Материал: Добрецов Сборник лабораторных работ по ядерной физике Ч.3 2013

Р а б о т а 16

ИЗУЧЕНИЕ pp-РАССЕЯНИЯ ПРИ ЭНЕРГИИ ПРОТОНОВ 660 МэВ

Цель – определение полного σполн и неупругого σнеупр сечений рассеяния протона на протоне при энергии налетающего протона

Tp = 660 МэВ.

ВВЕДЕНИЕ

В результате взаимодействия частиц происходят разнообразные процессы их превращений. Реакции взаимодействия частиц a и b можно разделить на упругие, квазиупругие и неупругие. Под реакцией упругого рассеяния подразумевается процесс взаимодействия (a + b → a + b), в котором сорт частиц не изменяется, а изменяются лишь их импульсы. В процессе квазиупругого взаимодействия частиц a и b в конечном состоянии образуются так же, как и при упругом рассеянии, две частицы, но их сорт отличается от сорта частиц a и b (a + b → c + d). Самую большую группу процессов образуют реакции неупругого взаимодействия (a + b → c + d + ...), в результате которых образуется более двух частиц. Количественной мерой процессов взаимодействия частиц является сечение. Оно характеризует число соответствующих реакций, происходящих в единицу времени в единице объема при единичной плотности потока падающих частиц и единичной плотности частиц мишени. Это определение относится к лабораторной системе координат, но само понятие сечения является релятивистским инвариантом.

Дифференциальное сечение процесса взаимодействия частиц a и b c образованием произвольного числа вторичных частиц с им-

пульсом в интервале от Pf до Pf + dPf подсчитывается по формуле [5]

Здесь Si:(Sa, Sb); Sf – спиновые квантовые числа первичных и вторичных частиц; |M|2 – квадрат модуля инвариантной амплитуды процесса, которая усредняется по спиновым состояниям первичных частиц и суммируется по спиновым состояниям вторичных частиц,

после чего ∑ M 2 зависит только от кинематических перемен-

Si ,S f

ных. Величина j называется инвариантным потоком и равна [(PaPb)2 – ma2 mb2]1/2, где Pa, Pb – 4-импульсы первичных частиц a,

b; ∑Pf – сумма 4-импульсов вторичных частиц, Ef – полная энер-

f

гия вторичной частицы. В формуле (16.1) выражение

есть элемент фазового объёма вторичных частиц.

Рис. 16.1

36

Как видно из рис. 16.1, сечение упругого рр-рассеяния уменьшается с увеличением энергии налетающего протона, а полное сечение, начиная с энергии Ep ≈ 500 МэВ, практически остается постоянным. С ростом энергии (при Ep > 300 МэВ) в рр-рассеяние включаются неупругие каналы с рождением одного, двух и т.д. π-ме- зонов и других частиц.

Кинематический анализ упругого рассеяния протонов при больших энергиях позволяет получить формулу, дающую связь между углами, под которыми вылетают рассеянный протон (угол Θ) и протон отдачи (угол ϕ):

где Tp, Mp – кинетическая энергия и масса налетающего протона. Из этой формулы следует, что угол разлёта двух протонов (Θ + ϕ) в отличие от нерелятивистского случая (ctgΘ ctgϕ = 1) меняется в пределах

(Θ + ϕ)мин ≤ (Θ + ϕ) ≤ π/2.

Величина (Θ + ϕ)мин является функцией энергии протона Tp, достигается при Θ = ϕ и определяется формулой

Напомним, что в нерелятивистском случае Θ + ϕ = π/2.

Более подробно поведение сечения рассматривается в [6]. Используя импульсную диаграмму упругого рассеяния протона на протоне при больших энергиях, можно убедиться в правильности формулы (16.3).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Рассеяние протонов на протонах изучалось с помощью пузырьковой камеры, облученной пучком протонов синхроциклотрона ОИЯИ в г. Дубне. Схема установки показана на рис. 16.2, а.

37

а

б

Рис. 16.2

На рис. 16.2, б приведены вид сбоку на пузырьковую камеру и расположение оптических систем для фотосъемки. Камера наполнена жидким водородом, плотность которого составляла 0,058 г/см3, и помещена в магнитное поле напряженностью Н = = 12000 Э. События в камере фотографировались двумя фотоаппаратами, что давало возможность при изучении снимков восстановить их пространственную картину.

38

Рис. 16.3

В настоящей работе измеряются только плоские углы для всех случаев рр-рассеяния (как упругого, так и неупругого). Затем строится зависимость дифференциальных сечений рр-расcеяния от этих плоских углов. Зная число актов взаимодействия в мишени N, сечение можно определить по формуле