Annihilation des antiprotons de 3 GeV/c avec les nucléons de l'émulsion ionographique

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Annihilation des antiprotons de 3 GeV/c avec les nucléons de l’émulsion ionographique

Jean-Claude Montret

To cite this version:

Jean-Claude Montret. Annihilation des antiprotons de 3 GeV/c avec les nucléons de l’émulsion iono- graphique. Journal de Physique, 1968, 29 (5-6), pp.419-426. �10.1051/jphys:01968002905-6041900�.

�jpa-00206666�

ANNIHILATION DES ANTIPROTONS

DE 3

GeV/c

AVEC

LES

NUCLÉONS

DE

L’ÉMULSION IONOGRAPHIQUE (1)

Par

JEAN-CLAUDE MONTRET,

Laboratoire de Physique Nucléaire, Faculté des Sciences, ^Clermont.

(Reçu

^le 11 octobre

1967.)

Résumé. - L’étude des étoiles « blanches » induites par l’annihilation

d’antiprotons

de 3

GeV/c

^dans l’émulsion nucléaire

(G5)

^{nous a}

permis

^{d’établir le nombre} moyen de mésons 03C0

émis dans l’annihilation, ^leurs

spectres

^{en moment et}

angulaire.

^{Nous avons aussi obtenu des}

renseignements

^sur l’émission des mésons K et sur le volume d’interaction.

Abstract. ²⁰¹⁴ A

study

of the "white-stars" induced in

(G5)

nuclear emulsion

by

the annihila- tion of 3

GeV/c antiprotons provides

informations about the average number, ^momentum

spectrum

^and

angular

distribution of the

pions

emitted. Some information on kaons emission and interaction-volume is obtained.

I. Introduction. ^- La collaboration

française

^des

antiprotons

^a

expose,

^en

^1964,

^au

^C.E.R.N.,

^un

empi-

lement d’6mulsions Ilford

G5,

^{a un} faisceau d’anti-

protons

^{de 3}

GeV/c.

L’exploration

^{de ces}

plaques

^{nous a conduits a}

1’etude des interactions «

antiprotons-nucléons

^{». Nous}

avons

donne, grace

^{a cette}

etude,

^des

renseignements

sur :

- Le nombre moyen de m6sons 7r ^et de mesons K 6mis lors de

1’annihilation;

-

L’6nergie

moyenne de ^ces m6sons 7r et de ces

mesons K.

Enfin,

^{il nous a} semble interessant de comparer les

caractéristiques

^{de ces} 6v6nements avec les

predictions

du modele

statistique

^{de Fermi.}

II. Choix des dvdnements. ^{- Dans une}

emulsion,

les etoiles d’interaction

d’antiprotons peuvent pheno- ménologiquement

^{se classer en deux} groupes :

a)

Les etoiles sans branches noires ou etoiles

blanches;

b)

Les etoiles ^{avec au} moins une branche noire.

Si

Io

^est l’ionisation

lin6ique

^au

plateau

^{de Fermi}

dans 1’emulsion consid6r6e ^et I l’ionisation

lin6ique

^de

la

particule :

a)

^{Toute trace} d’ionisation I est dite « blanche »

ou « relativiste » si I

1,410;

b)

^{Toute trace} telle que

1,410 ^I 810

^{est dite}

«

grise »

^{ou de}

cascade;

c)

^{Toute trace} d’ionisation I est dite « noire » ou

«

d’evaporation » si

I >

810.

Le choix des 6v6nements a ete determine _par la confrontation

theorique

que ^nous voulions faire

avec le modele

statistique

^{de Fermi}

[1],

^modele

valable notamment pour

expliquer

^la

production

^mul-

tiple

^de

particules

dans des interactions nucl6on-nu- cleon ou antinucléon-nucléon. Cette

particularite

^nous

a conduits a ne choisir que des etoiles blanches. ^En

effet,

les etoiles avec branches noires

repr6sentent

^un

m6canisme en deux temps ^{dans les} noyaux lourds de 1’6mulsion :

ler

temps :

Annihilation de

1’antiproton

^{avec un}

nucleon du _noyau, emission

multiple

^de

particules

^et

excitation du _noyau;

2e

temps :

^Le noyau revient a son 6tat fondamental

en «

evaporant »

^des

particules.

^Ces

derni6res,

^en

majorite

^des

protons

de faibles

energies,

^{sont visibles}

dans 1’emulsion sous forme de branches noires.

Dans ce processus, les

particules

6mises lors de 1’acte

primaire interagissent

^{avec les} nucl6ons du noyau par diffusion

élastique

^ou

in6lastique,

^ou

echange

^de

charges.

Ces interactions modifient les

caractéristiques

^des

particules

^{de l’acte}

primaire

et, pour éviter d’avoir a tenir

compte

^{de ces}

modifications,

nous nous sommes

limites aux etoiles blanches.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01968002905-6041900

420

III.

Dépouillement

^{et mdthodes de mesure. - Le}

depouillement

^{a ete} fait par ^«

suivage

^de traces » et nous avons retenu dans nos

cinq plaques

^{21 etoiles}

blanches. Notre

statistique

^{a ete}

augment6e

par le

pr6t

^de

cinq plaques

^dans

lesquelles

avaient ete

reperes

17 6v6nements. Au total nous avons 6tudi6 38 6v6ne-

ments. Toutes les traces ont ete mesur6es _par diffusion coulombienne

multiple

^et ionisation.

1. DIFFUSION COULOMBIENNE MULTIPLE

(DCM). -

Nous avons utilise la methode du centre de

gravity

cellule 4t

[2].

Cette methode a

1’avantage

^{de reduire}

le bruit de fond d’un facteur

/n, n

6tant le nombre de cellules

indépendantes.

Chaque

^fois

qu’il

^{a ete}

possible,

nous avons

pointe

100 sous-cellules de 100 microns chacune. Pour les traces

trop

^{inclinees dans}

1’emulsion,

^nous faisions dans

chaque plaque

traversee le maximum de

point6s

^en

r6duisant la sous-cellule a 50

microns,

^voire

parfois

25 microns.

2. IONISATION. ^- L’ionisation a ete mesuree _par

comptage

^de

grains

^le

long

^{de la trace. Pour tenir}

compte

d’6ventuels

gradients d’ionisation,

^{nous mesu-}

rions l’ionisation de nos secondaires _par rapport ^a l’ionisation de

l’antiproton

^incident.

Soit

Ix :

l’ionisation de la trace

secondaire, Ip :

l’ionisation de

1’antiproton incident, Io :

l’ionisation

plateau.

On écrit :

FIG. 1.

3. MESURES ANGULAIRES. ^- Definition des

angles caractéristiques

^{d’une trace :}

En accord avec la

figure 1,

^nous posons :

0 :

angle

^de

projection

^entre la direction de l’anti- proton ^{incident et la trace}

secondaire;

8 :

angle

d’enfoncement de la ^trace secondaire dans

1’6mulsion.

Nous avons mesure

F angle

^{6 avec un}

goniom6tre,

tandis que la valeur de 8 est obtenue _par

prise

^{de la}

c6te z a des intervalles de

longueur

^{L :}

k 6tant le coefficient de contraction de 1’6mulsion.

IV.

Application

des mdthodes de mesures aux

événements. ^- 1. DISTRIBUTIONS DU NOMBRE DE BRANCHES. ^- La distribution du nombre de branches

est donnee

figure

^2.

FIG. 2.

Définissant Ns >

^{comme le nombre} moyen de branches _par etoiles

blanches,

^{nous trouvons :}

Mais il faut tenir

compte

du facteur e d’efficacite de detection des branches

relativistes;

^{e est determine}

par deux

comptages

successifs des ^traces fines. Nous

avons determine e ⁼

0,9,

^valeur

qui

^{est en accord}

avec celles obtenues _par les autres auteurs

(tableau I).

TABLEAU I

Apres application

^{de cette}

correction,

^{nous trou-}

vons :

Ce nombre ^est a

rapprocher

de celui donne _par

Jeannet et

^al.

[8] : (Ns) = 3,81’:f: 0,13.

^Seuls

ces auteurs ont donne le nombre moyen de branches relativistes dans les interactions

p-noyau

de 1’emulsion pour des

p

^{de 3}

GeV/c.

2. RESULTATS. ^-

L’application

des m6thodes de diffusion coulombienne

multiple

^et d’ionisation nous a

permis

d’identifier les

particules

^et de donner leur

spectre

^en

energie

^{et en moments.}

Pour éviter les causes d’erreurs

qui

^auraient pu 6tre dues a

1’appareillage,

nous avons étalonné la m6thode avec les

primaires

des etoiles

(p

^{de 3}

GeV/c)

sur les deux

appareils

^{de mesure dont nous}

disposions :

- 1

microscope

Koritzka MS

2,

- 1

microscope

^Leitz

type

^Olurd.

Les deux courbes

d’6talonnage

^sont

repr6sent6es figures

^{3 et 4. Nous avons tenu}

compte

pour ^toutes les mesures faites sur le

microscope

Olurd d’un facteur de calibration de

1,2.

Appliqu6es

^aux

6toiles,

^ces m6thodes de mesures nous ont

permis d’accepter

les 38 6v6nements comme

provenant

d’annihilation

p

^{sur nucl6on.}

L’identification des branches nous a donne : 106 mesons 7T

10 mesons K 2

protons.

La

configuration

de 1’6v6nement avec deux protons

et la balance

d’6nergie

^nous permettent ^de supposer

qu’il s’agit

d’un 6v6nement du

type :

La balance

d’6nergie

^en

particulier

^{nous conduit}

a penser que le meson n° aurait une

energie cin6tique

de 640

MeV,

^valeur

compatible

^{avec le} spectre ^en

energie

des m6sons 7c

charges.

FIG. 3. ^- p ³

GeV/c,

^{c. de}

gravity

^{28 traces Olurd.}

FIG. 4. ^- p ³

GeV/c,

^{c. de}

gravity

^{25 traces Kortiz Ka.}

422

TABLEAU II

3. DETERMINATION DU NOMBRE DE PIONS EMIS. ^- Si nous

d6signons par N,,± >

le nombre _moyen de mésons 7t

charges

6mis par

interaction,

^{nous trouvons :}

Le

principe d’indépendance

^de

charge

^nous permet d’admettre

qu’il

y ^{a en} moyenne ^{et au} minimum un

meson 7t° 6mis _pour

chaque paire (1t+, 1t-).

^{Dans ces}

conditions,

^{si nous}

designons par N,,±o >

^{le nombre}

moyen de mésons 7t 6mis _par

interaction,

^{nous obte-}

nons, ^{en tenant}

compte

du facteur d’efficacite e :

d’oii :

Ce resultat constitue la limite inferieure du nombre de mésons n 6mis dans l’annihilation. En

effet, l’émis-

sion de deux ou trois nO _par

paire (7r+, 7r-)

^n’est pas

impossible.

Dans le tableau

II,

^nous comparons ^nos resultats

avec ceux obtenus

pr6c6demment.

^{Les nombres}

port6s

dans la colonne

marquée NTt-:1:.o >

^{CORRIGE corres-}

pondent

^a des resultats obtenus dans 1’emulsion ^avec des etoiles

d’6vaporation

^{en tenant}

compte

^{du nombre} de m6sons 7r absorbes dans le _noyau.

On remarquera que ^nos resultats sont en bon accord

avec ceux

publi6s antérieurement,

^{aux erreurs}

pres.

La

comparaison

^{de nos resultats est}

particulierement

int6ressante avec les resultats suivants : d’une

part,

avec ceux de

Apostolakis et

^al.

[10] qui

^{ne se sont}

int6ress6s

qu’aux

^etoiles

blanches,

^{comme nous 1’avons}

fait

nous-m8mes;

^d’autre part, ^{avec ceux de Ronne}

et al.

[12] qui

^ont donne des resultats _pour des

p

de

1,3

^MeV

d’energie cinetique.

^Cette

energie

^{est la}

plus

voisine de celle utilis6e dans nos

experiences (2,2 GeV).

4.

EVALUATION

DU RAPPORT

7r + /7t-

^{ET DU RAPPORT}

DU NOMBRE D’EVENEMENTS A « BRANCHES PAIRES » AU NOMBRE D’EVENEMENTS A « BRANCHES IMPAIRES ». ^-

Un 6v6nement est dit a « branches

paires » lorsque

le nombre de ses branches est

pair.

^Il

correspond

^a

une annihilation

antiproton-proton.

Un 6v6nement est dit a « branches

impaires » lorsque

le nombre de ses branches est

impair.

^I1

correspond

^{a une} annihilation

antiproton-neutron.

Dans ce cas, le nombre de mesons 7t- dans 1’etat final

est

sup6rieur

d’une unite au nombre de mesons 7r+.

Nous avons trouve

7t + f7t-

⁼

0,84 ± 0,07;

^resul-

tat

sup6rieur

^{a ceux obtenus}

pr6c6demment

pour des annihilations au repos ^avec des etoiles

d’evaporation (tableau III).

TABLEAU III

Ce resultat _prouve que nous avons un exc6s d’an- nihilation sur des protons. ^Il

s’explique

par le fait

qu’6tudiant

les etoiles blanches nous tenons

compte

des annihilations

p

^- p ^sur les noyaux

d’hydrog6ne

de 1’emulsion. Ces 6v6nements

produisant

^des

parti-

cules relativistes n’ont donc _pas de branche noire et

n’ont _pas ete etudies _par les auteurs donnes en r6f6-

rence dans le tableau

II,

ceux-ci s’6tant int6ress6s

davantage

^aux etoiles a branches noires.

Le rapport du nombre d’6v6nements a branches

paires

^au nombre d’6v6nements a branches

impaires

est A ⁼

2,45.

Les sections efficaces d’annihilation

p

^-

p

^et

p -

ⁿ

6tant

6gales,

^{nous devrions trouver A}

6gal

^au rapport du nombre de

protons

^{au nombre de neutrons dans} 1’emulsion

apres

soustraction des 6v6nements dus a l’annihilation sur les

protons

^libres.

D’apres

^Barkas

[13],

^le rapport

n/p

du nombre de

neutrons au nombre de

protons

dans 1’emulsion est :

FIG. 5.

FIG. 6.

424

Nous avons trouve 11 6v6nements a « branches

impaires

^»

qui correspondent

^{donc a des annihila-}

tions

p - n.

Les remarques

pr6c6dentes

^nous per- mettent de calculer le nombre d’annihilations

p -

p

sur les protons des noyaux, ^a savoir

11/1,24 ~

^{9 6v6ne-}

ments.

Ayant

^{observe un} total de 38

evenements,

^nous

en d6duisons par soustraction que 18 d’entre eux sont

dus a une annihilation

p -

p libres dans 1’emulsion.

I1 est bien evident que ^ces nombres

correspondent

^a

une

estimation,

^{mais il est}

pratiquement impossible

de définir les erreurs

qui s’y

^attachent.

5. RESULTATS RELATIFS AUX PIONS. ^- La

figure

⁵

repr6sente

^le spectre ^en

quantite

^{de mouvement des}

106 mésons 7t 6mis. Nous constatons que

l’impulsion moyenne Prt >

^{est :}

La

figure

^{6 montre le}

spectre

^en

quantite

^{de mou-}

vement pour 78 m6sons 7r

qui

^{ont un}

angle

^d’enfonce-

ment dans 1’6mulsion inferieur a 150. Ces ^traces _peu inclin6es ^ont leur

energie

^{mesur6e avec une bonne}

pr6cision,

le nombre de

point6s

de diffusion coulom- bienne

multiple

^6tant

grand.

Nous obtenons alors :

Cet

histogramme

^{a ete}

compare ( fig. 7)

^{a la courbe}

theorique

donnee par le modele

statistique

^de

Fermi

[1]

^dans

l’approximation

^de

^Baldin,

^Goldanskii

et Rozenthal ^et _pour un 6tat final a

cinq

corps

[14].

Nous constatons que ^notre

spectre experimental

^est

d6cal6 vers les basses

energies.

Ce resultat nous

parait

^{lie au} fait que la valeur du

rapport

^{K entre}

1’energie

^{visible et}

1’energie

^{totale W}

est inferieure a celle que ^nous devrions trouver.

Ce

rapport

^{est donne} pour

chaque

^{6toile sur la}

figure

^8.

La valeur _moyenne de K est

0,40.

Cette valeur est en excellent accord avec celle donnee _par

Dyer

et al.

[9] (K

⁼

0,406)

^et celle donnee par Ek- spong

[4] (K

⁼

0,41).

En

supposant

que le spectre ^en

energie

des mesons n°

FIG. 7.

est le meme que le

spectre

des mésons 7t

charges,

^nous

devrions ^{trouver :}

ou

ETto repr6sente 1’6nergie

^totale

emport6e

par les

pions

^{neutres 6mis. Si nous} supposons que pour

un 6tat final a

cinq

corps nous avons au

plus

^deux

pions

neutres, ^{nous obtenons}

E,,.-

¹

GeV,

^1’6ner-

gie

^totale moyenne

emport6e

par

pion charge

^6tant

de

(477 ± 40)

^MeV.

L’6nergie

^{totale W mise en}

jeu

dans l’interaction etant de 4

GeV,

nous avons alors :

FIG. 8.

TABLEAU IV

Par difference entre cette valeur

theorique

^{et la valeur}

observee,

^nous constatons que ^notre bilan

d’énergie

est déficitaire de 35

%.

Nous emettrons

l’hypothese

que

plus

^{de deux}

7rO,

^en moyenne, ^sont 6mis par interaction.

De

plus,

^{ce resultat ne} ferait que

rapprocher

^{la courbe}

theorique

^{de notre} distribution

experimentale.

Dans le tableau

IV,

nous avons

compare

^{la valeur}

moyenne de

1’energie cinetique

^des

pions 6mis,

^obtenue

par differents auteurs.

6. DISTRIBUTION ANGULAIRE. ^- Sur la

figure 9,

nous avons

represente

^et

compare

la distribution

angulaire

des mésons 7t 6mis,avec la courbe

theorique

du modele

statistique,

^{dans la meme}

approximation

que

precedemment.

L’hypoth6se

d’une distribution

isotrope

^{dans le}

systeme

^{du centre de masse a} la base de la courbe

theorique

^est

pleinement justifiée

par l’accord th6orie-

expérience.

FIG. 9.

426

7. MESONS K. ^- Si ^nous

d6signons

par

NKK le

nombre _moyen d’6toiles

pr6sentant

^une

paire

^{de m6-}

sons

K,

^{nous obtenons :}

Ce resultat est different de la valeur _moyenne de

tous les resultats

publi6s,

^{donnee par}

Ekspong et

al.

[4] qui

trouvaient :

Cependant,

^{il faut noter} que les valeurs obtenues par les differents ^auteurs varient entre 3 rb 2

%

^et

13,3 ± 5,8 % [4].

L’6nergie

moyenne

emport6e

par 6toile et par

paire

de m6sons K est de

(88 ± 20)

^MeV.

8. VOLUME D’INTERACTION

Ort.

^- Les tables de Mac Connell et

Shapiro [15]

donnent la

probabilite

normalis6e au taux de

production

^{pure de}

pions

^des

etats

KKn7t

_pour

QK

⁼

Q,,/100

Nos valeurs pour la

production

de m6sons K nous

conduisent a

prendre

Ce volume d’interaction

conduit, d’apres

^ces

tables,

a une

production multiple

de m6sons -m de

4,79,

resultat en accord avec le notre :

Les limites du volume d’interaction ^sont fix6es _par

nos erreurs.

Nous trouvons :

Conclusion. ^- Nous avons mesure le nombre moyen ^et

l’énergie

moyenne des m6sons 7c

produits

par l’annihilation

d’antiprotons

^{dans une}

emulsion,

ainsi que le nombre ^{moyen et}

1’energie

moyenne des

paires

de mesons K 6mis lors de ces memes interactions.

Nos resultats sont

compatibles

^{avec ceux} des 6tudes

pr6c6dentes

^{faites par la}

technique ionographique,

mais _pour des

energies plus

faibles des

antiprotons.

Il ne nous est pas

possible

^de comparer ^nos resultats

avec les mesures faites dans des chambres a bulles.

En

effet,

^cette

technique

^est

g6n6ralement

^utilis6e

pour 6tudier les resonances

produites

lors de l’inter- action des

antiprotons,

tandis que dans ^notre etude

nous avons tent6

d’expliquer

^{le processus} d’interaction.

Nos resultats montrent que le modele

statistique

^de

Fermi

[1] peut

^{encore 6tre utilise} pour de hautes

energies. Toutefois,

^{le fait d’6tre}

oblige

^de

prendre

pour la

production

^{de mesons K un} volume d’inter- action different de celui utilise _pour la

production

^des

pions,

^{tend a} limiter la

signification precise

^{de cette}

grandeur.

^{Nous pensons}

qu’il

^{y a} lieu de la consid6rer

comme un

parametre dependant

^du

type

^de

produc-

tion consid6r6.

Remerciements. ^{- Il} m’est

particulierement agr6a-

ble de remercier ici :

- Mme et M.

Avan,

directeurs du Laboratoire de

Physique Nucl6aire, professeurs

^{a la} Faculte des

Sciences, qui

^m’ont

permis

d’effectuer ce travail et

m’ont

guide

^avec

bienveillance;

- M. D.

Isabelle,

^maitre de conferences a la Faculte des

Sciences,

pour les tres fructueuses discus- sions que nous avons eues;

- M. le Professeur

Morand,

^et les chercheurs de

son

laboratoire,

pour le

pr6t

^des

cinq plaques

^d’anti-

protons.

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