高能光子轰击氘核产生带电π介子的实验研究

摘要

光生π介子是研究介子、核子及核子共振态相互作用的最佳方法之一，其中光生单π介子是探索电磁共振耦合的标准方法，为检验强子模型的基本工具。系统地研究光生π介子过程(如多极分析)要用到同位旋结构幅度。只有同时获取了良好的光子质子反应和光子中子反应生成π介子的数据，才有可能提取出不同的N共振态、△共振态的同位旋标量和矢量电磁耦合常数，以及非共振本底幅度的同位旋性质。光子质子反应生成π介子的实验研究和唯象分析已经达到了令人满意的程度，然而，由于不存在自由中子靶，光子中子反应生成π介子的研究还远远不够。当前用于推导中子数据的主要氘核反应所用光子束流未得到标记，并且往往仅测量中子和质子的截面比率，而截面比率并不能有效区分单π介子生成和双π介子生成。所以，我们需要光子中子反应生成π介子的高质量实验数据。　　 本论文介绍了利用NKS2(ThesecondgenerationofNeutralKaonSpectrometer，NKS2)谱仪和标记光子束流，在光子能量(实验室系)0.8-1.1GeV能区、光子氘核反应生成π介子的实验研究。利用γd→π-pp反应评估了NKS2谱仪的性能，并标定了光子标记系统；测量了γd→π-pp反应的总截面和微分截面；综合比较了本论文工作获取的实验结果和其它已有的γd→π-pp及γn→π-p反应截面实验数据，并讨论了当前流行的几种理论计算结果和实验数据一致性。　　 NKS2谱仪是一个探测带电粒子的大接收效率探测谱仪，主要由飞行时间谱仪、漂移室和电子抑制探测器EV(ElectronVetoconuters)组成。本文详细介绍了NKS2谱仪的设计和组成，以及分析和调试过程。　　 利用γd→π-pp反应评估了NKS2谱仪的性能，并标定了光子标记系统。通过对该反应出射粒子的完全测量，重构出了反应的动力学过程，依据动量守恒得到了入射光子的能量值。利用γd→π-pp反应得到的光子能量值为Eγ=a-b×n，其中a=1.1058±0.0040，b=(6.29±0.11)×10-3，Eγ的单位是GeV；与光子标记系统设计的光子能量值(Eγ=1.1030-0.0060×n)，以及经正负电子对实验测量得到的光子能量值(Eγ=1.1053-0.0067×n)相一致，证明NKS2谱仪运行状态良好和实验分析方法合理。这是首次用强子反应道标定光子能量的报道，为类似的实验装置进行能量标定提供了一种选择。　　 在光子能量(实验室系)0.8-1.1GeV能区，测量了γd→π-pp反应的总截面和微分截面。反应截面的能量精确度达到了6MeV，π-出射角(γd质心系)覆盖范围为20°-160°，这极大地提升了γd→π-pp反应的数据精度。首次给出了γd→π-pp反应非准静态过程的总截面和微分截面测量结果，该过程的独立测量将加深对氘核环境和终态相互作用的认识。　　 本论文工作获取的实验结果结合Benz等人和Asai等人的γd→π-pp反应总截面实验数据，与Fix和Arenh(o)vel的理论计算结果进行了比较，发现理论计算结果的整体趋势和实验数据相吻合；但是在第三共振区和△共振区，理论计算结果与实验数据相比偏小，在第二共振区，理论计算结果与实验数据相比反而偏大。γd通过与Benz等人和Scheffler等人提供的γn→π-p微分截面实验数据相比较，发现在反应γd→π-pp中的氘核效应并不大，并且主要集中在前角区域。结合Benz等人和Schefiler等人的微分截面实验数据，与一些理论计算作了比较，发现除了75°的数据，幺正同位模型MAID的计算结果和Scheffler的实验结果在误差范围内一致；分波分析模型SAID的计算结果整体上比Scheffler等人获得的实验数据偏大(尤其是在前角区域)；C.Fernández-Ramárez引入的有效拉格朗日近似模型在小于60°时普遍低估了实验数据，在大于60°时反而高估了实验数据；Fix和Arenh(o)vel引入的T-矩阵化模型计算明显比实验结果偏大，即使计算过程中考虑了终态相互作用，也不能完全解释与实验结果之间的差别。实验数据和理论计算结果之间存在差别的可能原因将在文中详细描述。　　 本工作提供的高精度γd→π-pp反应数据将会有助于深入研究光生π介子过程，进而推导出精确的γn→π-p反应数据。

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文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1概述

1.2光子中子反应生成π介子的实验研究进展

1.3光子中子反应生成π介子的理论研究进展

1.4研究目的

第二章实验方法和实验设备

2.1光子标记系统

2.2第二代中性K介子谱仪

2.2.1 680偶极磁铁

2.2.2漂移室

2.2.3径迹探测器

2.2.4电子漂移磁铁

2.2.5 电子抑制探测器

2.3液态氘靶系统

2.4数据获取系统

2.4.1 电子学设备

2.4.2 触发逻辑

第三章实验数据分析和计算机模拟

3.1径迹探测器的标定、分析和性能

3.2光子标记系统及其性能

3.3漂移室的标定和分析过程

3.3.1 漂移室TDC的标定

3.3.2径迹重构

3.3.3 反应点位置的重构

3.4粒子种类的鉴别

3.5反应道的选择

3.6反应截面的计算

3.6.1 NKS2谱仪的接收效率

3.6.2入射光子数

3.6.3氘靶核子数

3.6.4 数据获取系统的接收效率

3.7实验数据小结

第四章实验结果及讨论

4.1利用γd→π-pp反应对光子标记系统的标定

4.2 γd→π-pp反应的总截面

4.3 γd→π-pp反应的微分截面

第五章总结与展望

参考文献

在学期间发表文章情况

简历

致谢

附录