7.7. Поглощение пионов ядрами

7.7.1. Введение и кинематические соображения

Под пионным поглощением понимают такие реакции под действием пионов, в конечном состоянии которых пион отсутствует. Мы изучим поглощение пионов ядрами в следующей перспективе. В разделах 4.5 и 4.6 был исследован процесс который является прототипом пион-ядерного поглощения. Главный вопрос теперь — это до какой степени основные двухчастичные механизмы продолжают действовать в более сложных ядерньгх системах.

Мы сконцентрируем здесь наше внимание исключительно на процессах сильного взаимодействия; радиационное поглощение пионов с фотоном в конечном состоянии будет обсуждаться в гл. 8.

Важной чертой ядерного поглощения пионов является его необычная по ядерным масштабам кинематика: пион передает ядру большую энергию и малый импульс. Рассмотрим для примера поглощение покоящегося пиона одним связанным нуклоном. Этот нуклон в конечном состоянии, с точностью до малых поправок на связь, имеет кинетическую энергию Соответствующий импульс по закону сохранения импульса, равен импульсу начального связанного нуклона. Это значение вдвое превышает ядерный ферми-импульс так что в импульсном внутриядерном распределении оно встречается с малой вероятностью. В результате однонуклонный механизм подавлен, и процесс поглощения преимущественно включает два или более нуклонов для распределения недостающего импульса.

7.7.2. Полные сечения поглощения

Для некоторых ядер в резонансной области были измерены полные сечения поглощения пионов и их энергетическая зависимость (рис. 7.31). Результаты при этих энергиях дополняются отдельными данными при низких энергиях (см. рис. 7.3) и информацией у порога, полученной из абсорбтивных ширин пионных атомов. Экзотермические абсорбтивные каналы доминируют в полном сечении пион-ядерного взаимодействия в области у порога. Даже вне этой области стье важно, особенно для тяжелых ядер, для которых в области резонанса оно составляет около одной трети полного сечения. Сечения для легких ядер с проявляют типичное резонансное поведение, знакомое по процессу -поглощения, но эта особенность почти отсутствует в случае тяжелых элементов.

Рис. 7.31. Зависимость сечений поглощения пионов разными ядрами от кинетической энергии падающего пиона работы Ashery et al, 1981b)

Отношение к неупругому сечению систематически возрастает при переходе от легких ядер к тяжелым, как видно на рис. 7.22. Это заставляет думать, что основному процессу поглощения в тяжелых ядрах предшествуют одна или несколько стадий квазисвободного рассеяния.

7.7.3. Следствия двухнуклонных моделей поглощения

Так как поглощение на одном нуклоне сильно подавлено, то ведущий процесс включает по крайней мере два нуклона. Ранее было найдено, что двухтельным прототипом такого процесса

Рис. 7.32. Двухступенчатые процессы поглощения: -волновое поглощение; -волновое поглощение с промежуточными -состояниями

является -волновое -пере рассеяние, за которым следует поглощение, и р-волновой захват пиона с образованием промежуточного -состояния.

Теперь рассмотрим поглощение пиона на нуклонной паре внутри ядра. Поглощение может происходить не только на дейтроноподобных парах с изоспином но и на парах с Однако двухчастичные механизмы, упомянутые выше, приводят к простым правилам отбора, которые подавляют поглощение на парах с что будет сейчас продемонстрировано.

Сначала обсудим вблизипороговое -волновое поглощение на двух нуклонах в относительном -волновом состоянии. Соответствующая амплитуда двухступенчатого процесса с перерассеянием, которая включает эффективный -волновой -гамильтониан (4.54), иллюстрируется на рис. 7.32, а. В случае дейтроноподобной пары в этой амплитуде, согласно уравнению (4.56), доминирует изовекторный -волновой -параметр Поглощение пиона на паре с изоспином с необходимостью ведет к конечному -состоянию которое, согласно табл. 7.3, имеет изоспин Этот канал выражается через амплитуду (другие возможные зарядовые комбинации следуют из изоспиновой симметрии). Так как процессы перезарядки не могут давать вклада,

Таблица 7.3. Правила отбора для и р-волнового процесса поглощения пиона начальное конечное

то легко видеть, что двухступенчатая амплитуда (рис. 7.32) теперь пропорциональна, как обсуждалось в разделе 4.7.2, малому изоскалярному пороговому -параметру . Следовательно, -волновое поглощение на парах с сильно подавлено по сравнению с поглощением на дейтроноподобных парах.

По мере увеличения энергии становится важным р-волновое двухчастичное поглощение. Возможные абсорбтивные каналы перечислены в табл. 7.3. Напомним из материала раздела 4.6.3, что в случае дейтрона в Д-резонансной области доминирует процесс Поэтому мы ожидаем, что для дейтроноподобной пары с этот механизм будет столь же важен, р-волновое же поглощение на парах с ведет к конечным состояниям с изоспином что не допускает образования промежуточного -состояния (см. рис. 7.32, б). Поэтому в области резонанса поглощение на парах с сильно подавлено по сравнению с поглощением на дейтроноподобных парах.

7.7.4. Пример: поглощение пионов ...

Простейшим примером поглощения пионов после процесса является поглощение в посредством реакций или Детектированием двух вылетающих нуклонов на совпадение полностью определяется кинематика реакции. Этот процесс представляет двоякий интерес. Во-первых, в существуют пары как с так и с так что можно экспериментально проверить избирательность по изоспину, обсуждавшуюся в предыдущем разделе. Во-вторых, он позволяет выделить процессы перерассеяния, такие, как те, что связаны с взаимодействиями в конечном состоянии.

Рассмотрим сначала поглощение покоящихся Кинематически разрешенные конфигурации трех нуклонов в конечном состоянии удобно представляются на графике Далитца на рис. 7.33, где показаны выходы в зависимости от кинетических энергий и Та протона и нейтрона, регистрируемых на совпадение.

Рассмотрим, например, квазидейтронный процесс , который мы будем называть квазисвободным поглощением на -паре когда оставшийся протон выступает в роли спек-татора. Это ведет к конечному состоянию с двумя нейтронами, испускаемыми в противоположных направлениях (причем каждый из них, с точностью до поправок на связь, уносит энергию около половины массы пиона) и протоном-спектатором в покое Ясно видно, что такие события доминируют на графике Далитца.

Квазисвободное поглощение на протон-протонной паре, т.е. процесс удовлетворяет аналогичным кинематическим условиям для вылетающей протон-нейтронной пары с остающимся в покое нейтроном-спектатором. Экспериментально в

Рис. 7.33. Распределение событий в, реакции с остановившимися пионами. Данные показаны как функции от кинетических энергий нейтрона и протона, регистрируемых на совпадение. Указаны кинематические области, соответствующие квазисвободному поглощению (КСП) на начальных или -парах. Кроме того, показаны области, соответствующие взаимодействиям в конечном состоянии между парами конечных пр или пп (из работы Gotta et al., 1982)

совпадении с протоном измеряется либо быстрый нейтрон, либо нейтрон-спектатор. Поэтому такие события появляются в двух разных местах графика Далитца. Видно также, что они сильно подавлены по сравнению с дейтроноподобными событиями что согласуется с материалом предыдущего раздела.

В дополнение к прямому поглощению парой нуклонов существенный вклад дают конечные конфигурации с одним быстрым нуклоном и двумя более медленными, скоррелированными между собой за счет взаимодействия в конечном состоянии (ВКС). Имеются два типа таких событий, с образованием либо либо пп-пары, движущейся коллинеарно в направлении, противоположном направлению, соответственно, быстрого нейтрона или протона. В частности, взаимодействующая рп-пара может образовать связанное состояние — дейтрон.

Как показывает рис. 7.33, различные каналы поглощения хорошо кинематически разделены. Их относительные вклады перечислены в табл. 7.4. В канале ясно видна сильная подавленность поглощения на паре с Поэтому большой выход в канале означает доминирующую роль поглощения на квазидейтронных парах.

Таблица 7.4. Относительный выход (в процентах) различных каналов поглощения, наблюдаемых в реакции с остановившимися пионами (из Backenstoss et al., 1984)

К подобным выводам можно прийти также и в резонансной области путем сравнения реакций Здесь ожидается, что в квазисвободном поглощении на парах доминируют промежуточные Д-состояния в процессе Еще раз проявляется сильное преобладание поглощения на квазидейтронных парах по сравнению с поглощением на парах с как и ожидалось из аргументов раздела 7.7.3. Это выражается в большом значении (порядка 20—30) отношения между выходами реакций в резонансной области (Ashery et al, 1981а).

Результаты экспериментов по поглощению в обеспечивают сильную поддержку в представлении о том, что основой первичного механизма поглощения пионов ядрами является квазидейтронньш процесс. Однако уже в столь легких ядрах, как проявляется существенный вклад более сложных последовательных процессов, например, взаимодействий в конечном состоянии (Backenstoss et al., 1985). Значение таких процессов возрастает при переходе к более тяжелым ядрам. Действительно, энергетические спектры нуклонов, испускаемых при поглощении пионов сложными ядрами, проявляют типичные черты, связанные с многоступенчатыми соударениями (каскадными процессами) (Ashery and Schiffer, 1986).