Studies of three-nucleon force effects in the 1H(d,pn)p breakup reaction at 160 MeV

Abstract

Niniejsza rozprawa doktorska poświęcona jest badaniom dynamiki systemów kilkunukleonowych, w zderzeniach deuteron-proton, przy energii wiązki deuteronowej 160~MeV. Zebrane dane doświadczalne pozwoliły na wyznaczenie różniczkowych przekrojów czynnych na reakcję rozbicia (breakupu) deuteronu. Prezentowana analiza wyróżnia się spośród wcześniejszych tym, że skupiono się w niej na kanale reakcji z bezpośrednią detekcją pary proton-neutron. Umożliwiło to zbadanie dotąd nie eksploatowanych w naszych pomiarach obszarów przestrzeni fazowej. Pozwoliło to następnie na przetestowanie obliczeń teoretycznych uwzględniających różne aspekty oddziaływań jądrowych takich jak siła trójnukleonowa czy oddziaływanie kulombowskie. Eksperyment został przeprowadzony w 2011 r. w ośrodku KVI w Groningen w Holandii, przez grupę fizyków z Polski i Holandii. Wiązka rozpędzonych do energii 160 MeV deuteronów zderzana była z tarczą z ciekłego wodoru. Produkty wytworzone w tych reakcjach, rejestrowane były przy pomocy układu detekcyjnego BINA. Detektor pierwotnie był zaprojektowany z myślą o rekonstrukcji zdarzeń w których rejestrowano dwie naładowane cząstki. W prezentowanej pracy postanowiliśmy wykorzystać jego zdolność do detekcji neutronów. Analiza danych miała na celu wyznaczenie różniczkowych przekrojów czynnych na reakcję breakupu deuteronu 1H(d,pn)p poprzez pomiar koincydencji proton-neutron. Udało nam się opracować metody pozwalające na rekonstrukcję tak energii jak i kierunku emisji neutronów w detektorze BINA. W tym celu użyto asymetrii sygnałów rejestrowanych w detektorze do wyznaczenia pozycji rejestrowanego neutronu oraz czas przelotu do wyznaczenia jego energii. Do obliczenia czasu reakcji wykorzystane zostały protony, rejestrowane w standardowy sposób, tj. za pomocą metody strat energii. Wymagało to przeprowadzenia symulacji Monte Carlo układu detekcyjnego, w celu dokładnego wyznaczenia strat energii cząstek w detektorze. Została również wyznaczona wydajność na detekcję neutronów oraz wydajność na detekcję pary proton-neutron. W rezultacie uzyskany został zestaw przekrojów czynnych dla reakcji rozbicia deuteronu dla szeregu konfiguracji kątowych proton-neutron. Uzyskane wyniki zostały porównane z zestawem modeli teoretycznych układu trzech nukleonów. Obliczenia te bazują na tzw. realistycznych potencjałach nukleon-nukleon, Argonne v18 (Av18) i Charge-Dependent Bonn (CDB). Wzbogacone są one o dodatkowe elementy dynamiki 3N, takie jak modele siły trójnukleonowej Tucson-Melbourne 99 (TM99) i Urbana-IX (UIX) czy oddziaływania kulombowskie. Najważniejszym i nieco zaskakującym wynikiem tej pracy było to, że uwzględnienie siły trzynukleonowej TM99, niezależnie od wybranego modelu, pogarsza zgodność obliczeń teoretycznych z danymi eksperymentalnymi. Ponadto dla kilku wybranych konfiguracji kątowych, porównaliśmy otrzymane wyniki z najnowszymi obliczeniami bazującymi na teorii chiralnej. Otrzymane wyniki wzbogacają bazę danych przekrojów czynnych dla reakcji breakupu o kolejne punkty eksperymentalne, co może pomóc w weryfikacji i dalszym rozwoju przewidywań teoretycznych. Uzyskane przez nas metody mogą zostać użyte w planowanych eksperymentach wykorzystujących detektor BINA, który w 2015 roku został przeniesiony i zainstalowany w Krakowie, w Centrum Cyklotronowym Bronowice.

This doctoral dissertation is devoted to the study of the few-nucleon system dynamics in deuteron-proton collisions at 160 MeV deuteron beam energy. The collected experimental data allowed for the determination of differential cross sections for the deuteron breakup reaction. Contrary to previous analyses, this one focuses on direct detection of the proton-neutron pairs. This allowed to reach phase space regions which have not yet been studied in previous experiments and to test theoretical predictions including various aspects of nuclear interactions, such as three-nucleon force (3NF) or Coulomb interaction. The experiment was carried out in 2011 at the KVI in Groningen (the Netherlands), by a group of physicists from Poland and the Netherlands. A deuteron beam of the energy of 160 MeV was impinging on a liquid hydrogen target. The reaction products were registered with the BINA detection system. The detector was originally designed to reconstruct the final states of two charged particles. In this thesis, however, we exploit its ability to detect neutrons. The analysis was aimed at determination of the differential cross sections of the 1H(d,pn)p deuteron breakup reaction by measuring the proton-neutron coincidences. We have developed methods allowing for direct reconstruction of neutron observables in the BINA detector. We used the asymmetry of signals from a thick detector to determine the position of the neutrons, and the time of flight to determine their energy. The registered protons are used to calculate the reaction time. This required an extensive use of Monte Carlo simulation to accurately determine the particle energy losses in the detector. The efficiency of neutron detection and the efficiency of the detection of the proton-neutron pair were also calculated. Finally, a set of differential cross section of the deuteron breakup reaction for a number of angular configurations was obtained. The results were compared with a set of theoretical models of the three-nucleon system. These calculations are based on the so-called realistic nucleon-nucleon potentials like Argonne v18 and Charge-Dependent Bonn. They were supplemented with additional elements of 3N dynamics, such as the Tucson-Melbourne 99 and Urbana-IX three-nucleon forces, or the Coulomb interactions. The most important and somewhat surprising result was that adding the TM99 three-body forces only, regardless of the selected potential, deteriorates the agreement between the theoretical calculations and the experimental data. In addition, for a few selected angular configurations, the results have been compared to the latest calculations based on the chiral theory. The obtained results enriched the database of breakup cross section with 765 new experimental points, which may help in the verification and further development of theoretical predictions. The methods developed can be used in a planned experiments with the BINA detector, which in 2015 has been transferred and installed in Krakow, at the Cyclotron Center Bronowice.