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强子间弱相互作用的作用力程只有10-3fm,远小于核子的尺度。在如此近的距离内,强子间的弱相互作用对夸克之间近距离的关系是一阶敏感的。因此,研究强子间弱作用为定量研究夸克间相互关系并最终揭示“夸克禁闭”和“手征对称破缺”等非微扰QCD现象的根本机制具有重要意义。此外,研究强子弱相互作用是研究低能情况下夸克-夸克中性流唯一切实可行的途径。同时它也为研究原子核多体系统波函数的特殊性质提供一个可行途径。
在过去的几十年,有多个描述强子弱相互作用的模型,如介子交换模型,chiralsoliton模型等。目前较为常用的DDH理论就是通过介子交换模型来描述强子弱相互作用,其中使用到了一系列的弱介子耦合常数。近几年,出现了使用有效场论(EFT)的方法来描述强子的弱相互作用,其中也使用到了一组低能常数。无论是DDH还是EFT都需要通过实验来最终确定所使用到的常数。
在实验上,利用弱相互作用宇称不守恒的特点,通过宇称破缺的不对称观测量来提取弱介子耦合常数(DDH)或者低能常数(EFT)。由于强子弱相互作用只有强相互作用的10-13倍,强子间弱作用的宇称不守恒观测量往往非常小。对于少体系统的PV实验来说,不对称观测量只有10-7到10-8。因此进行这样的实验就需要很高的实验精度。这使得相关的弱介子耦合常数(DDH)或者低能常数(EFT)都难可靠确定。已有的宇称不守恒实验主要集中在对与耦合常数H1π相关的测量,但对其限定仍然存在矛盾。为了最终限定这些理论中的常数,仍然需要进行更多高精度的PV实验。
本课题所关注的d(γ→),n)p超高精度宇称不守恒实验不仅能帮助解决热点问题:可靠确定耦合常数H1π,而且是测量另一耦合常数H2ρ(DDH)或者mNλt(EFT)唯一可行的途径。由于该实验的不对称观测量A的理论估计为10-8量级,对实验所需的圆极化伽玛光的品质,特别是伽玛光的通量和极化,提出了很高的要求。随着近年来光源技术的发展,LCS光源被认为是最有可能进行d((γ→),n)pPV实验的首选光源。目前世界上有多个正在建设或者改造的高质量LCS伽玛光源,如PLEIADESatLLNL,HIGS2和SLEGS等。超高精度实验的难度很大,前期研究不仅紧迫而且绝对必须。本课题尝试对基于LCS上进行d((γ→),n)pPV实验做了系统的前期研究:
首先,根据初步设计的实验装置,开发了一套基于LCS光源进行d((γ→),n)pPV实验的蒙特卡罗模拟程序,用来模拟实验的不对称观测量A。该模拟程序包括了对LCS光源的模拟和D核光致裂变的模拟两部分。然而由于该实验的观测量A超小(~10-8)因此需要的统计量超高(>1016)。并且由于实验过程的反应截面较小(~1mb),传统的单事件(eventbyevent)的模拟方法效率会极低,几乎不可能完成该实验的模拟。本程序通过使用部分权重法,把收敛慢的积分项作为权重,极大的提高了模拟的效率,使得短时间内模拟得到所需的统计量。
在本文的模拟程序中D核光致裂变的微分截面和A的理论值是两个特别需要考虑的物理量。本文所关注的能区为阈值附近几MeV的范围内。在这一能区的微分截面主要是通过各种理论模型计算得到的。直到最近几年才出现了和微分截面相关的实验测量,这使得有可能通过实验测量数据来得到阈值附件的微分截面。本文通过联合拟合多组阈值附近至120MeV的和微分截面相关的实验测量数据,得到了在这一区间内特别是阈值附近的微分截面。通过比较已有的理论计算结果发现本文的拟合结果是可靠的。对于d((γ→),n)pPV实验的不对称观测量A的理论值目前已经有人通过不同的模型计算得到。本文根据这些A的理论计算,得到了A的平均值和理论误差。其次,为了减低系统影响和实验观测量的相对误差,本文利用上述搭建的模拟程序对d((γ→),n)pPV实验的最佳能量进行了优化。同时,对d((γ→),n)pPV实验主要的系统影响和falseasymmetry进行了模拟或者估算。
最后,给出基于LCS光源进行d((γ→),n)pPV实验的条件和要求,从而为将来进行该实验打下坚实的基础。
根据本文的研究,我们发现尽管目前世界上还没有光源满足进行d((γ→),n)pPV实验的条件,但是目前已有的正在建设或者升级的LCS光源很有可能会在未来的几年具备进行该实验的条件。这将为我们进一步研究强子间弱相互作用做出重要的贡献。