Введение к работе
Актуальность работы
В течение последних десятилетий изучение образования и распадов Л -гиперядер стало предметом весьма интенсивных экспериментальных и теоретических исследований. Эти ядра являются практически единственными представителями ядер, содержащих барионы, отличные от нуклонов, и которые могут быть образованы в количествах, позволяющих проводить исследование их спектроскопических характеристик, а также получить сведения о поведении Л -частицы в ядерной среде. Обнаружение существования связанных состояний странных барионов с нуклонами позволило расширить наши знания о сильном взаимодействии, первоначально интерпретируемом лишь как нуклон-нуклонное взаимодействие, в область нового класса взаимодействий странных адронов с нуклонной материей. С этой точки зрения, можно говорить о проявлениях в ядрах ненуклонных степеней свободы, связанных с дополнительным квантовым числом - странностью, которые невозможно описать, оставаясь в рамках традиционных моделей ядерных сил. Исследование гиперон-нуклонных и гиперон-гиперонных взаимодействий представляется одной из важнейших задач для построения фундаментальной картины взаимодействия адронов. Однако на возможность подобных исследований оказывают
сильное влияние времена жизни гиперонов (~10~ сек), которые слишком малы, чтобы получить вторичный пучок достаточной интенсивности. Для преодоления указанной трудности наиболее разумным представляется отыскание способа образовать гиперон непосредственно внутри ядра. В этом случае изучение гиперон-нуклонных и гиперон-гиперонных взаимодействий сводится к исследованию характеристик полученной гиперядерной системы. Кроме того, анализ связанных состояний гиперонов с нуклонами, позволяет исследовать структуру обычных ядер. При этом Л -гиперон, например, может использоваться как пробная частица для получения информации о распределении нуклонов в ядрах. Большой интерес представляет и изучение распадов связанных систем странных барионов с нуклонами, дающее сведения о структуре гиперядер. Теоретические модели, применяемые для построения потенциала гиперон-нуклонного взаимодействия, как правило, не дают адекватного описания структуры гиперядерных систем. Поэтому этот потенциал подбирают феноменологически, подгоняя в расчетах положения уровней гиперядра и вероятности их распадов к экспериментальным значениям. Особый интерес представляет изучение слабых распадов гиперядер, являющееся связующим звеном между физикой гиперядер и актуальными проблемами слабых взаимодействий в физике элементарных частиц. Как известно, слабый мезонный распад гиперядра за-
прещен принципом Паули, за исключением самых лёгких гиперядер. В более тяжелых гиперядерных системах реализуется слабый безмезонный распад, дающий сведения о четырёх фермионом барион-барионном взаимодействии с изменением странности. Следует отметить, что исследования гиперядер и постановка экспериментов весьма сложны, что приводит к достаточно ограниченному количеству имеющегося экспериментального материала. Поэтому приведенные в диссертации результаты анализа экспериментальных данных, полученных на установке для изучения процессов образования и распада гиперядер (спектрометр FINUDA), могут существенно пополнить наши сведения о странных гиперядерных системах. Цель работы
Основной целью работы являлось исследование Л -гиперядер в реакции обмена странностью (K~t л~) с медленными каонами: изучение спектров возбуждения образующихся гиперядерных систем, их слабых мезонных и безмезонных распадов с выделением вкладов отдельных каналов, поиск нейтронно-избыточных Л -гиперядер. Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в качественно новом применении реакции (K~top,7z~) для изучения процессов образования и распада гиперядерных
систем. Используемая экспериментальная методика позволила достичь существенного выхода гиперядер в реакции обмена странностью с медленными каонами и проводить измерения с высоким энергетическим разрешением, что является следствием использования очень тонких мишеней и высокой монохроматичности пучка низкоэнергетических каонов. При этом применялся широкий спектр доступных в данное время современных экспериментальных средств. В частности, впервые в физике гиперядер для регистрации частиц-продуктов образования и распада гиперядер были применены прецизионные кремниевые микростриповые детекторы. В рамках одного эксперимента был проведён комплексный анализ экспериментальных данных, позволивший вести одновременные исследования функций возбуждения Л -гиперядер, их слабых мезонных и безмезонных распадов, поиск нейтронно-избыточных Л-гиперядер, а также изучение связанных систем ^"-мезонов с нуклонами. Среди новых результатов, полученных в диссертации, следует отметить: 1. Разработана методика временной синхронизации системы сцинтилляционных
детекторов, основанная на регистрации синхронно испущенных е+е~ и К К~ -пар в цилиндрическом спектрометре FINUDA.
2. Впервые для регистрации пионов из слабых мезонных распадов гиперядер ALi,
АВе, Л В и л N использован метод реконструкции траекторий заряженных частиц в магнитном поле сверхпроводящего соленоида.
Для гиперядер ALi, АВе и AN экспериментальным путем определены отношения ширины распада по мезонному каналу Л —» ртС к ширине распада свободного Л-гиперона.
Экспериментально определено значение спина и чётности основного состояния
гиперядра д N.
Минимальная зарегистрированная энергия протонов из безмезонных распадов Л -гиперядер впервые достигла 15 МэВ.
Впервые изучен слабый безмезонный распад гиперядра Л Ы.
Для гиперядер из р -оболочки впервые определено отношение ширин безмезонных распадов с испусканием трёх нуклонов и с испусканием нейтрон-протонной пары.
Научная и практическая значимость работы
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для построения теоретических моделей, описывающих гиперон-нуклонные и гиперон-ядерные взаимодействия, а также при изучении слабых взаимодействий. Изучение функций возбуждения гиперядер представляет интерес как уточнение и подтверждение свойств различных гиперядерных систем. Исследованные в диссертации явления, происходящие с Л -гипероном в ядре (мезонные распады, безмезонные распады, безмезонные распады с выделением отдельных каналов), могут служить в качестве основы для будущего построения теоретического описания процессов распространения Л -гиперонов в ядерном веществе. Примененные в работе экспериментальные методики регистрации частиц и алгоритмы анализа данных могут быть использованы при постановке новых экспериментов как в области физики гиперядер, так и в области физики элементарных частиц. Положения, выносимые на защиту
1. Разработана и применена эффективная методика временной синхронизации сис
темы сцинтилляционных детекторов, используемых в эксперименте FINUDA
для временных измерений.
10 1 f\
2. Исследованы спектры возбуждения гиперядер АС и аО .
1 ?
3. Определены энергии связи основных и возбуждённых состояний гиперядер АС
4. Проведён анализ данных по слабым мезонным распадам Л —> р% гиперядер
7т- 9D 11D 15Лт
ALi,ABe,AB и AN.
Для гиперядер ALi, АВе, АВ и AN вычислены отношения ширин распада по мезонному каналу Л —» р%~ к ширине распада свободного Л -гиперона Г /ГЛ.
Для основных состояний гиперядер ALi, АВе и АВ подтверждены значения спина и чётности Jn =1/2+, 1/2+ и 5/2+, соответственно. Для гиперядра AN
спин и чётность основного состояния определена впервые: Jn =3/2 .
7. Проведён анализ данных по слабым безмезонным распадам Ар —> пр гиперядер
Л Не, л L/ и л С. При этом спектр протонов из распада л Ы был изучен впервые. Минимальная зарегистрированная энергия протонов для указанных гиперядер также впервые достигла значения Е =15 МэВ.
с 7 12
Для гиперядер АНе, ALi и ЛС получена оценка отношения числа протонов из распада Ар —» и/? к общему числу образованных гиперядер Л Z.
Для гиперядер АНе, АЫ, АВе, АВ, АС, АС, AN и аО исследовано влияние
на спектр протонов из безмезонных распадов взаимодействий в конечном состоянии (FSI эффект). Получена линейная зависимость эффекта FSI от массового числа А гиперядер.
10. Для тех же гиперядер впервые получена оценка отношения ширины распада по
трёхчастичному каналу ANN —> nNN к ширине распада по каналу Ар —> пр .
Получено также соотношение между шириной распада по каналу ANN —> nNN и полной распадной шириной по безмезонному каналу.
Получены спектры 7г+ -мезонов из процессов образования нейтронно-избыточных гиперядер АН и АН в реакции {K~t %+) с медленными каонами.
Исследованы связанные системы К~ -мезонов с нуклонами К~р , К~рр ,
К~ррп и К~ррпп, образующиеся при взаимодействиях медленных каонов с
ядрами. Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на международной конференции "Sendai International Symposium on Strangeness In Nuclear And Hadronic Systems - Sendai08" (Сендай, Япония, 2008), обсуждались на научных семинарах кафедры ядерной физики СПбГУ и на совещаниях, проводимых в Национальном Институте Ядерной Физики Италии (Фраскати, Италия).
Публикации по теме диссертации
По результатам исследований опубликовано 9 работ [А1-А9]. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Общий объём диссертации - 171 страница, включая библиографию из 134 наименований. Диссертация содержит 68 рисунков и 11 таблиц. Вклад автора работы
Автор непосредственно участвовал в экспериментах, проводимых на элек-трон-позитронных пучках ускорительного комплекса DAПохожие диссертации на Исследование образования гиперядер в реакции обмена странностью с медленными каонами
