Задачи начертательной геометрии Математика задачи и примеры Фотоядерные реакции

Общие отличия процессов фоторождения мезонов на свободных и внутриядерных нуклонах.
Дельта-изобара в ядрах

    Несмотря на то, что в ядре нуклоны связаны ядерными силами, которые реализуются через обмен пионами, различие между свободными и связанными в ядре нуклонами очень незначительно. Такой вывод можно сделать, в частности, на основе экспериментальных данных по полным сечениям фотопоглощения, которые в первом приближении (с точностью до нескольких процентов) пропорциональны числу нуклонов в ядре. Экспериментаторы долго пытались обнаружить присутствие пионов в ядрах. Но, несмотря на высокое пространственное разрешение, которое дает, например, метод рассеяния электронов, пионы в ядрах обнаружены не были, и достоверных данных об изменении размеров нуклонов в ядре (пионная шуба) также получено не было. Вопрос о прохождении возбужденных нуклонов и мезонов через ядерную среду тоже до сих пор мало исследован. Вообще, к настоящему времени большая часть полученной информации о фотоядерных реакциях в области нуклонных резонансов, в основном, относится только к протону и, в меньшей степени, к дейтрону. Проблема изучения фоторождения мезонов на ядрах – это вопрос ближайшего будущего. При этом основные задачи в этой области уже практически определились. Основная доля исследований, относящихся к ядрам, приходится сейчас на дельта – изобару как самое низкое по энергии возбужденное состояние нуклона.


Рис. 14.1. Декуплет барионов с Jp = 3/2+. S – странность, I – изоспин, в скобках указана энергия состояния.



Рис. 14.2. Кварковая диаграмма распада дельта++

eint14_03a.gif (2574 bytes)

Рис. 14.3. Диаграмма межнуклонного взаимодействия


Рис.14.4. Полные сечения поглощения пионов (вверху) и фотонов (внизу) в области нуклонных резонансов на ядре 12С. Для пионов: точки – эксперимент (для пи+ и пи- мезонов вместе) ; кривая – расчет по эйкональной модели на основе (пиN) полного сечения. Для фотонов: кривая – сечение фотопоглощения на дейтроне, умноженное на 6.

    Возбужденные состояния нуклона отличаются от основного состояния квантовыми числами, которые определяются суперпозицией кварков. Для протона, состоящего из uud – кварков и нейтрона (udd) J1/2+ , где 1/2 - полный момент (спин), (+) – четность. При этом спины двух кварков антипараллельны по отношению к спину третьего кварка. Самым низким по энергии возбуждения оказывается состояние с J3/2+ (дельта-изобара), которая отличается от основного состояния тем, что все спины кварков направлены в одну сторону.
    На рис.14.1 , который показывает декуплет барионов с Jp = 3/2+, видно, что дельта изобара может иметь разный электрический заряд (-, 0, +, ++), который также определяется суперпозицией зарядов кварков.
    дельта-резонанс распадается на нуклон и пион. Согласно законам сохранения заряда дельта++-резонанс распадается единственным способом: дельта++----->пи+ + p. Для распада дельта0 -резонанса существует две возможности: дельта0----->пи0 + n, дельта0----->пи- + p и т.д.
    Кварковая диаграмма распада дельта++ показана на рис.14.2. “Вилка” в правой части диаграммы возникла в результате рождения пары antidd глюоном. Этот глюон был испущен одним из трех u-кварков дельта++-резонанса. Однако, как уже отмечалось выше, глюоны на диаграммах сильного взаимодействия обычно не рисуются (они лишь подразумеваются).
    На кварковом уровне можно изобразить диаграмму межнуклонного взаимодействия (см.рис.14.3).      Эта диаграмма приведена здесь для того, чтобы отметить важную деталь, связанную с исследованием возбужденных состояний свободных, а особенно внутриядерных нуклонов. Очевидно, что нуклоны можно возбуждать разными способами, используя разные пробы: фотоны, электроны, пионы, протоны и т.д. Однако, только фотоны позволяют наиболее неинвазивным способом (используя медицинскую терминологию) исследовать внутреннюю структуру ядер. В области нуклонных резонансов фотоны с длиной волны, сравнимой с размером нуклона, свободно проникают в ядро. При этом передаваемый импульс минимален и вся энергия переходит на возбуждение нуклона. Поэтому все особенности наблюдаемых сечений, или других характеристик процесса, будут связаны именно со структурой объекта, так как фотон можно считать бесструктурной частицей.
    Очевидно также на основании приведенных выше диаграмм, что для исследования природы возбужденных состоянии очень важно изучать спиновые зависимости соответствующих процессов. Для этого нужны поляризованные фотоны (измерение пучковой асимметрии сигма) и желательно иметь поляризованную мишень для измерения других поляризационных наблюдаемых.
    Среди других проб, наиболее подходящим инструментом для решения этой задачи являются пучки пионов (пи+ и пи-), которые также как и фотоны наиболее простым способом (см.диаграммы) могут возбуждать нуклон, при этом их сечение взаимодействия примерно в 137 раз больше, чем фотонное, что является, с одной стороны, положительным фактором. Однако, благодаря этому, пионы эффективно поглощаются на поверхности ядра и, следовательно, изучать можно только поверхностные эффекты. Таким образом, можно сказать, что реакции с пионами и фотонами эффективно дополняют друг друга. Более тяжелые частицы, например протоны, тоже могут возбуждать дельта изобару и другие возбужденные состояния нуклонов в ядрах, но интерпретация получаемых результатов при этом очень усложняется.

    Рассмотрим теперь некоторые экспериментальные данные по возбуждению дельта изобары в ядрах. На рис.14.4 показаны полные сечения взаимодействия пионов и фотонов с ядрами 12С, у которых число протонов равно числу нейтронов. В области дельта резонанса и выше заметного различия между положительными и отрицательными пионами не наблюдается, поэтому сечения для всех реакций приведены на одном рисунке.
    Из рис.14. 4 видно, что разброс экспериментальных точек для пионов довольно велик, а для фотонов он мал. По-видимому, для пионов это связано с методическими ошибками, которые возникают при некорректном вычитания фона от упругого рассеяния. Большинство результатов как на фотонах, так и на пионах, получено методом ослабления (поглощения) пучка, но для фотонов упругое рассеяние пренебрежимо мало, а для пионов может достигать 20%. Так же можно отметить, что фотонные данные получены с использованием монохроматических (меченых) фотонов и за счет этого ошибка измерений не превышает нескольких процентов.

 

 


Физика атома