LES REACTIONS PHOTONUCLEAIRES VERS 300 MeV

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LES REACTIONS PHOTONUCLEAIRES VERS 300 MeV

Claude Schuhl

To cite this version:

Claude Schuhl. LES REACTIONS PHOTONUCLEAIRES VERS 300 MeV. Journal de Physique

Colloques, 1971, 32 (C5), pp.C5b-235-C5b-240. �10.1051/jphyscol:19715134�. �jpa-00214711�

Centre dlEtudes Nucléaires de Saclay, 91 - Gif-sur-Yvette, France.

Je vous demande de bien vouloir excuser les Au-dessus de 100 MeV, les états intermédiaires imperfections de mon exposé. Le court laps de temps

mésiques se font sentir. deviennent dominants resté

ma disposition entre le moment où nous avons

appris que le rapporteur prévu ne pourrait assister vers 300 MeV pour la photodésintégration du deuté-

nos travaux e t aujourd'hui ne m'a pas permis de rium. Il n'est alors plus possible de se limiter

polir mon rapport qui ap~araitra plutôt comme une

introduction

la discussion. Je n'aurais pas pu l'interaction des champs et des charges ou des mo- présenter l'ensemble qui suit sans l'aide importan-

ments des nucléons

il devient nécessaire d'intro- te de C. Tzara que je tiens

remercier.

duire l'interaction photon-pion-nucléon ( y n - J ) . INTRODUCTION

Pourquoi ce domaine d'énergie offre-t-il un Cela signifie que les photons sont une source

de rayonnement utile pour étudier la structure nu- intérêt particulier

Les résultats expérimentaux

cléaire dans le domaine de la résonance géante de la photodésintégration du deutérium et Leur ana-

comme l'a montré M. Suffert

pour étudier jus- lyse [II apportent une explication. Ils soulignent

que vers 100 MeV les corrélations

courte portée les faits suivants

- en

photon- entre nucléons comme nous l'exposera dans quelques deutéron "classique" suffit à exprimer l'essentiel moments le Professeur M. Huber [ . 3 ]

des faits. Le calcul s'effectue

partir des char- Au-dessus de 150 MeV, l'interaction photon- ges et moments magnétiques des nucléons, d'un po- noyau est un outil permettant de chercher l'influ- tentiel d'interaction nucléon-nucléon en utilisant ence du voisinage des autres nucléons sur les états un hamiltonien non relativiste. internes d'un nucléon donné, l'effet des résonances

-

de 100 MeV, l'interaction élasti- baryoniques dans les noyaux.

que dipolaire (El) due

la contribution des états

intermédiaires

un méson est faible tandis que QUELQUES RAPPELS SUR LA PHOTODESINTEGRATION DU l'interaction magnétique dipolaire (Ml) passe essen- DEUTERIUM

La croissance de la section efficace totale de tiellement par la photoproduction de la résonance

A(T

5=3/2+). photodésintégration du deutérium au-delà de 150 MeV

d'énergie de gamma est connue depuis près de 20 ans.

Si nous extrapolons cette remarque, nous devons

admettre que l'étude quantique de la fonction La figure 1 présente les résultats obtenus ré- d'onde "classique" des noyaux au moyen de l'inter- cemment

l'Accélérateur Linéaire d'Orsay

com-

parés

ceux de Bonn [5].

action électromagnétique doit être limitée aux éner- gies inférieures au seuil de photoproduction de pion, c'est-à-dire jusqu'aux environs de 100 MeV

d'énergie d'excitation. (Nous rappelons que le seuil

BONN de photoproduction de pion chargé est de 140 MeV).

Par exemple si nous désirons évaluer la dis- tribution d'impulsion des nucléons dans un noyau A par la réaction

il faut s'arrêter

cette énergie (qui correspond d'ailleurs

une impulsion élevée des nucléons) pour que l'interprétation demeure cohérente, c'est- à-dire continue

s'exprimer en terme de nucléons

non relativistes liés par un potentiel. Fig. 1

Section efficace totale de photodésintégration du deutérium en fonction de l'énergie des photons.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19715134

C . SCHUHL

Wilson [ 6 ] , Zachariasen

Austern [8] ont interprété cette "résonance" par la contribution de la photoproduction d'un pion et sa réabsorption dans le noyau. A cette époque, la section efficace "clas- sique" (sans contribution de courant mésonique) était vers 100 MeV assez faible

Schiff en 1950 calcule 35 pb. La différence (aexp.

dans la région de 100

200 MeV était suffisamment impor- tante pour inciter Wilson [6] en

estimer la contribution de la photoproductipn d'une onde S de méson, contribution Pinieau seuil contrairement

la contribution de l'onde

qui est nulle alors. Au seuil, Wilson obtient o(E1) = 35 pb en accord quali- tatif avec les données de l'époque sur (a _exp. -

)

comme le montre la figure 2.

'théor.classique

Fig. 2

Section efficace de photodésintégration du deuton.

Interprétation théorique de R.R. Wilson.

Depuis le calcul de la section efficace de photodésintégration "classique" du deutérium, a

theor s'est raffiné avec les calculs de Rustgi et al. [IO], Donnachie [II] et Partovi [ 1 2 ] . Les résultats actuels convergent vers une section efficace théori- que "classique"

'th6or. (Ey

140 MeV) = 45 ub.

Enfin Pearlstein et Klein [ , ] l en traitant approximativement le champ de méson par la théorie de Chew et Low et en se limitant

un seul pion dans l'état intermédiaire,obtiennent pour la section efficace de photoproduction électrique dipolaire

( y n )

=

140 MeV.

On voit que, dans la région de transition du domaine "classique''

la résonance ( 3 , 3 ) , la situa-

tion n'est pas encore clarifiée.

Au-dessus de 200 MeV, on admet maintenant que la photoproduction magnétique dipolaire (MI) do- mine le processus presque complètement. L'idée de base de Wilson

revient

factoriser l'amplitude de photodésintégration en un terme t de photo-

ya

production sur un nucléon et un terme t d'absorp-

tion du pion par un nucléon

Le pion est dans l'état intermédiaire assimilé

un pion réel produit puis réabsorbé.

LES NOYAUX PLUS LOURDS

Si nous extrapolons, au cas des noyaux plus lourds, les idées développées pour la photodésin- tégration du deutérium, nous devons nous attendre

ce que l'absorption des photons procède ainsi

1. émission de pions qui sera le processus principal

2. émission de nucléons consécutive

la réabsorption des pions dans le noyau.

Les processus primitifs sont

y + p (Tran~ition.Ml)

y

+ n (Transition Ml) {: : ::

Mais,alors que dans le cas du deutgron, seule l'émission de

est compatible avec un processus élastique, pour les noyaux, en général il existera des états finals liés même après émission de

ou

-

B

. Citons par exemple les réactions

Ce type de réactions s'explique assez bien par

l'approximation d'impulsion, en corrigeant le ré-

sultat du calcul par le facteur d'atténuation du

pion dû

son absorption dans le noyau. Dans une

première phase, le photon est supposé produire un

pion quasi libre. L'accord approximatif existe en-

tre théorie et expérience. Mais pour le moment les

incertitudes sur la fonction d'onde nucléaire,

l'opérateur de transition et l'interaction dans

l'état final ne permettent pas une comparaison

claire entre les faits expérimentaux et les inter-

prétations théoriques. La section efficace intégrée (y,n) sur la résonance (3,'3) peut se schématiser sous la forme

où f simule

réabsorption des pions avec émission de nucléons.

En outre, soulignons que le processus de pho- todésintégration du deutéron doit également se pro- duire dans les noyaux. Par extension de l'idée de J. Lévinger Cl31 du quasi-deutéron, on devrait ob- server autant de paires (n-p) dans l'état final qu'il y a de paires (n-p) dans l'état T=O, S=l, L=O, a+ ce qui est le cas pour 314 de paires (n-p) dans l'état relatif R=O (cas de 4~e).

Remarque sur la photoproduction des pions sur les nucléons

Ces réactions sont des réactions de base per- mettant l'interprétation des résonances vers 300 MeV. Nous tenons

faire remarquer que, si une gran- de quantité d'études a été effectuée sur les réac- tions

y + p + n + + n , Y " P + n 0 + P ,

les expériences sont faites avec des erreurs statis- tiques de 3

4%. Seulement, il existe encore des désaccords de l'ordre de 25% entre divers labora- toires. Un travail de clarification demeure

faire.

De plus le processus y

n

n- + p est très peu étudié, bien qu'il soit indispensable pour dé- terminer les trois amplitudes de transitions dans l'espace de charge, l'amplitude isoscalaire ) ' ( A et les deux amplitudes isovectorielles A(') (T=1/2

T=1/2) et ( ~ = 1 / 2

T=3/2). En effet les ampli- tudes de transition s'écrivent

Les expériences sur le proton ne fournissent que [A(0)

-! ^et A(3).

3

LA SITUATION EXPERIMENTALE

Je voudrais montrer la situation expérimenta- le telle qu'elle se présente dans le domaine d'é- nergie étudié. Je n'évoquerai pas la photoproduc- tion des pions au voisinage du seuil, complément

utile

l'étude de la capture radiative des pions lents par les noyaux. Ce dernier problème sera exa- miné par M. Ericson, A. Figureau et J. Delorme Cl41 dans cette session.

1.

Etude de Za réaction 3 ~ e + y

ai

Cette réaction est actuellement en cours d'é- tude par un groupe de l'Institut de Physique Nuclé- aire d'Orsay [21] travaillant avec la source de pro- tons de l'Accélérateur Linéaire de 600 MeV de Saclay.

Le pion est détecté en colncidence avec le triton dans les domaines d'énergie derecul de ce dernier qui lui permet de sortir de la cible d'hé- lium-3. Dans ce cas la cinématique est entièrement définie et il est possible d'utiliser un spectre de freinage. Lorsque l'énergie du triton sera trop faible, la source de rayonnement gamma sera iesDho- tons d'annihilation en vol de positons mise au point

Saclay. Un aimant

400 MeV/c) permet d'ana-

max

lyser l'impulsion et l'angle d'émission des pions.

Les tritons sont détectés dans des plastiques scintillants.

L'un des buts de l'expérience est de voir, dans la gamme des énergies de photons et des seuils du triton, si l'approximation d'impulsion est cor- recte.

En première analyse, en faisant l'approxima- tion d'impulsion, en admettant que le processus de base est la photoproduction d'un n+ réel sur un proton, en n'utilisant que des ondes S et en suppo- sant que la fonction d'onde du noyau de masse 3 est unique, on peut écrire

Où

[%jp est la section efficace différentielle de

photoproduction du n+ sur le proton, K un facteur cinématique et F (A=3) le facteur de forme de la

4 masse 3 pour un recul q.

Il est certain que cette approximation est assez grossière comme le montrent les valeurs des rayons quadratiques moyens obtenues par diffusion des électrons [15]

r

He)

1,97 k 0,1 fm, 4 .m

r (H)

1,6840,17 fm.

q .m

C . SCHUHL

Nous pensons que cette expérience permettra d'obtenir des indications complémentaires sur les fonctions d'onde des noyaux de masse 3. Il est évi- dent qu'il serait souhaitable de la compléter par l'étude de la réaction 3~ + ^y *

3 ~ e .

La figure 3 reproduit la variation du facteur de forme de 3~ et He mesuré à 3 Stanford [ 1 5 ] .

avec des photons monochromatiques de 200 MeV

450 MeV en mesurant l'énergie des protons dans un spec-

tromètre

parcours.

Un des diagrammes de photoproduction de protons

Les résultats très fragmentaires obtenus ne permettent pas de conclure. Ce type d'expérience de- vra être poursuivi. La figure 4 présente un premier résultat

E

243 MeV et

40°.

Y P

Fig. 3

Variation de F ~ ( ~ H ) et F ~ ( ~ H ~ ) en fonction du quadri-moment transféré lors de la diffusion élas-

tique d161ectrons de 100

680 MeV.

2.

Les réactions ly,p)

haute énergie.

Une réaction directe (y,p)

300 MeV ne peut se produire, pour des raisons de conservation du quadri-moment,que si des phénomènes de corrélation apparaissent, qui peuvent se schématiser par le mo- dèle du quasideutéron et par la photoproduction de

d * d a n s le noyau. A titre d'exemples nous pouvons faire les diagrammes suivants

corrélation type Huber

corrélation par "échange" d'un pion

Un groupe de Saclay Cl61 a commencé l'étude de la réaction

160

+ y

p +

Fig. 4 Réaction 160(y,p)

3.

La photodésintégration des noyaux Zégers

L'étude de la photodésintégration de l'hélium-3

3 ~ e + y + p + d

a été faite au Synchrotron de Frascati El71 au mo- yen de chambres

étincelles comme le montre la figure 5. Contrairement

la résonance qui appa- raît pour le cas du deutéron et dans le cas de 4 ~ e , les auteurs obtiennent une courbe monotone décrois- sante (voir figure 6).

Les auteurs interprètent leurs résultats comme

dus

une diminution très importante des diagrammes

suivants.

Fig. 5

Vue générale de l'équipement de Frascati. CM

ai- mant de netto age, C

collimateur, Sh

protection, T

cible de YHe, Q

quantamètre, VP

tube

vide,

S'

scintillateurs, SC

chambre

étincelles.

Fig. 6

Section efficace expérimentale

dans le systè- me du centre de masse pour la réaction y+3He

p+d.

Le diagramme (a) donne une contribution nulle si on admet que le deutéron est "libre" dans l'état intermédiaire pour des raisons de conservation de l'isospin au vertex d - ^{a '} - d.

Le diagramme (b) serait faible parce que les expériences sur le deutéron montrent une section efficace de production de a ' élastique plus faible que la section efficace prévue par l'approximation d'impulsion.

Il nous semble que le diagramme (c) dans lequel le deutéron "virtuel" est dans un état d'isospin T=l peut donner une contribution non nulle.

C'est une des raisons pour laquelle ce type d'expériences sera repris

l'Accélérateur Linéaire de Saclay.

4.

Recherche de x * d a n s l e s

G. Tamas [18] vous donnera plus de détails concertant l'expérience, qui débute

Saclay, sur la mesure des sections efficaces (y,pam) et (y,pn+).

Si nous supposons que l'absorption des photons par un noyau peut produire un dW(y=3/2, 5=3/2+) par interaction d'un photon et d'un nucléon quasi libre, d'impulsion initiale qo, il sera possible de confirmer cette interprétation en mesurant en coïn- cidence le c ion et le proton.

/p

Diagramme pour la réaction 4 ~ e + y

p +

3 ~ e

L'expérience est faite en rayonnement de frei-

nage si bien que, même en mesurant les énergies et

les angles du pion et du proton, il demeure une in-

certitude liée

l'énergie d'excitation du noyau

résiduel de

He). Les auteurs obtiennent la section

efficace différentielle de production d'un ensemble

(a-p) en fonction de l'énergie totale du système

(a-p) pour des impulsions de recul du noyau résiduel

C . SCHUHL

allant de 50 ~ e V / c

200 MeV/c. Deux méthodes sont utilisées

Dans le même temps, ils mesurent les événements

(y,Pa') qui indiquent un processus dans lequel au moins deux nucléons sont intervenus. Le diagramme

suivant donne un exemple de cette réaction.

k

Expérience (Y ,pn+) CONCLUSIONS

Nous nous trouvons dans un domaine où les tra- vaux expérimentaux sont encore rares et les efforts d'interprétations théoriques également. Un effort est effectué pour comprendre les effets non nucléo- niques dans les noyaux.

1) La méthode implicite. L'amplitude de transition s'écrit

où les fonctions d'onde

représentent les fonctions d'onde nucléaires "classiques". Les effets mésiques apparaissent dans l'opérateur O

P.

2) La méthode explicite. Certains auteurs, Kisslinger [19] et ArenhZvel , Danos et Williams [ 2 0 ] introduisent un pourcentage de résonances baryoni- ques dans les fonctions d'onde

Il est certain qu'il y a dans ce domaine d'é- nergie une physique passionnante et que les résul- tats des expériences en cours nous aideront

com- prendre les propriétés nucléaires.

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