逆運(yùn)動(dòng)學(xué)在中高能區(qū)破碎和敲出反應(yīng)中的應(yīng)用

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)在中高能區(qū)破碎和敲出反應(yīng)中的應(yīng)用

1對(duì)不同破碎反應(yīng)的描述非穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)、反應(yīng)和變質(zhì)的研究是近20年來核物理發(fā)展的主要方向之一（通常被稱為核電廠輻射物理）。由于非穩(wěn)定核的奇特性質(zhì),通常由其表面弱束縛價(jià)核子的分布和運(yùn)動(dòng)形式來體現(xiàn),因此對(duì)核表面敏感并且機(jī)制相對(duì)清楚的直接核反應(yīng),就成為研究非穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)的重要和有效的手段。在中高能區(qū)(約大于50MeV/u),直接核反應(yīng)主要包括破碎和敲出反應(yīng)。較高的入射能量在實(shí)驗(yàn)上有若干優(yōu)點(diǎn),如可以采用逆運(yùn)動(dòng)力學(xué)在很小立體角范圍做完整測(cè)量,可以采用厚靶,反應(yīng)截面較大等。這使得在每秒幾個(gè)粒子以上的流強(qiáng)條件下,就可以得到相當(dāng)好的有效事件統(tǒng)計(jì)量。另外,較高能量下適用的理論模型相對(duì)簡(jiǎn)單,便于進(jìn)行定量的譜學(xué)研究。廣義而言,敲出反應(yīng)也是破碎反應(yīng)的一種。不同文獻(xiàn)中對(duì)破碎反應(yīng)的分類有不同的表述。大體上分為兩大類:彈性破碎(elasticbreakup)和非彈破碎(inelasticbreakup)。彈性破碎又稱為衍射破碎或衍射裂解(diffractivebreakupordiffractivedissociation),也有的稱為非彈激發(fā)(inelasticexcitation),其含義就是彈核的各個(gè)部分分別與靶核發(fā)生彈性作用而破碎開來。彈性破碎又可根據(jù)作用力的不同分為核破碎(nuclearbreakup)和庫侖激發(fā)(Coulombexcitation)。非彈破碎往往又稱為削裂反應(yīng)(stripping)或敲出反應(yīng)(knockout)或吸收反應(yīng)(absorption),是指彈核的某些部分與靶核發(fā)生劇烈作用,被直接敲出或被吸收的過程。此時(shí)靶核的其他部分被近似看作不參與作用的旁觀者(spectator),攜帶原有的彈核內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息從前角度飛出。非彈破碎又可以分為直接破碎(directbreakup)和級(jí)聯(lián)破碎(sequentialbreakup),前者是指在靶核作用下彈核突然破碎(suddenbreakup)的過程,而后者是指旁觀者處于共振態(tài)(正能態(tài))飛出靶區(qū),隨后再衰變的過程。實(shí)驗(yàn)一般采用較輕的靶(H,Be和C靶等)來突出非彈破碎(敲出反應(yīng))和核衍射破碎的過程,而用重靶(Pb、Au靶等)來突出庫侖激發(fā)。本文從實(shí)驗(yàn)路線的歷史發(fā)展和認(rèn)識(shí)物理問題的角度,介紹破碎和敲出反應(yīng)在非穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)研究中的作用,并指出當(dāng)前和今后破碎和敲出反應(yīng)可以應(yīng)用的方面和需要改進(jìn)的條件。2核的削裂反應(yīng)原子核的破碎反應(yīng)研究開始于年奧本海默關(guān)于氘原子核在庫侖場(chǎng)中破碎率的計(jì)算,這也是最早提出的庫侖激發(fā)的概念和理論處理。實(shí)際上,氘正好是最輕的弱束縛核和暈核,它的束縛能只有2.14MeV,而且大部分波函數(shù)(空間分布概率)擴(kuò)展到相互作用范圍之外,因此破碎反應(yīng)截面很大。1947年,Serber提出了氘核的削裂反應(yīng)的概念,并基于突然破碎近似(suddenapproximation),計(jì)算了反應(yīng)截面、出射中子(或質(zhì)子)的動(dòng)量分布等,這就是后來廣為應(yīng)用的破碎反應(yīng)的Serber模型。該模型認(rèn)為氘核的一部分(質(zhì)子或中子)被靶核敲出或吸收,剩余的部分(中子或質(zhì)子)基本不受影響,只是一個(gè)旁觀者(spectator),帶著原來在彈核(氘核)中費(fèi)米運(yùn)動(dòng)的特征從前角度飛出,其動(dòng)量分布體現(xiàn)了原來在彈核內(nèi)部的費(fèi)米動(dòng)量特征,也就是波函數(shù)的傅里葉變換。顯然,Serber模型只適用于入射能量較高的情況。20世紀(jì)70年代,隨著國際上一批重離子加速器投入使用,重離子核反應(yīng)成為當(dāng)時(shí)核物理研究的前沿。在高能下的重離子破碎(敲出)反應(yīng)表明,碎片集中在前向發(fā)射;碎片的動(dòng)量分布與靶核的輕重?zé)o關(guān),基本上是直接反映了彈核內(nèi)部被敲出核子的費(fèi)米運(yùn)動(dòng),這與Serber模型描寫的氘核削裂反應(yīng)在機(jī)制上是一致的。另外,重核的破碎反應(yīng)可以產(chǎn)生一系列的同位素,它們的每核子動(dòng)量與彈核的基本相同。3非穩(wěn)定核的程序放射性核次級(jí)束流的產(chǎn)生和應(yīng)用是從1985年Tanihata等在美國LBL的實(shí)驗(yàn)開始的。該實(shí)驗(yàn)利用800MeVu的11B初級(jí)束轟擊Be靶,產(chǎn)生氦的系列同位素3He,4He,6He和8He的次級(jí)束流。經(jīng)過磁分析選擇的次級(jí)束再轟擊Be,C和Al等靶,用HISS零度譜儀測(cè)量相互作用截面,并用直接的幾何關(guān)系導(dǎo)出彈核的相互作用半徑RI。對(duì)Li和Be的同位素(6—9,11Li,7,9,10Be)也進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn),并用Glauber模型提取了彈核的物質(zhì)分布均方根半徑Rrms。實(shí)驗(yàn)觀察到豐中子6,8He和11Li同位素的Rrms反常增大,遠(yuǎn)超出核半徑按A1/3增長的規(guī)律,從而引發(fā)了對(duì)非穩(wěn)定核奇特結(jié)構(gòu)的研究熱潮。隨后,受到重離子敲出反應(yīng)中碎片動(dòng)量分布直接反映了被敲出的價(jià)核子在原來母核中的動(dòng)量分布的啟發(fā),Kabayashi等人測(cè)量了非穩(wěn)定奇特核11Li等在高能敲出反應(yīng)之后的核芯碎片(9Li等)的橫向動(dòng)量分布P⊥,發(fā)現(xiàn)其主要成分是一個(gè)很窄的高斯峰,其約化寬度σ0只有17MeV/c,而一般穩(wěn)定原子核的σ0在80MeV/c左右。這意味著被敲出的價(jià)中子的動(dòng)量分布很窄,按照測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系其相應(yīng)的波函數(shù)空間分布就特別寬,也就是有很長的中子分布“尾巴”。作者據(jù)此提出了中子暈的概念(alargeneutronhalo)。隨后,11Li在重靶(Pb靶)上的移去兩個(gè)中子的破碎反應(yīng)實(shí)驗(yàn)給出了很大的電磁裂解(EMD)截面,理論上不能用正常的激發(fā)到很高正能量(十幾個(gè)MeV以上)的偶極巨共振(GDR)來解釋,而必須大大降低巨共振的激發(fā)能量(到1MeV左右),從而提出了軟巨共振(softGDR)的概念,這是指11Li外圍價(jià)中子相對(duì)于核芯整體的振動(dòng)。假定非穩(wěn)定核具有大小基本不變的核芯加外圍價(jià)核子的結(jié)構(gòu),利用Glauber模型對(duì)相互作用截面的分析,可以分別提取電荷分布半徑和中子分布半徑,從而得出中子皮或質(zhì)子皮的厚度。這一時(shí)期,實(shí)驗(yàn)工作主要集中在美國LBL,采用的實(shí)驗(yàn)手段還比較初級(jí),基本上是直接使用重離子核反應(yīng)的設(shè)備。觀察量集中在零度出射的碎片數(shù)目及其橫向動(dòng)量分布。選擇橫向動(dòng)量分布的原因,主要是入射的放射性核束本身的縱向動(dòng)量展寬很大(百分之幾),掩蓋了核內(nèi)費(fèi)米運(yùn)動(dòng)造成的動(dòng)量分布展寬,而橫向動(dòng)量分布受入射束的影響就比較小。這一時(shí)期最重要的就是發(fā)現(xiàn)了6He,11Li,11Be,14Be和17B等暈核,以及觀察到軟巨共振和輕豐中子核的較厚的中子皮。4暈核破碎機(jī)制的討論由于受前述新發(fā)現(xiàn)的激勵(lì),世界上若干著名核物理實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)90年代初期新建了若干條專用的放射性束流線,如在美國NSCL建成了A1200束流線,在德國GSI建成了彈核碎片分離器FRS,在日本RIKEN建成了RIPS束流線等。在豐中子核的研究中,除了帶電碎片之外,增加了對(duì)前向發(fā)射中子的探測(cè),典型的探測(cè)裝置如德國GSI的LAND,以及晚些時(shí)候在歐洲建造的分離式液閃中子探測(cè)器DEMON和在美國MSU建造的液閃中子墻中子和帶電碎片的符合測(cè)量大大推進(jìn)了人們對(duì)非穩(wěn)定核碎裂機(jī)制的認(rèn)識(shí)。原則上橫向動(dòng)量分布會(huì)受到衍射效應(yīng)、庫侖相互作用和多次散射等的干擾,因此人們對(duì)橫向動(dòng)量分布是否可用來分析彈核內(nèi)部費(fèi)米運(yùn)動(dòng)有所質(zhì)疑。NSCL的Orr等人采用消色散模式(dispersionmatchedmode)磁譜儀基本消除了次級(jí)束流本身的動(dòng)量展寬效應(yīng),從而有效地測(cè)量了11Li破碎后核芯碎片9Li的縱向動(dòng)量分布P‖,并證明了縱向動(dòng)量分布與靶的輕重?zé)o關(guān)。消色散磁譜儀由此成為非穩(wěn)定核破碎反應(yīng)中一種常用的動(dòng)量分析手段。與核芯碎片的動(dòng)量分布不同,對(duì)于6He等破碎后前向中子的橫向動(dòng)量分布的測(cè)量,卻發(fā)現(xiàn)與彈核直接破碎模型(Serber模型)給出的分布差別很大,實(shí)驗(yàn)測(cè)量的峰比理論估算的窄得多。由此引發(fā)了對(duì)使用動(dòng)量分布推知核內(nèi)費(fèi)米運(yùn)動(dòng)這一方法是否有效的懷疑。1994年,Korsheninnikov等人對(duì)暈核破碎反應(yīng)可能的幾種機(jī)制進(jìn)行了全面的分析。當(dāng)6He在C靶上破碎時(shí),傳統(tǒng)上認(rèn)為直接破碎機(jī)制為主(suddenapproximation,見圖1(a)),相當(dāng)于前述的彈性破碎,可用Serber模型描寫。在使用Serber模型時(shí),要提供價(jià)中子的量子態(tài)分布。由于6He的單粒子波函數(shù)是很清楚的,因此可很好地用來檢驗(yàn)反應(yīng)機(jī)制。圖2中虛線1是Serber模型計(jì)算的結(jié)果,它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差得很遠(yuǎn)?？梢娭苯悠扑闄C(jī)制在這里不適用。第2種機(jī)制(圖1(b))是價(jià)中子敲出機(jī)制(非彈破碎),敲出過程可用Glauber模型描寫,但需要考慮價(jià)中子在彈核中的運(yùn)動(dòng)。敲出中子的橫向動(dòng)量分布展得很寬,通常表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的動(dòng)量譜下部的一個(gè)很寬的本底,而碎片的后續(xù)破碎與第1種機(jī)制相同,得到的中子動(dòng)量分布也基本同圖2中的虛線1,不能符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。第3種機(jī)制是在敲出一個(gè)價(jià)中子后,剩余的旁觀者5He處于共振態(tài),然后通過末態(tài)相互作用(FSI)衰變。這里的敲出和共振態(tài)衰變是兩步過程。衰變中子都是前向發(fā)射的,橫向動(dòng)量分布正好重合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的比較窄的峰(圖2實(shí)線)。這說明6He和11Li等雙價(jià)中子暈核(Borromean核)不是按照直接破碎方式出射,而主要是按照兩步過程(敲出+衰變)破碎。第4種機(jī)制是敲出核芯粒子然后雙價(jià)中子衰變的過程。這種過程的中子橫向動(dòng)量分布比較接近第3種機(jī)制的共振態(tài)衰變得到的中子分布,但峰的寬度也比實(shí)驗(yàn)測(cè)得的稍大一些,可見這種機(jī)制也不占主導(dǎo)地位。隨后對(duì)8He的破碎反應(yīng)研究,也證明了上述敲出+共振態(tài)衰變的機(jī)制占主導(dǎo)地位。好在經(jīng)過這種兩步過程之后的核芯碎片動(dòng)量分布,與直接一步破碎反應(yīng)的碎片動(dòng)量分布相差不大,因此原來利用碎片動(dòng)量分布得出的關(guān)于彈核價(jià)核子費(fèi)米運(yùn)動(dòng)和波函數(shù)分布的概念(特別是暈核的概念)仍然是可以成立的。在較清楚認(rèn)識(shí)暈核破碎機(jī)制的基礎(chǔ)上,在GSI開展了一系列6He,8He和11Li等在每核子幾百M(fèi)eV能區(qū)的破碎反應(yīng)實(shí)驗(yàn),并做核芯碎片與前向發(fā)射中子的符合測(cè)量。實(shí)驗(yàn)得到許多重要結(jié)果包括反應(yīng)機(jī)制中除中間共振態(tài)衰變之外還有彈核高激發(fā)態(tài)衰變的貢獻(xiàn);對(duì)移去0個(gè)、1個(gè)或2個(gè)中子截面的分別測(cè)量并應(yīng)用于反應(yīng)機(jī)制的選擇;得到5He,7He和10Li等的共振態(tài)結(jié)構(gòu),特別是7,8He中的反常單粒子態(tài)結(jié)構(gòu)。理論上,這一時(shí)期普遍采用Glauber模型來描寫敲出過程,用末態(tài)相互作用來描寫旁觀者衰變過程。這一時(shí)期NSCL等實(shí)驗(yàn)室的研究表明,對(duì)弱束縛核而言,敲出反應(yīng)機(jī)制和Glauber模型的應(yīng)用在較低能區(qū)(20—100MeV/u)也是有效的,這很可能是因暈區(qū)的價(jià)核子費(fèi)米運(yùn)動(dòng)速度比通常核子慢得多,因而與彈核碰撞過程中自身的運(yùn)動(dòng)更容易被忽略。實(shí)驗(yàn)從比較簡(jiǎn)單的采用零度帶電粒子望遠(yuǎn)鏡(同時(shí)為activetarget),發(fā)展到采用靶后磁鐵偏轉(zhuǎn)帶電粒子并與前向中子做符合測(cè)量的辦法,大大提高了敲出反應(yīng)(移去中子反應(yīng))的測(cè)量精度。與此同時(shí),在RIKEN、NSCL、GSI等實(shí)驗(yàn)室,采用重靶(通常為Pb靶)通過庫侖激發(fā)到軟巨共振態(tài)來研究非穩(wěn)定核(11Li,6He和8He等)結(jié)構(gòu)的工作也取得許多進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)上主要是通過核芯與破碎中子的完全測(cè)量,來直接重建彈核在破碎之前的激發(fā)能和動(dòng)量矢量。庫侖激發(fā)的理論比較成熟,可以把測(cè)量的偶極強(qiáng)度函數(shù)與彈核的基態(tài)結(jié)構(gòu)直接聯(lián)系起來,還可以定量分析核芯和價(jià)核子對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況以及兩個(gè)價(jià)核子的相互關(guān)聯(lián)情況。但困難是兩個(gè)中子符合測(cè)量的效率低,串?dāng)_(crosstalk)信號(hào)難以有效排除等,從而造成不同實(shí)驗(yàn)的庫侖激發(fā)測(cè)量結(jié)果差別較大,而對(duì)于兩個(gè)暈中子關(guān)聯(lián)情況的分析,也與轉(zhuǎn)移反應(yīng)等其他類型的研究差別很大。這一時(shí)期,我國在中國原子能科學(xué)研究院建成了低能放射性束流線GIRAFFE,在中國科學(xué)院近代物理研究所建成了中能放射性束流線RIBLL,并開展了一系列核結(jié)構(gòu)、核反應(yīng)和核天體物理測(cè)量工作。5輻射流線和定量光譜的研究5.1敲出反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究本世紀(jì)以來,隨著對(duì)較為復(fù)雜的非穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)研究的展開,除暈核之外,又陸續(xù)觀察到殼結(jié)構(gòu)的反常變化(如新幻數(shù)、反轉(zhuǎn)島)以及集團(tuán)和分子態(tài)結(jié)構(gòu)在滴線附近加強(qiáng)等。實(shí)驗(yàn)上,破碎反應(yīng)與在束γ測(cè)量相結(jié)合,逐漸發(fā)展為定量研究非穩(wěn)定核殼結(jié)構(gòu)和集團(tuán)結(jié)構(gòu)的有效工具。各種結(jié)構(gòu)組合的譜因子的提取,成為這一時(shí)期結(jié)構(gòu)研究的標(biāo)志。實(shí)驗(yàn)手段方面的重要進(jìn)展,首先是以NSCL的A1900為代表的第三代放射性束流線的投入使用。它的標(biāo)志是:次級(jí)束的產(chǎn)生緊接在初級(jí)加速器之后,有很大的角度和動(dòng)量接收度,采用超導(dǎo)磁鐵增加偏轉(zhuǎn)能力,有很高的傳輸效率等。NSCL還在A1900之后連接了S800磁譜儀,使得在消色差模式下動(dòng)量分辨率可以達(dá)到0.025%(一般次級(jí)束流動(dòng)量彌散在1%以上)。另外,在比較復(fù)雜體系的破碎和敲出反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)剩余碎片往往處于各種激發(fā)狀態(tài),與價(jià)核子狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系不清楚,難于提取價(jià)核子的量子態(tài)信息。因此,除了帶電碎片和中子的測(cè)量外,增加在束γ測(cè)量以區(qū)分不同量子態(tài)組合成為一項(xiàng)重要手段。在MSU、RIKEN和GSI等都發(fā)展了在束γ測(cè)量,最初主要是考慮庫侖激發(fā)實(shí)驗(yàn)的需要,實(shí)際上后來在敲出反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用。Hansen等人在文獻(xiàn)中,總結(jié)了利用破碎和敲出反應(yīng)研究非穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。中高能區(qū)破碎反應(yīng)截面比較大,由于逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和厚靶的應(yīng)用以及逐個(gè)事件做徑跡測(cè)量,實(shí)驗(yàn)只需在每秒幾個(gè)粒子以上的束流強(qiáng)度就可以得到有意義的結(jié)果。采用消色散的磁譜儀使得次級(jí)束能散大的缺點(diǎn)得以克服,使零度左右發(fā)射粒子的縱向動(dòng)量分布與在束γ的關(guān)聯(lián)測(cè)量成為直接獲得單粒子態(tài)譜因子的重要手段,也就是一種量子態(tài)操作的精確手段。另外,中高能區(qū)的反應(yīng)理論相對(duì)比較簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確,通常采用Glauber模型或CDCC計(jì)算。我們以比較簡(jiǎn)單的單中子暈核11Be為例,簡(jiǎn)單說明敲出反應(yīng)的靈敏程度。11Be基態(tài)是反常的1/2+態(tài),理論計(jì)算和其他各種實(shí)驗(yàn)認(rèn)為這個(gè)狀態(tài)可能來自于10Be核芯的0+態(tài)與價(jià)中子1s1/2態(tài)的耦合,或者10Be核芯的2+激發(fā)態(tài)與價(jià)中子0d5/2態(tài)的耦合,但兩種成分的比例(譜因子)很不確定。Aumann等利用NSCL提供的60MeV/u的11Be次級(jí)束打Be靶,用消色差的S800磁譜儀測(cè)量10Be碎片的縱向動(dòng)量分布,在靶周圍用位置靈敏閃爍體探測(cè)器測(cè)量在束圖顯示多普勒修正的在束γ能譜,圖3(b)顯示對(duì)應(yīng)于基態(tài)(沒有符合的γ光子)的10Be碎片的縱向動(dòng)量分布。該動(dòng)量分布與理論計(jì)算的l=0態(tài)一致,說明敲出的價(jià)中子是s1/2態(tài)。10Be核芯處于2+態(tài)的情況可以通過與之符合的在束γ譜開窗選出。從相應(yīng)的縱向動(dòng)量分布可推出敲出價(jià)核子為d態(tài),從而驗(yàn)證了11Be基態(tài)中確實(shí)存在一定比例的核芯2+激發(fā)態(tài)與價(jià)中子0d5/2態(tài)的耦合,相應(yīng)的譜因子可從實(shí)驗(yàn)截面和理論截面的比較中算出。過去10來年,在NSCL和GSI等實(shí)驗(yàn)室開展了一系列類似的實(shí)驗(yàn),特別是用于確定非穩(wěn)定核區(qū)幻數(shù)的改變,即確定幻數(shù)附近單粒子態(tài)的組合形式及其譜因子、能量間隙和角動(dòng)量宇稱等;研究的核區(qū)也從殼擴(kuò)展到殼實(shí)驗(yàn)中消色差的磁譜儀和在束γ測(cè)量起到關(guān)鍵作用。需要指出的是,這些測(cè)量中的碎片來源,包括衍射碎裂(σdiff)和敲出反應(yīng)(σstr)兩種,也就是圖1中的(a)和((b)、(c))。兩種機(jī)制對(duì)應(yīng)的碎片縱向動(dòng)量分布可視為相同(而橫向動(dòng)量分布就不同),理論計(jì)算通常直接采用波函數(shù)的傅里葉變換,但要考慮靶核的吸收作用(blackdisk)。在利用Glauber模型計(jì)算截面值時(shí),需要把兩種機(jī)制相加,并通過與實(shí)驗(yàn)截面的比較抽取譜因子。Glauber模型中包含了絕熱近似(suddenapproximation)和eikonal近似(straightlinepath)。在采用輕靶時(shí),庫侖激發(fā)截面可以忽略。而圖1中的機(jī)制(d),認(rèn)為核芯碎片被靶核吸收或大角度偏轉(zhuǎn),不出現(xiàn)在前向發(fā)射碎片中,因而也被忽略。敲出反應(yīng)不僅可以用于探測(cè)表面弱束縛價(jià)核子的量子態(tài),也可以用于探知深束縛核子的量子態(tài),比如從豐中子核中敲出質(zhì)子或從豐質(zhì)子核中敲出中子,從而分析更加接近滴線的類彈碎片以及非對(duì)稱中子費(fèi)米面和質(zhì)子費(fèi)米面之間的耦合;不僅可以敲出一個(gè)核子,也可以敲出兩個(gè)核子,以獲得更加奇特的結(jié)構(gòu)。但在這些情況下,靶的效應(yīng)需要仔細(xì)分析,因?yàn)榍贸鰞?nèi)部或多個(gè)核子時(shí),剩余部分很難再被看作理想的與靶無關(guān)的旁觀者(絕熱近似)。理論上,譜因子的含義也變得不那么確定,比如需要較大的淬滅因子(quenchingfactor)等。5.2缺失了兩個(gè)前向子研究的過程在沒有消色差磁譜儀的情況下,破碎和敲出反應(yīng)也可以有效地開展,但需要恰當(dāng)?shù)剡x擇反應(yīng)體系和機(jī)制。一個(gè)重要的辦法,是用通常的偏轉(zhuǎn)磁鐵或零度帶電粒子望遠(yuǎn)鏡測(cè)量碎片,此時(shí)動(dòng)量分辨率沒有消色差磁譜儀的那么高,但增加測(cè)量前向出射的中子加以補(bǔ)償。通過碎片和中子重建發(fā)射體的激發(fā)能譜(或相對(duì)運(yùn)動(dòng)正能態(tài)),基本上與入射粒子的能量(動(dòng)量)展寬無關(guān),這就避開了放射性次級(jí)束能散比較大的缺點(diǎn)。在RIKEN、NSCL和GSI等都發(fā)展了這種方法,可研究的體系和過程包括:(1)衍射碎裂過程(圖1(a))。如對(duì)11Be的另一種方式的研究,同時(shí)測(cè)量前向出射的核芯碎片10Be和價(jià)中子,重建發(fā)射體激發(fā)能譜。從實(shí)驗(yàn)上選擇了衍射過程,避開了敲出過程。通過與Glauber模型計(jì)算的σdiff比較得到譜因子,并可提取相應(yīng)的價(jià)核子波函數(shù)分布和衍射碎裂發(fā)生的表面區(qū)域及其強(qiáng)度分布。結(jié)果的精確度與采用縱向動(dòng)量分布測(cè)量得到的結(jié)果相當(dāng)。(2)庫侖激發(fā)過程。與(1)的情況類似,但采用重靶,重建出來的是庫侖激發(fā)譜,對(duì)暈核就是軟巨共振譜為主。對(duì)于從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的庫侖激發(fā)可以做相對(duì)準(zhǔn)確的理論計(jì)算,因此可比較可靠地從庫侖激發(fā)能譜中提取入射非穩(wěn)定核的基態(tài)結(jié)構(gòu)信息,甚至包括雙中子暈核內(nèi)部?jī)蓚€(gè)價(jià)中子關(guān)聯(lián)的信息。(3)共振態(tài)衰變過程(圖1(c))。往往適用于borromean核以及敲出反應(yīng)后的高激發(fā)核,它們的一個(gè)價(jià)核子被敲出后,旁觀者體系是非束縛態(tài)。比如較早時(shí)期的對(duì)7He的研究,后來的對(duì)11Li,14Be和22—24O等的研究。在以上研究中,涉及碎片有束縛激發(fā)態(tài)(核芯激發(fā))的情況時(shí),在束γ測(cè)量仍然是必要的。為了準(zhǔn)確重建,對(duì)入射和出射粒子的徑跡(位置)測(cè)量要求較高。(1)和(2)項(xiàng)研究往往涉及兩個(gè)前向中子的關(guān)聯(lián)測(cè)量,這對(duì)于目前的中子探測(cè)系統(tǒng)仍然是比較困難的,主要問題是雙中子符合探測(cè)效率低,中子串?dāng)_(crosstalk)不易排除等,因此往往造成不同探測(cè)系統(tǒng)給出的結(jié)果差別較大。發(fā)展更好的多中子關(guān)聯(lián)測(cè)量譜儀是急迫的課題。敲出反應(yīng)盡管比較簡(jiǎn)單,但單舉測(cè)量時(shí)仍然涉及若干種機(jī)制(圖1)的混合,需要混合的理論處理來補(bǔ)充,這造成了提取結(jié)構(gòu)信息的不確定性。解決的辦法是,針對(duì)所要研究的非穩(wěn)定核結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),選擇適當(dāng)?shù)哪軈^(qū)和靶以突出需要采用的反應(yīng)機(jī)制。在有更特殊和更準(zhǔn)確的要求時(shí),則需要從實(shí)驗(yàn)探測(cè)上提升對(duì)反應(yīng)機(jī)制的選擇。最近,NSCL的Bazin等對(duì)豐質(zhì)子核9C和8B進(jìn)行了敲出價(jià)質(zhì)子與核芯碎片的符合測(cè)量,從而從實(shí)驗(yàn)上區(qū)分了衍射(圖1(a),σdiff)和敲出(圖1(b)和(c),σstr)兩種機(jī)制。所用的辦法是在通常的設(shè)置之外,增加了覆蓋大角度區(qū)(11°—60°)的帶電粒子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(HiRA)以測(cè)量被敲出的角度分布很寬的質(zhì)子。碎片和質(zhì)子能量之和接近于常數(shù)的,來自衍射過程;而二者沒有關(guān)聯(lián)的,來自敲出過程。經(jīng)過探測(cè)系統(tǒng)效率和接收度的修正以及和理論(CDCC)計(jì)算比較,可以分別得出衍射截面和敲出截面這種辦法很難用于豐中子核,因?yàn)楹茈y在大角度范圍測(cè)量被敲出中子。對(duì)豐中子的6,8He,Chulkov等人曾經(jīng)采用測(cè)量反沖的靶粒子(H靶)與前沖碎片符合的辦法,區(qū)分敲出價(jià)核子(圖1(b)和(c),σstr)和敲出核芯(圖1(d),σcore)兩種機(jī)制。實(shí)際上,在敲出價(jià)核子情況下,核芯碎片基本從0°出射,與反沖質(zhì)子之間沒有兩體運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)聯(lián);而在敲出核芯情況下,核芯碎片和反沖質(zhì)子之間是準(zhǔn)彈散射關(guān)系,基本滿足兩體運(yùn)動(dòng)學(xué)。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了準(zhǔn)彈機(jī)制并提取了兩種過程的截面和對(duì)應(yīng)的6,8He集團(tuán)結(jié)構(gòu)譜因子,但沒有測(cè)量前向出射的中子。北京大學(xué)研究組最近在日本理化所的實(shí)驗(yàn)采用了類似方法區(qū)分兩種機(jī)制并加入了前向中子測(cè)量。這樣,在敲出價(jià)核子機(jī)制下,可以重建5,7He(圖1(c))而不受衍射過程(圖1(a))的干擾;而在敲出核芯機(jī)制下(圖1(d)),可以直接觀察2個(gè)(6He)或4個(gè)(8He)價(jià)中子的關(guān)聯(lián)情況,這在過去的實(shí)驗(yàn)中是不可能的。無論是縱向動(dòng)量分布測(cè)量的實(shí)驗(yàn),還是重建非束縛態(tài)的實(shí)驗(yàn),破碎反應(yīng)中靶的效應(yīng)都是一個(gè)值得關(guān)注和重新考察的問題。多年來,在NSCL比較多采用Be靶,而在GSI比較多采用C靶,理論上靶都被看作強(qiáng)吸收的黑盤子(blackdisk),彈核碰上靶核的部分被吸收(stripping),而其余的部分為旁觀者。實(shí)際上,在高能量下,吸收的概念很難成立,被敲出的粒子和靶核的作用,更像是在一群核子中的多次散射。當(dāng)彈核結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí),敲