Основной темой спецкурса
является изучение фотоядерных реакций при
средних энергиях (от порога рождения пионов до
нескольких ГэВ), когда длина волны налетающего
фотона сравнима с размером нуклона. Такие
реакции являются простым и эффективным способом
изучения структуры ядра на уровне нуклонных и
мезонных степеней свободы. Это связано с тем, что
оператор электромагнитного взаимодействия
относительно хорошо изучен, фотоны свободно
проникают в ядро и достаточно эффективно
взаимодействуют с нуклонами. Вносимый при этом в
ядро угловой момент минимален по сравнению с
сильно взаимодействующими частицами и
множественность образующихся продуктов реакции
относительно невелика. Вклад упругого рассеяния
в фотоядерных реакциях пренебрежимо мал по
сравнению с реакциями, где в качестве налетающих
частиц используются мезоны, протоны или тяжелые
ионы. Поэтому в сечениях фотоядерных реакций
отчетливо выделяется резонансная структура,
обусловленная возбуждением и распадом нуклонных
резонансов. С точки зрения ядерных или нуклонных
взаимодействий фотоны не имеют структуры. Это
означает, что любая особенность в наблюдаемых
сечениях связана именно со структурой ядра или
нуклона.
Монографий и учебников, посвященных
исследованию фотоядерных реакций при средних
энергиях, написано мало. Основы исследований по
этой тематике были заложены в классических
работах Фейнмана. Однако, они ограничивались
квантовой электродинамикой, где фотон
представляется плоской волной, а электрон или
атомное ядро – частицей с точечным зарядом.
Новую информацию об электромагнитных
взаимодействиях ядер, включая данные о
статической, динамической и спиновой структуре
нуклонов, об астрофизических приложениях, о
ядерных и нуклонных формфакторах, пока можно
найти только в трудах международных семинаров и
конференций, которые регулярно проводятся в
мире. Одна из целей настоящего спецкурса состоит
в том, чтобы систематизировать эти результаты и
показать современный уровень исследований.
Изучение фотоядерных реакций в
широком диапазоне энергий позволяет получать
фундаментальные сведения о различных свойствах
ядерной материи и ее взаимодействиях. Основные
направления исследований можно
систематизировать в таблице:
Eγ(МэВ) |
Направление исследований |
|---|---|
до 5 |
Астрофизика. |
5 - 30 |
Коллективные
возбуждения ядер. |
30 – 150 |
Кластерные состояния. Квазидейтроны. |
150 – 2000 |
Нуклонные
резонансы.Фоторождение мезонов. |
до 106 |
Векторная доминантность, адронизация фотонов. |
В течение многих лет
фотоядерные исследования при средних энергиях
были ограничены в связи с отсутствием фотонных
пучков с требуемыми параметрами, а именно –
высокой интенсивностью, монохроматичностью,
высокой степенью поляризации, непрерывностью,
низким уровнем фона. При этом основным
инструментом были тормозные пучки с непрерывным
спектром, которые не обеспечивали нужных
требований, за исключением интенсивности. При
низких энергиях (в области гигантских
резонансов) тормозные пучки продолжают
применяться за счет развития компьютерных
методов обработки данных. В принципе это
возможно, потому что в области низких энергий
выход реакции заметно растет с ростом энергии
фотонов. Но в области средних энергий, то есть
выше порога рождения мезонов, без
монохроматизации пучка качественные
эксперименты стали практически невозможны.
Поэтому настоящий спецкурс включает в себя
описание методических достижений в создании
фотонных пучков.
Для улучшения качества пучка
применялись разные методы. Наибольшее
распространение получил метод мечения тормозных
фотонов, когда продукты реакции регистрируются в
совпадении с рассеянными на тормозном радиаторе
электронами. Этот метод позволил получить
высокую монохроматичность пучка при достаточно
высокой интенсивности, ограниченной
быстродействием схемы совпадений. Были
разработаны также способы получения тормозных
поляризованных фотонов с использованием
Томсоновского рассеяния и каналирования. В
настоящее время на усовершенствованных таким
образом тормозных пучках успешно ведутся работы
в различных научных центрах Европы, США, Канады,
Японии и других стран. Одним из перспективных
методов улучшения параметров пучка стал метод
обратного комптоновского рассеяния, который дал
дополнительные преимущества для исследования
фотоядерных реакций, а именно - более высокую
степень поляризации пучка и низкий уровень фона.
Этот метод активно используется на различных
электронных накопителях для исследования
фотоядерных реакций, а также в прикладных целях.
Основным недостатком метода обратного
комптоновского рассеяния долгое время была
относительно низкая интенсивность пучка, но в
последние годы найдены методы ее увеличения до
значений, сравнимых с тем, что получают на
тормозных пучках.
Разработка новых методов получения
гамма - пучков в последние годы способствовала
расширению тематики фотоядерных исследований. В
частности, это относится к изучению спиновой
структуры нуклонов, к астрофизическим
приложениям, исследованию нестабильных
экзотических ядер и др. Следует отметить, что в
результате использования комптоновского пучка
получено наиболее точное ограничение на
анизотропию скорости света относительно диполя
реликтового излучения в мировой системе
координат.
Кроме фундаментальных исследований,
фотоядерные методы активно используются в
прикладных областях: материаловедении, биологии,
практической медицине. Особое значение в этой
связи имеет создание пучков синхротронного
излучения на электронных накопителях. Эти
вопросы также нашли отражение в программе
спецкурса, способствующего образованию
специалистов достаточно широкого профиля.
Особое внимание уделяется современным
методам компьютерной обработки данных с
использованием моделирования. Эти методы
достаточно унифицированы, поэтому изучение
спецкурса позволит получить необходимое
образование для работы в различных ядерных
центрах, где ведутся эксперименты на высоком
научном и технологическом уровне.
Приведенные в учебном пособии ссылки
(после каждой главы), как правило, не содержат
оригинальных статей, а только монографии и
обзоры, откуда взяты используемые материалы.
