Фотоядерные исследования на накопителях электронов

и тяжелых ионов

В.Г.Недорезов

Институт ядерных исследований РАН, Москва

Виртуальные фотоныРассеяние 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 Тяжелые ионы

ELISE FAIR-NUSTAR

GRAAL NIKA SPring8

Легкие ядра, нуклоны Тяжелые ядраПоляризационные эксперименты

Спиновая структура нуклонов Экстремальные

Нуклонные резонансы состояния Фоторождение тяжелых мезонов материи

EMIN-2006, Moscow

Кулоновская диссоциацияЭкспериментальные данные

Деление ядер 238U под действием 208Pb

[W.Brushe, S.M.Polikanov e.a. Scientific report GSI 93-1 (1993) p.67.]

Кулоновская диссоциацияЭкспериментальные 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 диссоциацияЭкспериментальные данные

Фотонейтронные реакции 1.7A GeV 20Ne + 197Au (метод наведенной активности)

[T.Aumann e.a. Nucl.Phys. A569 (1994) 157.]

Кулоновская диссоциацияЭкспериментальные 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

l – мультипольность, постоянная тонкой структуры,

СL - структурная ф-ция:

СL= 2(Ee –Eдля l = E1,

СL= 0для l = M1,

СL= 8/3 [(Ee –Eдля l = 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).]

})(2

ln])(1{[),( 2L

ee

eee

e

eee

l CEm

mEEx

E

EEEEEN

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 Electron beam Е = 140 МэВ Е = 2.5 ГэВ

Be MIRROR

intensity (photon/s):

Argon (UV) 107 [V.G.Nedorezov, A.A.Turinge, Yu.M.Shatunov,

СО2 (IR) 1010 UFN 47 (2004) 341]

FEL 1012

Recirculation 1015

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) 4121985 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.

GRAAL

E=600÷1500 МeV

E=16 МeV

P100%

NOT IN SCALE

Результаты

Результаты

Асимметрия реакции p –> n Асимметрия реакции p –> p+n

Мультипольный анализ (сплошные линии), изобарная модель (пунктир)

Результаты

Дифференциальные сечения

фоторождения – мезонов на протоне.

Справа - результаты аппроксимации

(a + b cosc cos2

Анизотропия скорости света по отношению к диполю реликтового излучения

21

1

22 1

1

dd

2

1

410e

e

m

E

Amplification factor of 108

EXPERIMENT

Превышение полных сечений фотопоглощения тяжелых ядер над «универсальной кривой»

N

I.A. Pshenichnov, B.L.Berman, e.a. e-Print Archive: nucl- th/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 ]

135 547 768 782 M, MeV

- Ядро – сумма квазисвободных нуклонов детектор + полная кинематика

- Низкий уровень фона

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 :

where – cross section, nuclear density (0.17 Fm-3), l – free mean pass.

el in

Probability for zero and one interaction step within INC :

The ratio = 6.7 for slow –mesons (=150 mb)

Life time of unstable mesons depends on its velocity; for slow – mesons the free mean pass l = 3 Fm.

)exp(!

)()( l

k

lkw

k

)exp()0(

)0( lld

dww

)1exp()1(

)1( lld

dww

1)1(

)1( l

w

w

INC prediction for different cascade steps [Moscow, EMIN-2001, p.170 ]

Simulations with LAGGEN+INC code for meson photoproduction on 14-N nucleus

(p = 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 ]

Correlations between momentum and angle of the primary INC protonshow that different meson regions are clearly separated

Simulations with LAGGEN+INC code for meson photoproduction on 14N nucleus

(E 1.5 GeV); multiple mesons (1-4) are included

Deuteron target, E= 900-920 MeV, =250, Ncharge tracks >= 1, SIMULATION EXPERIMENT (GRAAL DATA)

gamma+p --> pi0+pgamma+n --> pi-+pgamma+p --> rho0+pgamma+n --> rho-+pgamma+p --> eta+pgamma+p --> omega+p

Simulation: 2D target

Number of the charged tracks in forward >= 1

2<theta<10 30<theta<402<theta<10

simulation

Experiment Kinematics is not included

Number of the charged tracks in forward = 1Number of the neutral clusters in BGO = 2

20<theta<100

Number of the charged tracks in forward >= 1

gamma+d --> all channelsgamma+p --> pi0+pgamma+n --> pi-+pgamma+p --> eta+p

simulation experiment

Number of the charged tracks in forward = 1Number of the neutral clusters in BGO = 2

gamma+d --> all channelsgamma+p --> pi0+pgamma+n --> pi-+pgamma+p --> eta+p

simulation experiment

Number of tre charged tracks in forward >= 1gamma+d --> all channelsgamma+p --> pi0+pgamma+n --> pi-+pgamma+p --> eta+p

simulation experiment

Egamma = 790-810 MeV

Number of the charged tracks in forward = 1Number of the neutral clusters in BGO = 2

gamma+d --> all channelsgamma+p --> pi0+pgamma+n --> pi-+pgamma+p --> eta+p

simulation experiment

Egamma = 790-810 MeV

simulation

gamma+p --> pi0+pgamma+n --> pi-+pgamma+p --> eta+p

Number of the charged tracks in forward >= 1

Egamma = 790-810 MeV

Number of the charged tracks in forward >= 1

simulation experiment

Egamma = 790-810 MeV

Number of thre charged tracks in forward = 1Number of the neutral clusters in BGO = 2

simulation experiment

Egamma = 790-810 MeV

Experiment on deutron Simulations done with INC code on14N nucleus

Angle vs momentum correlation of primary recoil proton

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 рассеяния1963 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) 4121985 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.