Новые результаты в физике электромагнитных взаимодействий ядер В.Г.Недорезов Институт ядерных исследований РАН, Москва Совет по электромагнитным взаимодействиям. - презентация

1 Новые результаты в физике электромагнитных взаимодействий ядер В.Г.Недорезов Институт ядерных исследований РАН, Москва Совет по электромагнитным взаимодействиям РАН – отчет за гг.

2 «Исследование ядерной материи и астрофизических процессов на пучках фотонов, электронов и релятивистских тяжелых ионов». Совет по электромагнитным взаимодействиям РАН ( ) Исследование электромагнитных взаимодействий ядер в области нуклонных и ядерных мультипольных резонансов. Прецизионные измерения полных и парциальных сечений и последовательные микроскопические расчеты. Изучение спиновых структурных функций нуклонов, мезонов, легчайших ядер, фотона, померона. Измерение амплитуд фоторождения мезонов, сечений реального и виртуального комптоновского рассеяния, измерение магнитных моментов нестабильных барионов. Исследование свойств мезонов и нуклонных резонансов в ядерной среде. ФИАН,ИЯИ РАН,ОИЯИ,ИТЭФ,НИИЯФ МГУ, НИИЯФ ТПУ, МИФИ, ОИЯИ,ИЯФ СО РАН. Изучение спиновых структурных функций ядер в реакциях упругого и неупругого рассеяния электронов. Исследование глубоко неупругого комптоновского рассеяния и электророждения мезонов, поиск новых типов барионных состояний. Исследования эволюции сильных взаимодействий с изменением расстояний (виртуальности) фотонов. НИИЯФ МГУ, ИТЭФ, ИФВ, ИЯИ РАН, НИИЯФ ПТУ, ИЯФ СО РАН.. Исследование электромагнитных взаимодействий релятивистских тяжелых ионов. Изучение квантово-динамических эффектов высокого порядка, спектров виртуальных фотонов. Исследование свойств нестабильных и экзотических ядер на встречных пучках электронов и тяжелых ионов, включая астрофизические аспекты. ОИЯИ,ИЯИ РАН, ИТЭФ,ФИАН, КИ, ИЯФ СО РАН. Изучение электромагнитных взаимодействий в сплошных средах, включая кристаллооптику. Исследование воздействия мощных импульсных лазеров на ядерную среду. Прикладные исследования по системам безопасности, детектированию взрывчатых веществ и делящихся материалов, медицинской диагностике и терапии, создании фарм-препаратов.ОИЯИ,ИЯИ РАН, НИИЯФ ТПУ, НИИЯФ МГУ,ФИАН.

3 Фундаментальные и прикладные проблемы физики электромагнитных взаимодействий ядер 1. Многофотонные процессы возбуждения ядер. От рассеяния электронов к рассеянию тяжелых ионов. Фотоядерная физика с тера-ваттным лазером (проект ELI). Мощный импульсный источник. 2. Взаимодействие нестабильных мезонов с ядрами. Эта- мезонные ядра. 3.Рассеяние электронов на встречных пучках тяжелых ионов (проект ELISe). Экзотические ядра. Астрофизика Возбужденные нуклоны в ядрах. Спиновая физика. Поляризованные фотоны и поляризованные ядра. 5. Фотонейтронные реакции с большой множественностью над гигантским резонансом. 6. Формфакторы нуклонов при больших переданных импульсах.

4 Виртуальные фотоны Рассеяние электронов и тяжелых ионов

5 Кулоновская диссоциация b > b min = R i + R t (incident + target) Поток виртуальных фотонов Спектр виртуальных фотонов (интегрированный по b), Z = Z t [X.Artru e.a. PL 40B (1972) 43 ] beam target ?

6 Среднее число фотонов, поглощаемых в столкновениях Au + Au (RHIK) и Pb + Pb (LHC) b – impact parameter LO – leading order I.A.Pschenichnov, EMIN 2006

7 Спектр виртуальных фотонов l – мультипольность, постоянная тонкой структуры, С L - структурная ф-ция: С L = 2(E e –E для l = E1, С L = 0 для l = M1, С L = 8/3 [(E e –E для l = E2, С L зависит также от размеров ядра и его заряда [В.Г.Недорезов, Ю.Н.Ранюк. Фотоделение ядер за гигантским резонансом]. Гл.1. «Наукова думка» (1989).] Z=92

8 Фото- и электроделение ядер a- в : 239-Pu, 243-Am, 237-Np, 235-U [V.Kuznetsov e.a. Nucl.Phys. 381, 2 (1982) 472] : вклады GDR, QD, Meson photoproduction

9 Кулоновская диссоциация Экспериментальные данные Фотонейтронные реакции 18 O (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.] 18 O + U

10 Кулоновская диссоциация Экспериментальные данные Фотонейтронные реакции 1.7A GeV 20 Ne Au (метод наведенной активности) [T.Aumann e.a. Nucl.Phys. A569 (1994) 157.] Двухфотонное Возбуждение ГДР

11 Кулоновская диссоциация Экспериментальные данные Деление ядер 238 U под действием 208 Pb [W.Brushe, S.M.Polikanov e.a. Scientific report GSI 93-1 (1993) p.67.]

12 Полное сечение электромагнитной диссоциации для разных порядков (по числу вершин) взаимодействия I.A.Pschenichnov, EMIN 2006

13 Ультра-периферические взаимодействия тяжелых ионов Событие множественной диссоциации релятивистского ядра золота на легчайшие ядра в ультра периферическом взаимодействии [ ]

14 Деление ядер – актинидов с малой передачей энергии и импульса Д.И.Иванов, Г.Я.Кезерашвили, А.И.Львов и др. Деление ядер 237 Np и 238 U - квантами средних энергий с малой передачей энергии и импульса. ЯФ 55, 1 (1993) 3.

15 Расщепление фотона E E G.Ya.Kezerashvili e.a. Experimental investigation of high energy photon splitting in atomic fields, arXiv:hep- ex/ v1 27Nov2001

16 1. Выводы. Сильные импульсные электромагнитные поля релятивистских ядер Экспериментально продемонстрированы различия между механизмами возбуждения ядер электронами и тяжелыми ионами, обусловленные наличием сильных импульсных полей у релятивистских ядер. Возможно наблюдение процессов многофотонных обменов и нового типа квантовых переходов и ядерных возбуждений, которые невозможно наблюдать из-за их малости в электрон-ядерных взаимодействиях. В реакциях кулоновской диссоциации релятивистских ядер наблюдена многофотонная фрагментация ядер, которая приводит к полному расщеплению ядра на отдельные кластеры и нуклоны. В связи с указанной проблемой воздействия сильных электромагнитных полей на ядерную материю представляет большой интерес новое направление (проект ELI – Extrem Light Infrastructure), в котором предполагается использование мощных импульсных тераваттных лазеров. Эксперименты в этом направлении могут дать полезную информацию о многофотонных электродинамических процессах, что представляет интерес как с фундаментальной (взаимодействия импульсных полей релятивистских тяжелых ионов, астрофизические процессы), так и прикладной точки зрения (ядерная энергетика, мощные гамма-источннки на электронных накопителях и др.).

17 Мощные фемтосекундные лазерные импульсы лазерные импульсы В.П.Кандидов е.а. Кв.Эл-ка 39,3 (2009) 205. В.П.Кандидов е.а. Кв.Эл-ка 39,3 (2009) 205. Длительность импульсов – – с Энергия 10 мДж – 26 Дж Пиковая мощность 0,2 – 200 ТВт Интенсивность – Вт/см 2 Длины волн 0,248; 0,527; 0,800; 1,06; 1,24 мкм Нелинейное взаимодействие со средой 1 см 30 мкм

18 Фемтосекундные лазерные системы высокой мощности Название, Энергия Пиковая Длительность Частота страна импульса мощность импульса следования J TW fs Hz Alise, France Canadian m x 2.5m Teramobil e ALLS, Canada Quebec Contrast Xtrim Light, China, Beijing Mianyang 0,080 10/1 81

19 ALISE Франция Энергия импульса 26 J эВ Пиковая мощность 32 TW Частота следования 10 Hz Длина волны 1, 053 мкм Энергия фотона 1 эВ Длительность импульса fs Число фотонов в импульсе Диаметр пучка 1 см – 0,1 мм Плотность излучения фотонов/Fm 2

20 2. Взаимодействие нестабильных мезонов с ядрами. Эта-мезонные ядра (ФИАН 2009) В.А. Басков, и др. - ФИАН, РАН. Москва, Россия (2009), в печати Egmax = 650 МэВ Egmax = 850 МэВ Фон Эффект С-12

21 Метод меченых мезонов [EMIN-2001, p.170 ] M, MeV Взаимодействие мезонов с ядерной средой : Нестабильные короткоживущие мезоны, Экзотические ядра Внутриядерные каскады

22 Correlations between momentum and angle of the primary INC proton show that different meson regions are clearly separated Simulations with LAGGEN+INC code for meson photoproduction on 14 N nucleus (E 1.5 GeV); multiple mesons (1-4) are included

23 Simulations with LAGGEN+INC code for meson photoproduction on 14-N nucleus ( p = 2 0 – 10 0 ); 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 ]

24 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.

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

26 GRAAL E =600÷1500 МeV E =16 МeV P 100% NOT IN SCALE

27 LAGRAN E Detector 1: Compton gamma beam, 2: Liquid H2/D2 target, 3: BGO Calorimeter 4: Cylindrical MWPCs, 5: Plastic Barrel, 6: Plastic Wall, 7:Plane MWPCs, 8: Shower Wall Shower Wall neutron efficiency 20 % / neutron PID

28 Selection of recoil proton in forward direction Deuteron target, E = MeV, =25 0, N charge tracks >= 1, SIMULATION EXPERIMENT (GRAAL DATA)

29 gamma+p --> pi0+p gamma+n --> pi-+p gamma+p --> rho0+p gamma+n --> rho-+p gamma+p --> eta+p gamma+p --> omega+p Simulation: 2 D target Number of the charged tracks in forward >= 1 2

30 simulation Experiment Kinematics is not included Separation of and meson production by the recoil proton Number of the charged tracks in forward = 1 Number of the neutral clusters in BGO =

31 Missing mass Number of thre charged tracks in forward >= 1 gamma+d --> all channels gamma+p --> pi0+p gamma+n --> pi-+p gamma+p --> eta+p simulationexperiment Egamma = MeV

32 Парциальные сечения фоторождения мезонов на протоне и нейтроне (дейтронная мишень) : GRAAL-2009

33 2.Выводы. Взаимодействие нестабильных мезонов с ядрами. Эта-мезонные ядра. Современные фотоядерные установки типа GRAAL, с пучком меченых фотонов, широкоапертурным детектором и низким уровнем фона позволяют определять тип реакции фоторождения мезона по нуклону отдачи. Первые экспериментальные данные эксперимента GRAAL на легких ядрах дают информацию о неупругих взаимодействиях эта-мезонов с ядрами, и расширяют представления о существовании эта-мезонных ядер.

34 3.Возбужденные нуклоны в ядрах. Спиновая физика. Поляризованные фотоны и поляризованные ядра. (Проект ГДХ – В2,Майнц.) Спирально-зависимые сечения реакции для антипараллельной и параллельной ориентации спинов фотона и протона. Впервые измерены спиральные зависимости полных сечений в (pπ±) и (π+ π) конечных состояниях для реакции γр pπ+ π в диапазоне энергий фотонов от 400 до 800 МэВ.

35 Тензорно поляризованные мишени (Новосибирск - Томск) Энергетические и угловые зависимости тензорной анализирующей способности реакции фотодезинтеграции дейтрона

36 4.Рассеяние электронов на встречных пучках тяжелых ионов (проект ELISe – NUSTAR - FAIR). Экзотические ядра. Астрофизика. Протонные и нейтронные распределения плотности нестабильных ядер. Инклюзивные электро - ядерные реакции. Электро - деление ядер. Спонтанно – делящиеся изомеры. Спектры виртуальных фотонов. Многофотонный обмен. Релятивистские эффекты (движущаяся мишень).

37 ELISe

38

39 NUSTAR NUclear STructure, Astrophysics and Reactions Introduction Super-FRS Super-FRS: Ring Branch LEB ELISe EXL ILIMA Exo pBar AICLEB ELISeEXLILIMAExo pBarAIC Super-FRS: Low Energy Branch HISPEC/DESPEC LASPECMATS NCAPHISPEC/DESPECLASPECMATSNCAP Super-FRS: High Energy Branch R3B

40 ELISe Pioneering experiments of Hofstadter [R. Hofstadter, Rev. Mod. Phys. 28, 214 (1956) electron scattering on nuclei has contributed significantly to reveal the structure of stable nuclei. First eA-Collider experiments will focus on measurements of the radius of the nuclear charge distribution and its diffuseness [J. Friedrich, N. Voegler, R.-G. Reinhard, Nucl.Phys. A 459, 10 (1986)]. The knowledge of nuclear matter and charge density distributions for very proton- and neutron- rich nuclei is most important for deriving the equation of state [B.A. Brown, Phys. Rev. Lett. 85, 5296 (2000)] for proton-neutron asymmetric nuclear matter. Measurements of the interaction of radioactive beams stored at NESR with gaseous (4He, 1H2) internal targets will provide very precise information on nuclear matter density distributions, elastic electron scattering with colliding beams will yield charge density distributions. By combining the two methods it will be possible to separately determine proton and neutron distributions separately for a large number of radioactive isotopes. Apart from optical experiments, the only electromagnetic probe presently available for structure studies of exotic species are equivalent photons from heavy-ion Coulomb interaction. However, their sensitivity to the transition multipolarity is not very pronounced. The challenge is thus to perform detailed nuclear structure investigations by means of elastic and inelastic electron scattering using the eA-Collider. The necessity for an electron-exotic-nucleus collider facility, urgently demanded by the development of contemporary physics, can also be seen from a similar attempts to incorporate the option of electrons scattering from radioactive isotopes at RIKEN [T. Suda, K. Maruayama, Proposal for RIKEN beam factory, RIKEN, 2001].

41 5. Фотоядерные реакции до порога рождения мезонов Создана и успешно апробирована методика проведения экспериментов по исследованию многочастичных фотоядерных реакций в режиме наведенной активности на пучке тормозного излучения от ускорителя электронов RTM-70 НИИЯФ МГУ. Получены данные о выходах и интегральных сечениях многочастичных фотоядерных реакций на ядрах тяжёлых ядрах за гигантским дипольным резонансом. Показана универсальность механизма фоторасщепления в тяжёлых ядрах за гигантским дипольным резонансом. Выполнены последовательные микроскопические расчеты полных и парциальных сечений в области гигантских резонансов. Описаны силовые функции, переходные плотности, парциальные вероятности прямого нуклонного распада и родственных явлений.

42 6.Формфакторы нуклонов при больших переданных импульсах. CEBAF Квантовая хромодинамика в непертурбативной области Показано, что на расстояниях, сравнимых с размерами нуклона, в их структуру дают значительный вклад эффекты мезон-бариoнного одевания. С уменьшением расстояний по мере проникновения фотона внутрь мезон-барионного облака эффекты мезон-барионного одевания исчезают при одновременном увеличении вкладов от кварковых конфигураций. Таким образом, установлено, что низколежащие возбужденные состояния нуклона представляют собой внутреннее ядро из 3 конституентных кварков, т.н. кварковый кор, окруженный внешним облаком виртуальных мезонов и барионов.

43 «Исследование ядерной материи и астрофизических процессов на пучках фотонов, электронов и релятивистских тяжелых ионов». Совет по электромагнитным взаимодействиям РАН ( ) Исследование электромагнитных взаимодействий ядер в области нуклонных и ядерных мультипольных резонансов. Прецизионные измерения полных и парциальных сечений и последовательные микроскопические расчеты. Изучение спиновых структурных функций нуклонов, мезонов, легчайших ядер, фотона, померона. Измерение амплитуд фоторождения мезонов, сечений реального и виртуального комптоновского рассеяния, измерение магнитных моментов нестабильных барионов. Исследование свойств мезонов и нуклонных резонансов в ядерной среде. ФИАН,ИЯИ РАН,ОИЯИ,ИТЭФ,НИИЯФ МГУ, НИИЯФ ТПУ, МИФИ, ОИЯИ,ИЯФ СО РАН. Изучение спиновых структурных функций ядер в реакциях упругого и неупругого рассеяния электронов. Исследование глубоко неупругого комптоновского рассеяния и электророждения мезонов, поиск новых типов барионных состояний. Исследования эволюции сильных взаимодействий с изменением расстояний (виртуальности) фотонов. НИИЯФ МГУ, ИТЭФ, ИФВ, ИЯИ РАН, НИИЯФ ПТУ, ИЯФ СО РАН.. Исследование электромагнитных взаимодействий релятивистских тяжелых ионов. Изучение квантово-динамических эффектов высокого порядка, спектров виртуальных фотонов. Исследование свойств нестабильных и экзотических ядер на встречных пучках электронов и тяжелых ионов, включая астрофизические аспекты. ОИЯИ,ИЯИ РАН, ИТЭФ,ФИАН, КИ, ИЯФ СО РАН. Изучение электромагнитных взаимодействий в сплошных средах, включая кристаллооптику. Исследование воздействия мощных импульсных лазеров на ядерную среду. Прикладные исследования по системам безопасности, детектированию взрывчатых веществ и делящихся материалов, медицинской диагностике и терапии, создании фарм-препаратов.ОИЯИ,ИЯИ РАН, НИИЯФ ТПУ, НИИЯФ МГУ,ФИАН.

44 T R R C S M L CCD e e CCD-based coordinate gamma detector Scheme of calibration Linac E e = 8.5 MeV T – Bremsstrahlung target (W 0.5 mm) R – Al radiator (Al 100 mm) C – Pb collimator (13.9 mm diameter,50 mm thickness) S – CsI(Tl) screen M – mirror L –optical lens

45 CCD based gamma detector

46 SiPm based coordinate electron (gamma) detector SiPm Plastic scintillation fibers coupled with plastic light guide preamplifiers

47 Полное сечение фотопоглощения для ядер Be(1), Cu(2) и Pb(3) в сравнении с полным сечением фотопоглощения на протоне (сплошная кривая).

48 G.Solyakin.e.a. ПИЯФ (2005) GeV p + W ( 66 tracks) Ахоров О.и др. ОИЯИ R1=9963 (1976) 76 GeV p + Pb (80 tracks) В.Горшков и др. Письма в ЖЭТФ 37 (1983) 73.

49 G.Solyakin.e.a. ПИЯФ (2005) Полное расщепление тяжелого ядра и легкого фрагмента на нуклоны под действием протонов с энергией 1 ГэВ, которая полностью переходит в энергию возбуждения ядра M.Danucz e.a. Phil.Mag.44 (1953)348 На фотонах подобных процессов не наблюдалось

50 Вопросы к теоретикам: Можно ли в рамках единого подхода (квантовая электродинамика) описать ЕМ процессы для ядра – снаряда и ядра – мишени ? В чем специфика возбуждения и распада гигантских резонансов ядра – снаряда? Что дает аппроксимация в область малых и больших Z? (почему не учитывается переданный ядру импульс ?) Какие поправки дают учет размеров ядра, искажение плоской волны и др. при расчете спектров виртуальных фотонов? Многофотонная фрагментация или высокая энергия возбуждения?

51 Вопросы к экспериментаторам: Можно ли измерить спектр виртуальных фотонов? - e, p, HI ? Как экспериментально 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

52 Какие напрашиваются новые эксперименты ? Квантовая электродинамика высокого порядка по Фотоны и электроны Тяжелые ионы Расщепление фотона. Деление ядер – актинидов виртуальными фотонами. Возбуждение ядер в атомных процессах (тормозное излучение и рождение е+е- пар). Измерение спектра виртуальных фотонов и его сравнительный анализ.

53 Измерение спектра виртуальных фотонов

54