高能粒子诱发乳胶核反应的显微镜测量过程分析

赵惠华，孙 祝

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

高能粒子诱发乳胶核反应的显微镜测量过程分析

赵惠华，孙 祝

(山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

描述了测量核乳胶中高能重离子碰撞事例的过程，分析由此测出的末态粒子多重数分布可能存在的较大误差，并为高能重离子碰撞模型的建立提出建议.

核乳胶 测量 方位角分布

相对论重离子碰撞是20世纪80年代兴起的前沿课题，是核物理和粒子物理的交叉学科.它研究高温、高密极端条件下核物质的行为，揭示核子集体作用的信息，探寻由强子物质向夸克物质过渡的信号[1].相对论重离子碰撞时，在有限的空间有大量末态粒子产生，这是在高能重离子碰撞中的重要实验现象，它们能提供核反应机制的重要信息[2]，所以对多重数分布的精确测量具有重要的意义，而分析出实际测量中的误差来源有利于我们更准确地分析实验结果.

原子核乳胶是高能核-核碰撞研究中常用的一种探测器，是一种特殊的照相乳胶，是由照相底片发展而来的.核乳胶具有记录单个粒子径迹的能力，它不但能根据径迹的长短、弯曲程度和颗粒密度来鉴定粒子的性质及测量它的动能，同时还可以用来研究高能入射粒子与乳胶中的原子核的相互作用.原子核乳胶在高能物理研究中有其独特的优势，它的空间分辨率高达0.1～0.5μm，对于寿命为10-12至10-16秒的粒子，衰变前的飞行距离在0.1～102μm之间，是唯一有效的探测器.

核乳胶产生以来一直活跃在粒子物理研究的前沿.利用它人们已经发现了很多粒子，如Σ+，Λ+，κ+，κ-等.直到今天，它们仍在高能物理实验中起着重要的作用.利用原子核乳胶来研究相对论重离子碰撞、研究核作用机制、寻找夸克物质，是当今物理学前沿最令人鼓舞的领域.

1 实验基本情况

本实验所用的核乳胶叠是由EMU-01国际合作组提供的NIKFI-BR-2型原子核乳胶，乳胶叠体积为10×10×2 cm3，在俄罗斯JINR Dubna的Synchrophasotron(同步稳相加速器)上沿平行于乳胶平面的方向照射，照射束流通量为103/cm2，入射粒子为氧核.乳胶片的原始厚度为600μm.表1列出了该型乳胶的化学组成[3].图1是如胶片中的一个核-核碰撞作用事例照片图,其中右侧最接近水平的径迹为入射核径迹,即主径迹.其余径迹为次级径迹,表示次级粒子的出射方向.

图1 乳胶片内记录的一个作用事例图

表1 NIKFI-BR-2型核乳胶的化学成份

我们利用重光XSJ-1和XSJ-2型生物显微镜对核作用事例进行了沿径迹扫描，为了避免乳胶畸变的影响，从距乳胶边缘1cm处跟踪每一条氧核的径迹，直至发生作用或从乳胶的上 (下)表面出去，同时上下两边也各空1cm.我们测3.7AGeV16O与乳胶核的作用事例，由于进入乳胶平面的径迹不一定全部都是氧核的径迹，可能含有其他次级粒子，如C核、N核等，因而对每一观测的径迹都利用δ电子密度法(通过数出主径迹上的δ电子线密度判断离子的电荷)进行了仔细区分.对于每一个作用事例的各种次级粒子多重数(灰粒子多重数(ng)和黑粒子多重数(nb)、重电离粒子多重数(nh)、簇射粒子多重数(ns))及射弹碎片都进行了记录.但是在距乳胶上下表面20μm内的作用事例，为了防止漏掉深度变化较大的次级径迹，我们不做测量.

对于每一条射弹碎片径迹我们也进行了扫描，直到其出乳胶上下表面或发生第二次作用.扫描物镜为100×浸油镜头，目镜放大倍数为16倍.实验由九个人共同进行扫描和测量，共测得2196个事例数，其中有2044个是非弹核作用事例，152个电磁离解事例.根据产生的次级粒子的区别将实验数据分为三类，即3.7AGeV16O-AgBr,3.7AGeV16OCNO，3.7AGeV16O-Em.

2 方位角的测量与计算

由于测量时的乳胶与“照射”时的乳胶有很大差别，测量时的乳胶只剩下明胶与微不足道的银颗粒，约占乳胶原来体积一半的没有潜影的溴化银全在定影时溶去了，所以测量时乳胶体积只剩原来的一半左右了.但是由于乳胶层是粘在玻璃上的，水平方向受玻璃的牵制不能收缩，因此厚度收缩为原来的一半左右，故在计算厚度时必须定出其收缩系数S.

测量时我们取乳胶平面为x-y平面，垂直方向为z方向，初始径迹(主径迹）如图2所示.作用点为坐标原点，我们测量了每条初始氧径迹在距离作用点R1处 (一般取R1＝100μm)，相对于作用点处的深度Z1及每条次级粒子径迹在x-y平面内的投影角α和距离作用点一定长度R2处相对于作用点的深度Z2.则利用勾股定理可以计算测得初始氧径迹与次级氧径迹的实际长度L1,L2.

图2 测量量及其示意图

在以上建立的x-y-z直角系坐标中，次级粒子径迹上的P点的坐标为(R2cosα,R2sinα,Z2).主径迹在x-z平面内，且与x轴夹角为arctg(Z1R1).而方位角是次级径迹在与主径迹垂直的平面内的投影角，所以需要将x轴转到主径迹上，即将原坐标系绕y轴转一角度β＝arctg(Z1R1)后，变为x′-y′-z′坐标系，这时方位角就是次级粒子径迹在y′-z′平面内的投影角.经转动P点在新坐标系下的坐标变为 (x′, y′,z′)

因此点P在y′-z′平面内的投影角就容易计算了.用Φ表示，则

3 对实验过程和结果的分析

在实验测量过程中较为明显的一个问题是乳胶片很薄，定影后的乳胶片只有大约3 mm，而且测量时要去掉距离上下表面各0.2 mm内的作用事例，这时即使显微镜的放大率较大，人为测量也很容易漏掉方位角为π/2，3π/2附近的次级粒子，因为我们用显微镜看到此处的粒子径迹只是一些点，很难判断它是一条次级径迹.表2列出了3种作用事例的数据特点.图3给出了这3种事例产生的簇射粒子的方位角分布[4].从方位角分布来看，确实在方位角为π/2，3π/2附近的次级粒子 (这里指簇射粒子NS)占粒子百分比较少，很多文献中测出的次级粒子方位角分布也有这一特点[4，5]，这很可能是由于测量的原因引起的.

表2 选取的不同靶核作用事例的特点

但是一些最近提出的高能核核碰撞模型在调节参数的基础上能使实验所测的分布与用碰撞模型计算出的结果相一致[6].如果在建立高能核核碰撞模型时能考虑到实验测量可能出现这种较大误差，会使模型更为准确，更切合实际.用实验数据分析有关末态粒子分布的问题时，如粒子涨落[7]等也应考虑到这一实验误差.

图3 不同靶核事例的方位角分布

[1]张东海.相对论重离子诱发乳胶核反应研究[D].北京：原子能科学研究院，1999.

[2]张卫宁.高能重离子碰撞导论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2002:1-4.

[3]蔡勖,周代翠,钱婉燕,等.我国卫星回收核乳胶中一个宇宙线的高多重数事例[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]孙祝,赵惠华.3.7 A GeV16O-AgBr作用簇射粒子阶乘矩事例间涨落[J].山西大同大学学报:自然科学版，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

〔编辑 李海〕

1674-0874(2010)04-0026-03

2010-05-30

赵惠华(1978-),女,山西霍州人,硕士,讲师,研究方向:粒子物理与原子核物理.