Исследование мезонного облака нуклона в процессах квазиупругого выбивания пионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В. ЛОМОНОСОВА

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЗОННОГО ОБЛАКА НУКЛОНА В ПРОЦЕССАХ КВАЗИУПРУГОГО ВЫБИВАНИЯ ПИОНОВ

Специальность 01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

Свиридова Людмила Львовна

Научные руководители: доктор физ.-мат. наук, проф. Неудачин В.Г., кандидат физ.-мат. наук, доц. Юдин Н.П.

Москва 1998

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................3

ГЛАВА I. ОПИСАНИЕ МЕЗОННОГО ОБЛАКА НУКЛОНА В РАЗНЫХ ПОДХОДАХ: ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР................................................................................................................13

I. Первые работы о мезонном облаке нуклона...............................................................................13

II. Мезонные степени свободы и модели нуклона........................................................................14

1. Модель кваркового мешка (MIT bag)..........................................................................................15

2. а-моделъ.................................................... ....................................................................................16

3. Модель трального мешка.......................................... ..................................................................18

a). Малый мешок.............................................................................................................................................18

b). Модель "облачного мешка" (Cloudy bag model - СВМ)........................................................................19

c). Киральная кварк-мезонная модель (CQM)..............................................................................................20

4. Модель Скирма.............................................................................................................................23

III. Изучение эффектов мезонной шубы в реакциях глубоко-неупругого рассеяния лептонов на нуклонах и процессах рр соударения......................................................................26

1. Правило сумм Готтфрида...........................................................................................................26

2. Спиновые структурные функции нуклона....................................................................................28

IV. Исследование мезонного облака нуклона с помощью реакций квазиупругого выбивания пионов из нуклона...........................................................................................................30

ГЛАВА II. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ФОРМАЛИЗМА............................................................................33

I. Кинематические условия квазиупругости.................................................................................33

II. Сечение электророждения частицы X на составной системе.............................................36

III. Эффективные лагранжианы.........................................................................................................43

IV. Волновая функция мезона в нуклоне.........................................................................................45

V. Сравнение с расчетом в рамках динамики светового фронта.............................................48

ГЛАВА III. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕЗОННОГО ОБЛАКА НУКЛОНА .53

I. Канал N-»N'+me30h............................................................................................................................53

1. Пионное облако нуклона...............................................................................................................53

a). Амплитуда полюсной диаграммы с промежуточным виртуальным пионом.......................................53

b). Волновая функция пиона в нуклоне.........................................................................................................55

c). Волновая функция пиона в нуклоне и пион-нуклон-ное взаимодействие.............................................58

d). Нормировка волновой функции...............................................................................................................62

2. р-мезонное облако нуклона...........................................................................................................63

a). Амплитуда полюсной диаграммы рождения пиона с промежуточным р-мезоном..............................64

b). Введение волновой функции.....................................................................................................................67

И. Канал N-^Д+мезон............................................................................................................................72

1. Пионное облако.............................................................................................................................72

2. р-Мезонное облако........................................................................................................................74

III. Рождение 7г°-мезонов и co-мезонное облако нуклона.............................................................77

ГЛАВА IV. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА...............................................................................................80

I. Канал N->N'+me30h............................................................................................................................80

1. Сечения рождения пионов и формфакторы мезон-барионных вершин.........................................80

2. Волновые функции мезонов в нуклоне..................................... .......................................................86

3. Спектроскопические факторы Spn" и Sp"p.....................................................................................88

II. Канал N—»a+мезон............................................................................................................................91

III. Число мезонов в нуклоне...............................................................................................................92

IV. Рождение я°-мезонов.......................................................................................................................94

ГЛАВА V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................97

Приложение I. Связь сечения квазиупругого выбивания и сечения свободного рассеяния.....................100

Приложение II. Волновая функция частицы в квантовой механике....................................................101

Приложение III. Усреднение по спинам в канале N—>A+m....................................................................102

РИСУНКИ.........................................................................................................................................108

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................................................126

Введение

За последние годы резко возрос интерес к исследованию структуры адронов, в частности нуклонов. В настоящее время считается, что сильные взаимодействия, лежащие в основе структуры и динамики адронов, описываются квантовой хромодинамикой. Примечательная особенность КХД состоит в фактическом разделении описываемых ею процессов на два типа - пертурбативные и непертурбативные. В пертурбативной области имеют дело непосредственно с фундаментальными степенями свободы - кварками и глюонами и работают в рамках обычной теории возмущений по константе связи. В непертур-бативной области теория возмущений неприменима. Опираясь на опыт нерелятивистской физики многих тел, можно утверждать, что в непертурбативной области исходные, фундаментальные степени свободы могут быть скрыты и на первый план выходят некоторые эффективные степени свободы, в терминах которых и следует анализировать значительную часть структуры и динамики адронов. Свойства адронов в секторе легких кварков (и, <1, б ) при промежуточных энергиях принадлежат именно непертурбативной КХД.

Опираясь на первые принципы, однако, чрезвычайно сложно сказать, какие именно эффективные степени свободы следует учитывать - первостепенное значение здесь имеют данные эксперимента и физическая интуиция.

Одним из важных вопросов, касающихся эффективных степеней свободы в физике адронов, является вопрос о "мезонной структуре" нуклона, т.е. вопрос о том, в какой мере свойства адрона (нуклона) определяются адронными же (мезонными) степенями свободы.

Настоящая диссертация посвящена роли эффективных мезонных степеней свободы в структуре нуклона.

Вопрос о мезонной шубе нуклона имеет давнюю историю. Он был поднят еще в работах Юкавы - задолго до того, как возникла концепция составной кварковой структуры нуклона. Однако в течение длительного времени вопросы мезонной структуры нуклонов оказывались на периферии развития адронной физики. И только теперь, с появлением новых экспериментальных данных и осознанием того, что свойства нуклона могут определяться эффективными степенями свободы, мезонные компоненты структуры нуклона привлекают большое внимание.

В последние годы вопрос о мезонной структуре нуклона ("мезонной шубе") интенсивно обсуждается. Эффекты мезонной шубы проявляются в различных явлениях: первые работы о мезонном облаке связывали с ним аномальные магнитные моменты нейтрона и протона [1, 2, 3], в последующие годы были рассчитаны мезонные поправки к среднеквадратичным зарядовым радиусам протона и нейтрона, их магнитным моментам, разнице масс нуклона и А, константам ^NN5 ^ды и аксиально-векторной константе gA [4-8], а также мезонные поправки к электромагнитным формфакторам нуклона [9-12]. Мезонное окружение нуклона проявляется и в реакциях глубоко-неупругого рассеяния лептонов на нуклонах, где эффектами мезонно-го облака объясняют отклонение от правила сумм Готтфрида (см. Гл.1). Влиянием пионного облака объясняется также ЕМС-эффект, обнаруженный в начале 80-х [13-16]: была выдвинута гипотеза, что разница между структурными функциями ядер и суперпозицией структурных функций свободных нуклонов возникает за счет того, что в ядрах содержится некоторое дополнительное количество обменных пионов по сравнению с числом виртуальных пионов, составляющих шубу свободного нуклона [17, 18, 19].

В настоящей работе исследование структуры мезонного облака нуклона осуществляется на основе концепции квазиупругого выбивания конституэнтов из составной системы, в свете которой анализируются экспериментальные данные о процессе электророждения пионов на протонах (реакции е+р—>е'+7г++п и е+р->е'+л:0+р).

Метод исследования структуры составной системы с помощью реакций квазиупругого выбивания конституэнтов сыграл и продолжает играть чрезвычайно важную роль в физике микромира. Хорошо известно, что в атомной и ядерной физике квазиупругая область является легко достижимой и ее экспериментальное и теоретическое исследование было чрезвычайно важным для современного понимания структуры ядра (и деталей структуры атомов и молекул). Известно также, что явное проявление кварковых степеней свободы в адроне наблюдается в процессах квазиупругого выбивания кварков ("глубоко-неупругое рассеяние" - deep inelastic scattering).

В широком смысле слова термин "квазиупругое выбивание" означает следующее: высокоэнергичная налетающая частица - электрон, протон, и т.д. - вступает во взаимодействие с "изолированным" конституэнтом - электроном, нуклоном, мезоном, кварком - и передает ему большой импульс, что приводит к быстрому удалению конституэнта из составной системы.

Квазиупругое выбивание пионов из нуклона соответствует следующей образной картине. Физический нуклон представляет собой "затравочный" или "голый" нуклон, помещенный в облако виртуальных мезонов. Налетающий электрон выбивает из облака мезон, превращая его в реальный пион.

В ядерной физике исследование квазиупругой области дало возможность получить две важные характеристики ядра - это, во-первых, импульсное распределение (Фурье-образ волновой функции) нуклонов в ядре, а во-вторых - оболочечная и генеалогическая структура

ядра. Под генеалогической структурой понимается вероятность возбуждения какого-либо уровня конечного ядра при удалении нуклона из начального ядра. Обычно генеалогическая структура задается специальной величиной, называемой спектроскопическим фактором. Сумма спектроскопических множителей по состояниям конечного ядра дает число изучаемых конституэнтов в начальном ядре.

Мы распространяем эту концепцию на исследование мезонного облака нуклона. Таким образом, мы хотим из имеющихся экспериментальных данных определить, во-первых, импульсные распределения (волновые функции) мезонов в нуклоне и, во-вторых, их спектроскопические факторы.

В случае выбивания мезона из нуклона спектроскопический фактор определяет эффективное число мезонов, участвующих в превращении у*+М+виртуальный мезон 1чГ'(А)+7г, а сумма спектроскопических факторов по всем конечным каналам дает полное число мезонов данного типа в нуклоне.

Первой работой этого направления была статья [20] (1984 г.). Однако в последующие годы она оказалась незаслуженно забытой. Интерес к данной теме возродился лишь совсем недавно [21]. В последние годы формфакторы мезон-барионной вершины (импульсное распределение мезонов) и число мезонов в нуклоне рассчитывались разными авторами [22 - 36], но при этом не использовалась квазиупругая кинематика. В этих расчетах формфактор мезон-барионной вершины задавался определенной функцией (монопольной, диполь-ной или экспоненциальной параметризацией) и под эксперимент подгонялся параметр обрезания А. Квазиупругий же механизм позволяет определить вершинную функцию &иым(к2) непосредственно из эксперимента, без использования заранее заданной параметризации.

Второй особенностью упомянутых работ является то, что расчет в них велся в динамике светового фронта. В этой динамике промежуточная частица (виртуальный мезон) находится на массовой поверхности и, кроме того, в ней отсутствуют Z-диаграммы - диаграммы распада виртуального фотона на мезон-антимезонную пару. Однако, в целом упорядоченная во времени техника динамики светового фронта не имеет преимуществ перед ковариантной техникой (подробнее см. Гл.П). В настоящей работе расчет ведется в лабораторной системе, с которой связана важнейшая физическая особенность - именно в этой системе отсчета является малым импульс отдачи конечного бариона-наблюдателя К' по сравнению с импульсом выбитого мезона - это важнейший признак процесса квазиупругого выбивания.

Мы выяснили, что доминирующий вклад в продольное сечение ёаьМк2 электророждения ^-мезонов, т.е. сечение, обусловленное продольно поляризованными виртуальными фотонами, дает механизм квазиупругого выбивания пиона из виртуального мезонного облака нуклона. Поэтому продольное сечение ёогМк2 можно использовать как средство зондирования структуры пионного облака. Напротив, в поперечное сечение с1ат/с1к2, т.е. сечение, обусловленное поперечными фотонами, при определенных кинематических условиях (достаточно больших £)2 > 3(Гэв/с)2), вклад виртуальных пионов становится малым и доминирует механизм квазиупругого выбивания р-мезона с его последующей перестройкой в пион р—>тг. Это позволяет использовать поперечное сечение сктт/с1к2 для получения информации о р-мезонном облаке нуклона.

Опираясь на экспериментальные данные [37, 38], мы нашли им-

пульсные распределения

пионов и р-мезонов в ка-

¥™(к)2и |^р(к)|2 налах N->N71 и К^Чр. Далее, как нормировка импульсного распре-

7

деления, были определены спектроскопические факторы - вероятность найти 7г-мезон в канале р-»71;++п, и р-мезон в канале

р-»р++п, Бр3. Экспериментальные данные позволяют определить

вершинные функции д^г^к2) и §рмы(к2) непосредственно из эксперимента. Кроме того, для сравнения с уже существующими работами, можно взять вершинные функции g7tNN(k2) и gpNN(k2) в одной из общепринятых параметризаций (монопольной или дипольной) и получить параметры обрезания Ап и Ар.

Предполагая, что в канале формфакторы мезон-

барионных вершин имеют те же параметры обрезания, Лп и Лр, что и в канале мы нашли спектроскопические факторы Зр71 и 8рР в

этом канале (экспериментальные данные на сегодняшний день в этом канале отсутствуют).

Кроме того, следуя опыту ядерной физики низких и средних энергий [39], была рассмотрена связь квазиупругого выбивания пиона из нуклона с процессом тсИ рассеяния и из потенциала рассеяния [40], [41] была выведена волновая функция. Было установлено, что импульсное распределение пионов, соответствующее одному из вариантов 7г1М-взаимодействия [40], хорошо описывает имеющиеся экспериментальные данные по квазиупругому выбиванию пионов, в то время как использование другого варианта взаимодействия [41] не дало удовлетворительного согласия с экспериментом. Таким образом, квазиупругое выбивание пионов из нуклонов может служить дополнительным методом тестирования тсК потенциалов, полученных путем подгонки под фазы лК рассеяния.

Теоретический анализ со-мезонного облака нуклона проводился на основе реакции е+р->е'+р+7и°. К сожалению, экспериментальные данные по квазиупругому выбиванию нейтральных пионов на сего-

дняшний день отсутствуют, поэтому результаты расчета носят характер предсказаний и оценок. Экспериментальные данные о реакции электророждения нейтральных пионов е+р-»е'+р+7г° позволили бы не только определить зависимость вершинной функции ga)NN(k2) от к2 (как и для других мезонов), но и получить значение вершинной константы Омыы, относительно которой в литературе имеются большие расхождения (см. Гл. IV).

Цели и задачи исследования

Целью настоящей работы являлось исследование мезонного облака нуклона. Для анализа мезонного облака нуклона используется механизм квазиупругого выбивания пионов из нуклона; вводится понятие волновой функции мезона в нуклоне и спектроскопического фактора его отделения; производится расчет импульсного распределения мезонов данного типа в каналах 1Ч-»]Ч'+мезон и 1Ч-»Л+мезон, числа мезонов данного типа в мезонном облаке нуклона, находится параметризация вершинных функций gЛíNN(k2) и &имД(к2) для каждого мезона м. Для со-мезона предложен экспериментальный способ определения вершинной константы

Научная новизна работы

Впервые непосредственно из экспериментальных данных определен формфактор тсКИ вершины и указан путь экспериментального определения аналогичных формфакторов для тсЛТЧ, рКМ, рАИ вершин. С помощью "экспериментального" формфактора найдено число пионов