Программа экспериментов с легкими ядрами на У-70 А

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 Гэ. В - «кумулятивные» адроны -исследование свойств легких нестабильных ядер: - дифракционная диссоциация; - электровозбуждение - формфакторы -свойства адронов в ядерной материи

1. Спектроскопия, механизмы реакций 2. ВЕС 3. СВД 4. СПИН 5. ГИПЕРОН 6. МИС 2. Поляризационные эксперименты 3. ПРОЗА-СПАСЧАРМ 4. ФОДС 3. Распады каонов 4. ОКА

Канал сепарированных каонов Phase shift between m 1 and m 2 at the distance L: RF 1 Optics RF 2 BS m 2 m 1 m 2 Deflection amplitude for m 2: L Two-Cavity RF Separation Main parameters of the superconducting RF separator The IHEP separated kaon beam: Wave length, p =4 and K =1. 04 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 pc=12. 5 Ge. V/c, L=76. 27 m A 2=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 ЕУ 70=50 Гэ. В получено обогащение пучка каонами в 25 раз При номинальной энергии 64 Гэ. В 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 Гэ. В Спектроскопия легкие нестабильные ядра: Поляризационные эксперименты - дифракционная диссоциация; Распады каонов 10 - электровозбуждение 10 → 1011 К 0 → e - формфакторыμ (10 -14), К 0 → π e μ K 0 → адроны «кумулятивные» πνν K+ →π ядерной материи свойства адронов вμТ ν гиперядра g-2 de μ …. . μ→ e конверсия ……. (p→ p←) → x… импульсный нейтронный J/ψ , χ 0, 1, 2 … источник p↑ p →x p↑ p → p p σ (p→ p←) - σ (p→ p→)

Ions NB 0 proton p Ю. Чесноков 1. 7 1013 2 -9 1011 deuteron d 1 1011 carbon 12 C 6+ 3 109 С. Иванов 3*10^6 12 C 3*10^9 12 C 3*10^5 12 C

Критическая точка при √S NN≈7. 5 Гэ. В (1) У 70 • • • В центральных столкновениях тяжелых ядер при √SNN≈7. 5 Гэ. В 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 Гэ. В 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 Гэ. В • (2) Можно ожидать, что большие эффекты возникнут уже в столкновениях ядер углерода NA 49 158 A Гэ. В

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

Исследование критической точки на У-70 (2) СВД (ВЕС) –измерение энергетической зависимости инклюзивных спектров π0, 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 Гэ. В/c

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 Гэ. В/нуклон и угле плеча фрагментации мишени 35 0 Плечо фрагментации мишени Регистрация протона для угла 350 Рт > 2 Гэ. В//с Плечо фрагментации пучка Регистрация остатка (i+j-1)*N посредством регистрации энергии в h+/- , h 0 , 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 d. A 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 12 С с ядрами образуются высокоэнергичные фрагменты, в том числе короткоживущие ядра(10 С, 9 С, 8 B, 9 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 9 Li 178 ms 8 Li 838 ms 8 He 119 ms 6 He 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 Мэ. В, вследствие чего в лаб. системе фрагменты имеют: - импульсы pf≈ p. A*mf/m. A ± 0. 1[Ge. V]*p. A/m. A - углы θf≈ 0. 1[Ge. V]/(p. A*mf/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 (<10 -3) ! L. Anderson et al. 1983

Интенсивность пучков радиоактивных ядер fragme nt Life- time σ (12 C + 12 C) → fragment (mb) При интенсивности пучка 12 C I=3· 109 /цикл интенсивность фрагментов в канале будет в диапазоне от I=106 /цикл для 8 Li до I=104 /цикл для 8 He 20, 3 m 53 10 C 19, 3 s 2 9 C 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. 11 C 126 ms 11 B Rigidity Ge. V/c) Momentum (Ge. V/c) N per cycle 60, 5 363 2, 0 E+07 55 330 7, 4 E+05 0, 2 49, 5 297 7, 4 E+04 stable 70 72, 6 363 2, 6 E+07 10 B stable 38 66 330 1, 4 E+07 8 B 770 ms 1, 4 52, 8 264 5, 2 E+05 10 Be 1, 6 10^6 y 6 82, 5 330 2, 2 E+06 9 Be stable 10 74, 25 297 3, 7 E+06 7 Be 53 d 12 57, 75 231 4, 4 E+06 9 Li 178 ms 0, 5 99 297 1, 9 E+05 8 Li 840 ms 2, 4 88 264 8, 9 E+05 7 Li stable 7 77 231 2, 6 E+06 6 Li stable 4 66 198 1, 5 E+06 8 He 119 ms 0, 035 132 264 1, 3 E+04 6 He 807 ms 2 99 198 7, 4 E+05 4 He stable 50 66 132 1, 9 E+07 3 He stable 5 49, 5 99 1, 9 E+06 3 H 12, 3 y 5 99 99 1, 9 E+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 Гэ. В) ускоренное ядро движется с γфактором γ= E/2 m. N = 35, так что в системе покоя ядра энергия налетающего электрона составляет Ее= γ·me = 18 Мэ. В. • 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 e. A (лоб в лоб или вдогонку) L=1028→ 1030 cм-2 sec-1 o o o o L. Burt et al. 1982

Основные характеристики реакций на У-70 • Кинематика • • • Статистика (пример 9 С) Поток: 109/день σ(-t>0, 002 Ge. V 2, E>200 Me. V)= 30 mb Мишень Н 2 , L=10 см N=107 /день • 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 Мэ. В В большинстве случаев такое разрешение достаточно для выделения упругого рассеяния и разделения уровней ядра. θ Ee

Возможное расположение установки • • • Основные элементы: Н 2 мишень «Короткий» (20 см) магнит Дрейфовые камеры с минимумом вещества ЭМ калориметр – Na. J • 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 4 n π- n 12 С магнит 3 H n конвертор спектрометр

tmin 2, 5 Мезоны в ядрах в «обратной» кинематике 12 C + 12 C->12 C + 12 CX (X=σ, f 0, ω, f 1, f 2…) 2 1, 5 1 ENN 12 C 1 R 2, 5 12 C 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» . Такие эксперименты возможны на установке ВЕС. 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. o Для этих исследований нужна новая специализированная установка При ускорении более тяжелых ядер возможности исследований резко расширятся.