PPT - ИФВЭ

Программа экспериментов с легкими
ядрами на У-70
А.М.Зайцев, ГНЦ ИФВЭ
«Физика фундаментальных взаимодействий»
Протвино, 23 декабря 2008 г
Основные установки
Основные направления развития комплекса
Программа первоочередных экспериментов с
ускоренными ядрами:
-исследование «критической точки» √SNN≈ 7.5 ГэВ
-«кумулятивные» адроны
-исследование свойств легких нестабильных ядер:
- дифракционная диссоциация;
- электровозбуждение
- формфакторы
-свойства адронов в ядерной материи
1.
Спектроскопия, механизмы
реакций
ВЕС
СВД
СПИН
ГИПЕРОН
МИС
2.
Поляризационные
эксперименты
ПРОЗА-СПАСЧАРМ
ФОДС
3.
Распады каонов
ОКА
Канал сепарированных каонов
Optics
RF1
RF2
Phase shift between m1 and m2
at the distance L:
BS
m2
m1
m1 m2
m2
L
Two-Cavity RF Separation
Main parameters of the
superconducting RF separator
Wave length, 
Length of cavity, l
Aperture, d
Deflecting field, E
0.1046 m
2.74 m
39.8 mm
1.2 MV/m
V.Garkusha, B.Prosin et al
L E022  E012
 12  
  pc 2
Deflection amplitude for m2:
A2  2
eEl
sin  12 2 
pc
The IHEP separated kaon beam:
pc=12.5 GeV/c, L=76.27 m
p=4 and K=1.04
A2=0.44 mrad at E=1 MV/m
Beam divergence at RF in the
vert. plane should be 0.22 mrad !
Assembly of refrigerator and heat exchanger
S.Kozub et al
Канал сепарированных каонов
• a
При ЕУ70=50 ГэВ получено обогащение пучка
каонами в 25 раз
При номинальной энергии 64 ГэВ и
интенсивности I=1013 р/цикл:
Ibeam=4.0*106 /цикл
Ik= 1.2*106 /цикл
Возможно дальнейшее улучшение
параметров:
-повышение поля в дефлекторах
-тонкая настройка канала
-повышение интенсивности пучка протонов
V.Garkusha, B.Prosin et al
Цель: Ibeam=5.0*106 /цикл
Ik= 3*106 /цикл
У-70 → универсальный адронный ускоритель
• Ускорение легких ядер
• Повышение потока (I*F*t)
• Ускорение поляризованных
протонов
• У-70
СУ-100
«критическая точка» √SNN≈ 7.5 ГэВ
Спектроскопияядра:
легкие нестабильные
Поляризационные
эксперименты
- дифракционная
диссоциация;
Распады каонов 1010 → 1011
- электровозбуждение
К0 → e μ (10-14), К0 → π e μ
- формфакторы
K0 → πνν
«кумулятивные»
адроны
K+ →πвμядерной
свойства адронов
материи
Тν
гиперядра g-2
de μ
…..
μ→ e конверсия
…….
(p→ p←)
→ x…
J/ψ
, χ 0,1,2 …
импульсный
нейтронный
источник
p↑ p →x
p↑ p → p p
σ (p→ p←) - σ (p→ p→)
Ions
NB0
proton p
1.71013
proton p
2-91011
deuteron d
11011
carbon 12C6+
3109
Ю.Чесноков
С.Иванов
3*10^6 12C
3*10^9 12C
3*10^9 12C
3*10^5 12C
3*10^5 12C
Критическая точка при √S NN≈7.5 ГэВ
(1)
У70
•
•
•
•
•
В центральных столкновениях
тяжелых ядер при √SNN≈7.5 ГэВ
наблюдается резкое изменение
ряда основных характеристик
взаимодействий:
Отношение выходов K+ и π+
Температура K+
Флуктуации
Зависимость выходов π от
энергии
•
Причины таких изменений
неизвестны. Распространено
предположение о том, что
наблюдаемые явления вызваны
фазовым переходом.
•
Энергия ускоренных ядер У-70
√SNN≈8 ГэВ достаточна для
изучения эффекта.
Отношение выходов K+ и π+
мезонов в центральных Au+Au
и Pb+Pb столкновениях ,
а также в рр столкновениях
Температура K+ мезонов
в зависимости от
энергии столкновения в
системе центра масс
Критическая точка при √S NN≈7.5 ГэВ (2)
•
Можно ожидать, что большие эффекты возникнут уже в столкновениях ядер
углерода
NA49
158 A ГэВ
Исследование критической точки на У-70 (1)
•
СПИН, ФОДС
–измерение энергетической
зависимости инклюзивных
спектров π+,π-, Κ+, Κ-, р, р , D,
в широком диапазоне углов и
импульсов на разных ядрах в
пучках р, D и 12С
Исследование критической точки на У-70 (2)
СВД (ВЕС)
–измерение энергетической
зависимости инклюзивных
спектров
π0,η, η’, Κ0, ω, f2 (С.Садовский)
в широком диапазоне углов и
импульсов на разных ядрах в
пучках р, D и 12С
(с измерением центральности)
На установках ВЕС (СВД)
возможно измерение выходов
K+ / π+ в диапазоне
0.5 ГэВ/c <pt< 2 ГэВ/c
4 ГэВ/c <pl<15 ГэВ/c
с измерением центральности
В перспективе нужна
установка с ионизационной
время-проекционной
камерой, например, на базе
магнита АСТРОН
Ю.Харлов
Кластерные структуры в ядрах
•
•
•
Энергия ядерных пучков У-70
оптимальна для поиска и детального
исследования кластерных структур в
ядрах. Указания на существование
таких образований получены в
экспериментах по глубоко-неупругому
рассеянию электронов на ядрах и в
многочисленных экспериментах по
исследованию кумулятивных адронов.
Вызванные кластерами (флуктонами)
эффекты особенно удобно изучать при
энергиях ядерных пучков У-70,
поскольку при меньших энергиях они
замазаны фермиевским движением
нуклонов в ядрах, а при более высоких
энергиях сечения подлежащих
исследованию жестких процессов
оказываются слишком малыми для
детального изучения.
Критическими для понимания
природы кластеров могут стать
эксперименты по регистрации частиц
отдачи под углом 1800 к направлению
вылета кумулятивного адрона.
А.Ставинский
Исследование кластерных структур в ядрах на У-70
T
•
•
•
В экспериментах на У-70 хорошие возможности
для исследования кумулятивных адронов под
нулевым углом реализуются на канале 22, где есть
мишень на медленном выводе и канал вторичных
частиц произвольного знака заряда, пригодный для
детального анализа состава пучка в широком
кинематическом диапазоне. Для анализа состава
пучка можно использовать установку ФОДС.
Измерение спектров в кумулятивной области на
различных мишенях и при различных энергиях под
большими углами, а также измерения корреляций
между кумулятивным адроном и вылетающими в
противоположную сторону адронами возможно на
установках ФОДС и СПИН.
Возможности установки ФОДС в исследовании
корреляций существенно расширятся после
модификации спектрометрического магнита
Кумулятивные
адроны
1
Модернизация ФОДС
x
Кумулятивные процессы на установке СПИН
В качестве примера возможности СПИНа в рамках флуктонной кинематики i*N +
j*N  p + (i+j-1)*N при 20 ГэВ/нуклон и угле плеча фрагментации мишени 35 0
Плечо фрагментации мишени
Регистрация протона для угла 350
Рт > 2ГэВ//с
Плечо фрагментации пучка
Регистрация остатка (i+j-1)*N
посредством регистрации энергии в h+/- , h0 , 
350
350
Триггер как на заряженную частицу в плече фрагментации мишени, так и на энерговыделение в
плече фрагментации пучка для кумулятивной области
Исследование кумулятивных процессов в dA взаимодействиях при больших Рт
Впервые возможность исследования корреляций. Сравнение с различными моделями
(многокварковые, малонуклонные корреляции)
В.Аммосов
15
Исследование легких нестабильных ядер
•
•
•
•
•
При взаимодействии ускоренного пучка 12С с ядрами образуются высокоэнергичные
фрагменты, в том числе короткоживущие ядра(10С, 9С, 8B, 9Li, 8Li, 8He, 6He). Эти ядра
экзотичны (нейтроноизбыточные и нейтронодефицитные) и недостаточно изучены в
силу их нестабильности.
Некоторые из ядер очень необычны - 8He
Исследование их свойств важно как для развития физики ядра, так и в прикладных
целях.
Свойства нестабильных ядер интенсивно изучаются на ускорителях ионов при
низких энергиях.
В ряде случаев высокие энергии пучков У-70 создают новые уникальные
возможности для исследования нестабильных ядер
9Li
178 ms
8Li
838 ms
8He
119 ms
6He
807 ms
Кинематические характеристики продуктов фрагментации
При высокой энергии продукты
фрагментации ядра (фрагменты)
продолжают лететь по направлению
движения ядра практически с
прежней скоростью.
Разброс фрагментов по продольному и
поперечному импульсам в системе
налетающего ядра составляет всего ≈100
МэВ, вследствие чего в лаб. системе
фрагменты имеют:
- импульсы
pf≈ pA*mf/mA ±0.1[GeV]*pA/mA
- углы
θf≈ 0.1[GeV]/(pA*mf/mA)
Вследствие такой кинематики
обычный канал с
Δp= ±3% Δ θ= 3 mrad
отбирает (сепарирует) нужные
фрагменты с высокой эффективностью
(≈50%) и низким фоном (<10-3) !
L.Anderson et al. 1983
Интенсивность
пучков
радиоактивных ядер
Сечения образования
большинства фрагментов при
взаимодействии пучка 12C c
различными мишенями
измерены при низких энергиях.
Эти сечения слабо зависят от
энергии и существенно
различаются для разных
фрагментов.
При интенсивности пучка 12C
I=3·109 /цикл
интенсивность фрагментов в
канале будет в диапазоне
от I=106 /цикл для 8Li
до I=104 /цикл для 8He
fragmen
t
Life- time
σ (12C + 12C)
→ fragment
(mb)
11C
20,3 m
53
10C
19,3 s
2
9C
126 ms
11B
Rigidity
GeV/c)
Momentum
(GeV/c)
N
per cycle
60,5
363
2,0E+07
55
330
7,4E+05
0,2
49,5
297
7,4E+04
stable
70
72,6
363
2,6E+07
10B
stable
38
66
330
1,4E+07
8B
770 ms
1,4
52,8
264
5,2E+05
10Be
1,6 10^6 y
6
82,5
330
2,2E+06
9Be
stable
10
74,25
297
3,7E+06
7Be
53 d
12
57,75
231
4,4E+06
9Li
178 ms
0,5
99
297
1,9E+05
8Li
840 ms
2,4
88
264
8,9E+05
7Li
stable
7
77
231
2,6E+06
6Li
stable
4
66
198
1,5E+06
8He
119 ms
0,035
132
264
1,3E+04
6He
807 ms
2
99
198
7,4E+05
4He
stable
50
66
132
1,9E+07
3He
stable
5
49,5
99
1,9E+06
3H
12,3 y
5
99
99
1,9E+06
«Классические эксперименты» в пучках радиоактивных ядер
•
•
•
•
Полные сечения
Упругое рассеяние (с возбуждением мишени, фрагментов)
Диссоциация
Кулоновская диссоциация
•
Эти реакции интенсивно изучаются при низких энергиях
•
-
При энергии У-70 появляются новые возможности:
Полная регистрация всех продуктов диссоциации, включая нейтроны (П.Зарубин)
В ряде случаев упрощается анализ реакций
•
Для этих экспериментов нужна новая установка на канале 22
Электровозбуждение ядер, формфакторы
•
•
•
•
При энергии пучков У-70 появляется новая уникальная возможность исследования
характеристик нестабильных ядер при помощи упругого и неупругого рассеяния
ядер на электронах мишени:
e- +A → e- + A
(1)
e- +A → e- + A’
(2)
e- +A → e- + X
(3)
•
При номинальной энергии У-70 (Е=66 ГэВ) ускоренное ядро движется с γфактором γ= E/2mN = 35, так что в системе покоя ядра энергия налетающего
электрона составляет Ее= γ·me = 18 МэВ.
•
Это идеальная энергия для изучения ядер при помощи реакций 1, 2, 3
поскольку она вполне достаточна для возбуждения практически всех уровней и
непрерывного спектра, и не слишком большая, что важно для прецизионных
измерений (Е=Еin – Ef)
•
Таких возможностей нет на других ускорителях (кроме, может быть, SPS)
Электромагнитные характеристики ядер
•
Для стабильных ядер измерение упругих и неупругих
формфакторов является одним из основных методов
изучения их характеристик.
•
Электромагнитные характеристики экзотических ядер
существенно зависят от того, как эти ядра устроены.
•
В GSI и RIKEN планируются e A коллайдеры для
исследования нестабильных ядер по схеме:
Ускорение ядер
Стриппинг – формирование пучка фрагментов
Накопление фрагментов в накопителе
БЫСТРОЕ охлаждение фрагментов (уменьшение
фазового объема)
Ускорение и накопление электронов в другом
накопительном кольце
Столкновения eA (лоб в лоб или вдогонку)
L=1028→1030 cм-2 sec-1
o
o
o
o
o
o
o
L.Burt et al. 1982
Основные характеристики реакций на У-70
•
Кинематика
0,16
θ
0,14
sin te e=2
0,08
sin te e=4
0,06
sin te e=6
0,04
0,02
1,2
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0
0,2
Разрешение
Основной вклад в разрешение по энергии
возбуждения ядра дает многократное
рассеяние электронов в мишени.
Для водородной мишени L=10 см
σЕ ≈0,3 ÷ 1 МэВ
В большинстве случаев такое разрешение
достаточно для выделения упругого
рассеяния и разделения уровней ядра.
sin te e=0
0,1
0,1
•
0,12
0
Статистика (пример 9С)
Поток: 109/день
σ(-t>0,002 GeV2, E>200 MeV)= 30 mb
Мишень Н2 , L=10 см
N=107 /день
Ee
25
dS/dt (mb/GeV^2)
•
•
•
•
•
20
15
10
5
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
t*10^3 GeV^2
0,8
0,9
1
1,1
1,2
Возможное расположение установки
•
•
•
•
•
•
Основные элементы:
Н2 мишень
«Короткий» (20см) магнит
Дрейфовые камеры с минимумом
вещества
ЭМ калориметр – NaJ
•
Длинный магнит для анализа
фрагментов
Детекторы на большой базе
•
Подходящее место есть на канале 22
Пример экзотики
•
•
•
•
При высоких энергиях ускоренных ядер возможны нестандартные
поисковые эксперименты, например, поиск четырехнейтрона.
Некоторые указания на существование такого ядра получены в
экспериментах при низких энергиях.
В большинство ядерных моделей таких ядер нет.
В пучках У-70 возможен практически бесфоновый эксперимент по
поиску четырехнейтрона, существенно использующий подавленность
барионного обмена при высоких энергиях
4n
π-
n
12С
магнит
3H
n
конвертор
спектрометр
tmin
0,08
0,07
Мезоны в ядрах в «обратной» кинематике
0,06
2,5
0,05
0,04
12C
34
32
30
28
26
24
22
20
0
18
0,01
16
+ 12C->12C + 12CX (X=σ, f0, ω, f1, f2…)
10
12C
14
0,02
2
1,5
1
12
0,03
ENN
1
0,9
0,8
R
1
0,7
0,6
0,5
0,4
2,5
0,3
0,2
Такие эксперименты возможны на установке
ВЕС.
34
32
30
28
26
24
ENN
Свойства мезонов в ядрах (массы, ширины,
парциальные ширины) могут существенно
отличаться от тех, что наблюдаются в вакууме.
При достаточно высокой энергии пучка
оказывается возможным добавить к ядру
большую массу без существенного
«встряхивания».
22
20
18
16
14
10
12
0,1
0
12C
Very
forward
tracker
Beam detectors
ВЕС
Заключение
Пучки ускоренных в У-70 ядер позволяют выполнить ряд актуальных
экспериментов:
o Исследование «критической точки»
o Поиски и исследование «флуктонов»
o Исследование свойств мезонов в ядерной материи
o
Значительная часть этих исследований может быть выполнена на
существующих установках
o
Ядерные пучки У-70 создают уникальные возможности для исследования
электромагнитной структуры короткоживущих ядер.
Для этих исследований нужна новая специализированная установка
o
При ускорении более тяжелых ядер возможности исследований резко
расширятся.