Фотоядерные исследования на накопителях электронов и

Фотоядерные исследования
на накопителях электронов
и тяжелых ионов
В.Г.Недорезов
Институт ядерных исследований РАН, Москва
Виртуальные фотоны
Рассеяние электронов и тяжелых ионов
•
•
•
•
•
Электромагнитный форм-фактор:
ds/dW = ds/dW Mott x [(F1 gN )2 +t (F2 gN )2 + 2t ( F1 gN +F1 gN )2 tan2 (q/2)]
t = Q2 /4MN2 ,
F1,2 g,p = 2/3 F1,2 u - 1/3 F1,2 d - 1/3 F1,2 s ,
F1,2 gN = 2/3 F1,2 d - 1/3 F1,2 u - 1/3 F1,2 s
Фотоны и лептоны
ELISE
GRAAL
SPring8
Тяжелые ионы
FAIR-NUSTAR
NIKA
Легкие ядра, нуклоны
Поляризационные эксперименты
Тяжелые ядра
Спиновая структура нуклонов
Нуклонные резонансы
Фоторождение тяжелых мезонов
Экстремальные
состояния
материи
EMIN-2006, Moscow
Кулоновская диссоциация
Экспериментальные данные
Деление ядер 238U под действием 208Pb
[W.Brushe, S.M.Polikanov e.a. Scientific report GSI 93-1 (1993) p.67.]
Кулоновская диссоциация
Экспериментальные данные
Фотонейтронные реакции
18O
(1.7 GeV/n) +
Be, C,AL,Ti, Cu, Sn, W, Pb, U
[D.E.Greiner, B.L.Berman e.a.
Phys.Rev. C24 (1981) 4, 1529.]
18O
+U
Кулоновская диссоциация
Экспериментальные данные
Фотонейтронные реакции
1.7A GeV 20Ne + 197Au (метод наведенной активности)
[T.Aumann e.a. Nucl.Phys. A569 (1994) 157.]
Кулоновская диссоциация
Экспериментальные данные
Фотонейтронные реакции
1.7A GeV 20Ne + 197Au (метод наведенной активности)
[T.Aumann e.a. Nucl.Phys. A569 (1994) 157.]
Среднее число фотонов, поглощаемых в столкновениях
Au + Au (RHIK) и Pb + Pb (LHC)
b – impact parameter
LO – leading order
I.A.Pschenichnov , EMIN 2006
Полное сечение электромагнитной диссоциации для разных
порядков (по числу вершин) взаимодействия
I.A.Pschenichnov, EMIN 2006
Вопросы к теоретикам:
• Почему сечения слабо зависят от числа вершин
взаимодействия? (однофотонный, двухфотонный обмен и т.д.)
• Как учитывается мультипольность взаимодействия ? (Е1, Е2, М1
и др.) при расчете сечений и спектров?
• Какие поправки дают учет размеров ядра, искажение плоской
волны и др. при расчете спектров виртуальных фотонов?
Спектр виртуальных фотонов
ll – мультипольность,
 - постоянная тонкой структуры,
СL - структурная ф-ция:
СL= 2(Ee –Eg)/Ee для ll = E1,
СL= 0 для ll = M1,
СL= 8/3 [(Ee –Eg)/Ee]2 для ll = E2,
СL зависит также от размеров ядра и его заряда
[В.Г.Недорезов, Ю.Н.Ранюк. Фотоделение ядер за
гигантским резонансом]. Гл.1. «Наукова думка»
(1989).]
E e - Eg 2
2 E e ( E e - me )

N ( Ee  Ee , Eg )  {[1  (
) ]x ln
- CL }

Ee
me E e
ll
Вопросы к экспериментаторам:
• Как измерить спектр виртуальных фотонов?
• Как разделить вклады от однофотонных, двухфотонных и
т.д.обменов?
• Как извлечь ядерный формфактор? Что нового о структуре ядра
можно получить в экспериментах с тяжелыми ионами?
Гигантские резонансы в ядрах.
• Интерференция ядерных и атомных возбуждений:
Рождение е+е- пар, тормозное излучение
Эксперименты на внутренних мишенях
photon – electron back scattering
LASER (hw = 2.34 эВ)
Gamma beam
Е = 140 МэВ
Electron beam
Е = 2.5 ГэВ
Be MIRROR
intensity (photon/s):
Argon (UV)
СО2 (IR)
FEL
Recirculation
107
1010
1012
1015
(Egmax)
2 GeV
50 MeV
[V.G.Nedorezov, A.A.Turinge,
UFN 47 (2004) 341]
Yu.M.Shatunov,
GRAAL
Eg=600÷1500 МeV
Eg=16 МeV
Pg100%
NOT IN SCALE
Результаты
Результаты
Асимметрия S реакции
gp –> n
Асимметрия S реакции gp –> p+n
Мультипольный анализ (сплошные линии), изобарная модель (пунктир)
Результаты
Дифференциальные сечения
фоторождения h – мезонов на
протоне.
Справа - результаты
аппроксимации
(a + b cosq c cos2q)
Анизотропия скорости света по отношению
к диполю реликтового излучения
Amplification factor of 108
g 
1
1- 
  12
2
1
g
2
Ee
g 
 10 4
me
d 
1 dg
g
2
g
EXPERIMENT
Превышение полных сечений фотопоглощения тяжелых
ядер над «универсальной кривой»
sgA  A sgN
I.A. Pshenichnov, B.L.Berman,
e.a. e-Print Archive: nuclth/0303070.
Первое указание:
A.A. Kazakov,e.a.
JETP Lett.40:1271-1274,1984.
Взаимодействие мезонов с ядерной средой:
-
Нестабильные короткоживущие мезоны
Экзотические ядра (эта-мезонные связанные состояния и др.)
Распространение нуклонных изобар в ядерной среде
Внутриядерные каскады
Корреляционный анализ нуклонов отдачи
[EMIN-2001, p.170 ]
135
547

h
- Ядро – сумма квазисвободных нуклонов
- 4 детектор + полная кинематика
- Низкий уровень фона
768 782 M, MeV
r w
Propagaion of mesons and nucleons in nuclear media:
INC – Intra - Nuclear Cascade
[Moscow, EMIN-2001, p.170 ]
Probability of secondary interactions between meson and intra-nuclear nucleon :
(srl ) k
w(k ) 
exp( -srl )
k!
where s – cross section, r - nuclear density (0.17 Fm-3),
l – free mean pass.
s  stot (hN)  sel ( hN)  sin ( hN).
Probability for zero and one interaction step within INC :
w(0) 
w(1) 
The ratio
w(1)
 rsl - 1
w(1)
dw(0)
s  - rl exp( - rsl )s
ds
dw(1)
s  - rl exp(1 - rsl )s
ds
= 6.7 for slow h –mesons (s =150 mb)
Life time of unstable mesons depends on its velocity; for slow h– mesons the free mean pass l = 3 Fm.
INC prediction for different cascade steps
[Moscow, EMIN-2001, p.170 ]
Simulations with LAGGEN+INC code
for meson photoproduction on 14-N nucleus
(qp = 20 – 100 );
multiple mesons (1-4) are included
Correlations between momentum
and angle of the primary INC
proton show that different meson
regions are clearly separated
[Moscow, EMIN-2001, p.170 ]
Simulations with LAGGEN+INC code
for meson photoproduction on 14N nucleus
(E g  1.4 -1.5 GeV);
multiple mesons (1-4) are included
Correlations between momentum and angle of the primary INC proton
show that different meson regions are clearly separated
Deuteron target, Eg = 900-920 MeV, q <=250, Ncharge tracks >= 1,
SIMULATION
EXPERIMENT
(GRAAL DATA)
gamma+p -->
gamma+n -->
gamma+p -->
gamma+n -->
gamma+p -->
gamma+p -->
pi0+p
pi-+p
rho0+p
rho-+p
eta+p
omega+p
2<theta<10
Simulation: 2D target
Number of the charged tracks in forward >= 1
30<theta<40
Number of the charged tracks in forward = 1
Number of the neutral clusters in BGO = 2
20<theta<100
simulation
Experiment
Kinematics is not
included
gamma+d -->
gamma+p -->
gamma+n -->
gamma+p -->
all channels
pi0+p
pi-+p
eta+p
simulation
Number of the charged tracks in forward >= 1
experiment
gamma+d -->
gamma+p -->
gamma+n -->
gamma+p -->
all channels
pi0+p
pi-+p
eta+p
simulation
Number of the charged tracks in forward = 1
Number of the neutral clusters in BGO = 2
experiment
gamma+d -->
gamma+p -->
gamma+n -->
gamma+p -->
all channels
pi0+p
pi-+p
eta+p
simulation
Number of tre charged tracks in forward >= 1
Egamma = 790-810 MeV
experiment
gamma+d -->
gamma+p -->
gamma+n -->
gamma+p -->
all channels
pi0+p
pi-+p
eta+p
Number of the charged tracks in forward = 1
Number of the neutral clusters in BGO = 2
Egamma = 790-810 MeV
simulation
experiment
Number of the charged tracks in forward >= 1
Egamma = 790-810 MeV
simulation
gamma+p --> pi0+p
gamma+n --> pi-+p
gamma+p --> eta+p
Number of the charged tracks in forward >= 1
Egamma = 790-810 MeV
simulation
experiment
Number of thre charged tracks in forward = 1
Number of the neutral clusters in BGO = 2
Egamma = 790-810 MeV
simulation
experiment
Angle vs momentum correlation of primary recoil proton
Experiment on deutron
Simulations done with INC code on
14N nucleus
GRAAL beam
• Low electromagnetic background
• Small low energy “tail”
GRAAL backgrounds
Total yield after subtraction of the
empty target contribution
Experiment & Simulation
:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
NUSTAR International Nuclear Structure and Astrophysics Community
Introduction
Super-FRS
Super-FRS:
Ring Branch
LEB ELISe EXL ILIMA Exo pBar AIC
Super-FRS: Low Energy Branch
HISPEC/DESPEC LASPECMATS NCAP
Super-FRS: High Energy Branch
R3B
The ELISe Project – part of FAIR at GSI
Expected luminosities for the eA collider in the interaction zone. A full simulation is done
for each isotope, calculating optimized degrader settings for the separator and deducing
losses due to transmission and nuclear and atomic lifetime.
Заключение
• Фотоядерные исследования на накопителях электронов и
тяжелых ионов имеют перспективу:
Общие вопросы к рассеянию электронов и тяжелых ионов:
•
•
•
•
•
Спектр виртуальных фотонов и ядерный формфактор.
Электродинамика высоких порядков (однофотонные, двухфотонные и
т.д.обмены)
Гигантские резонансы в ядрах. Когерентные возбуждения ядерной
материи.
Интерференция ядерных и атомных возбуждений:
Свойства экзотических ядер.
Роль М.А.Маркова в развитии новых
направлений фотоядерных исследований
Метод обратного комптоновского рассеяния
1963 Расчет сечений комптоновского рассеяния
1.Ф.Р.Арутюнян, В.А.Туманян. ЖЭТФ 44 (1963) 6, 2100. 2.H.Milburn, Phys.Rev.Lett. 10
(1963) 3, 75.
1 977 Экспериментальное подтверждение. ФИАН Л.А.Колесников и др. Тр. 4-го Семинара
“EMIN -1977” Москва (1977) М., Наука (1979) , 338.
1983 Первый пучок и отработка метода.Фраскати – LADONE M.P.Pascale e.a. Proc. Of the 4 course of the Int.Sch. on Intermediate
Energies., San-Miniato, (1983), WS (1983) 412
1985 Первые фотоядерные эксперименты ИЯФ СО РАН (Новосибирск) совместно с ИЯИ РАН – РОКК-1,2 A.A.Kazakov,
G.Ya.Kezerashvili, L.E.Lazareva, V.G.Nedorezov, A.N.Skrinsky, G.M.Tumaikin, Yu.M.Shatunov. Proc. of the II Int. Seminar on Spin
Phenomena in High Energy Physics, Serpukhov (1985) 140; Proc. of the IX Conf. of Charged Particles, Dubna (1985) v.2, 268.
1985 Поляризационные эксперименты. BNL – LEGS D.H.Dowell e.a. Progress Rep. (1985) BNL 37623 , p. 29.
1993 Фоторождение тяжелых мезонов Гренобль ESRF – GRAAL J.P.Bocquet e.a. Proc. of the XIII Particle an Nuclear Int. Conf.,
(PANIC) Perudja, (1993).
1999 Исследование нуклонных резонансов Осака SP-ring - LEPS K. Ahn e.a. Proc. Accelerator science and technology, Wako
(1999), p141.
1991 Интенсивные гамма - пучки с использованием длинноволновых лазеров Осака SP-ring H.Ohgaki e.a. IEEE Trans.Nucl.Sci.
38 (1991) 386.
1996 Интенсивные гамма - пучки c использованием лазера на свободных электронах Университет Duke V.Litvinenko e.a. NIM
A 375 (1996) 74.