Experimental and Theoretical Studies of Proton Induced Nuclear Spallation

Progress in the understanding of the proton induced disintegration of the atomic nuclei at the GeV incident energy range related to the achievements of the PISA (Proton Induced SpAllation) experiment is reported. The scientific motivation of the spallation research is given. Experimental technique as well as the measured distributions of the double differential cross section (d2σ/dΩdE) for spallation products in broad range of bombarding energies and for target nuclei of various masses are presented. Interpretation of obtained results in the frame of a classical two step model utilizing the mechanism of intranuclear cascade for the first phase of the reaction and the statistical evaporation from the thermalized target-like remnant for a second step is described. Significant deficiencies of two step approach in reproducing of the experimental observables related to the dynamic stage of the reaction is indicated. Search for the features of alternatives scenarios of spallation process with the use of phenomenological models is undertaken and the conclusion indicating the need of inclusion to the theoretical description of the reaction the intermediate compound and excited fragments is derived. A new microscopical model (Spallation Model with Cascade++) of the first dynamical phase of a pA reaction is developed. Besides of the binary nuclear interactions a mechanism consisting in a Dynamic Clustering in Nuclear Medium (DCNM) is postulated. The resulting improvement in the theoretical description of the distributions of the Light Charged Particles (LCP) in comparison to the models where only binary interactions are considered is shown. Streszczenie Celem monografi jest zaprezentowanie postępu w badaniach nad spallacja jądrową dokonanego wskutek przeprowadzonych pomiarów podwójnie różniczkowych przekrojów czynnych (d2σ/dΩdE) produktów reakcji proton-tarcza (pA) w eksperymancie PISA (Proton Induced SpAllation). Pomiary odbywały się z użyciem tarcz jądrowych o różnych masach i dla szerokiego zakresu energii padających protonów. Opisane są cele naukowe badań nad spallacją. Interpretacja uzyskanych wyników doświadczalnych przy pomocy klasycznego opisu reakcji spalacji za pomocą modelu dwustopniowego pokazała częściową, ale znaczną nieadekwatność modeli pierwszej, dynamicznej części reakcji opisywanej jako kaskadę dwuciałowych oddziaływań jądrowych. Przy pomocy modeli fenomenologicznych poszukiwano możliwych, alternatywnych scenariuszy przebiegu reakcji pA i stwierdzono konieczność włączenia do opisu modelowego pośrednich, wzbudzonych stanów wielonukleonowych. Skonstruowano nowy model mikroskopowy pierwszej fazy reakcji spalacji nazwany Modelem Spalacji z Kaskadą++ (Spallation Model with Cascade++ (SMC++)). Oprócz oddziaływań binarnych zastosowano w nim hipotetyczny mechanizm polegający na kreacji chwilowych klastrów wielonukleonowych we wzbudzonej materii jądrowej (Dynamic Clustering in Nuclear Medium (DCNM)). Uzyskano znaczne polepszenie opisu teoretycznego dla rozkładów lekkich cząstek naładowanych z reakcji spalacji w porównaniu do modeli zakładających wyłącznie oddziaływania dwuciałowe.