. E12-07- 109. 2007.
  4. Azhgirei L. S. et al. // Nucl. Instr. Meth. A. 2005. V. 538. P. 277.
  5. Basilev S.N. et al. // Eur. Phys. J. A. 2020. V.56. P.26.
  6. Annand J.R.M. et al. JLab Exp. E12-17- 004. 2017