Программа экспериментов с легкими ядрами на У-70 А.М.Зайцев, ГНЦ ИФВЭ «Физика фундаментальных взаимодействий» Протвино, 23 декабря 2008 г. - презентация

1 Программа экспериментов с легкими ядрами на У-70 А.М.Зайцев, ГНЦ ИФВЭ «Физика фундаментальных взаимодействий» Протвино, 23 декабря 2008 г

2 Основные установки Основные направления развития комплекса Программа первоочередных экспериментов с ускоренными ядрами: -исследование «критической точки» S NN 7.5 ГэВ -«кумулятивные» адроны -исследование свойств легких нестабильных ядер: - дифракционная диссоциация; - электровозбуждение - формфакторы -свойства адронов в ядерной материи

3 1.Спектроскопия, механизмы реакций ВЕС СВД СПИН ГИПЕРОН МИС 2.Поляризационные эксперименты ПРОЗА-СПАСЧАРМ ФОДС 3.Распады каонов ОКА

4 RF1RF2OpticsBS L m 1 m 2 m1m1 m2m2 m2m2 The IHEP separated kaon beam: pc=12.5 GeV/c, L=76.27 m p =4 and K =1.04 A 2 =0.44 mrad at E=1 MV/m Beam divergence at RF in the vert. plane should be 0.22 mrad ! Main parameters of the superconducting RF separator 1.2 MV/mDeflecting field, E 39.8 mmAperture, d 2.74 mLength of cavity, l mWave length, Phase shift between m 1 and m 2 at the distance L: Deflection amplitude for m 2 : V.Garkusha, B.Prosin et al Two-Cavity RF Separation Канал сепарированных каонов

5 Assembly of refrigerator and heat exchanger S.Kozub et al

6 Канал сепарированных каонов a При Е У70 =50 ГэВ получено обогащение пучка каонами в 25 раз При номинальной энергии 64 ГэВ и интенсивности I=10 13 р/цикл: I beam =4.0*10 6 /цикл I k = 1.2*10 6 /цикл Возможно дальнейшее улучшение параметров: -повышение поля в дефлекторах -тонкая настройка канала -повышение интенсивности пучка протонов Цель: I beam =5.0*10 6 /цикл I k = 3*10 6 /цикл V.Garkusha, B.Prosin et al

7 У-70 универсальный адронный ускоритель Ускорение легких ядер Повышение потока (I*F*t) Ускорение поляризованных протонов У-70 СУ-100 «критическая точка» S NN 7.5 ГэВ легкие нестабильные ядра: - дифракционная диссоциация; - электровозбуждение - формфакторы «кумулятивные» адроны свойства адронов в ядерной материи гиперядра ….. Спектроскопия Поляризационные эксперименты Распады каонов К0 e μ ( ), К0 π e μ K0 πνν K+ π μ Т ν g-2 d e μ μ e конверсия ……. импульсный нейтронный источник (p p) x… J/ψ, χ 0,1,2 … p p x p p p p σ (p p) - σ (p p)

8 IonsN B0 proton p proton p deuteron d carbon 12 C С.Иванов Ю.Чесноков 3*10^9 12 C 3*10^6 12 C 3*10^9 12 C 3*10^5 12 C

9 Критическая точка при S NN 7.5 ГэВ (1) В центральных столкновениях тяжелых ядер при S NN 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-70S NN8 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 У70

10 Критическая точка при S NN 7.5 ГэВ (2) Можно ожидать, что большие эффекты возникнут уже в столкновениях ядер углерода NA A ГэВ

11 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 12 С

12 Исследование критической точки на У-70 (2) СВД (ВЕС) –измерение энергетической зависимости инклюзивных спектров π 0,η, η, Κ 0, ω, f 2 (С.Садовский) в широком диапазоне углов и импульсов на разных ядрах в пучках р, D и 12 С (с измерением центральности) На установках ВЕС (СВД) возможно измерение выходов K+ / π+ в диапазоне 0.5 ГэВ/c

13 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 к направлению вылета кумулятивного адрона. А.Ставинский

14 Исследование кластерных структур в ядрах на У-70 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 T Модернизация ФОДС Кумулятивные адроны 1 x

15 15 Кумулятивные процессы на установке СПИН 35 0 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 35 0 Рт > 2ГэВ//с Плечо фрагментации пучка Регистрация остатка (i+j-1)*N посредством регистрации энергии в h +/-, h 0, 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

16 Исследование легких нестабильных ядер 9 Li 178 ms 8 Li 838 ms 6 He 807 ms 8 He 119 ms При взаимодействии ускоренного пучка 12 С с ядрами образуются высокоэнергичные фрагменты, в том числе короткоживущие ядра( 10 С, 9 С, 8 B, 9 Li, 8 Li, 8 He, 6 He). Эти ядра экзотичны (нейтроноизбыточные и нейтронодефицитные) и недостаточно изучены в силу их нестабильности. Некоторые из ядер очень необычны - 8 He 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

17 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 p f p A *m f /m A ±0.1[GeV]*p A /m A - углы θ f 0.1[GeV]/(p A *m f /m A ) Вследствие такой кинематики обычный канал с Δp= ±3% Δ θ= 3 mrad отбирает (сепарирует) нужные фрагменты с высокой эффективностью (50%) и низким фоном (

18 Интенсивность пучков радиоактивных ядер Сечения образования большинства фрагментов при взаимодействии пучка 12 C c различными мишенями измерены при низких энергиях. Эти сечения слабо зависят от энергии и существенно различаются для разных фрагментов. При интенсивности пучка 12 C I=3·10 9 /цикл интенсивность фрагментов в канале будет в диапазоне от I=10 6 /цикл для 8 Li до I=10 4 /цикл для 8 He fragmen t Life- timeσ ( 12 C + 12 C) fragment (mb) Rigidity GeV/c) Momen- tum (GeV/c) N per cycle 11 C 20,3 m 53 60,53632,0E C 19,3 s ,4E+05 9C9C 126 ms 0,2 49,52977,4E B stable 70 72,63632,6E B stable ,4E+07 8B8B 770 ms 1,4 52,82645,2E Be 1,6 10^6 y 6 82,53302,2E+06 9 Be stable 10 74,252973,7E+06 7 Be 53 d 12 57,752314,4E+06 9 Li 178 ms 0, ,9E+05 8 Li 840 ms 2, ,9E+05 7 Li stable ,6E+06 6 Li stable ,5E+06 8 He 119 ms 0, ,3E+04 6 He 807 ms ,4E+05 4 He stable ,9E+07 3 He stable 5 49,5991,9E+06 3H3H 12,3 y ,9E+06

19 «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

20 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 γ- фактором γ= E/2m N = 35, так что в системе покоя ядра энергия налетающего электрона составляет Е е = γ·m e = 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=Е in – E f ) Таких возможностей нет на других ускорителях (кроме, может быть, SPS)

21 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: oУскорение ядер oСтриппинг – формирование пучка фрагментов oНакопление фрагментов в накопителе oБЫСТРОЕ охлаждение фрагментов (уменьшение фазового объема) oУскорение и накопление электронов в другом накопительном кольце oСтолкновения eA (лоб в лоб или вдогонку) oL= cм-2 sec-1 L.Burt et al. 1982

22 Основные характеристики реакций на У-70 Кинематика Статистика (пример 9 С) Поток: 10 9 /день σ(-t>0,002 GeV 2, E>200 MeV)= 30 mb Мишень Н2, L=10 см N=10 7 /день Разрешение Основной вклад в разрешение по энергии возбуждения ядра дает многократное рассеяние электронов в мишени. Для водородной мишени L=10 см σ Е0,3 ÷ 1 МэВ В большинстве случаев такое разрешение достаточно для выделения упругого рассеяния и разделения уровней ядра. EeEe θ

23 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

24 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 12 С магнит n 4n4n конвертор 3H3H π-π- n спектрометр

25 Мезоны в ядрах в «обратной» кинематике 12 C + 12 C-> 12 C + 12 CX (X=σ, f0, ω, f1, f2…) E NN R 12 C 2,5 2 1, ,5 E NN 12 C tmin Beam detectors Very forward tracker ВЕС 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». Такие эксперименты возможны на установке ВЕС.

26 Заключение Пучки ускоренных в У-70 ядер позволяют выполнить ряд актуальных экспериментов: oИсследование «критической точки» oПоиски и исследование «флуктонов» oИсследование свойств мезонов в ядерной материи oЗначительная часть этих исследований может быть выполнена на существующих установках oЯдерные пучки У-70 создают уникальные возможности для исследования электромагнитной структуры короткоживущих ядер. oДля этих исследований нужна новая специализированная установка При ускорении более тяжелых ядер возможности исследований резко расширятся.

27

28