Фотоядерные исследования на накопителях электронов и тяжелых ионов

1. Фотоядерные исследования на накопителях электронов и тяжелых ионов В.Г.Недорезов Институт ядерных исследований РАН, Москва

2. Виртуальные фотоныРассеяние электронови тяжелых ионов • Электромагнитный форм-фактор: • ds/dW =ds/dW Mottx [(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

3. Фотоны и лептоны Тяжелые ионы ELISE FAIR-NUSTAR GRAAL NIKA SPring8 Легкие ядра, нуклоны Тяжелые ядра Поляризационные эксперименты Спиновая структура нуклонов Экстремальные Нуклонные резонансы состояния Фоторождение тяжелых мезонов материи

4. EMIN-2006, Moscow

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

6. Кулоновская диссоциацияЭкспериментальные данные 18O + U 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.]

7. Кулоновская диссоциацияЭкспериментальные данные Фотонейтронные реакции 1.7A GeV 20Ne + 197Au (метод наведенной активности) [T.Aumann e.a. Nucl.Phys. A569 (1994) 157.]

8. Кулоновская диссоциацияЭкспериментальные данные Фотонейтронные реакции 1.7A GeV 20Ne + 197Au (метод наведенной активности) [T.Aumann e.a. Nucl.Phys. A569 (1994) 157.]

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

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

11. 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?

12. Спектр виртуальных фотонов ll – мультипольность, • - постоянная тонкой структуры, СL - структурная ф-ция: СL= 2(Ee –Eg)/Ee для ll = E1, СL= 0для ll = M1, СL= 8/3 [(Ee –Eg)/Ee]2 для ll = 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).]

13. 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

14. photon – electron back scattering LASER (hw = 2.34 эВ) Gamma beamElectron 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) 1010UFN 47 (2004) 341] FEL 1012 Recirculation1015

15. Метод обратного комптоновского рассеяния 1963Расчет 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 977Экспериментальное подтверждение. ФИАНЛ.А.Колесников и др.Тр. 4-го Семинара “EMIN -1977” Москва (1977) М., Наука (1979) , 338. 1983 Первый пучок и отработка метода.Фраскати – LADONEM.P.Pascalee.a. Proc. Of the 4 course of the Int.Sch. on Intermediate Energies., San-Miniato, (1983), WS (1983)412 1985Первые 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. 1985Поляризационные эксперименты. BNL – LEGSD.H.Dowelle.a. Progress Rep. (1985) BNL 37623 , p. 29. 1993Фоторождение тяжелых мезоновГренобль ESRF – GRAAL J.P.Bocquet e.a.Proc. of the XIII Particle an Nuclear Int. Conf., (PANIC) Perudja, (1993). 1999 Исследование нуклонных резонансовОсака SP-ring - LEPS K. Ahn e.a. Proc. Accelerator science and technology, Wako (1999), p141. 1991Интенсивные гамма - пучки с использованием длинноволновых лазеровОсака SP-ringH.Ohgaki e.a. IEEE Trans.Nucl.Sci. 38 (1991) 386. 1996Интенсивные гамма - пучки c использованием лазера на свободных электронахУниверситет Duke V.Litvinenko e.a. NIM A 375 (1996) 74.

16. GRAAL E=600÷1500 МeV E=16 МeV P100% NOT IN SCALE

17. Результаты

18. Результаты Асимметрия S реакцииgp –> p+n Асимметрия S реакцииgp –> p+n Мультипольный анализ (сплошные линии), изобарная модель (пунктир)

19. Результаты Дифференциальные сечения фоторожденияh – мезонов на протоне. Справа - результаты аппроксимации (a + b cosq +c cos2q)

20. Анизотропия скорости света по отношению к диполю реликтового излучения

21. Amplification factor of 108

22. EXPERIMENT

23. Превышение полных сечений фотопоглощения тяжелых ядер над «универсальной кривой» sgA = A sgN 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.

24. Взаимодействие мезонов с ядерной средой: • Нестабильные короткоживущие мезоны • Экзотические ядра (эта-мезонные связанные состояния и др.) - Распространение нуклонных изобар в ядерной среде • Внутриядерные каскады

25. Корреляционный анализ нуклонов отдачи[EMIN-2001, p.170 ] • Ядро – сумма квазисвободных нуклонов • 4p детектор + полная кинематика • Низкий уровень фона 135 547 768 782 M, MeV h r w p

26. 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 s – cross section, r - nuclear density (0.17 Fm-3), l – free mean pass. s = stot (hN) = sel ( hN) + sin ( hN). Probability for zero and one interaction step within INC : The ratio = 6.7 for slow h –mesons (s =150 mb) Life time of unstable mesons depends on its velocity; for slow h– mesons the free mean pass l = 3 Fm.

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

28. Simulations with LAGGEN+INC code for meson photoproduction on 14-N nucleus (qp = 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 ]

29. 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 g = 1.4 -1.5 GeV); multiple mesons (1-4) are included

30. Deuteron target, Eg = 900-920 MeV, q <=250, Ncharge tracks >= 1, SIMULATION EXPERIMENT (GRAAL DATA)

31. Simulation: 2D target gamma+p --> pi0+p gamma+n --> pi-+p gamma+p --> rho0+p gamma+n --> rho-+p gamma+p --> eta+p gamma+p --> omega+p Number of the charged tracks in forward >= 1 2<theta<10 2<theta<10 30<theta<40

32. Number of the charged tracks in forward = 1 Number of the neutral clusters in BGO = 2 20<theta<100 Experiment Kinematics is not included simulation

33. gamma+d --> all channels gamma+p --> pi0+p gamma+n --> pi-+p gamma+p --> eta+p Number of the charged tracks in forward >= 1 simulation experiment

34. gamma+d --> all channels gamma+p --> pi0+p gamma+n --> pi-+p gamma+p --> eta+p Number of the charged tracks in forward = 1 Number of the neutral clusters in BGO = 2 simulation experiment

35. gamma+d --> all channels gamma+p --> pi0+p gamma+n --> pi-+p gamma+p --> eta+p Number of tre charged tracks in forward >= 1 Egamma = 790-810 MeV simulation experiment

36. gamma+d --> all channels gamma+p --> pi0+p gamma+n --> pi-+p gamma+p --> eta+p Number of the charged tracks in forward = 1 Number of the neutral clusters in BGO = 2 Egamma = 790-810 MeV simulation experiment

37. Number of the charged tracks in forward >= 1 Egamma = 790-810 MeV simulation gamma+p --> pi0+p gamma+n --> pi-+p gamma+p --> eta+p

38. Number of the charged tracks in forward >= 1 Egamma = 790-810 MeV simulation experiment

39. Number of thre charged tracks in forward = 1 Number of the neutral clusters in BGO = 2 Egamma = 790-810 MeV simulation experiment

40. Angle vs momentum correlation of primary recoil proton Experiment on deutron Simulations done with INC code on 14N nucleus

41. GRAAL beam • Low electromagnetic background • Small low energy “tail”

42. GRAAL backgrounds Total yield after subtraction of the empty target contribution : Experiment & Simulation

43. NUSTAR International Nuclear Structure and Astrophysics Community • Introduction • Super-FRS • Super-FRS: • Ring Branch • LEBELISeEXLILIMAExo pBarAIC • Super-FRS: Low Energy Branch • HISPEC/DESPECLASPECMATSNCAP • Super-FRS: High Energy Branch • R3B

44. The ELISe Project – part of FAIR at GSI

45. 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.

46. 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.

47. Роль М.А.Маркова в развитии новых направлений фотоядерных исследованийМетод обратного комптоновского рассеяния 1963Расчет 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 977Экспериментальное подтверждение. ФИАНЛ.А.Колесников и др.Тр. 4-го Семинара “EMIN -1977” Москва (1977) М., Наука (1979) , 338. 1983 Первый пучок и отработка метода.Фраскати – LADONEM.P.Pascalee.a. Proc. Of the 4 course of the Int.Sch. on Intermediate Energies., San-Miniato, (1983), WS (1983)412 1985Первые 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. 1985Поляризационные эксперименты. BNL – LEGSD.H.Dowelle.a. Progress Rep. (1985) BNL 37623 , p. 29. 1993Фоторождение тяжелых мезоновГренобль ESRF – GRAAL J.P.Bocquet e.a.Proc. of the XIII Particle an Nuclear Int. Conf., (PANIC) Perudja, (1993). 1999 Исследование нуклонных резонансовОсака SP-ring - LEPS K. Ahn e.a. Proc. Accelerator science and technology, Wako (1999), p141. 1991Интенсивные гамма - пучки с использованием длинноволновых лазеровОсака SP-ringH.Ohgaki e.a. IEEE Trans.Nucl.Sci. 38 (1991) 386. 1996Интенсивные гамма - пучки c использованием лазера на свободных электронахУниверситет Duke V.Litvinenko e.a. NIM A 375 (1996) 74.