HAL Id: jpa-00205953
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Submitted on 1 Jan 1965
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Analyse du processus n + n → n + n + π entre 1 et 3 gev
T. Becherrawy, P. Kessler
To cite this version:
T. Becherrawy, P. Kessler. Analyse du processus n + n → n + n + π entre 1 et 3 gev. Journal de Physique, 1965, 26 (5), pp.217-225. �10.1051/jphys:01965002605021700�. �jpa-00205953�
ANALYSE DU PROCESSUS
N + N ~ N + N + 03C0
ENTRE 1 ET 3 GeVPar T. BECHERRAWY et P.
KESSLER,
Laboratoire de Physique Atomique du Collège de France, Paris (1).
Résumé. - La réaction N + N ~ N + N + 03C0 a été étudiée dans un modèle périphérique- isobarique où la résonance N*33 est traitée comme une particule élémentaire de spin 3/2. En intro-
duisant un facteur de forme à un seul paramètre arbitraire pour le pion virtuel échangé, on a
obtenu un ajustement satisfaisant avec les résultats expérimentaux de Barnes et al. (mesures de
distribution en énergie des neutrons et protons sortants) et Chadwick et al. (mesures de la distri-
bution en impulsion des protons sortants, à angle fixe) pour les réactions p + p ~ p + n + 03C0+
et p + p ~ p + p + 03C0° à diverses énergies comprises entre 1 et 3 GeV.
Abstract. 2014 The reaction N + N ~ N + N + 03C0 has been studied in a peripheral-isobaric
model where the resonance N*33 has been treated as an elementary particle of spin 3/2. Intro- ducing a form factor with
one single
arbitrary parameter for the exchanged pion, we have fitteda great number of experimental curves : i. e. energy distributions of outgoing neutrons and pro- tons (results of Barnes et al.) and momentum distributions of outgoing protons at fixed angle (results of Chadwick et al.) for the reactions p + p ~ p + n + 03C0+ and p + p ~ p + p + 03C0o
at various incident kinetic energies between 1 and 3 GeV.
LE JOURNAL DE PHYSIQUE
Tome 26 N° 5 MAI 1965
1. Introduction. - Le modèle
isobarique
a étéproposé
par Lindenbaum et Sternheimer[1]
pourexpliquer
la diffusionélastique
etinélastique pion-
nucléon, et laproduction
d’un ou deplusieurs pions
dans la diffusion nucléon-nucléon. Ce modèle suppose que la diffusionélastique pion-nucléon
passe par l’intermédiaire d’états excités du nucléon
qui
sedésintègrent
ensuite pour donner lepion
etle nucléon finals. La section efflcace de diffusion
élastique
1tNprésente
despics,
notamment auxenvirons de 190
MeV,
600 MeV et 880 MeV d’éner-gie cinétique
dupion
dans lesystème
du labo-ratoire. Ces
pics
sont attribués à la formation des états excités (résonances ouisobares).
Les états de résonance sont caractériséspar le spin isotopique T,
le moment
cinétique
totalJ,
laparité (- 1 )1+ 1
(l étant le momentcinétique
orbital dans la dif-fusion),
et lalargeur
r dupic
de la section efficace àmi-hauteur,
liée au temps de vie r par la rela- tion « =litr.
Le modèle initial
supposait
que les résonancesse
désintègrent
d’unefaçon isotrope
dans leurssystèmes
au repos ; ce modèlesimplifié permettait,
connaissant
Oel( 1tN)
de calculer des distributionsen
énergie
et des rapports de branchement pour diverses réactionsinélastiques
1tN et NN.Pour
expliquer
laproduction
depions
dans ladiffusion NN, diverses constatations
expérimen-
(1) Le présent travail a bénéficié de l’aide du Commis- sariat à
l’Énergie
Atomique.LE JOURNAL DE PHYSIQUE. - T. 26. N° 5. MAI 1965.
tales ont
permis
de proposer le modèlepériphé- rique [2], qui
consiste à supposer que la contri- bution dominante à la diffusioncorrespond
àl’échange
d’unpion
virtuel entre les deuxnucléons ;
le
pion
excite alors l’un des nucléons ou lesdeux ;
ces états excités se
désintègrent
ensuite enpions
et nucléons.
F. Selleri et E. Ferrari
[3]
ont étudié la pro- duction d’unpion
dans la diffusion pp, pour desénergies cinétiques
incidentes allant de 1 à 3 GeV.Pour
cela,
ils ontsupposé
laprédominance
du pro-cessus à
échange
d’unpion
virtuel selon le schéma :Utilisant les relations de
dispersion,
et faisantune
analyse analogue
à celle deChew,
Low, Gold-berger
et Nambu[4],
ils ont pu obtenir une expres- sion del’amplitude
de diffusionpion-nucléon
pourun
pion
virtuel(u2 # m2,
u étant saquadri- impulsion),
àpartir
del’amplitude correspondante
pour le
pion
réel. En introduisant un facteur de forme à deuxparamètres arbitraires, qui
sepré-
sente comme une fonction décroissante de
JU12@
ils ont pu
ajuster
cette fonction defaçon
à avoirun bon accord avec les
expériences
pour uneénergie cinétique
incidente allant de 1 à 3 GeV. Cettefaçon
de traiter leproblème
a étécritiquée
par J. D. Jackson[5].
Nous n’entrerons pas dans les détails de cettecritique.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01965002605021700
218
Signalons
aussi la tentative de Ueda[6] qui
cherche à
interpréter
uneexpérience
à 1GeV, également
à l’aide d’un modèlepériphérique- isobarique.
Ueda supposequ’en
dehors du méson nun autre méson
pseudoscalaire (pion lourd)
estéchangé
entre les deuxnucléons ;
mais l’existence de cetteparticule
estjusqu’ici
purementhypo- thétique.
Pour notre
part,
nous avons voulu étudier cesprocessus par la méthode la
plus simple,
à savoirle calcul de
diagrammes
deFeynman
où le N* estreprésenté
comme uneparticule
élémentaire despin 3/2.
Pour rendre ce modèleréaliste,
nousavons inclus deux facteurs de forme
phénomé- nologiques
pour lesparticules
« hors couche » : :l’un est relatif au
N*,
l’autrecorrespond
aupion.
Pour obtenir le
premier,
on a fait une étudepréa-
lable de la diffusion
pion-nucléon
à basseénergie.
Quant
ausecond,
il nous est fourni par lesexpé-
riences étudiées
(N + N + N > N + N)
elles-mêmes.
2. Di~usion
élastique pion-nucléon.
- Laparti-
cule de
spin
J =3/2
et de masse W estsupposée
être décrite par un
champ vectoriel-spinoriel
U,(x)selon le formalisme de
Rarita-Schwinger [7].
Pourchaque
valeurdey
(=0, 1, 2, 3),
Ug est unspineur
de Dirac à quatre composantes ; d’autre part,
Ut,
a un caractère vectoriel dans les transfor- mations de Lorentz.Les
équations
duchamp
sont :Le propagateur du
champ
despin 3/2
est,d’après
Takahashi et Umezawa[8],
dansl’espace
des
impulsions :
Pour une résonance de « masse fixe » M* et de
« masse variable » W =
v/t2>
si l’on se limite à undomaine de variation de W de l’ordre de +
r/2
autour de
M*,
on a une très bonneapproximation
pour ce propagateur en écrivant
[9] :
...7...
Nous l’écrivons sous une forme
plus
utilisable[10]
T.T7où l’on a
posé :
Ce propagateur a été utilisé par .T.1~. Abillon
[11]
pour l’étude de
l’électro-production
depions.
L’interaction 1tNN* est décrite par l’Hamil- tonien
où W est le
champ
dunucléon, (D
celui dupion,
G une constante de
couplage
et m la masse dupion.
Nous avons besoin dans la suite du
projecteur
sur l’état de
spin 3/2 qui
estD’après
un calculprécédent [12],
on obtientainsi la section efficace différentielle de la diffusion 1tN
(décrite
par lediagramme
deFeynman
de la
figure
1) :FIG. 1. - Diagramme de Feynman pour la diffusion 7r+ p - 7r+ p ; p et k étant les quadri-impulsions du proton et du pion incidents, P et .K étant celles du
proton et du pion sortants, t étant celle du N*.
où E est
l’énergie
du nucléon et pl’impulsion
dechacune des
particules incidentes,
dans lesystème
du centre de masse, M est la masse du nucléon.
La section efficace totale s’obtient par
intégration
sur 6 :
En identifiant cette
expression
avec une formedu type Breit-Wigner :
on est conduit à poser :
et
FIG. 2. - G2 F(w2) comparée aux valeurs expérimentales
déduites des études de Guisan [14] (+) et McKinley [15]
(.).
FIG. 3. - cr( 1t’+ p -~ 7r+ p) en fonction de T, énergie cinétique du pion incident dans le système du labo- ratoire, les courbes théoriques Ci et C2 correspondent respectivement à F(W2) = 1 et
Notons que G a été introduite comme une cons-
tante.
Cependant,
si l’on veutajuster
la courbeexpérimentale
pourO"el(7t+ p)
dans un domaineassez
large
de variation de W de part et d’autrede
M*,
on est conduit àprendre
pour G2 uneexpression
de la forme :où
F(W 2)
est un facteur de formephénoméno- logique
tel queF~M*2)
= 1. Nous avonscomparé
notre calcul avec les résultats
expérimentaux
sui-vants :
a) Courbes donnant la
partie imaginaire
A+ del’amplitude
de diffusion 7t+ p versl’avant,
liée àla section efficace totale GT par le théorème
optique
En remarquant que la section efficace inélas-
tique
estnégligeable
à cetteénergie,
on a 6T ^_~ «ei.Les résultats
expérimentaux
sont ceux de 0. Guisan[13].
b) Courbes donnant le
déphasage
- - - .- - - .-
lié à r par la relation
FIG. 4. - Courbes représentatives de r(T), sans facteur
de forme (Ci) et avec notre facteur de forme (C.).
220
Nous avons
comparé
avec les résultatsexpéri-
mentaux de
McKinley [14].
Ces deux séries de résultats
expérimentaux
sontcohérents,
et nous ont amenés àprendre
pourF(W2) l’expression :
avec A = 17 X 10-7
MeV-2 ;
et pour G2 la valeur G2 =5,1.
Sur la
figure
2 nous avons tracé la courbeG2 F(W2) comparée
aux valeursexpérimentales
déduites de a) et
b).
Sur lafigure
3 nous avonstracé
a(7r+
p - 1t+p)
en fonction del’énergie
ciné-tique
~’ dupion
dans lesystème
du laboratoire.Enfin,
sur lafigure 4,
nous avons tracé la courber(T)
sans et avec le facteur de formeF(W2).
Dansle deuxième cas, elle est voisine de la droite
3. Production d’un pion dans la di ffusion proton-
proton.
- Dans la suite interviendront des pro-cessus d’émission et
d’absorption
depions chargés
ou neutres. Nous établirons facilement les facteurs de
spin isotopique correspondants,
enrappelant
les états de
spin isotopique
dusystème pion-
nucléon
L’interaction pp1tO est décrite par
et l’interaction p1t+
N~3 +
est décrite par(3)
avecla valeur donnée pour G.
FIG. 5. - Diagrammes de Feynman pour la réaction
p ~- p -~ p -~ n + ~+, p et q étant les quadri-impul-
sions des particules entrantes, P celle du neutron, Q celle du proton et K celle du pion sortants.
Les quatre
possibilités
de formation de N* dans la réaction~ 1 - ,- , ~ , -~
sont
représentées
par lesdiagrammes
deFeynman
de la
figure
5. D’une part, ondistingue
le cas du« neutron spectateur » (a,
b)
de celui du « proton spectateur »(c, d) ;
d’autre part, danschaque
cas, le N*peut
se former soit sur lacible,
soit sur leprojectile.
Les deuxdiagrammes
(a, b) inter-viennent avec un facteur de
spin isotopique 2,
tandis que (c,
d)
interviennent avec le facteur2/9,
dans la section efficace. On suppose que l’inter- férence entre (a, b) et (c, d) est
négligeable.
Un argumentthéorique
a été donné à cesujet
parSelleri et Ferrari
[3].
Il réside dans le fait que dans les cas (a, b) lesystème
1t+ p est dans un pur état J =3/2, parité
(+) ; tandisqu’il correspond
à unmélange
d’étatsquelconques
dans les cas(c, d).
Une preuve
quantitative
de lapetitesse
du termed’interférence a été donnée aussi par Da Prato
[15]
dans un modèle
simplifié.
Si fla, Ab, ,~~, et Xdsont les contributions de chacun des
diagrammes
à l’élément de matrice v1L, on a :
a) CONTRIBUTION DE L’ÉCHANGE DE n+ (CAS DU
NEUTRON SPECTATEUR, DIAGRAMMES a ET b). - Le calcul dans ce cas est
simplifié
par une formule defactorisation due à G. Bordes et B. Jouvet
[16].
Ceux-ci ont établi que la section efficace d’un pro-
cessus faisant intervenir la résonance K* peut être calculée à
partir
de ci’(section
efficace de la pro- duction du K* considéré commeparticule finale,
par le même
processus)
par la formuleCette formule
s’applique
aussi dans le cas du N* : alors (x est donnée par les relations(7)
et a’ estla section efficace du processus
p + p -+ n + N*+ +
où l’on suppose que le N* est une
particule
stablede masse W. Dans cette
formule, l’intégration
surl’espace
dephase
dusystème
1t+ p de désinté-gration
du N* estdéjà
incluse. On peut dériverla formule par rapport à
l’énergie
du nucléon spec- tateur(de quadri-impulsion P)
et l’on aura :W est liée à
Po et à 0, angle
d’émission du nucléonspectateur
dans lesystème
dulaboratoire,
par la relation :où PO est
l’énergie
du nucléon incident etLes limites
d’intégration
dans(11)
sont :L’application
desrègles
deFeynman
aux dia-grammes de la
figure
3 donne pour l’élément de matrice de transitionl’expression :
où l’on a
posé :
(Nous
avons omis les indices despin
pour sim-plifier l’écriture).
En remarquant que
la section efficace différentielle da’ s’écrit :
où si et ci sont les
énergies
totales initiale etfinale ;
3f est le fluxincident, qui
s’écrit d’unefaçon
invariante :la fonction
A(p,
q,P,
t) est définie par :S
désignant
la sommation sur les états despin
8
des nucléons. Une forme
explicite
de A est écriteen
Appendice.
Finalement,
on a :b)
CONTRIBUTION DE L’ÉCHANGE DE 7t° (PROTONSPECTATEUR, DIAGRAMMES C ET
d).
- Dans ce cas, la formule de factorisation(10)
n’estplus appli-
cable. L’élément de matrice des
diagrammes (c, d)
s’écrit :
où l’on a
posé :
p
quadri-impulsion
duprojectile,
q celle de la cibleq
=0).
P celle du neutron sortant, Q celle du proton
sortant et K celle du
pion,
deplus :
R¡Jov est le propagateur
(2)
où t estremplacé
par s :On obtient pour la distribution de la section efficace par
rapport
àPo l’expression :
où l’on a
posé :
Les
intégrations
ont été effectuées numéri-quement
sur la machine Bull(rET)
duCollège
deFrance.
C) COMPARAISON AVEC LES DONNÉES EXPÉRI- 2
MENTALES. - En
appelant 2d1(PO) et 2 d2(PO)
lesdistributions par
rapport
àl’énergie
du neutron222
dans la réaction p + p ~ p + n + 1t+ corres-
pondant respectivement
à la contribution del’échange
du ~+ et du -xO(2
et2/9
étant les facteursrespectifs
despin isotopique),
on a :La distribution en
énergie
du proton s’obtienten
changeant
le rôle descouples
dediagrammes (a,
b) et(c, d),
et en permutantdl
etd2
commesuit :
1 ’"
Dans le cas de la réaction p + p -> p + p + 7rO
il
n’y
a que lapossibilité d’échange du 1t° ;
maisil y a deux
contributions,
venant du proton spec- tateur et duproton
dedésintégration
duN*,
cequi donne :
Nous avons
comparé
les résultats du calcul théo-rique
avec les résultatsexpérimentaux
de Barneset al.
[17]
à 970 MeVqui
ont été utilisés aussi dans l’étude de Selleri et Ferrari[4].
Apriori,
les résul-tats
théoriques
ne donnent ni le bon ordre degrandeur
ni la bonne forme des distributions.FI G. 6.
- da (7r+ )
dp,da ( n+ ) et
dQoda (7rO)
dE,, comparéesavec les valeurs expérimentales de Barnes [17] à 970 MeV.
Pour obtenir un bon accord avec
l’expérience,
il convient de tenir compte du caractère virtuel du
pion échangé
en introduisant un facteur de formephénoménologique qui
seprésente
comme unefonction décroissante du carré de la
quadri- impulsion
dupion ;
nous avonsessayé
pour cette fonction une formeElle intervient dans le calcul comme un facteur
multiplicatif
de l’élément de matrice. Nous avonspu obtenir un bon accord avec les
expériences
en prenantpour B
la valeurNotons la similitude avec le facteur de forme introduit par Goldhaber
[18]
pour d’autres pro-cessus avec
échange
d’unpion.
Sur la
figure 6,
nous avons tracé les courbesdu (7C+)l da (7u+) et da (7t+)
à 970 MeV d’éner-
dPo
. dQo dEpgie cinétique incidente, comparées
avec les valeursexpérimentales [17].
Sur lafigure
7, nous avonstracé
da (7Z+) à 2 GeV. Sur la figure 8,
nous avons
cLr’o
FiG. 7. -
dP, dcr
(7r+) à 2 GeV pour tous les événements.duo
FIG. 8. (n+) raz 2 GeVpour 1 155 W 1 305 MeV.
dPo
tra ’ tracé -j-p da
(27+) (n+) à
ala même énergie
la mêmeénergie pour les
pour les valeursvaleursde 1 155
MeV 6 W £
1 305 MeV. Sur lafigure 9,
nous avons tracé
3
0(7T+)
à2,85
GeV pourW 1 430 MeV.
FiG. 9. 2,85 GeV pour PF 1 430 MeV.
d) DISTRIBUTION PAR RAPPORT A L’IMPULSION
(Q)
DU PROTON SORTANT, A ANGLE DONNÉ(fp).
-Nous avons étudié aussi la distribution en
impul-
sion du proton sortant à
angle
donné dans les deux réactions(7c+)
et (7ro).La contribution du proton spectateur est :
,n
cv
Fie. 10. - Distribution par rapport à l’impulsion du proton 1 - sortant à A @ @ w angle «qr ’r donné.
_ .L - -- ". - --- 1 --
et la contribution du proton de
désintégration
du N* est :
où A et ~.’ sont donnés comme
plus
haut.224
Nous avons
comparé
avec les résultatsexpéri-
mentaux de
Chadwick [19] et
al( fig.10a, b,
c,d,
e).L’accord est assez
bon,
vu que nous avons fait dans notre étude lesapproximations
suivantes :- nous avons
négligé
commeprécédemment
lestermes d’interférence entre les éléments de matrice du cas du proton
spectateur
et du cas du protonde
désintégration ;
- nous nous sommes restreints à considérer seulement la contribution de la
première
résonance,malgré
que Wpuisse
atteindre à cetteénergie
lavaleur 1 520
MeV,
soit le seuil de la deuxième résonance ;- nous avons
négligé
lespossibilités
autres quel’échange
d’un seulpion.
4. Conclusion. - La méthode que nous avons
employée,
basée sur un modèleisobarique
etpéri- phérique,
nousparaît
donner unedescription
satis-faisante des
phénomènes
de diffusioninélastique
nucléon-nucléon à moyenne
énergie.
Si nous voulons comparer notre méthode avec
celle de Selleri et Ferrari
[3],
elle nous paraîtpré-
senter
plusieurs
avantages :a) elle est
plus simple,
car elle n’utilise que la théorie deschamps (alors
que Selleri et Ferrari ont recours enplus
aux relations dedispersion) ;
b)
le facteur de forme introduit ici ne comportequ’un paramètre arbitraire,
alors que celui de S.et F. en contient
deux ;
c) notre méthode nous semble donner un meilleur
ajustement
avec les courbesexpérimentales,
no-tamment celles de Chadwick et al.
[19].
Notons pour finir que diverses
interprétations pourraient
être tentées pourjustifier
notre facteurde forme
phénoménologique
dupion :
modification du propagateur, structuremésique
dunucléon, absorption
dans les voies initiale et finale... Dans la situation embrouillée où se trouve encore à l’heure actuelle la théorie des interactionsfortes,
nous n’avons pas
voulu,
pour notre part, nousrisquer
à donner uneinterprétation quelconque.
APPENDICE
avec
avec
Manuscrit reçu le 8 mars 1965.
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