高能粒子誘發(fā)乳膠核反應(yīng)的顯微鏡測量過程分析

趙惠華，孫 祝

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009）

高能粒子誘發(fā)乳膠核反應(yīng)的顯微鏡測量過程分析

趙惠華，孫 祝

(山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009）

描述了測量核乳膠中高能重離子碰撞事例的過程，分析由此測出的末態(tài)粒子多重?cái)?shù)分布可能存在的較大誤差，并為高能重離子碰撞模型的建立提出建議.

核乳膠 測量 方位角分布

相對論重離子碰撞是20世紀(jì)80年代興起的前沿課題，是核物理和粒子物理的交叉學(xué)科.它研究高溫、高密極端條件下核物質(zhì)的行為，揭示核子集體作用的信息，探尋由強(qiáng)子物質(zhì)向夸克物質(zhì)過渡的信號[1].相對論重離子碰撞時(shí)，在有限的空間有大量末態(tài)粒子產(chǎn)生，這是在高能重離子碰撞中的重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，它們能提供核反應(yīng)機(jī)制的重要信息[2]，所以對多重?cái)?shù)分布的精確測量具有重要的意義，而分析出實(shí)際測量中的誤差來源有利于我們更準(zhǔn)確地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

原子核乳膠是高能核-核碰撞研究中常用的一種探測器，是一種特殊的照相乳膠，是由照相底片發(fā)展而來的.核乳膠具有記錄單個(gè)粒子徑跡的能力，它不但能根據(jù)徑跡的長短、彎曲程度和顆粒密度來鑒定粒子的性質(zhì)及測量它的動(dòng)能，同時(shí)還可以用來研究高能入射粒子與乳膠中的原子核的相互作用.原子核乳膠在高能物理研究中有其獨(dú)特的優(yōu)勢，它的空間分辨率高達(dá)0.1～0.5μm，對于壽命為10-12至10-16秒的粒子，衰變前的飛行距離在0.1～102μm之間，是唯一有效的探測器.

核乳膠產(chǎn)生以來一直活躍在粒子物理研究的前沿.利用它人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多粒子，如Σ+，Λ+，κ+，κ-等.直到今天，它們?nèi)栽诟吣芪锢韺?shí)驗(yàn)中起著重要的作用.利用原子核乳膠來研究相對論重離子碰撞、研究核作用機(jī)制、尋找夸克物質(zhì)，是當(dāng)今物理學(xué)前沿最令人鼓舞的領(lǐng)域.

1 實(shí)驗(yàn)基本情況

本實(shí)驗(yàn)所用的核乳膠疊是由EMU-01國際合作組提供的NIKFI-BR-2型原子核乳膠，乳膠疊體積為10×10×2 cm3，在俄羅斯JINR Dubna的Synchrophasotron(同步穩(wěn)相加速器)上沿平行于乳膠平面的方向照射，照射束流通量為103/cm2，入射粒子為氧核.乳膠片的原始厚度為600μm.表1列出了該型乳膠的化學(xué)組成[3].圖1是如膠片中的一個(gè)核-核碰撞作用事例照片圖,其中右側(cè)最接近水平的徑跡為入射核徑跡,即主徑跡.其余徑跡為次級徑跡,表示次級粒子的出射方向.

圖1 乳膠片內(nèi)記錄的一個(gè)作用事例圖

表1 NIKFI-BR-2型核乳膠的化學(xué)成份

我們利用重光XSJ-1和XSJ-2型生物顯微鏡對核作用事例進(jìn)行了沿徑跡掃描，為了避免乳膠畸變的影響，從距乳膠邊緣1cm處跟蹤每一條氧核的徑跡，直至發(fā)生作用或從乳膠的上 (下)表面出去，同時(shí)上下兩邊也各空1cm.我們測3.7AGeV16O與乳膠核的作用事例，由于進(jìn)入乳膠平面的徑跡不一定全部都是氧核的徑跡，可能含有其他次級粒子，如C核、N核等，因而對每一觀測的徑跡都利用δ電子密度法(通過數(shù)出主徑跡上的δ電子線密度判斷離子的電荷)進(jìn)行了仔細(xì)區(qū)分.對于每一個(gè)作用事例的各種次級粒子多重?cái)?shù)(灰粒子多重?cái)?shù)(ng)和黑粒子多重?cái)?shù)(nb)、重電離粒子多重?cái)?shù)(nh)、簇射粒子多重?cái)?shù)(ns))及射彈碎片都進(jìn)行了記錄.但是在距乳膠上下表面20μm內(nèi)的作用事例，為了防止漏掉深度變化較大的次級徑跡，我們不做測量.

對于每一條射彈碎片徑跡我們也進(jìn)行了掃描，直到其出乳膠上下表面或發(fā)生第二次作用.掃描物鏡為100×浸油鏡頭，目鏡放大倍數(shù)為16倍.實(shí)驗(yàn)由九個(gè)人共同進(jìn)行掃描和測量，共測得2196個(gè)事例數(shù)，其中有2044個(gè)是非彈核作用事例，152個(gè)電磁離解事例.根據(jù)產(chǎn)生的次級粒子的區(qū)別將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為三類，即3.7AGeV16O-AgBr,3.7AGeV16OCNO，3.7AGeV16O-Em.

2 方位角的測量與計(jì)算

由于測量時(shí)的乳膠與“照射”時(shí)的乳膠有很大差別，測量時(shí)的乳膠只剩下明膠與微不足道的銀顆粒，約占乳膠原來體積一半的沒有潛影的溴化銀全在定影時(shí)溶去了，所以測量時(shí)乳膠體積只剩原來的一半左右了.但是由于乳膠層是粘在玻璃上的，水平方向受玻璃的牽制不能收縮，因此厚度收縮為原來的一半左右，故在計(jì)算厚度時(shí)必須定出其收縮系數(shù)S.

測量時(shí)我們?nèi)∪槟z平面為x-y平面，垂直方向?yàn)閦方向，初始徑跡(主徑跡）如圖2所示.作用點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，我們測量了每條初始氧徑跡在距離作用點(diǎn)R1處 (一般取R1＝100μm)，相對于作用點(diǎn)處的深度Z1及每條次級粒子徑跡在x-y平面內(nèi)的投影角α和距離作用點(diǎn)一定長度R2處相對于作用點(diǎn)的深度Z2.則利用勾股定理可以計(jì)算測得初始氧徑跡與次級氧徑跡的實(shí)際長度L1,L2.

圖2 測量量及其示意圖

在以上建立的x-y-z直角系坐標(biāo)中，次級粒子徑跡上的P點(diǎn)的坐標(biāo)為(R2cosα,R2sinα,Z2).主徑跡在x-z平面內(nèi)，且與x軸夾角為arctg(Z1R1).而方位角是次級徑跡在與主徑跡垂直的平面內(nèi)的投影角，所以需要將x軸轉(zhuǎn)到主徑跡上，即將原坐標(biāo)系繞y軸轉(zhuǎn)一角度β＝arctg(Z1R1)后，變?yōu)閤′-y′-z′坐標(biāo)系，這時(shí)方位角就是次級粒子徑跡在y′-z′平面內(nèi)的投影角.經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)P點(diǎn)在新坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變?yōu)?(x′, y′,z′)

因此點(diǎn)P在y′-z′平面內(nèi)的投影角就容易計(jì)算了.用Φ表示，則

3 對實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的分析

在實(shí)驗(yàn)測量過程中較為明顯的一個(gè)問題是乳膠片很薄，定影后的乳膠片只有大約3 mm，而且測量時(shí)要去掉距離上下表面各0.2 mm內(nèi)的作用事例，這時(shí)即使顯微鏡的放大率較大，人為測量也很容易漏掉方位角為π/2，3π/2附近的次級粒子，因?yàn)槲覀冇蔑@微鏡看到此處的粒子徑跡只是一些點(diǎn)，很難判斷它是一條次級徑跡.表2列出了3種作用事例的數(shù)據(jù)特點(diǎn).圖3給出了這3種事例產(chǎn)生的簇射粒子的方位角分布[4].從方位角分布來看，確實(shí)在方位角為π/2，3π/2附近的次級粒子 (這里指簇射粒子NS)占粒子百分比較少，很多文獻(xiàn)中測出的次級粒子方位角分布也有這一特點(diǎn)[4，5]，這很可能是由于測量的原因引起的.

表2 選取的不同靶核作用事例的特點(diǎn)

但是一些最近提出的高能核核碰撞模型在調(diào)節(jié)參數(shù)的基礎(chǔ)上能使實(shí)驗(yàn)所測的分布與用碰撞模型計(jì)算出的結(jié)果相一致[6].如果在建立高能核核碰撞模型時(shí)能考慮到實(shí)驗(yàn)測量可能出現(xiàn)這種較大誤差，會使模型更為準(zhǔn)確，更切合實(shí)際.用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析有關(guān)末態(tài)粒子分布的問題時(shí)，如粒子漲落[7]等也應(yīng)考慮到這一實(shí)驗(yàn)誤差.

圖3 不同靶核事例的方位角分布

[1]張東海.相對論重離子誘發(fā)乳膠核反應(yīng)研究[D].北京：原子能科學(xué)研究院，1999.

[2]張衛(wèi)寧.高能重離子碰撞導(dǎo)論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2002:1-4.

[3]蔡勖,周代翠,錢婉燕,等.我國衛(wèi)星回收核乳膠中一個(gè)宇宙線的高多重?cái)?shù)事例[J].高能物理核物理,1988,12(2):152.

[4]Liu Fu Hu,Sun Yan,Duan Mai Ying,etal.Emissions of fragments andmesons produced in heavy-ion collisions at CSR and related energies[J].chinese Physical C,2008,32:27.

[5]Liu Fu Hu,Nabil N,Abd Allah,etal.Angular Distribution of Target Fragments in Magnesium-Emulsion Collisions at High Energy [J].Chinese Journal of physics,2003,42(2):158.

[6]Zhang Dong Hai,Zhao HuiHua,Liu Fang,etal.Intermittency in 3.7AGeV16O-emulsion interactions[J].chinese PhysicalB,2007, 16(9):2691.

[7]孫祝,趙惠華.3.7 A GeV16O-AgBr作用簇射粒子階乘矩事例間漲落[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，24(5):14-17.

Process Analysis of M icroscope M easuring High Energy Particles Induced Nuclear Emulsion Reaction

ZHAO Hui-hua，SUN Zhu
(School of Physics and Electronics Science,ShanxiDatong University,Datong Shanxi,037009)

The process ofmeasuring high energy particles inducing nuclear emulsion reaction is described in this paper,and the most possiblemeasurement error is analyzed in measuring particle numbers.So some advice is proposed for establishing models in high energy heavy-ion collisions.

Emulsion;measure;azimuthal angular distribution

O571.42

A

〔編輯 李?！?/p>

1674-0874(2010)04-0026-03

2010-05-30

趙惠華(1978-),女,山西霍州人,碩士,講師,研究方向:粒子物理與原子核物理.