Исследование процессов комптон-эффекта и фоторождения пиона на нуклеоне в квантовой хромодинамике тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

* ^ ,! г^щяртерство народного образования азербайджанской

» '( ( И $ /}' ТЕСШВПШ

БАКИКС'Ш ГОСУДАРСТВЕННЫЙ университет пм.м.а.расулзаде

На прозах рукописи

УЖ 539.12.01 ь'а киров миигашг миршшга оглн

исследование процессов комптон-эффекта и фоторохдедоя пиона на нуклоне в квантовой хромодйнашке

(01.04.02.- теоретическая физика)

автореферат

диссертации на соискание•ученей степени кандидата физико-математических наук

б а к у -

Г 99?

Работа выполнена на кафедре теоретической физики физического факультета. Бакинского ордена Трудового Красного Знеу.зкл государственного университета имени !,!. 5. расулзаде. Научный руководитель :

- доктор физико - математических каук, профессор Садахоь Ф.С.

Официальные оппонента:

- доктор физико - математических наук, чл.корр. АН Азербайджанской Республики Гадкиев С.А.

- кандидат физики - математичеких наук, доцент кафедра теоретической физики АШ" юл. Н. Ту си Касумзаде Ю.

Ведущая организация: лаборатория Физики высоких энергий Института Физики АН Азерв.Республики г.Баку.

Защита диссертации состоится " (Ц 1932г. в "13.00"

часов на заседании Специализированного совета к 054.03.03 но присуждения учёной степени кандагата физико-математических наук при Бакинском Государственном Университете им.М.Э.Расулзэде по адресу: Э7014&, г.Баку, ул.акад.З.Хвлилова, 23, зал заседаний физического факультета.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке БГУ. Автореферат разослан " .1992г.

Учёный секретарь Специализированного совета, к.ф-м., доцент

ЮСИФОВ Ф.К.

Актуальность темы: В течении десятилетий бурными темпами развивается. физика элементарных' частиц при высоких энергиях и за эти года достигнут существенный прогресс в этой области. Создание в различных мировых научшх центрах ускорительно-накопительных комплексов и кодлайдеров и получение достаточно инт юившх пучков 7-квантбв, лептонов и адронов при высоких энергиях делает актуальными вопроси экспериментального и теоретического изучения фундаментальных взаимодействий частиц. Свойства этих взаимодействий при высоких энергиях непосредственным обрпом изучается в экспериментах на встречных пучках и при столкновении 7-квантов и лептонов с адронами. Особенно важным в этой связи являются процессы упругого и неупругого рассеяния 7-квантов нуклонами. Это обусловлено тем. что такие процессы можно описывать и упругими и неупругими структурными фунциями адронов. Процессы упругого ,'Комптон-эффект) и неупру^ого (фотороздение пионов) рассеяния 7-кванта на нуклоне низшем приближении теории возмущений определяют механизм фотообразования лептонвдх пар, тормозного излучения и электророждения адронов.

В этой связи более актуальными становятся исследования процессов комптон-эффекта и фогорокдения пионов на нуклонах при высоких энергиях 7-квантоЕ. Изучение механизмов этих процессов на основе моделей кварков требует их надёжной экспериментальной проверки. В настоящее время нет единой теоретической модели по процессам комп тон-эффекта и фэтороадения пионов при высоких энергиях,результаты которой подверждались он выводами феноменологических анализов для угловых и энергетических распределений в широком интервале углов и энергии. Кроме того, результаты самих феменологических анализо. для отдельных областей углов и энергий также не всегда согласуются между собой. Это связано с недостаточностью экспериментальных

данных в этих областях полного сечения Комптон-еффекта и фоторождения пионов. Отметим также, что в области высоких энергий 7-квантов эти процессы не подвергались теоретическому анализу и учёт вкладов глюонннх обменов маму кварками приводит к более слояиой зависимости энергетического и углового поведения сечения и поляризационных параметров.

Ситуация, сложившаяся в связи с развитием квантовой хромодина-мики (КХД) позволяет исследовать достаточно широкий круг вопросов физики элементарных частиц, доступный экспериментальной проверке. Наряду с другими процессами сюда относятся и процессы Комптон-эф-фект и фоторождение пионов на нуклоне.

Цель. Изучение угловой, энергетической и импульсной зависимости процессов коштон-эс£фекта и фоторождения пионов на нуклоне в рамках квантовой хромоданамики и определение структурных функций.

Научная новизна. Впервые в рамках квантовой хроме;динамики с учётом двух и Трёх глюонного обмена и поляризации частиц получены аналитические выражения для сечения комптон-эффекта и фоторок-дения шона на нуклоне. Найденные теоретические результаты детально исследованы в зависимости от кинематических переменных. Изучены выражения для пространственных и спиновых асимметрий.

Практическая ценность. Полученные результаты открывают новые дополнительные возможности для изучения структуры адронов и обос-новаемости основных предпосылок квантовой хромоданамики. Эти результаты и развитые в диссертации методы расчёта могут быть использованы при выяснении применимости КХД в адронной физике в ИФВЭ, ОИЯИ,МГУ,ИТЗФ.БГУ,КШЯФ МГУ и других.научных лабораториях, где ведутся исследования в области высоких энергий.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывалась и обсуадались на научных семинарах физического факультета,

кафедры теоретической физики БГУ и международных совещаниях по по программе ПОЛЗКС на УНК (Серпухов,1989), IX (1990) международном совещании по проблемам квантовой теории поля (Дубна).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 6 работ, список которых приведён в конце автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из четырех глав, заключения, четырех приложений и списка литературы из 62 намено-ваний и содержит 31 рисушса. Полный объём диссертации составляет 120 страниц машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе обоснована актуальность темы диссертации, да-

ётся краткий обзор теоретических и экспериментальных работ, пос-вящённых процессу коштон-эффекта и фоторовдения пиона на нуклоне.

В § 1.1 даётся краткий обзор современного состоянил процессов комптон-эффекта и фоторождения пиона на нуклоне, отмечены имеющиеся несоответствия в анализе опытннх данных.

В § 1.2 приведены причины возникношшя цветовой симметрии кварков и глюонов, возмоя&ше представления цветовой 3с£/(3)-сиы-метрии .свойства калибровочного-глюонного поля, а также основные предпосылки квантовой хромодинамики (КХД).

Во, второй главе рассмотрен процесс упругого рассеяния квантов

на нуклонах при высоких энергиях на основе наинизщих КХД-диаграмм и для сечений получено общее выражение в виде:

1 Ег4 г

da---_ |„| (1)

dn (2т02 ■ (кк')

здесь Ег -энергия нуклона в конечном состоянии, -энергия рассеянного у-кванта, к и к'-импульсы соответственно падающего и рассеянного 7- кванте. |N|2 квадрат матричного элеменето процесса, обусловленный КХД диаграммами.

В §11.I на основе общих принципов квантовой теории поля получены «втричный элемент и эффективное сечение комптон-эффекта в ЮЩ без учета поляризации частиц.

В §11.2 исследовано поведение эффективного сечения комптон-еффекта в зависимости от кинематических переменных (v,у).Показано, что при малых значениях доли импульса кварка конечном нуклонном состоянии,с ростом импульса сечение увеличивается и имеет максимум при у=0.4, а потом резко падает. Это может объясняется тем, что в кончном состоянии нуклона при данных значениях параметров кварки уносят 40% импульса нуклона.

Получена зависимость сечения от разности энергил падающего и рассеянного у- кванта, Показано, что с ростом изменения энергии рассеянного 7 - кванте сечение сначела уменьшается, а начиная с V- 20 Гэв резко увеличивается. Такое поведение сечения может характеризовать кварковую структуру нуклона.

Третья глава посвящена квантовохрсмодинзмическому исследованию

процесса фоторождения пионов на нуклонах при высоких энергиях без поляризации частиц.

В 5 Ш.1 записано общее выражение для матричного элемента процесса фоторождения пионов на нуклонах в КХД.

В § Ш.2 получено эффективное сечение фоторожден.:я пионов без учёта поляризации частиц. Проведено суммирование по кварко-вым состояниям. Получено общее выражение сечения в зависимости от кинематических переменных.

§ Ш.З посвящен анализу эффективного "сечения фоторождения пионов

-7в зависимости от кинематических переменных. Показано, что с ростом энергии 7 -кванта сечение данного процесса А велгашается и сечение очень чувствительно к значениям X доли импульса кварков в начальном состоянии нуклона. С увеличением доли импульса X дифференциальное сечение уменьшается и после значения Х=0,3 почти остаётся постоянным. При малых значениях (ш=50 Гэв) энергии падающего 7- кванта сечение имеет минимум при значениях Х=0,35 и Х=0,61. Д при значениях «=80 Гэв щ=1ОТ Гэв сечение незначительно зависит от X.

Определена зависимость дифференциального сечения от квадрата энергии 7 кванта при малых углах 8=10° и 6=15°. Поведение сечения очень чувствительно к значениям угла выле^т и доли импульса кварка внутри нуклона.

Исследована зависмость фотороздения пионов на нуклонах, с ростом угла вылета пионов сечение увеличивается, достигая максимума при 6*65° , затем резко уменьшается.

В четвёртой главе исследованы поляризационные эффекты в про. цессах компгон-эффекга и фотороздения пионов на нуклоне с учётом двух и трйхглпонного обмена.

В § IV.I учитывается поляризация частиц в компточ-эффекте. Записан матричный элемент и получены выражения для дифференциального сечения процесса в зависимости от кинематических переменных Х,У,9. Получены выражения для сечения в виде разложения по степеням синусов угла рассеяния 7-кванта. Определена угловая зависимость сечения. Сопоставления полученных результатов с экспериментальными данными показывает, что имеется существенное отличие. Это, видимо,связано с недостаточностью учёта используемых диаграмм Феймана. Необходим учёт диаграммы высшего порядка. Построена зависимость сечения с учётом поляризации от доли импульса кваркч

-8в нуклоне в начальном и конечном состояниях.Зависимости сечения от доли'импульса в начальном нуклоне X носят резонансшй характер, а от дали импульса б конечном нуклоне У сечение уменьиа-ется. Здесь построена, в случае различных значений угла рассеяние 6=70°,120° и при фиксированных различных значениях доли гмпульса кварка в нуклоне зависимость степени поляризации 7-кванта от энергии падающего 7-кванта. С ростом энергии 7-кванта степень поляризации во всех случаях остается постоянной. О ростом угла рассеяния значение степени поляризации уменьшается, а с ростом доли импульса увеличивается.

В IV.2 рассматривается процесс фотороадешш пионов с учетом поляризации цастиц. Учитывается двухглюоншй обмен ьнжду кварками внутри нуклона, и для сечения имеем-

¿о ,

~ЗгГ = агБ ( го + (&1Гы' ) ^ ; (3к'ри' >

+ Р3(еРы,)(КЗн,)(еЗн)]

где

а,

-3 1

(3)

28 (2%)9Хг (1 -2)г',!3е3 (М + и -£)3(Х(1-2)р * к)г

N

здесь и з, спита» нуклона, е -поляризация 7 -кванта, функции ь~0, Г1'рг и рз обусловлены КХД эффектами, к импульс 7-кванта,рн и р}}, импульсы соответственно начального и конечного нуклона, X и - доли импульсов кварков и глюоков внутри нуклона. Получено выражение для эффективного дифференциального течения процесса в зависимости от кинематических переменных энергии, -доли импульсов и угла вылета. Определено выражение для сечения в зависимости от корре-

штанных функций, осусловленных поляризационными эффектами.

Угловая зависимость сечения фоторождекия пионов на нуклоне подзывает, что при фиксированных значениях кинематических переменах вблизи 9 =80° угла вылета пиона сечение имеет минимум, а по-гом с увеличением угла растёт и при больших углаг вылета остаёт-:я изотропным. При энергии 7-кванта ы=3000 Гзв эффективное сече-¡ие уменьшается с ростом угла,но характер поведения остается не-:зменным. Получено, что с ростом энергии 7-кванта сечение резко величиваетея. Здесь ке получено общее выражение сечения з зави-имости от корреляционных функций. Нуклон - нуклонная спиновая ункция Р очень чувствительна к значениям энерпш падающего -кванта и с ростом энерпш 7-кванта резко увеличивается, мпульсо-спиюаая корреляционная Функция Р2 с ростом энергии -кванта сначала уменьшается имеет минимум при «=2000 Гэв, а по-ом незначител*но увеличивается.

Функшга Р^и Ргс увеличением угла вылета сначала укеиыгвются, и меют минимумы при 6-60°. Функция Г,увеличивается с дальнейшим остом угла вылета пиона, а ?? почта остаётся постоянным.7-квант-уклон-спинопая функция характеризующая спиновые корреляции -кванта-нуклона в начальном и конечном состоянии с ростом зне" -ии падавшего 7-кванта ш=2000 Гэн с увеличением элергии остается остояншй.

При значениях Х-0,4 и ш=ЮОО Гэв функция Р3с увеличением угла цлета уменьшается, а при значениях Х=0,5 и №=2000 Гэв фунция 3 остается постоянной.

В § iv,з изучен процесс фотороздения шона на нуклог с учётом рехглюонно*. обмена внутри конечного нуклона. Записан матричный лемент и получены выражения эффективного сечения в зависимости т кинематических переменных и от корреляционных функций в виде:

-1С-

где 8192<хгд® М3Х^г

Г

здесь: к - жшульс 7-квантэ, Бн -спин нуклона в начальном состоянии, Х,г доля импульсов кварков к глюонов внутри нуклона,М-масса нуклона,Ри и Р},-импульсы нуклона соответственно в начальном и конечное состоянии и пиона, функции Р^^обусловлены КХД эффектами. Проведён анализ сечошя процесса и корреляционных функций в зависимости от кинематических перемешшх Е, 2, X, 9. Сечение с . увеличением анергии 7-кванта увеличивается, при этом характер поведения остаётся постоянным. В это время оно очень чувствительно к значениям доли импульсов кварков внутри нуклона и улпа вылета пиона. Получена зависимость сечения процесса от доли импульса кварка в конечном состоянии нуклона. Сечение очень чувствительно к углу вылета шона и имеет минимум при е=80° х=У=г=0,б, а при Х=0,3, г=0,5, У=0,6, е-20° достигает максимального значения.

Сечение в зависимости от доли импульса кварков в начальном состоянии нуклона, имеет минимум при значении доли импульса кварков Х=0,4 и Х=0,9, а при значении Х=0,6 и Х=0,7, имея максимум, уменьшается с увеличением энергии 7-кванта.

Построены зависимости сечения от угла вылета пиона. До угла 6=80° сечение почти остаётся постоянным, потом уменьшается, тлеет минимум не изменяя характера поведения, сечение очень чувствительно к значению X и с ростом значений X уменьшается.

Получены зависимости корреляционных функций Р^.Р^и от ю™^ матических переменных. Функция Р' с увеличением значени доли им-

-ГС-

пульса X увеличивается, имея максимум при Х=0,5 резко уменьшается до минимума при Х=0,8, а потом увеличивается.

Зависимость функции от косинуса угла вылета шона показывает , что прч значениях Х=г=0,5 У=0,3 хврктер поведения остаётся постоянным при различных фиксированных значениях энергии падающего ^-кванта. При этом,с увеличением энергии 7-кванта функция ?'о уменьшается.

Функции Р^и Р^в зависимости о- энергии падающего 7-кванта показывают, что для различных фиксированных значений доли импульсов кварков в начальном я конечном состоянии остаются постоянным. С увеличении доли импульсов X и X функция Р^уменьшается, а функция 1'г увеличивается, при этом, соответственно, оставаясь положительной и отрицательной.

И заключении приводятся основные результаты и выводы, полученные в работе.

Некоторые полученные математические формулы и выражения из-за громадности даны в приложениях 1-17.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В наинизшем порядке теория возмущения на остгве квэнтово хромодинамической диаграммы получено общее выражение для эффективного сечения комптон-эффекта на нуклоне.

2. Показано, что сечение без учёта поляризации с ростом доли импульса кварка ¿"конечном нуклоне увеличивается, а потом резко падает. При этом кварки уносят около 40% импульса нуклона.

3. Установлено, что с ростом изменения энергии рассеянного Т-квантэ сечение сначала уменьшается, а начиная с 20 Г?в резко падает, что может быть проверено при рассеяние 7-квзнта на нуклонах в области высоких энергий.

- 124. Получено общее выражение дифференциального сечения фото-ровдения шона на нуклоне в ЮЩ.

5. Показано, что с ростом энергии 7-кванта сечение фоторовде-шя увеличивается и оно очень чувствительно к значениям доли им- -пульса кварка

6. Установлено при различных значениях угла вылета пиона зависимости сечения от энергии 7-кввнта, также определено поведение сечения при определённых значениях параметров в зависимости от угла вылета пиона.

7. Определены поляризационные эффекты в процессах комптон-эф-фекта и фоторадение пиона на нуклоне.

8. Показано, что в процессе комлтон-эффекта степень поляризации 7-кванта в зависимости от энергии остаётся постоянной. Причём с ростом угла рассеяния степень поляризации уменьшается, а с ростом доли импульса оно увеличивается.

9. Определено, что с учётом двухгдюонного обмена спиновае кор-релиционная функция Р, с ростом энергии 7-кванта резко увеличи-чивается. А спиновая функция ?г с ростом энергии сначала уменьшается,при 2000 Гэв имеет минимум, а потом незначительно увеличивается.

10.. Установлен вклад трех глюонного обмена в сечении и спиновые корреляционные функции пр;.> различных значениях кинематических переменных.

II. Показано, что учет трёхтлюошюго обмена приводит к тому, что существующая при двухглюонном обмене спиновая корреляция между 7-квантом и нуклоном исчезает.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах

I. Ф.с.саднхос, М.М.Вапиров. Квантовохромодинамическое исследование процесса комптон-эФФекта на пуклене. Взаимодействие частиц с ядрами, атомами и молекулами. Тематический сборник научных трудов. Баку, 1987.

?.. Ф.С.Садьхов, М.М.Бширов. Процесс фоторждешш гшеиа и комп-т «-эффект на нуклоне в квантовой хромодешамике. Взаимодействие частиц с веществом. Тематический сборник научных.,трудов. Баку, 1Я89, стр.51-55.

3. Ф.С.Садыхов, М.М.Ваангров. Спшговые эффекты в ггроцессах рас-этяния лептояов на нуклонах и Дрелла-Яиа в КТД. Материалы рябо-чего собг 'ания "Физика на УНК" Протвино. :>0~?А марта 1.989, Серпухов,ID9, стр.£25-230.

4. Ф.о.СашхоБ, М.М.Еаширев. Спиновые ¡эффекта в процессах Дрелла-Яна и фоторождения пионов в KltfbRc росы теории элементарных частиц и молекул. Тематический сборшга научных трудов.Ваку, [Э?0,' стр.24-27.

Г>. F.S.Sadukhiw M.M.Ba&hirov. Quantum chromodtnamlcal of the effekts In the Drell-Tan and pions photoprolucUon processes. . Проблемы квантовой теснит поля.Дубна -90. Труды IX Мекдународ-ного совещания но квантовой теории поля.,стр.298-305.

о F.s.sattiikiiov' M.M.ßashlrov. Quantum chromu'ilnamleal of thê effekts in tht- Prell-Y-nn and pions photoprodiictl^n processes. Грт -89 HT tf-rtahop on high Energy Spin Pliyr.i.«.Протвино 1У90, p.:v4