NN-корреляции в процессах вблизи порога на легких ядрах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

Введение

1 Принцип Паули и нуклон-нуклонное взаимодействие в конечном состоянии

1.1 Тождественность частиц и амплитуда реакции при низких энергиях.

1.1.1 Особенности реакции одиночной перезарядки пиона на изотопах гелия

1.1.2 Реалистические амплитуды тг/^-рассеяния.

1.1.3 Сечение реакции одиночной перезарядки 7г+ 3Не—>

7т°ррр

1.2 Нуклон-нуклонные корреляции

1.2.1 Эффект Мигдала-Ватсона.

1.2.2 Анализ результатов численных расчетов и сравнение с экспериментальными данными.

2 Когерентное и некогерентное фоторождение пиона на дейтоне

2.1 Механизм реакции фоторождения 7г° мезона на дейтоне.

2.2 Реакция 7d —> 7г°пр и np-взаимодействие в конечном состоянии

2.2.1 Амплитуда реакции 7d —> тт°пр.

2.2.2 np-взаимодействие в конечном состоянии и инклюзивное сечение реакции фоторождения 7г°-мезона на дейтоне

2.3 Результаты численных расчетов.

3 Двухпионное рождение в рр-столкновениях вблизи порога

3.1 Особенности реакции рр —У рртг+тг~ вблизи порога

3.2 Возбуждение Д(1232)-резонанса в реакции рр ррл+7г~

3.2.1 Амплитуда реакции с возбуждение А-изобары

3.2.2 Анализ результатов численных расчетов и сравнение с экспериментальными спектрами систем ртх± и рр^

3.3 Протон-протонное взаимодействие в конечном состоянии

3.3.1 Амплитуда реакции с учетом протон-протонного взаимодействия в конечном состоянии.

3.3.2 Сравнение с экспериментальными спектрами систем

РР и р7Т+7Т~

Поведение сечения вблизи порога всегда занимало центральное место в квантовой механике. Изучение процессов вблизи порога с участием легких ядер является важным, как с точки зрения проверки различных теорий взаимодействий частиц с ядрами, так и с точки зрения получения информации об элементарных процессах между частицами.

За последние 1-2 года появилось много экспериментальных данных по реакциям вблизи порога, превосходящих по точности предыдущие данные аналогичных опытов. Среди них эксперименты по изучению реакций перезарядки пионов на изотопах гелия (PSI (реакции одиночной перезарядки (тг+,7г°) на 3Не и 4Не), TRIUMF (тг+ 4Не-> тГрррр, тГ 3Не^ тг+ппп), TJNAF (7* 3Не—у тт+ппп)), фоторождение пионов на дейтоне (MAMI (реакции d(y,7r)d и d(j,7r)np)), протон-протонные столкновения вблизи порога (CELSIUS и COSY (реакция рр рртт+тг-)).

Анализ результатов недавних опытов, отличающихся большой статистикой измерений, требует по-новому пересмотреть теоретические модели и подходы, которые использовались ранее для описания реакций вблизи порога.

С одной стороны, необходимо учесть все накопленные теоретические достижения в этой области. С другой - совместная работа с экспериментаторами, проводившими опыты, требует наглядной теоретической интерпретации полученных в экспериментах данных. Поэтому, наряду со строгим теоретическим изложением, все результаты, полученные в этой диссертации, сопровождаются наглядными примерами и пояснениями.

Характерной особенностью, присущей как конкретным реакциям, изучению которых посвящена диссертация, так и широкому кругу процессов рождения частиц на легких ядрах, являются iViV-корреляции.

Среди них особое место занимает нуклон-нуклонное взаимодействие в конечном состоянии (эффект Мигдала-Ватсона). Несмотра на то, что эффект Мигдала-Ватсона - достаточно известное явление, он широко обсуждается и в настоящее время. В существующих в научной литературе обзорах (см. [1,2] и ссылки в этих работах) эффект Мигдала-Ватсона рассматривается как окончательно изученное явление.

Тем не менее, в реакциях, изучению которых посвящена данная диссертация, детали проявления эффекта Мигдала-Ватсона существенно различны и зависят от конкретного механизма реакции. Ярким примером этому являются процессы, индуцированные пионами и 7-квантами на дейтоне. В отличие от реакций рр-столкновений при больших переданных импульсах, где взаимодействие между частицами происходит на малых расстояниях (при этом можно претендовать на универсальный вклад NN взаимодействия в конечном состоянии), в реакциях на дейтоне приближение точечного взаимодействия неприменимо.

Конкретные реакции, на примере которых проводилось изучение характерных свойств процессов рождения и перезарядки частиц вблизи порога на легких ядрах, следующие:

• реакция одиночной перезарядки пиона на гелии, 7г+ 3Не —> 7т°ррр.

• процесс когерентного и некогерентного фоторождения 7г°-мезона на дейтоне, d{7, n)d и d{7,7г)пр.

• реакция 7г+7г-рождения в протон-протонных соударениях, рр —» рртт+тт~~.

Эти реакции изучаются уже более 50 лет. Однако в результате новых экспериментов, обработка которых проводилась совместно с экспериментаторами, были получены данные, в которых проявились принципиально новые моменты.

Среди них - особенности реакции перезарядки пиона на гелии 7г+ 3Не —>■ тг°ррр. В конечном состоянии этой реакции присутствует три тождественных протона. Как следствие принципа Паули, сечение этой реакции, особенно при энергиях близких к порогу, должно быть сильно подавлено. Отсутствие экспериментальных данных для "неподавленной" реакции 7Г - 3Не —> 7г°ппр в области низких энергий не позволяет на прямую проверить это утверждение. Однако можно воспользоваться экспериментальными данными по реакции одиночной перезарядки на дейтоне n+d —У тт°рр. При сравнении, сечения реакций 7г+ 3Не —> 7т°ррр и 7r+d —п°рр оказываются одного порядка. Как показано в диссертации, подавление по принципу Паули снимается iViV-взаимодействием в конечном состоянии. Принцип Паули и NN взаимодействие в конечном состоянии обсуждаются практически во всех работах, посвященных изучению реакций перезарядки на изотопах гелия [3-9]. Тем не менее, представляется необходимым провести более детальный анализ подобного сорта реакций для выяснения особой роли взаимодействия нуклонов в конечном состоянии.

В результате проведеных на ускорителе MAMI экспериментов [10], [11], были измерены дифференциальные характеристики когерентного d{j,ir)d и некогерентного d(7,п)пр каналов реакции 7г°-фоторождения на дейтоне в околопороговой области энергий. Процесс фоторождения 7г-мезонов является хорошо изученным явлением (см., например, работы [12,13]). Тем не менее, новые экспериментальные данные содержат ряд характерных особенностей. Так, поведение дифференциальных характеристик некогерентного канала d(7, тх)пр указывает на сильное влияние пр взаимодействия в конечном состоянии. С другой стороны, инклюзивное сечение реакции 7г°-фоторождения на дейтоне, которое является суммой сечений когерентного и некогерентного каналов, хорошо описывается просто квази-свободным фоторождением пиона на дейтоне. Это объясняется тем, что вклад нуклон-нуклонного взаимодействия в конечном состоянии в сечение некогерентного канала фоторождения 7г°-мезона на дейтоне компенсируется сечением когерентного канала этой реакции.

Дифференциальные характеристики реакции двухпионного рождения, полученные в эксперименте на ускорителе CELSIUS [14], содержат ряд нетривиальных особенностей. Наиболее интересной из них является ярко выраженная асимметрия между спектрами инвариантных масс систем р7т+ и ртт~, а также между спектрами систем рртг+ и рртг~. При анализе экспериментальных данных следует учитывать тот факт, что детектор в эксперименте CELSIUS регистрировал частицы только в ограниченной области полярного угла по отношению к направлению пучка. Представленные же в работе [14] экспериментальные результаты основанны на экстраполяции к 4тг геометрии, которая является модельно зависимой. Однако асимметрия спектров инвариантных масс систем рп± и рр7Г± значительно менее чувствительна к конкретной экстраполяции. Поэтому при анализе экспериментальных данных CELSIUS основное внимание было уделено именно этой особенности.

Асимметрию экспериментальных спектров систем ртг± и рртг± удается описать одиночным возбуждением А-резонанса в промежуточном состоянии. Результаты расчетов с построенной в рамках простейших гипотез феноменологической лоренц-инвариантной амплитудой реакции рр —> рртг+7т~ оказываются в хорошем согласии с экспериментальными данными по обнаруженной в опыте асимметрии.

Основные вопросы, исследованию которых посвящена данная диссертация, следующие:

1. Особая роль нуклон-нуклонного взаимодействия в конечном состоянии (эффект Мигдала-Ватсона) в реакциях с числом тождественных нуклонов в конечном состоянии более двух. Исследование этого вопроса проводится на примере реакции одиночной перезарядки 7г+ 3Не —> 7т°ррр. Однако полученные результаты применимы для широкого класса реакций. Например, для реакций двойной перезарядки пионов на изотопах гелия.

2. Особенности процессов когерентного и некогерентного фоторождения нейтрального пиона на дейтоне. Основное внимание уделено нуклон-нуклонному взаимодействию в конечном состоянии некогерентного процесса <^(7,7Г)пр. Центральным местом является взаимосвязь когерентного и некогерентного каналов реакции.

3. Особенности спектров реакции рр —> рртг+7т~. Анализ проведен в рамках феноменологического подхода, основанного на одиночном возбуждении А-изобары в промежуточном состоянии. Основной целью является описание асимметрии между спектрами инвариантных масс систем ртт± и рр^.

Согласно этому, дальнейшее изложение диссертации разделено на три части.

В главе 1 проведено исследование особенностей учета принципа Паули и нуклон-нуклонного взаимодействия в конечном состоянии на примере реакции 7г+ 3Не —7г°ррр. Для этого построена лоренц-инвариантная амплитуда этой реакции, которая имеет простой вид и автоматически удовлетворяет принципу Паули. Запись этой амплитуды в терминах 2-х компонентных спиноров в явном виде содержит члены, пропорциональные малым скоростям конечных нуклонов. Это должно приводить к сильному подавлению сечения реакции 7г+ 3Не —> 7г°ррр по сравнению с "неподавленным" сечением реакции тт~ 3Не —> 7т°ппр. Однако оказывается, что корректный учет нуклон-нуклонного взаимодействия в конечном состоянии снимает подавление сечения из-за принципа Паули. Проведено сравнение результатов численных расчетов с экспериментальными данными и дана наглядная интерпретация исследованного эффекта.

В главе 2 проведено исследование реакции фоторождения 7г°-мезона на дейтоне, причем основное внимание уделено нуклон-нуклонному взаимодействию в конечном состоянии некогерентного процесса d(7,7т)пр. Рассмотрены вклады различных диаграмм в механизм реакции фоторождения 7г°-мезона на дейтоне. Исследовано влияние нуклон-нуклонного взаимодействия в конечном состоянии на характеристики реакции фоторождения 7г°-мезона на дейтоне. Проведено сравнение результатов численных расчетов с экспериметальными данными MAMI [10].

В главе 3 исследована возможность описания обнаруженной в опыте CELSIUS асимметрии спектров систем ртг± и рртт^ возбуждением Д резонанса в промежуточном состоянии. На основании простых предположений построена феноменологическая лоренц-инвариантная амплитуда, описывающая процесс двухпионного рождения рр —У рр-к^тт". Результаты численных расчетов, основанных на построенной феноменологической амплитуде, сравниваются с экспериментальными данными. Кроме того, исследовано влияние протон-протонного взаимодействия в конечном состоянии на дифференциальные характеристики реакции рр —у рр7т+тт~. Наиболее ярко эффект Мигдала-Ватсона проявляется в спектре инвариантной массы двух протонов.

Положения, выносимые на защиту:

• Решение задачи о взаимном влиянии принципа Паули и эффекта Мигдала-Ватсона в реакциях с числом тождественных нуклонов в конечном состоянии более двух.

• Выяснение особой роли iViV-взаимодействия в конечном состоянии на примере реакции 7г+ 3Не —> 7т°ррр. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными.

• Решение проблемы взаимосвязи когерентного и некогерентного каналов реакции фоторождения 7г°-мезона на дейтоне.

• Метод учета np-взаимодействия в конечном состоянии реакции d(7,7т°)пр. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными MAMI.

• Построение лоренц-инвариантной амплитуды реакции рр —У рртг+тт~, учитывающей УУЛ'-корреляции и динамику А^-взаимодействия при низких энергиях. Критичная оценка обработки экспериментальных данных. Описание обнаруженного на опыте различия спектров инвариантных масс систем ртг+ и ртт~, а также систем рр7т+ и рртт~.

• Исследование влияния протон-протонного взаимодействия в конечном состоянии на дифференциальные характеристики реакции рр —> рртт+тт~. Сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными по спектрам инвариантных масс систем рр и ртттт.

Основные результаты диссертации доложены на следующих конференциях, в том числе международных:

• Секционный доклад "NN корреляции в системе многих нуклонов" на конференции "Физика фундаментальных взаимодействий", ИТЭФ,

Москва, Россия, 27 ноября - 1 декабря 2000 года.

• Секционный доклад "NN correlations: Pauli principle and FSF'na конференции "Strangeness Production in pp and pA Interactions at ANKE", ПИЯФ, Гатчина, Россия, 21 июня - 22 июня 2001 года.

• Секционный доклад "Pauli principle and NN final state interaction" на конференции "Mysteries, Puzzles and Paradoxes in Quantum Mechanics - IV Edition Workshop", Gargnano, Italy, 27 августа - 1 сентября 2001 года.

• Секционный доклад "Two pion production in Nucleon-Nucleon Collisions" на конференции "7th International Workshop on Meson Production, Properties and Interaction", Jagellonian University, Krakow, Poland, 24 мая - 28 мая 2002 года.

• Секционный доклад "Two pion production in pp-collisions near threshold" на конференции "Quarks and Nuclear Physics 2002", Forschungszentrum Julich, Julich, Germany, 9 июня - 14 июня 2002 года.

• Секционный доклад "Decay properties of the Roper resonance from pp ppir~ir+" на конференции "Quarks and Nuclear Physics 2002", Forschungszentrum Julich, Julich, Germany, 9 июня - 14 июня 2002 года.

В заключение я хотел бы выразить искреннюю благодарность моему научному руководителю, М.Г. Щепкину, за неугасающий интерес к работе и многочисленные плодотворные обсуждения, а также X. Клементу и всем физикам-экспериментаторам, вместе с которыми я участвовал в анализе данных с ускорителей MAMI и CELSIUS.

Заключение

Диссертация посвящена изучению характерных свойств процессов рождения и перезарядки частиц на легких ядрах. В качестве конкретных примеров рассматривались следующие реакции:

• реакция одиночной перезарядки пиона на гелии, 7г+ 3Не —У 7г°ррр.

• процесс когерентного и некогерентного фоторождения 7Г°-мезона на дейтоне, d(7, ir)d и d(7,7т)пр.

• реакция 7г+7г~-рождения в протон-протонных соударениях, рр —> рртт+тт~.

Проведенные за последние несколько лет высокоточные эксперименты по измерению характеристик этих реакций обнаруживают ряд характерных особенностей. На всех этих особенностях сказываются нуклон-нуклонные корреляции, проявление которых в каждом конкретном случае оказывается совершенно различным.

Неожиданный результат получается при рассмотрении реакции перезарядки пиона на гелии 7г+ 3Не —^ тт°ррр, сечение которой должно быть сильно подавлено по принципу Паули. Результат совместного действия принципа Паули и нуклон-нуклонного взаимодействия в конечном состоянии состоит в том, что эффект Мигдала-Ватсона снимает подавление, обусловленное принципом Паули.

Анализ реакции некогерентного фоторождения 7г°-мезона на дейтоне d(7, тт)пр показал, что нуклон-нуклонное взаимодействие в конечном состоянии сильно влияет на энергетическую и угловую зависимость сечения этого канала. С другой стороны, инклюзивное сечение, которое дается суммой сечений когерентного и некогерентного процессов, хорошо описывается квази-свободным 7г°-фоторождением на дейтоне. Оказывается, что сечение некогерентного канала фоторождения 7г°-мезона на дейтоне компенсируется сечением когерентного канала этой реакции.

Полученные на ускорителе CELSIUS [14] экспериментальные данные по реакции рр —у рртт+-к~ содержат ярко выраженную асимметрию между спектрами инвариантных масс систем р^ и рр^. Асимметрию экспериментальных спектров удается описать одиночным возбуждением Д-резонанса в промежуточном состоянии. Результаты расчетов с построенной в рамках простейших гипотез феноменологической лоренц-инвариантной амплитудой реакции рр —у рр7т+тт~ оказываются в хорошем согласии с экспериментальными данными по обнаруженной в опыте асимметрии.

Исследование реакций, рассмотренных в диссертации, проводилось совместно с экспериментаторами, ставившими опыт. Подобное сотрудничество, с одной стороны, позволяет участвовать в обработке предварительных данных и "на лету" сравнивать предсказания различных теоретических моделей, а с другой, предъявляет более высокие требования к выполняемым теоретическим расчетам.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Дано решение задачи о взаимном влиянии принципа Паули и эффекта Мигдала-Ватсона в реакциях с числом тождественных фермионов (нуклонов) в конечном состоянии более двух. Впервые показано, что нуклон-нуклонное взаимодействие в конечном состоянии снимает подавление, обусловленное принципом Паули. Результат получен на примере рассмотрения реакции одиночной перезарядки положительного пиона на 3Не. Полученный результат наглядно иллюстрирует рис.1.9.

2. Вычислен вклад нейтрон-протонного взаимодействия в конечном состоянии в сечение некогерентного процесса d(j,ir)np. Показано, что сечение инклюзивного процесса фоторождения 7Г°-мезона на дейтоне равняется сумме сечений когерентного и некогерентного каналов реакции. Проведено сравнение результатов расчетов с данными опыта (рис.2.7).

3. Построена феноменологическая модель, в рамках которой дано описание обнаруженной на опыте асимметрии спектров систем ртт+ и ртт~, а также систем рртт+ и ppir~ в реакции рр —> рр7т+тт~. Результаты расчетов в сравнении с данными опыта суммируются на рис.3.5, 3.6. Воспроизведены особенности спектров инвариантных масс систем рр и р7т+7т~ в реакции рр —у рртт+тт~. Показано, что эти особенности связаны с рр взаимодействием в конечном состоянии. Дано сравнение с экспериментальными данными (рис.3.10, 3.11).

1. F. Kleefeld, nucl-th/0108064 .

2. P. Moscal, M. Wolke, A. Khoukaz and W. Oelert, Prog. Part. Nucl. Phys. 19, 1 (2002).

3. I.M. Barbour and A.C. Phillips, Phys. Rev. Lett. 19, 1388 (1967).

4. A.C. Phillips, Phys. Lett. B33, 260 (1970).

5. F. Becker and C. Schmit, Nucl. Phys. B18, 607 (1970).

6. J.F. Germond and C. Wilkin, Lett. Nuovo Cimento 13, 605 (1975).

7. H. Bruckmann et al, Phys. Lett. B30, 460 (1969).

8. W.R. Gibbs, A.T. Hess and G.J. Stephenson, Jr., Phys. Rev. C15, 1384 (1977).

9. R.I. Jibuti and R.Y.A. Kezerashvili, Nucl. Phys. A437, 687 (1985).

10. U. Siodlaczek, Ph.D. thesis, Tiibingen University, 2000.

11. U. Siodlaczek et al, Eur. Phys. J. AlO, 365 (2001).

12. А.И. Ахиезер и М.П. Рекало, Электродинамика Адронов (Наукова Думка, Киев, 1977).

13. Т. Ericson and W. Weise, Pions and Nuclei (Clarendon press, Oxford, 1988).

14. W. Brodowski et al, Phys. Rev. Lett. 88, 192301 (2002).

15. A. Lehmann et al (LADS Collaboration), Phys. Rev. C60, 024603 (1999).

16. K.M. Watson, Phys. Rev. 88, 1163 (1952).

17. A.B. Migdal, Sov. Phys. JETP 1, 2 (1955).

18. База данных SAID доступна через интернет по крипто-ванному соединению "ssh said@said.phys.vt.edu" или на сайте http://gwdac.phys.gwu.edu/.

19. A. A. Ebrahim and R. J. Peterson, Phys. Rev. C54, 2499 (1996).

20. В. Б. Берестецкий, E. M. Лифшиц, Jl. П. Питаевский, Квантовая электродинамика (Наука, Москва, 1989).

21. G. Hohler, Group I: Nuclear and Particle Physics, vol. 9 (Springer-Verlag, Berlin Heidelberg - New York, 1983).

22. D. H. Fitzgerald et al., Phys. Rev. C34, 619 (1986).

23. Particle Data Group, Eur. Phys. J. C15, 1 (2000).

24. R. J. N. Phillips, Nucl. Phys. 53, 650 (1964).

25. M.L. Goldberger and К. M. Watson, Collision theory (John Wiley k, Sons, Inc, New York-London-Sidney, 1964).

26. V. Baru, A.M. Gasparian, J. Haidenbauer, A.E. Kudryavtsev, J. Speth, Phys. Atom. Nucl. 64, 579 (2001).

27. B. Krusche et al, Eur. Phys. J. A6, 309 (1999).

28. G. Holtey et al, Z. Phys. 259, 51 (1973).

29. B. Bouquet et al, Nucl. Phys. B79, 45 (1974).

30. Bergstrom, Phys. Rev. C57, 3203 (1998).

31. B.M. Колыбасов и В.Г. Ксензов, ЯФ 22, 720 (1975).

32. М. Laeombe et al, Phys. Rev. C21, 861 (1980).

33. J.P. Laget, Phys. Rep. 69, 1 (1981).

34. J. Johanson, Ph.D. thesis, Uppsala University, 2000.

35. W. Brodowski, Ph.D. thesis, Tiibingen University, 2001.

36. F. H. Cverna et al, Phys. Rev. C23, 1698 (1981).

37. D. R. F. Cochran et al, Phys. Rev. D6, 3085 (1972).

38. F. Shimizu et al, Nucl. Phys. A386, 571 (1982).

39. L. G. Dakhno et al, Sov. J. Nucl. Phys. 37, 540 (1983).

40. D. C. Brunt et al, Phys. Rev. 187, 1856 (1969).

41. H. Calen et al, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A379, 57 (1996).

42. M. Schepkin, O. Zaboronsky and H. Clement, Z. Phys. A345, 407 (1993).

43. S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 18, 188 (1967).

44. M.G. Ollson and L. Turner, Phys. Rev. 181, 2141 (1969).

45. D.A. Zaikin and I.I. Osipchuk, Eur. Phys. J. A4, 349 (1999).

46. A. Abashian, N. E. Booth, and К. M. Crowe, Phys. Rev. Lett. 5, 258 (1960).

47. J. Banaigs et al, Nucl. Phys. B67, 1 (1973).

48. F. Plouin et al., Nucl. Phys. A302, 413 (1978).

49. F. Plouin, P. Fleury and C. Wilkin, Phys. Rev. Lett. 65, 690 (1990).

50. A.M. Bergdolt et al., Phys. Rev. D48, R2969 (1993).

51. J. Banaigs et al., Nucl. Phys. B105, 52 (1976).

52. R. Wurzinger et.al, Phys. Lett. B445, 423 (1999).

53. L. Alvarez-Ruso, E. Oset, E. Hernandez, Nucl. Phys. A633, 519 (1998).

54. H. Clement et al., submitted to Eur. Phys. J. A.

55. А.И. Вайнштейн и В.И. Захаров, УФН 100, 225 (1970).

56. К. Johnson and E.C.G. Sudarshan, Ann. Phys. (N.Y.) 13, 126 (1961).

57. H.T. Williams, Phys. Rev. C31, 2297 (1985).

58. M. Benmerrmuche, R.M. Davidson and N.C. Muchopadhyay, Phys. Rev. C39, 2339 (1989).

59. Л. Д. Ландау, E. M. Лифшиц, Квантовая механика (Наука, Москва, 1989).

60. А.Е. Кудрявцев, Б.Л. Дружинин и В.Е. Тарасов, Письма в ЖЭТФ 63, 221 (1996).

61. Н. van Haeringen, Nucl. Phys. A253, 255 (1975).

62. H. van Haeringen, Charged particle Interaction, Theory and Formulas (Coulomb Press, Leyden, 1985).