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Diffusion quasi élastique p — α dans le carbone 12

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Academic year: 2021

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HAL Id: jpa-00206495

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Submitted on 1 Jan 1967

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Diffusion quasi élastique p - α dans le carbone 12

H. Gauvin, R. Chastel

To cite this version:

H. Gauvin, R. Chastel. Diffusion quasi élastique p - α dans le carbone 12. Journal de Physique, 1967,

28 (2), pp.129-134. �10.1051/jphys:01967002802012900�. �jpa-00206495�

(2)

LE JOURNAL DE PHYSIQUE

DIFFUSION QUASI ÉLASTIQUE

p 2014 03B1

DANS LE CARBONE

12

Par H.

GAUVIN,

Institut de Physique

Nucléaire,

Orsay,

et R.

CHASTEL,

Laboratoire de

Physique Nucléaire,

Bordeaux.

Résumé. 2014 Nous avons étudié 152 événements

12C(p, p03B1)8Be

induits dans l’émulsion nucléaire par des

protons

de 90 MeV. Un examen de la corrélation

angulaire

entre le

proton

diffusé et la

particule

03B1 la

plus énergique indique

que les événements

peuvent

être décrits par

une diffusion

quasi élastique.

L’état d’excitation,

l’impulsion

et la distribution

angulaire

du

noyau de recul 8Be, détectés par ses deux 03B1 de

désintégration,

sont obtenus et

interprétés

dans

le cadre de ce mécanisme.

Abstract. 2014 We have studied 152

12C(p, p03B1)8Be

events induced

by

90 MeV

protons

in

nuclear emulsion.

Angular

correlation between the scattered

proton

and the most

energetic

03B1

particle

shows that

quasi-elastic scattering

can describe the events. Excitation energy, momentum and

angular

distribution of the recoil nucleus 8Be, detected

by

two 03B1, have been

obtained and

interpreted by

this mecanism.

Introduction.

- La réaction

12C(p, PLl)8Be

a été

étudiée à moyenne

énergie

par

plusieurs

auteurs

[1-4]

qui

ont montré la

possibilité

de diffusion

quasi élastique

des

protons

incidents par des sous-structures ce

dans le noyau de carbone 12. A. N.

James

et

H. G.

Pugh [2],

en étudiant les corrélations

angulaire

et

énergétique

des

particules

oc

et p

émises en coïnci-

dence,

ont

apporté

une preuve directe de ce méca-

nisme. En admettant valable

l’approximation

d’im-

pulsion,

ils ont pu accéder à la densité de distribution des

impulsions Pa

des

particules oc préformées

dans 12C

avant le choc et donner une limite inférieure de leur

probabilité

de

présence (~ 0,3).

La méthode

permet

essentiellement

d’explorer

la

région

des faibles

moments

P,,

l’approximation d’impulsion

est

applicable.

Nous

présentons

ici une

interprétation

dans ce

modèle d’événements du

type 12C (p, pocl) 8Be

~ o~2

+

a3 induits dans l’émulsion nucléaire par des

protons d’énergie 90±5MeV (Po = 420 MeV Jc) .

De tels

événements sont dans notre cas détectés dans une

géométrie

47r. On

peut

remarquer que si les deux

particules

OC2 et OC3 résultant de la

désintégration

de

8Be sont

identifiées,

les

caractéristiques

suivantes du

noyau de recul 8Be

peuvent

alors être déterminées directement : son

impulsion P~,

sa direction

81{,

l’état

d’excitation dans

lequel

il est laissé

après

le choc p - oc.

En

réalité, parmi

les trois oc

émis,

un choix de oc1 doit être

fait,

choix dont on

peut

limiter le caractère arbitraire et que

l’analyse peut justifier.

Mais c’est

là,

sans

doute,

une difficulté de la méthode.

Identification

des événements. - Les événements

12C(p, p3cc)

ont été induits dans un

empilement

de

feuilles d’émulsion Ilford « G

Special » d’épaisseur

400 y

chacune,

par des

protons

de 100

MeV,

le

faisceau entrant

parallèlement

au

plan

des émulsions.

La recherche s’est limitée à la bande

d’énergie

incidente

90 ~

5 MeV. Les événements sont

parfaitement

iden-

tifiables,

la direction incidente étant

déterminée,

si

au moins trois traces secondaires identifiées sont entiè-

rement contenues dans l’émulsion. Les critères d’attri- bution à la réaction étudiée ont été donnés dans une note

précédente [3].

152 événements ont été retenus et leur

analyse

fait

l’objet

du

présent

travail.

Mécanismes de la réaction

12C ( p, p’ 3a) .

- Divers

processus d’interaction pour une

énergie

incidente de 90 MeV

peuvent

être

envisagés,

conduisant au même état final

(p’ 3oc) .

Une diffusion

inélastique

du

proton

incident

peut

exciter un niveau de 12C

qui,

dans les événements

retenus, se

désexcite,

soit par

tripartition

directe en

3a,

soit en a1

+ 8Be,

ce dernier

nucléide,

excité ou non,

se

désintégrant

ultérieurement en 2oc. Pour tester la

première éventualité,

la distribution

angulaire

des

trois

particules

oc dans le

système

lié à 12C a été déter-

minée,

avec comme direction de référence la direction de recul de 12C dans le laboratoire. Cette distribution

nettement

anisotrope

n’est pas

compatible

avec

l’hypo-

thèse d’une

fragmentation

directe en trois ~x. Dans les

deux processus

envisagés,

le

spectre

des éventuelles

énergies

d’excitation de 12C devrait mettre en évidence

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01967002802012900

(3)

130

les niveaux connus de 12C se désexcitant par voie (x.

Le

spectre

calculé

présente

un continuum

qui

s’étend

de 12 MeV

jusque

vers 75 MeV.

Expérimentalement

il n’est pas

possible

de résoudre les niveaux serrés dans la

région

20 MeV. On

peut

noter trois événements seulement

caractéristiques

de l’excitation du niveau de

9,6

MeV

[(événements

bien confirmés par un

couple

de

particules

oc

qui

conduit à l’état

fondamental de

8Be,

seul

possible

dans la

séquence

12C *

(9,6)

~ a1

+ 8Be (o) ( ~ 2cc) .

Ces événements ont été éliminés dans

l’analyse qui suit].

Les sections

efficaces

intégrées

de diffusion

inélastique

à 90 MeV

avec excitation des niveaux de

9,6

- 15 et 20 MeV

sont

respectivement

de l’ordre de

5,5

-

3,5

et 7 mb

(calculées d’après [5~).

Elles

permettent d’estimer,

si

l’on tient

compte

de la très faible intensité observée pour l’excitation du niveau de

9,6 MeV,

que si l’on

ne

peut

pas exclure dans le domaine 12 - 20 MeV

un processus

inélastique

suivi d’une désexcitation de 12C en oc

+ 8Be,

ce mécanisme

n’apparaît cependant

pas

prédominant.

Un autre processus

également envisageable

est le

pick-up

indirect

simple

de 3H ou

3He,

consécutif à

une

première

interaction

(p, 2p)

ou

(p, pn).

Il

pourrait expliquer

les hautes

énergies

d’excitation calculées pour 12C. L’estimation d’une telle contribution est

délicate. Nous supposerons que la

probabilité

d’un tel

processus reste faible.

Tout en n’excluant donc pas rc

priori

les mécanismes

précédents, qu’il

n’est pas

possible d’isoler,

nous avons

examiné si les événements

pouvaient

être décrits par

une diffusion

quasi élastique

p 2013 x

lié,

et mené leur

interprétation

dans le cadre de ce mécanisme.

Résultats expérimentaux.

- A. DISTRIBUTION ANGU- LAIRE DES PROTONS DIFFUSÉS. - Comme dans la diffusion

élastique p -4He,

la section efficace diffé- rentielle - oc

présente

son maximum vers

0p’

= 0

(6p’ angle

entre le

proton

incident et le

proton diffusé).

B. CORRÉLATION ANGULAIRE. - Si la réaction

12C (p, p’ ell)8Be

résulte d’une diffusion

quasi élastique

sur une sous-structure oc

transitoire,

on doit s’attendre à une corrélation

angulaire

entre les

particules

al

et p’, proche

de la corrélation connue pour la diffusion p -

4He

libre. Connaissant les directions des

protons

incident et

diffusé,

il est

possible

de déterminer pour

chaque

événement

l’angle

dans

l’espace

F-0 entre la direction attendue pour une

particule

oc libre diffusée

élastiquement

et la direction

expérimentale

de oc,. Ce traitement

implique

que oc1 soit identifiée. Nous avons considéré comme oc, la

plus énergique

des trois

parti-

cules (X

émises, quelle

que soit sa direction

(al

est

dans 90

%

des cas

dirigée

vers

l’avant).

Les

particules

~x, ainsi choisies ont des

énergies qui

se distribuent

entre 10 et 50 MeV. Par

ailleurs,

nous considérons

qu’il n’y

a pas chocs

multiples

mais que le knock-out

est direct et concerne le

proton

incident. La

figure

1

représente

la distribution obtenue des

angles

co. Cette

distribution est très nettement

pointée

vers

0°, pré-

sentant ainsi avec la

plus grande probabilité

les

caractéristiques angulaires

de la diffusion

élastique

(dans

60

%

des cas, e

40°) .

L’élargissement

de la corrélation

angulaire

p - ell,

qui

se manifeste par l’existence de

grands

s, est inter-

prétable,

dans le modèle

considéré,

par la distribution

FiG. 1. - Distribution des

angles

so.

des

impulsions Pa

des sous-structures ce dans le noyau

avant l’interaction. Cette distribution

peut cependant

être

perturbée

par des effets secondaires

(chocs

mul-

tiples)

sur les

particules

émises. Ceci

peut expliquer qu’elle

soit

plus large

que celle obtenue par A.

N. James

et H. G.

Pugh

autour de

8x

= 600.

Néanmoins,

il

ressort que les événements

analysés

semblent bien être décrits par le mécanisme

envisagé.

On remarquera un déficit aux

petits angles s

100

dont une

interprétation

dans le cadre du knock-out p - ce lié sera donnée

plus

loin.

C.

ÉTUDE

DES RECULS 8Be. - Le choix de «1 étant

fixé,

les

particules

oc, et l/..3, déterminées en

énergie

et

direction, permettent

d’obtenir directement les carac-

téristiques

du recul 8Be :

impulsion P,,

état d’exci-

tation

E 1* Fe après

le

choc,

direction du recul

0,

par

rapport

à la direction du

proton

incident.

1.

E:r e.

- La

figure

2

présente

le

spectre

calculé

des

énergies

d’excitation du noyau résiduel. Nous

avons

indiqué

les niveaux

généralement

admis se

désexcitant par voie x. L’état fondamental est

suggéré.

Le niveau

large (r

=

1,5 MeV)

de

2,9

MeV est bien

résolu,

mais

paraît

se superposer à un fond continu attribuable à des états de diffusion ce - el. L’état excité de

11,7

MeV

(F,-- 7 MeV)

a une durée de vie d’environ lO-22 s,

comparable

au

temps

d’interaction dont l’ordre de

grandeur

est donné par le

temps

de transit d’un

proton

de 90 MeV dans 12C

(~

6 x 10-23

S) .

(4)

FIG. 2. -

Énergie

d’excitation du noyau résiduel 8Be.

Le noyau de recul

peut

alors ne pas être caractérisé dans un état intermédiaire.

Si on compare ce

spectre

à celui obtenu à 150 MeV par A. N.

James

et H. G.

Pugh [2],

on notera que dans notre cas le niveau fondamental est peu

apparent,

et que, dans les deux cas,

apparaît

un continuum

au-delà de 5-6 MeV.

2.

Plï

* - La

figure

3 montre la distribution brute

expérimentale

des

impulsions P,~,

obtenue pour l’en- semble des événements

(3 a~

et pour trois domaines

Fm. 3. - Distribution brute

des

quantités

de mouvement du noyau de recul.

d’excitation du noyau résiduel :

jusqu’à

1 MeV

(état fondamental) (3 b),

de 1 à 6 MeV

(niveau

de

2,9 MeV) (a c),

au-delà de 6 MeV

(appelé

par la suite arbitrairement « état » de 12

MeV) (3 d).

Ces

distributions sont très

larges

et révèlent l’existence de

grandes impulsions

du noyau de recul. Pour les états de 3 et 12

MeV,

ces distributions sont très semblables.

La

figure

3 b montre que pour l’état fondamental la

région

des faibles

impulsions PB

n’est pas

peuplée.

En

liaison avec le déficit observé à E 100

(fin. 1),

ce

fait

appelle

les remarques suivantes. Si le noyau résiduel 8Be est laissé

après

le

choc -

~z dans son

état fondamental et si son

impulsion

de recul est

faible,

les

particules

el2 et oc, résultantes auront des

énergies

voisines de

Q (8Be (0)

-¿. el2 +

Cl3) /2,

c’est-à-dire de l’ordre de 50 keV. Les traces

qui

en résultent ne

sont pas observables dans l’émulsion nucléaire. De tels

événements, comportant

deux traces secondaires seules

visibles,

oc

+

p, sont

fréquents

mais non attri-

buables à une interaction sur 12G. Ils

échappent

donc

à notre

analyse.

Ce sont, par contre, pour ces événe- ments que les conditions

cinématiques

sont les

plus proches

de la diffusion

élastique

p - 4He. Ils condui-

raient,

s’ils étaient

identifiés,

à de faibles valeurs de s.

Le déficit observé sur la

figure

1

s’interprète

donc

aisément dans le modèle que l’on

envisage

ici. Cette

interprétation implique,

de

plus,

que l’état fondamental de 8Be ne

peut

être observable que pour de

grandes impulsions

du recul et on

peut

estimer un seuil de

détection à

Pq -

120-160

MeVfc (En -- 1-1,7 MeV).

Cette estimation est en accord avec la

figure

3 b. Ces

restrictions n’interviennent pas

quand

la réaction

(p, poe)

laisse 8Be dans les états de 3 ou 12 MeV

(la probabilité

de non-observation d’un oc,

quand

les

directions de recul et de

désintégration

du 8Be sont

confondues,

est très

faible).

La valeur

précédemment indiquée [3]

de

5,4 ~ 0,9

mb pour la section efficace à 90 MeV de la réaction

12C (p, pCl) 8Be

doit donc être considérée

comme relative à l’excitation de 8Be dans des états

autres que le fondamental.

Lorsque

l’on examine la corrélation entre c et

P,,

on observe une tendance

générale

à s’écarter de la

cinématique

du choc

élastique (valeurs

croissantes de

s) lorsque l’impulsion P~ augmente.

Ceci

s’interprète bien,

dans la mesure

P, représente,

de

façon

appro- chée dans notre cas,

l’impulsion

propre de oc1 dans le noyau avant le choc.

3. 0 ..

- La distribution

angulaire

des reculs par

rapport

à la direction du

proton

incident est

repré-

sentée

figure

4. Elle

présente

une

anisotropie marquée

avec émission

préférentielle

vers l’avant. Cette aniso-

tropie

s’observe pour les trois domaines d’excitation du noyau

résiduel,

bien que

plus

accentuée pour l’état fondamental. On ne

peut

donc pas

expliquer

l’excès

vers l’avant par une sélection

expérimentale imposée

dans l’observation de

8Be(o).

Si au moment du choc p - oc il ne se

produit

(5)

132

W G. 4. - Distribution

angulaire expérimentale

du noyau de recul.

aucune autre interaction avec les autres nucléons du noyau, on devrait

observer, après

le

choc,

une distri-

bution

isotrope

du recul dans le

laboratoire,

celui-ci

abandonné avec

l’impulsion

pR

qu’il possédait

avant

le choc. Dans ces conditions de validité de

l’approxi-

mation

d’impulsion,

on

pourrait

écrire pR = -

P~, P~

étant la

quantité

de mouvement de la

particule

oc

dans le noyau avant le choc. La distribution

angulaire

des reculs montre que, à 90

MeV, l’approximation d’impulsion

n’est pas

rigoureusement applicable.

On

doit considérer que les

(A-4)

nucléons devant consti-

tuer le noyau de recul ne sont pas

simplement

spec-

Fio. 5. - Distribution

angulaire corrigée

du noyau de recul.

tateurs vis-à-vis des

particules

entrante et sortantes.

Nous avons tenté de rendre

compte

de ce fait en considérant

qu’une impulsion complémentahe

q

parallèle

à

l’impulsion

incidente est

communiquée,

durant

l’interaction,

à l’ensemble des nucléons consti-

tuant le noyau résiduel.

Après

le

choc,

nous observons

alors

PR

= pR

+

q et à

l’angle 8 B

sous

lequel

est vu

le noyau

résiduel, correspond

initialement

l’angle

cpR

(encart fin. 5).

Avec une

quantité

de mouvement

moyenne q = 50

MeV/c,

on réalise une distribution

angulaire isotrope

des reculs

( fig. 5),

à la fois pour l’ensemble des

événements,

et pour chacun des états d’excitation.

La distribution

approchée

des

impulsions

réelles

avant le choc de l’ensemble des

(A-4) nucléons,

en

prenant

en considération ces effets de

distorsion,

est

alors donnée par

Pu (fin. 6).

Cette distribution est en

bon accord avec le

spectre intégré

des

impulsions

des

sous-structures oc que l’on

peut

déduire des résultats de A. Samman et P. Cuer

[1]

obtenus à 180 et 340

MeV,

FIG. 6. - Distribution

corrigée

des

quantités

de mouvement du noyau de recul.

en

appliquant l’approximation d’impulsion,

davan-

tage justifiée

à ces

énergies PR N

pR = -

P CX.

P.

Beregi

et al.

[6]

ont calculé la distribution

intégrée

des

quantités

de mouvement des ce dans 12C avant le

choc. Le formalisme de la diffusion

quasi élastique (p, poc)

est

appliquée

dans ces

prévisions théoriques

et le noyau cible est décrit par le modèle en couche

avec corrélations entre nucléons pour

expliciter

diverses

structurations. Ce traitement rend

compte

des états

excités du noyau résiduel 8Be. Leur courbe

théorique,

qui prend

en considération l’état fondamental et les niveaux de 3 et 12

MeV, respectivement

dans les

(6)

rapports 0,28-0,35-0,36

est

indiquée

sur la

figure

6

(normalisée

pour

PR

> 120

MeV/c

à 180

MeV/c).

Compte

tenu de

l’approximation

faite sur

l’impulsion q

en

grandeur

et

direction,

on observe un très bon accord au-delà de 120

MeV/c

entre les distributions

expérimentale

et

théorique.

En

particulier,

il est bien

rendu

compte

du minimum observé dans la distri- bution

expérimentale

à 180

MeV/c.

Le désaccord

en dessous de 120

MeV/c

doit être très

probablement

attribué au défaut d’observation

expérimentale

de

sBc dans son état

fondamental,

ce

qui rejoint

des

conclusions

déjà

avancées

plus

haut.

4. Distribution

P(PR)’ -La

distribution de densité des

quantités

de

mouvement p(P,,)

des structures oc dans 12C a été obtenue par A. N.

James

et H. G.

Pugh [2]

qui

se sont attachés à

préciser

le domaine des faibles

quantités

de mouvement. Ce domaine nous

échappe

en

grande partie.

Par contre, la

région

des

grandes impulsions

serait favorisée dans notre cas. Nous consi- dérons la

distribution p R (fin. 6)

au-delà de 120

MeV jc

pour

Eg

> 1 MeV. Elle est de la forme

Nous

explicitons

N’ sous la forme :

P (~,~ ) 0 v représente

la

probabilité

de trouver dans le

volume ~ v( _ ~~ . ~p~ . ~5~~ )

dans

l’espace des ~ ~

un

ensemble de

(A-4) nucléons,

devant

constituer, après

le

choc,

le noyau résiduel de

quantité

de

mouvement P,,

dans la

direction

y,.

da

est la section efficace différentielle de diffusion

élastique

p - 4He

libre,

dans le laboratoire.

d6

X

AQp, représente

donc la

probabilité

que la diffusion

intervienne, permettant

l’observation du noyau résiduel de

moment p,

avec une

probabilité

d’émission constante

quelle

que soit cp 1

( fig. 5).

d6jdS~t~,

doit être

prise

pour une

énergie

incidente E

équivalente

au choc p - ce au

repos. E

varie très lar-

gement

avec

l’impulsion

de la structure oc dans le

noyau et sa direction.

Cependant

A. M. Cormack et al.

[7]

ont montré que

d6/dS~~,

ne

dépendait approximativement

que du moment transféré

K,

mais

pratiquement

pas de

l’énergie

incidente E. Les moments transférés calculés se distribuent entre 1 et 3 frri 1 et les variations dans ce domaine des sec-

tions efficaces différentielles avec K sont bien repro- duites par

l’exponentielle dcrjdOpl

= A

exp-all~

avec

A = 263

mb/ster., K

en fm-1 et a

= 2,44

fm.

L’expression (1) permet

alors d’accéder aux valeurs

individuelles

de P(PR)

et par sommation sur

chaque bande p,

+

Ap,

à la distribution

présentée

sur la

figure

7.

Cette distribution ne

peut

avoir

qu’un

caractère

indicatif. D’une

part,

elle résulte de la distribution

PR corrigée

d’une

impulsion

moyenne q fixée par le seul critère d’assurer une distribution

angulaire isotrope

des reculs. D’autre

part,

le traitement tel

qu’il

a été

mené ci-dessus

néglige

des termes

probablement

non

FIG. 7. - Distribution de densité des

quantités

de mouvement pR.

constants

(terme d’absorption nucléaire,

par

exemple, qui

est sans doute

important

pour la

particule oc).

D’après

les résultats de A.

N. James et H.

G.

Pugh [2],

la distribution

p (P~ )

est très

large près de ~ 1 PI) 1

_

IPR 1

= 0. La

figure

7

suggère

un maximum de la

distribution

p(p_,)

à

PR""

220

MeV lc.

On

pourrait envisager

une

composante

1 ~ 0 pour

laquelle p( pR) présenterait

un minimum

à P3

= 0. Le domaine des faibles

impulsions

n’est pas accessible ici et son inves-

tigation

demande des

expériences beaucoup plus

fines

permettant

d’isoler les différents états du noyau résiduel.

Conclusions. - Il ressort de cette étude que les événements étudiés

paraissent

bien

s’interpréter

par

un mécanisme de diffusion

quasi élastique (p

- ce

lié) .

Une « contamination » par d’autres processus

paraît cependant probable,

mais faible.

Cette

analyse

mériterait d’être

reprise

sur des évé-

nements

provoqués

par des

protons d’énergie plus élevée,

en raison des

grandes impulsions

des struc-

tures oc, malheureusement la section efficace de dif- fusion

élastique (p

-

oc)

décroît très vite avec

l’énergie

incidente. Par contre,

cependant,

le knock-out pur devrait se

dégager plus

nettement de mécanismes

parasites,

l’influence de la distorsion devrait être

plus

faible et

pourrait

être

testée,

ainsi que nous l’avons fait

ici,

par la distribution

angulaire

des noyaux de recul.

Nous avons eu de fructueuses discussions avec

M. Riou. Nous tenons à l’en remercier vivement.

Manuscrit reçu le 14

septembre

1966.

(7)

134

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