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Phenomenological consequences of a hypothetical light neutral particle in heavy ion collisions
(1986)
We discuss the possibility that the line structure observed in the spectrum of the positrons produced in heavy ion collisions is due to the decay of a new neutral elementary particle. We argue that this can be ruled out unless one is willing to accept fine tuning of parameters, or to assume the dominance of nonlinear effects.
We compute the energy spectrum of photons which originate from the quark-annihilation process ss¯→γg in quark-gluon plasma. The spectrum peaks at an energy Eγmax∼2ms∼400 MeV in the rest frame of the plasma. We expect one photon from the above process in the energy range of 2ms±0.25ms per hundred quark-gluon plasmas of a size R=3 fm and a lifetime τ=6 fm/c formed in nuclear collisions.
By using the analytical superasymmetric fission model it is shown that all ‘‘stable’’ nuclei lighter than lead with Z>40 are metastable relative to the spontaneous emission of nuclear clusters. An even-odd effect is included in the zero point vibration energy. Half-lives in the range 1040–1050 s are obtained for Z>62. The region of metastability against these new decay modes is extended beyond that for α decay and in some cases, in the competing region, the emission rates for nuclear clusters are larger than for α decay.
The great majority of the known nuclides with Z>40, including the so-called stable nuclides, are metastable with respect to several modes of spontaneous superasymmetric splitting. A model extended from the fission theory of alpha decay allows one to estimate the lifetimes and the branching ratios relative to the alpha decay for these natural radioactivities. From a huge amount of systematic calculations it is concluded that the process should proceed with maximum intensity in the trans-lead nuclei, where the minimum lifetime is obtained from parent-emitted heavy ion combinations leading to a magic (208Pb) or almost magic daughter nucleus. More than 140 nuclides with atomic number smaller than 25 are possible candidates to be emitted from heavy nuclei, with half-lives in the range of 1010–1030 s: 5He, 8–10Be, 11,12B, 12–16C, 13–17N, 15–22O, 18–23F, 20–26Ne, 23–28Na, 23–30Mg, 27–32Al, 28–36Si, 31–39P, 32–42S, 35–45Cl, 37–47Ar, 40–49 K, 42-51. . .Ca, 44–53 Sc, 46–53Ti, 48–54V, and 49–55 Cr. The shell structure and the pairing effects are clearly manifested in these new decay modes.
Strange particle abundances in small volumes of hot hadronic gas are determined in the canonical ensemble with exact strangeness and baryon number conservation. Substantial density and baryon number dependence is found. A p¯d experiment is examined and applications to p¯-nucleus annihilations are considered.
Strong indirect evidence exists for the existence of attractive forces between nuclei making surface contact. Experimentally, the recent observations of spontaneous positron production in heavy-ion collisions can only be understood if nuclei stick together for times long compared to the collision time. We show that any such tendency for nuclei to attract implies the existence of nuclear molecules with entirely new kinds of collective modes. We present a simple model for these modes and apply it to 238U-238U.
Atomic excitations are used to obtain information on the course of a nuclear reaction. Employing a semiclassical picture we calculate the emission of δ electrons and positrons in deep inelastic nuclear reactions for the example of U+U collisions incorporating nuclear trajectories resulting from two different nuclear friction models. The emission spectra exhibit characteristic deviations from those expected for elastic Coulomb scattering. The theoretical probabilities are compared with recent experimental data by Backe et al. A simple model is used to estimate the influence of a threebody breakup of the compound system upon atomic excitations.
For the scattering of 28Si on 28Si coupled channel calculations of the elastic scattering and inelastic single excitation of the first 2+ state of 28Si are carried out. The real coupling potentials are calculated in the framework of an adiabatic model. The resulting cross sections reveal structures in agreement with the observed ones and support their interpretation as nuclear molecular resonances.
We compare a proximity-type potential for two interacting nuclei with the double-folding method. Both spherical and deformed systems are considered. Special "orientation windows" are found for two deformed nuclei giving rise to nuclear cohesion. If the same nucleon-nucleon interaction is utilized, the proximity and the double-folding potentials agree fairly well for a spherical + deformed system. However, deviations are found in the case of two deformed nuclei.
A new spontaneous-symmetry-breaking mechanism is formulated for SU(3), which is used to describe the formation of bags around quarks. The Higgs field is replaced by the scalar product of two colored fermion fields. This model gives mass only to one gluon (equivalent to Aμ8) when spontaneously broken. The consequences of this scheme are discussed, and it is argued that it can explain several puzzling high-energy heavy-ion experiments.
Excitations of the atomic shell in heavy-ion collisions are influenced by the presence of a nuclear reaction. In the present Rapid Communication we point out the equivalence between a semiclassical description based on the nuclear autocorrelation function with an earlier model which employs a distribution of reaction times f(T). For the example of U+U collisions, results of coupled-channel calculations for positron creation and K-hole excitations are discussed for two schematic reaction models.
The collision process is described by hydrodynamical equations. The escape of nucleons which do not take part in the thermal equilibrium is considered by including drain terms in these equations. The energy spectra of the escaped nucleons and of nucleons evaporated after the breakup of the fluid are compared. NUCLEAR REACTIONS Relativistic heavy ion reactions, nuclear hydrodynamics, nucleon spectra.
The nucleons taking part in heavy ion reaction are considered as a three-component fluid. The first and second components correspond to the nucleons of the target and the projectile, while the thermalized nucleons produced in the course of the collision belong to the third component. Making use of the Boltzmann equation, hydrodynamical equations are derived. An equation of state for anisotropic nuclear matter obtained from a field theoretical model in mean field approximation is applied in a one dimensional version of the three-component fluid model. The speed of thermalization is analyzed and compared to the results of cascade and kinetic models. NUCLEAR REACTIONS Relativistic heavy-ion reactions, hydrodynamic description.
The energy shift of K electrons in heavy atoms due to the self-energy correction has been calculated. This process is treated to all orders in Zα, where Z denotes the nuclear charge. For the superheavy system Z=170, where the K-shell binding energy reaches the pair-production threshold (E1sb∼2mc2), a shift of +11.0 keV is found. This shift is almost cancelled by the vacuum polarization, leaving a negligible effect for all quantum-electrodynamical corrections of order α but all orders of Zα.
Two-center level diagrams for the neutron orbitals in the scattering of 16O on 25Mg and of 17O on 24Mg are calculated by using a deformed potential for 24,25Mg. Possible consequences of the nuclear Landau-Zener mechanism, namely the promotion of nucleons at avoided level crossings, and of the rotational coupling between crossing molecular single-particle orbitals are studied for inelastic excitation and neutron transfer. The important excitation and transfer processes, which are enhanced by the promotion process and the rotational coupling, are presented. NUCLEAR REACTIONS Heavy ion scattering, theory of nucleon transfer, molecular wave functions, asymmetric two center shell model, single particle excitation, deformed nuclei.
Collisions of very heavy ions at energies close to the Coulomb barrier are discussed as a unique tool to study the behavior of the electron-positron field in the presence of strong external electromagnetic fields. To calculate the excitation processes induced by the collision dynamics, a semiclassical model is employed and adapted to describe the field-theoretical many-particle system. An expansion in the adiabatic molecular basis is chosen. Energies and matrix elements are calculated using the monopole approximation. In a supercritical (Z1+Z2≳173) quasiatomic system the 1s level joins the antiparticle continuum and becomes a resonance, rendering the neutral vacuum state unstable. Several methods of treating the corresponding time-dependent problem are discussed. A projection-operator technique is introduced for a fully dynamical treatment of the resonance. Positron excitation rates in s1/2 and p1/2 states are obtained by numerical solution of the coupled-channel equations and are compared with results from first- plus second-order perturbation theory. Calculations are performed for subcritical and supercritical collisions of Pb-Pb, Pb-U, U-U, and U-Cf. Strong relativistic deformations of the wave functions and the growing contributions from inner-shell bound states lead to a very steep Z dependence of positron production. The results are compared with available data from experiments done at GSI. Correlations between electrons and positrons are briefly discussed.
We define a new scalar-tensor theory with an effective gravitational coupling constant depending on a scalar field. The coupling is such that the gravitational interaction decreases with the strength of the scalar field. We show that this is not sufficient to prevent the gravitational collapse of sufficiently massive dense objects.
We calculate the spin polarization of 1sσ vacancies and emitted δ electrons induced by the strong magnetic field (|Bmax|∼1016G) in collisions of very heavy ions (Z1+Z2=178). The electron excitations are determined by the solution of coupled-channel equations within the quasimolecular basis states including the vector potential. The formulation is extended to the many-electron case. Spin polarizations of the order of 5-10% for impact energies below the Coulomb barrier are predicted.
The origin and importance of electron-translation effects within a molecular description of electronic excitations in heavy-ion collisions is investigated. First, a fully consistent quantum-mechanical description of the scattering process is developed; the electrons are described by relativistic molecular orbitals, while the nuclear motion is approximated nonrelativistically. Leaving the quantum-mechanical level by using the semiclassical approximation for the nuclear motion, a set of coupled differential equations for the occupation amplitudes of the molecular orbitals is derived. In these coupled-channel equations the spurious asymptotic dynamical couplings are corrected for by additional matrix elements stemming from the electron translation. Hence, a molecular description of electronic excitations in heavy-ion scattering has been achieved, which is free from the spurious asymptotic couplings of the conventional perturbated stationary-state approach. The importance of electron-translation effects for continuum electrons and positrons is investigated. To this end an algorithm for the description of continuum electrons is proposed, which for the first time should allow for the calculation of angular distributions for δ electrons. Finally, the practical consequences of electron-translation effects are studied by calculating the corrected coupling matrix elements for the Pb-Cm system and comparing the corresponding K-vacancy probabilities with conventional calculations. We critically discuss conventional methods for cutting off the coupling matrix elements in coupled-channel calculations.
Different collective deformation coordinates for neutrons and protons are introduced to allow for both stretching and γ transitions consistent with experiments. The rotational actinide nuclei 234-238U and 232Th are successfully analyzed in this model. NUCLEAR STRUCTURE 232Th, 234-238U calculated B (E2) values, collective model.
Dynamics of Coulomb fission
(1980)
A general formalism is described for the treatment of Coulomb fission, within the framework of the semiquantal theory. We develop a model for the fission probabilities of levels excited in Coulomb excitation. This model contains penetration of the double-humped fission barrier, competition from gamma and neutron emission, and the spreading of the collective states into noncollective compound states. For 74184W + 92238U, the fission probability at θc.m.=180° is increased by a factor of 3.9, 3.3, and 2.0 at E/ECoul=0.77, 0.85, and 0.935, respectively, compared to the simplified sharp cutoff model used in earlier model calculations. The enhancement comes from barrier penetration. The damping of the fission probability due to spreading into noncollective compound states is small. Prompt Coulomb fission (near the distance of closest approach) is studied in a one-dimensional model. The results clearly imply that prompt fission is negligible. We have also studied the sudden approximation for collective rotational levels in connection with Coulomb fission. At high spins (I≈20), it leads to significant errors. Contrary to the basic assumption of the sudden approximation that the nuclear symmetry axis remains fixed during the collision, it is shown that Coulomb excitation results in a strong alignment of the nuclear symmetry axis perpendicular to the beam axis at small internuclear distances. NUCLEAR REACTIONS, FISSION Semiquantal theory of prompt and asymptotic Coulomb fission, study of double-humped barrier penetration, damping effects, neutron and γ emission. Calculated σ(Ep, θc.m.=180°).
Phase transitions in nuclear matter A method for the description of spin-isospin phase transitions in nuclear matter is developed. It allows a complete description of the pion condensation phase transition in the framework of the Landau-Migdal Fermi liquid theory. The equation of the order parameter is derived and the condensation energy is calculated. We study the influence of pion condensation on the nuclear equation of state and the temperature dependence of pion condensation. NUCLEAR STRUCTURE Description of pion-condensed ground state by Green's function technique.
In heavy ion collisions, the molecular single-particle motion may cause specific structures in the energy dependence of the cross sections which arise by the promotion of nucleons at level crossings according to the Landau-Zener excitation mechanism. In order to examine this effect in asymmetric heavy ion collisions, we have calculated level diagrams of the two-center shell model for the target projectile combinations 13C + 16O and 12C + 17O and analyzed with respect to inelastic excitation and neutron transfer. We select certain reactions as possible candidates for showing enhanced cross sections for nucleon excitation and transfer due to real and avoided level crossings near the Fermi level.
Die hier vorliegende Arbeit stellt die experimentelle Bestimmung des Verhältnisses R der totalen Wirkungsquerschnitte von Doppel- zu Einfachionisation von Helium vor. Die Ionisation wurde durch Photonen der Energie von etwa 8 keV und 58 keV induziert. In diesem Energiebereich ist die Ionisation sowohl durch die Absorption eines Photons wie auch durch die Compton-Streuung möglich. Die genutzten Photonenenergien erlaubten, den asymptotischen Hochenergiebereich beider Prozesse zu untersuchen. Mit Hilfe der verwandten Methode der Rückstoßionen-Impulsspektroskopie (hier in der neuesten Generation COLTRIMS, nach COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) konnten Photoabsorption und Compton-Streuung erstmals experimentell voneinander getrennt werden. Sie ermöglichte ebenfalls eine gegenüber anderen Meßmethoden deutlich gesteigerte Genauigkeit der Werte R. Die Kinematik der auslaufenden Teilchen unterscheidet sich in beiden Prozessen: In der Absorption überträgt das Photon seine volle Energie auf die Targetelektronen. Deren Impuls im auslaufenden Kanal ist groß gegenüber dem des einlaufenden Photons und muß vom Ion kompensiert werden. Dagegen findet die Streuung des Photons am Elektron statt, das Ion nimmt dabei die Rolle eines Zuschauers ein. Es besitzt im auslaufenden Kanal nur einen geringen Impuls. Die so wohlseparierten Strukturen in der Rückstoßionen-Impulsverteilung erlauben die Trennung beider Prozesse durch COLTRIMS. Das Resultat zur Photoabsorption im Hochenergielimit von Rph = (1.72 ± 0.12) % konnte erstmalig die theoretischen Vorhersagen dieses Wertes verifizieren. Der Wert von Rc = (1.22 ± 0.06) % bei etwa 8.8 keV bestätigt die Rechnung von Andersson und Burgdörfer (Phys. Rev. A50, R2810 (1994)). Das Ergebnis von Rc = (0.84 +0.08-0.11) % bei 58 keV stimmt mit dem für die Compton-Streuung vorhergesagten asymptotischen Grenzwert überein.
Bei der Kollision ultra-relativistischer Schwerionen wird die Kernmaterie extrem verdichtet und erhitzt. Die dabei erzeugte Energiedichte könnte ausreichen, um für kurze Zeit in einem begrenzten Volumen ein Quark-Gluon-Plasma entstehen zu lassen. Dieser Zustand der Materie, bei dem die Quarks und Gluonen nicht mehr in Hadronen gebunden sind, lag möglicherweise innerhalb der ersten Millisekunde nach dem Urknall vor und wird im Inneren von schweren Neutronensternen erwartet. Das NA49-Experiment am SPS-Beschleuniger des CERN untersucht hauptsächlich die Produktion von Hadronen in ultra-relativistischen Blei-Blei-Kollisionen. Eine erhöhte Produktion seltsamer Teilchen ist eine der vorgeschlagenen Signaturen für das Auftreten eines Quark-Gluon-Plasmas. Neutrale seltsame Teilchen werden aus den Spuren ihrer geladenen Zerfallsprodukte, die diese in den großvolumigen Spurendriftkammern (TPC) des NA49-Experiments hinterlassen, rekonstruiert. Bei der Auslese der TPCs entstehen Datenmengen von ca. 8 TByte (8 x 10 exp 12 Byte) pro Strahlzeit. Diese riesigen Datenmengen und die aufwendige Spurrekonstruktion stellen hohe Anforderungen an die Software-Infrastruktur. Daher wurde zur Vereinfachung und Modularisierung der Software-Entwicklung eine Software-Entwicklungs- und Analyseumgebung konzipiert und implementiert. Sie basiert auf dem Client-Server-Prinzip und kann über ein heterogenes TCP/IPNetzwerk aus UNIX-Workstations verteilt werden. Der zentrale Bestandteil des Systems ist der Daten-Server, der Datenobjekte mit persistenten Relationen verwaltet und die Kommunikation mit den Clients zur Steuerung des Systems übernimmt. Programmierschnittstellen (API) für verschiedene Sprachen (C, FORTRAN, C++, Fortran90) erlauben eine einfache Entwicklung von Clients, beispielsweise für die Datenanalyse und -visualisierung. Für die Rekonstruktion neutraler seltsamer Teilchen wurden 93497 zentrale Blei-Blei-Ereignisse aus der Strahlzeit im Herbst 1995 analysiert. Aus den Rohdaten der zweiten Vertex-TPC (VTPC2), die zur Bestimmung der Impulse in einem Magnetfeld positioniert ist, wurden zunächst die Ladungs-Cluster und dann die Teilchenbahnen rekonstruiert. Mit diesen Spuren wurden anschließend die Zerfalls-Vertices von neutralen seltsamen Teilchen gesucht. Dabei wurde neben den tatsächlichen Vertices auch ein Untergrund von zufälligen Kombinationen gefunden. Das Verhältnis von Signal zu kombinatorischem Untergrund wurde durch die Anwendung von Qualitätskriterien optimiert. Die Phasenraumakzeptanz liegt für die drei untersuchten Teilchen Lambda, Antilambda und K 0 s in den Rapiditäts-Intervallen 2,9 < y lambda < 3,9, 3,0 < y antilambda < 3,8 und 3,25 <= yK < 4,05. Der verwendete Transversalimpuls-Bereich ist abhängig von der Teilchenspezies und dem betrachteten Rapiditätsintervall und liegt zwischen 0,6 GeV/c und 2,4 GeV/c. Die inversen Steigungsparameter der Transversalimpuls-Spektren sind rapiditätsabhängig. Im Rapiditätsintervall, das jeweils am nächsten an Midrapidity liegt, betragen sie T lambda = 281 +- 13 MeV, T antilambda = 308 +- 28 MeV und T K 0 s = 239 +- 9 MeV. Die beobachtete lineare Abhängigkeit der inversen Steigungsparameter von der Ruhemasse und die Überschreitung der Hagedornschen Grenztemperatur für ein ideales Hadronengas sind ein Indiz für die Existenz eines kollektiven transversalen Flusses. Im Rahmen eines hydrodynamischen Modells ergibt sich eine mittlere transversale Flußgeschwindigkeit <vT> ~ 0,65 c und eine Freeze-out-Temperatur T fo ~ 110 MeV. Während die Rapiditäts-Verteilungen für Antilamda und K 0 s bei Midrapidity ein deutliches Maximum aufweisen, zeigt die Rapiditäts-Verteilung der Lambda einen flachen Verlauf. Die Multiplizitäten im Rapiditätsintervall bei oder nahe Midrapidity betragen 19,2 +- 1,1 für Lambda, 3,2 +- 0,3 für Antilambda und 27,1 +- 1,8 für K 0 s . Aufgrund der in der Analyse verwendeten Qualitätskriterien kann angenommen werden, daß die Spektren von Lambda und Antilambda in erster Näherung frei von Lambda und Antilambda aus den Zerfällen mehrfach-seltsamer Baryonen sind. Aus dem Vergleich mit den Rapiditäts-Spektren, die von anderen NA49-Gruppen mit unterschiedlichen Analyseansätzen ermittelt wurden, konnte der systematische Fehler der Analyse auf etwa 20-30% abgeschätzt werden. Beim Vergleich der Rapiditäts-Spektren von verschiedenen Stoßsystemen bei der gleichen Energie besitzen die Lambda-Verteilungen für Schwefel-Schwefel- (S+S) und Blei-Blei-Stöße (Pb+Pb) die gleiche flache Form. Hingegen weist die p+p-Verteilung zwei deutliche Maxima auf. Die Rapiditäts-Verteilungen von K 0 s und Antilambda zeigen für alle drei Stoß-Systeme annähernd die gleiche Form. Während bei den Lambda- und K 0 s -Verteilungen die Teilchenausbeute beim Übergang von S+S zu Pb+Pb etwa mit der Anzahl der Partizipanten skaliert, ist der Anstieg bei den Antilambda nur halb so groß. Im Vergleich zu p+p nimmt die Produktion aller drei Spezies um etwa das Zweifache der Partizipanten-Anzahl zu. Die Lambda-Multiplizität bei Midrapidity wird durch Rechnungen des UrQMD-Modells sehr gut reproduziert. Allerdings scheint die Form des Lambda-Rapiditäts-Spektrums flacher als die des Modells zu sein. Bei den Antilambda - und K 0 s -Spektren wird die Form der Verteilung besser durch das Modell beschrieben, jedoch reproduziert es nicht die Gesamtmultiplizität. Während die K 0 s-Daten um 30% unter der UrQMD-Verteilung liegen, wird für die Antilambda nur ungefähr die Hälfte der tatsächlich gemessenen Multiplizität vorhergesagt. Eine Abschätzung für die Anzahl von s- und s-Quarks, die bei einem zentralen Blei-Blei-Stoß erzeugt werden, zeigt eine Übereinstimmung innerhalb der systematischen Fehler dieser Abschätzung und ist damit konsistent mit der erwarteten Erhaltung der Seltsamkeits-Quantenzahl. Das Antilambda/Lambda-Verhältnis bei Midrapidity beträgt 0,17 +- 0,02. Der Vergleich der Verhältnisse von seltsamen zu nicht-seltsamen Teilchen zeigt keinen signifikanten Unterschied zwischen Proton-Proton- und Proton-Kern-Stößen; beim Übergang zu S+S kommt es zu einer Erhöhung der Seltsamkeits-Produktion um etwa einen Faktor 2. In Blei-Blei-Kollisionen kommt es jedoch zu keiner weiteren Erhöhung. Mit steigender Anzahl der Partizipanten, die proportional zur Größe des Reaktionsvolumens ist, kommt es zu einer Sättigung der Strangeness-Produktion. Die Energieabhängigkeit der Strangeness-Produktion zeigt für Nukleon-Nukleon-Stöße (N+N) ein anderes Verhalten als für Kern-Kern-Kollisionen (A+A). Während sie für N+N-Stöße zwischen AGS- und SPS-Energien um einen Faktor 2 zunimmt, kommt es bei A+A-Kollsionen zu einer Sättigung auf dem AGS-Niveau. Dieser Unterschied kann durch eine Reduktion der Masse der Seltsamkeitsträger bei den A+A-Stößen erklärt werden, wie sie in einem Quark-Gluon-Plasma erwartet wird. Dies läßt vermuten, daß der Phasenübergang von einem Quark-Gluon-Plasma zu einem Hadronengas im Energiebereich zwischen AGS und SPS stattfindet.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Abhängigkeit der HBT-Radien im Rahmen des NA49-Experimentes bei einer Strahlenergie von 40 und 158 AGeV untersucht. Es zeigte sich, dass die Radien Rside, Rout und Rlong monoton mit der Zentralität von 2-3 fm bis 5-6 fm anwachsen, jedoch nur eine sehr geringe Energieabhängigkeit aufweisen. Dabei ist die Energieabhängigkeit bei Rside am schwächsten und bei Rlong am stärksten ausgeprägt. Bei Rout zeigte sich, dass die Werte bei 40 AGeV steiler mit der Zentralität ansteigen als die entsprechenden Werte bei 158 AGeV, was zur Folge hat, dass für zentrale Ereignisse Rout bei 40 AGeV um etwa 0.5 fm größer ist, als bei 158 AGeV. Die Signifikanz dieses Befundes ist wegen der statistischen (maximal 0.3 fm) und systematischen Fehler (maximal 1 fm) jedoch sehr gering. Allerdings wurde auch bei der Analyse zentraler Blei-Blei-Kollisionen[28] beobachtet, dass die Werte für Rout bei 40 AGeV größer sind als bei 158 AGeV. Die Radien beider Energien lassen sich als eine lineare Funktion der dritten Wurzel der Anzahl der Partizipanten beschreiben. Letztere sind ein Maß für die transversale Größe des Ausgangszustandes. Aus diesem Verhalten folgt, dass die HBT-Radien aus dem Ausgangszustand der Kollision bestimmt werden. Betrachtet man jedoch die geringe Energieabhängigkeit der HBT-Radien, so liegt der Schluss nahe, dass die HBT-Radien eher durch den Anfangszustand der Kollision bestimmt werden als durch den Endzustand. Dies steht im Widerspruch zu der üblichen Interpretation der Bose-Einstein-Korrelation in Schwerionenkollisionen. Beim Betrachten des Verhältnisses Rout/Rside als Funktion der Zentralität stellte sich heraus, dass es größer als eins ist und nur sehr schwach von der Zentralität abhängt. Der Wert von Rout/Rside nimmt dabei Werte zwischen 1.2 und 1.5 an. Ermittelt man aus Rout und Rside die Emissionsdauer, so stellt man fest, dass diese Größe bei beiden Energien nicht signifikant von der Zentralität abhängt und die Werte zwischen 2 und 4 fm/c liegen.
This paper reports calculations of the influence of a reaction time T>10-21 s in deep-inelastic Xe-Pb collisions on the energy spectrum of δ electrons ejected in the same collision. It is shown that the lifetime of the superheavy composite system causes pronounced oscillations of width ε=h/T in the electron distribution, which survive the inclusion of multistep excitations and the folding with a lifetime distribution function. This effect may serve as an atomic clock for deep-inelastic collisions.
Mit der Bereitstellung des 208Pb-Strahls durch das CERN-SPS können seit Herbst 1994 Kollisionen schwerster Kerne bei den höchsten zur Zeit in Schwerionenbeschleunigern erreichten Einschußenergien untersucht werden.
Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der raumzeitlichen Entwicklung von zentralen Pb-Pb-Kollisionen bei 158 GeV/Nukleon. Diese Untersuchung wurde im Rahmen des Experimentes NA49 durchgefüuhrt und stützt sich auf die Analyse von Bose-Einstein-Korrelationen identischer Pionen. Die Auswertung von rund 40000 zentralen Ereignissen, die in zwei verschiedenen Magnetfeldkonfigurationen mit der zweiten Vertex-Spurendriftkammer des NA49-Experimentes aufgezeichnet wurden, erlaubt hierbei eine annähernd vollständige Untersuchung des pionischen Phasenraumes zwischen zentraler Rapidität und der Projektilhemisphäre.
Auf der experimentellen Seite stellt der Nachweis von mehreren hundert geladenen Teilchen pro Ereignis eine große Herausforderung dar. Daher werden in dieser Arbeit die Optimierung von Spurendriftkammern sowie die verwendeten Analyseverfahren und die erreichte experimentelle Auflösung ausführlich diskutiert. Dabei zeigt sich, daß der systematische Einfluß der erreichten Impuls- und Zweispurauflösung auf die Bestimmung der Bose-Einstein-Observablen vernachlässigbar ist.
Die Messung von Korrelationen ungleich geladener Teilchen bestätigt die Beobachtungen früherer Untersuchungen, wonach die Gamowfunktion als Coulombkorrektur der Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen in Schwerionenexperimenten nicht geeignet ist. Ein Vergleich mit einem Modell zeigt, daß diese Messungen konsistent sind mit der Annahme einer endlichen Ausdehnung der Pionenquelle von rund 6 fm. In dieser Arbeitwird zur Korrektur daher eine Parametrisierung der gemessenen Korrelationsstärke ungleich geladener Teilchen benutzt, wodurch die systematischen Unsicherheiten bei der Auswertung der Bose-Einstein-Korrelationsfunktionen erheblich reduziert werden konnten.
Die Auswertung der Bose-Einstein-Korrelationen im Rahmen des Yano-Koonin-Podgoretskii-Formalismus erlaubt eine differentielle Bestimmung der longitudinalen Expansionsgeschwindigkeit. Dabei ergibt sich das Bild eines vornehmlich in longitudinaler Richtung expandierenden Systems, wie es bereits in Schwefel-Kern-Reaktionen bei vergleichbaren Einschußenergien beobachtet wurde. Die Transversalimpulsabhängigkeit der transversalen Radiusparameter ist moderat und verträglich mit einer mäßigen radialen Expansion, deren quantitative Bestätigung allerdings im Rahmen von Modellrechnungen erfolgen muß.
Im Rahmen eines einfachen hydrodynamischen Modells kann die Lebensdauer des Systems zu 7-9 fm/c bei schwacher Abhängigkeit von der Rapidität bestimmt werden. Die Zeitdauer der Pionenemission beträgt etwa 3-4 fm/c und wird damit erstmals in ultrarelativistischen Schwerionenreaktionen als signifikant von Null verschieden beobachtet.
Die Auswertung der Korrelationsfunktion unter Verwendung der Bertsch-Pratt-Parametrisierung liefert Ergebnisse, die mit denen der Yano-Koonin-Podgoretskii-Parametrisierung konsistent sind. Dasselbe gilt für den Vergleich der Analyse positiv und negativ geladener Teilchenpaare sowie unter Verwendung verschiedener Bezugssysteme.
Ein Vergleich mit den Ergebnissen von Schwefel-Kern-Reaktionen deutet an, daß die in Pb-Pb ermittelten Ausfriervolumina nicht mit dem einfachen Bild eines Ausfrierens bei konstanter Teilchendichte vereinbar sind. Vielmehr scheint das Pb-Pb-System bei niedrigerer Dichte auszufrieren. Dies läßt darauf schließen, daß die Ausfrierdichte über die mittlere freie Weglänge mit der Größe des Systems zum Zeitpunkt der letzten Wechselwirkung verknüpft ist.
This Letter discusses inner-shell excitation in collisions of very heavy ions (Z1+Z2≳140) in the framework of the quasimolecular model. The importance of multistep excitations and of coupling between continuum states is demonstrated. The 1sσ vacancy probabilities resulting from coupled-channels calculations exceed perturbation theory by a factor 3-5, thus giving good agreement with recent experimental results.
Binding energies and wave functions of inner-shell electronic states in superheavy quasimolecules with (Zp+Zt)α>1 are calculated. Ionization during a collision of very heavy ions is investigated within a molecular basis generated by the solutions of the two-center Dirac equation. Transitions to vacant bound states as well as direct excitation to the continuum are taken into account. We present theoretical values for the ionization probability as a function of impact parameter, bombarding energy, and combined nuclear charge. Our computed results are compared with recent experimental data. It is suggested that relativistic binding energies of electrons in superheavy quasimolecules can be determined experimentally via the impact-parameter dependence of ionization and the anisotropy of quasimolecular radiation.
Within an extended semiquantal theory we perform large-sized coupled-channel calculations involving 260 collective levels for Coulomb fission of 238U. Differential Coulomb fission cross sections are studied as a function of bombarding energy and impact parameter for several projectiles. In the Xe + U case, total cross sections are also given. We find a strong dependence on projectile charge number, PCF(180°)∼(Zp)6 in the region 50≤Zp≤92 for a fixed ratio E/ECoul, which might be helpful to separate Coulomb fission experimentally from sequential fission following transfer reactions. Since the cross sections are sensitive to the moment of inertia ⊖ at the saddle point, Coulomb fission can serve as a tool to investigate the dependence of ⊖ on elongation. The fragment angular distribution exhibits deviations from 1/sinθf which are pronounced at low incident energies. Our theory indicates that the recently measured Xe + U fission cross sections contain a major fraction of Coulomb-induced fission at E≤0.85 ECoul. NUCLEAR REACTIONS, FISSION Calculated Coulomb fission cross sections σ(Ep,θp) for 54Xe, 67Ho, 82Pb, 92U→92238U, fragment angular distribution, fission energy spectrum, mean spin value 〈Jf〉.
The theory of nucleon transfer in heavy ion reactions is formulated on the basis of the molecular particlecore model for a system consisting of two cores and one extracore nucleon. The extracore nucleon is described by the molecular wave functions of the asymmetric two-center shell model. The cores, which are assumed to be collectively excitable, are treated with vibrator-rotator models. Potentials for shape polarization are contained in the asymmetric two-center shell model and the interaction between the cores. The excitation and transfer of the extracore nucleon is induced by the radial and rotational couplings. The coupled channel equations, which include the recoil effects in first approximation, are derived in a form suitable for numerical calculations of cross sections. NUCLEAR REACTIONS Heavy ion scattering, theory of nucleon transfer, molecular wave functions, two-center shell model, collective and single-particle excitation.
Inner-shell ionization induced by nuclear Coulomb excitation in collisions of very heavy ions
(1978)
K- and L-shell ionization of 238U with Xe and U projectiles is investigated. Internal conversion following nuclear Coulomb excitation which is particularly important for deformed heavy nuclei is compared with direct ionization of inner-shell electrons in superheavy quasimolecules. Both processes exhibit different impact-parameter dependences. As a result of internal conversion, about 0.1-0.3 K holes per central collision are created.
On the basis of the two-center shell model a theory is developed for the excitation of loosely bound nucleons in heavy ion collisions. These nucleons move in the two-center shell model potential generated by all the nucleons and are described by molecular wave functions. The model is applied to calculate the cross sections for the elastic and inelastic 13C-13C scattering. The cross sections show intermediate structures caused by the excitation of quasibound resonances in the molecular nucleus-nucleus potential. NUCLEAR REACTIONS 13C(13C,13C) molecular wave functions, dynamical two-center shell model, quasimolecular resonances, radial and Coriolis coupling, coupled channel calculations for σ(θ).
Quasimolecular resonance structures in the 12C-12C system are studied in the framework of the coupled channel formalism in the energy range Ec.m.=5-14 MeV. The influence of the coupling of the first excited 2+ state in 12C on the resonance structures is investigated by choosing various types of coupling potentials. The intermediate structures in the reflection and transition coefficients and cross sections can be interpreted with the double resonance mechanism. NUCLEAR REACTIONS 12C(12C, 12C), quasimolecular states, coupling potentials, coupled channel calculations for σ(θ).
The theory of direct electron-positron pair production in the collision of heavy ions is formulated in the framework of the quasimolecular model. The pair production process acquires a collective nature for (Z1+Z2)α>1 and can be understood as the shakeoff of the strong vacuum polarization cloud formed in the quasimolecule. The total cross section is, e.g., 76 μb for Pb + Pb at Coulomb barrier energies.
Internal conversion of γ rays from Coulomb-excited nuclear levels cannot be neglected compared with the spontaneous and induced positron production in overcritical electric fields. It is shown that both processes are separable by their different distributions with respect to the ion angle and the positron energy.
We show that information about quasimolecular electronic binding energies in transient atomic systems of Z=Z1+Z2 up to 184 can be obtained from three sources: (1) the impact-parameter dependence of the ionization probability; (2) the ionization probability in head-on collisions as a function of total nuclear charge Z; (3) the delta-electron spectrum in coincidence with K-vacancy formation in asymmetric collisions. Experiments are proposed and discussed.
Determination of the effective 12C + 12C potential from the sub-Coulomb single-particle resonances
(1974)
The sub-Coulomb resonances observed in the total reaction yield of the 12C + 12C system at 4.9, 5.6, and 6.2 MeV are explained as single-particle resonances. The "true" effective 12C + 12C potential is determined directly as the real potential which reproduces best the position and the spacing of the observed sub-Coulomb resonances. This potential is found from a parametrization of the two limiting adiabatic and sudden potentials.
the development of the mass asymmetry vibrations in the final stages of the fission process is studied with an approximate treatment of the coupling to relative motion. A parametrized friction is introduced and its effects are studied. Numerical results are presented for 236U, together with estimates for the kinetic energy of the fragments. RADIOACTIVITY, FISSION 236U; calculated mass distribution, kinetic energy distribution. Collective dynamics, shell correction method, cranking model.
It is shown that nuclear matter is compressed during the encounter of heavy ions. If the relative velocity of the nuclei is larger than the velocity of first sound in nuclear matter (compression sound for isospin T=0), nuclear shock waves occur. They lead to densities which are 3-5 times higher than the nuclear equilibrium density ρ0, depending on the energy of the nuclei. The implications of this phenomenon are discussed.
The mechanisms of spontaneous and induced emission of radiation are derived from the Dirac equation in a rotating coordinate system. The molecular-orbital x-ray spectra exhibit a strong asymmetry with respect to the beam axis. The asymmetry peaks for the high-energy transitions, which can be used for spectroscopy of two-center orbitals.
In critical or nearly critical heavy-ion collisions, induced as well as spontaneous energyless e-e+ pair creation result in the decay of the neutral vacuum. Induced transitions from the negative-energy continuum into a vacant molecular 1s level can occur even in the absence of diving and produce a substantial enhancement and broadening of the previously considered spontaneous positron spectrum. Total cross sections of 5 b have been calculated for U-U collisions.