Поляризационные характеристики реакций с участием дейтрона и структура нуклон-нуклонного взаимодействия на малых расстояниях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЁННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ Лаборатория теоретической физики им.

Н^правах рукописи

СЯМТОМОВ Аркадий Иванович

V_—--

УДК 530.17, 539.12

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАКЦИЙ С УЧАСТИЕМ ДЕЙТРОНА И СТРУКТУРА НУКЛОН-НУКЛОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА МАЛЫХ РАССТОЯНИЯХ

Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических

наук

ОБЪЕДИНЁННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Лаборатория теоретической физики им. Н. Н. Боголюбова

на правах рукописи

СЯМТОМОВ Аркадий Иванович

УДК 530.17; 539.12

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕАКЦИЙ С УЧАСТИЕМ ДЕЙТРОНА И СТРУКТУРА НУКЛОН-НУКЛОННОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА МАЛЫХ РАССТОЯНИЯХ

Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание учёно» степени кандидата физико-иатеиатичесхих

наук

Работа выполнена в Институте теоретической физики им. Н.Н.Боголюбова Национальной академии паук Украины

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук А.П. Кобушкин

I

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Р.Н. Фаустов

доктор физико-математических наук ' А.И. Титов

Ведущее научно-исследовательское учреждение:

Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета

Защита диссертации состоится »¿7» с**^ 1995 г. на заседа. нии Специализированного совета К 047.01.01 Лаборатории теоретической физики им. Н.Н.Боголюбова Объединённого института ядерных исследований, г. Дубна, Московская область.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ.

Автореферат разослан ^ _¿1._

1995 г.

Учёный секретарь Совета, доктор физико-математических наук А.Е. Дорохов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В 70-80 годы в экспериментальной физике был отмечен значительный прогресс при исследовании взаимодействия ле-птоиов, фотонов и адронов с легчайшими ядрами при релятивистских энергиях. Это, в свою очередь, произвело целый переворот в поннма-• нии процессов, происходящих в ядре па расстояниях порядка или меньших размера нуклона. Так, стала очевидной необходимость, наряду с обычными нуклонными степенями свободы, учитывать и так называемые „экзотические" (мезонные, изобарные, кварк-глюонные) степени свободы, вероятность которых в ядре при обычных условиях сильно подавлена. Более того, насущным стал даже вопрос, насколько существенно меняются свойства самого нуклона, когда он из вакуума перемещается в ядерную среду. Возникла острая необходимость в разработке релятивистских подходов к описанию структуры простейших ядерных систем — дейтрона, 3Я, 3Яе и т.д.

Дейтрон, ввиду его относительной простоты, является уникальным полигоном для апробирования новых теоретических подходов к описанию процессов, происходящих в ядре на малых расстояниях. Поэтому и неудивительно, что уже длительный период времени именно к дейтрону привлечено наибольшее внимание при изучении таких эффектов как непуклонные (в первую очередь, кварк-глюощше) степени свободы и релятивистские подходы к описанию связанных систем. Особенно большой интерес вызывают работы по изучению спиновой структуры и поляризационных характеристик реакций с участием дейтрона. Это объясняется в первую очередь тем, что поляризационные наблюдаемые оказались весьма чувствительным „прибором" в исследовании деталей, составляющих суть нуклон-нуклонных взаимодействий в области перекрытия нуклон-ных волновых функций. Именно поэтому с изучением взаимодействий поляризованных дейтронов при энергиях порядка нескольких ГэВ на нуклон связывают в настоящее время большие надежды на обнаружение и изучение экзотических компонент ядерных волновых функций.

В пастоящее время поляризационные эксперименты по электрон-дей-тронному рассеянию ведутся на ускорителях BATES и CEBAF. Исследования взаимодействия поляризованных дейтронов с нуклонами и ядрами в столкновениях при высоких энергиях интенсивно ведутся на Синхрофазотроне ОИЯИ и SATURNE, а также планируются на ускорителе КЕК. Кроме того, обсуждается обширная программа поляризационных

исследований на НУКЛОТРОНе ОИЯИ. Всё эхо обеспечивает надёжную основу при изучении эффектов, связанных с особенностями структуры нуклон-нуклонных взаимодействий. Свидетельством тому большое количество появившихся за последнее время публикаций, посвященных различным аспектам этой проблемы. Среди активно обсуждаемых вопросов и „классическая" проблема релятивистского описания связанных систем, и проблема корректного учёта эффектов взаимодействия в конечном состоянии при промежуточных энергиях и мезон-обменных токов -при высоких; проблемы, связанные с описанием кумулятивных процессов в кинематической области, запрещённой для несвязанных состояний; наконец, проблема корректного, самосогласованного учёта кварко-вых степеней свободы.

Цель работы состоит в исследовании эффектов, связанных с ненуклон-ными (прежде всего, кварк-глкюнпыми) степенями свободы в дейтроне. Осцовной акцент при изучении этого вопроса сделан на анализе поляризационных характеристик реакций, уже достаточно подробно исследованных экспериментально: (1) реакции упругого е</-рассеяния в области больших значений квадрата переданного импульса (И) упругой реакции р^-назад, а также (!!!) инклюзивной реакции развала дейтрона в области промежуточных значений „внутреннего импульса" /к.' Научная новизна и ценность работы.

Впервые на основе правил кваркового счёта КХД, предсказывающих степень подавления матричных элементов электромагнитного тока для переходов по спиральности дейтрона, показана связь асимптотических соотношений электромагнитных формфакторов дейтрона с его квар-ковым содержанием. Этот результат позволяет добиться качественного согласия отношения структурных функций дейтрона в реакция упругого е^-рассеяния В/А с экспериментальными данными в области £?2 « 1 (ГэВ/с)2 и предсказывает асимптотическое стремление тензор-анализирующей способности реакции, Тэд, к постоянному значению.

В работе впервые проведён наиболее полный феноменологический анализ поведения электромагнитных формфакторов дейтрона в преда-симптотической и асимптотической области КХД. С этой целью была предложена параметризация, позволяющая с высокой точностью воспро-

'„Внутренний импульс протона в дейтроне", к, является естественно)! переменной в фронтальной форме динамики для связанной системы двух нуклонов. В процедуре „минимальной (мл яги вша цк и" к используется в качестве аргумента инвариантной волновой функция

извести все имеющиеся на сегодня экспериментальные данные по структурный функциям и тензор-анализирующей способности дейтрона (Т2о) в реакции упругого ed-рассвяния. Такой подход позволил сделать оценку характерного масштаба энергий глубоконеупругой области КХД в дейтроне. Этот и некоторые другие выводы, следующие го предлагаемого анализа будут проверены в экспериментах, в настоящее время планирующихся на высокоэнергетической установке CEBAF.

В данной работе проведён систематический анализ поляризационных наблюдаемых и спиновых характеристик реакции упругого pd-рассеяния назад (if — 180°). Впервые показано, что в рамках предположения об однонейтронном механизме обмена в реакции, а также если волновая функция дейтрона в динамике на световом фронте содержит только S— и D— волновые компоненты, существует ряд корреляциошшгх соотношений, связывающих поляризационные наблюдаемые, относящиеся к разным спиновым характеристикам. Существенная зависимость этих соотношений от предположений о конкретных механизмах данной реакции делает их весьма чувствительным инструментом в исследовании общих свойств взаимодействия, в том числе и с точки зрения структуры дейтрона на малых расстояниях. Уже сейчас результаты этих исследований положены в основу проектов, направленных на изучение внутренней структуры дейтрона в экспериментах на ускорителе КЕК.

В диссертации впервые исследована роль антисимметризации по квар-ковым переменным в импульсном распределении протона в дейтроне, п(к), и поляризационных наблюдаемых инклюзивной реакции развала дейтрона на протоне H(d,p'(Q°)X)) в области промежуточных значений „внутреннего импульса" к (0.2 ^ к ^ 0.6 (ГэВ/с)). Возникающие при этом эффекты естественным образом объясняют возможность существования в дейтроне, Помимо стандартных (5— и D— волновых), „экзотических" компонент волновой функции дейтрона, соответствующих вкладу во внутреннюю структуру дейтрона, в области перекрытия нуклонных кластеров, возбуждённых изобарных конфигураций. В рамках трансляционно-инвариантной модели оболочек, использовавшейся в этом апализе, получено точное выражение для виртуальной амплитуды дисинтеграции дейтрона, учитывающее вклад и членов от антисимметризации D—волновой компоненты. Полученные результаты могут найти применение и при анализе кварк-обменных эффектов в более сложных реакциях (например, в реакции pd-назад).

Апробация работы. Результаты, представленные в диссертации, неоднократно обсуждались на семинарах Института теоретической физики HAH Украины, докладывались на Международных симпозиумах „DUBNA DEUTERON-93" и „DUBNA DEUTER0N-96", на XIV Международной конференции по проблемам физики многих тел (CEBAF, Ныо-портньюз, США - 1994 г.), на Международном семинаре по проблемам физики высоких энергий (Дубна - 1994 г.), на XV Европейской конференции по проблемам физики многих тел (Пенискола, Испания - 1995 г.) на семинарах Лаборатории теоретической физики и Лаборатории высоких энергий ОИЯИ, а также на семинарах НИИЯФ МГУ. Публикации. Результаты диссертации опубликованы в девяти печатных работах.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, приложения и списка литературы. Объём диссертации - 133 страницы машинописного текста, 30 рисунков и Б таблиц. Библиография содержит 139 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе диссертации на основании правил кваркового счёта КХД проводится феноменологический анализ электромагнитных форм-факторов дейтрона, извлечённых из данных упругого е£)-рассеяния.

Конечно же, партонпая картина рассеяния, следствием которой собственно и являются размерные правила кваркового счёта (ПКС) КХД, слишком упрощена и реальная ситуация намного сложнее: структурпые кварки имеют размер, обладают внутренним импульсом ферми-движения, в области экспериментально достижимых энергий ещё существенны пепертурбативные эффекты и т.д. Однако, как показывают эксперименты, при передаче импульса Q2 ^ 1 (ГэВ/с)2 поведение сечения реакции упругого eD - рассеяния очень близко к степенному, предсказываемому ПКС. Этот вывод кажется очень привлекательным с точки зрения теоретической интерпретации: описание взаимодействия, основанное на пертурбативпой КХД, позволяет делать надёжные предсказания относительно поведения как сечений, так и поляризационных характеристик реакций (при этом схема вычислений может быть основана на одной из моделей, использующих операторные разложения на световом конусе).

В то же время, по ряду причин классическая ядерная физика но может считаться удовлетворительным способом описания структуры релятивистских ядер и и* взаимодействий при высоких энергиях, а вычисления в рамках КХД, даже в ведущем порядке теории возмущений, предполагают учёт тысяч диаграмм. Поэтому на практике часто применяются различные эффективные методы, использующие основные свойства КХД как калибровочной репормируемой теории сильных взаимодействий. Это ни в коей мере не заменяет полную схему вычислений в КХД, а лили» представляет собой основу для всевозможных оценок. Одним из таких методов является метод приведённых матричных элементов, оказавшийся чрезвычайно эффективным при анализе, например, дибариояных ре-зонансов в дейтроне, существование которых предсказывается КХД. Мы используем этот подход для оценки значений квадрата переданного импульса в реакции упругого е/?-рассеяния, при которых следует ожидать, что поведение электромагнитных формфакторов в основном определяется только пертурбативной частью соответствующей амплитуды. Вторая глава посвящена обсуждению поляризационных наблюдаемых упругого рД-рассеяния назад. Отчасти эти исследования были стимулированы готовящимися в настоящее время экспериментами с использованием поляризованной протонной мишени на Синхрофазотроне ОИЯИ, а также экспериментами по измерению спиновых характеристик конечного дейтрона в данной реакции на ускорителе КЕК. Даётся определение поляризационных характеристик рассматриваемой реакции безотносительно к предположениям о её механизме, а также приводятся их выражения в приближении однонейтронного обмена (ОНО). Показано, что если релятивистская волновая функция дейтрона в динамике па световом фронте имеет только 5- и О-волновые компоненты, между поляризационными наблюдаемыми в приближении ОНО существует ряд корреляционных соотношений. Если же, помимо „классических", волновая функция дейтрона содержит и некоторые „экзотические" ком* поненты (которые могут быть следствием, например, антисимметричности волновой функции дейтрона по отношению к парным перестановкам кварковых переменных), эти соотношения существенно деформируются. Поэтому, сравнение с экспериментальными данными здесь может дать важную информацию с точки зрения применимости используемых предположений относительно как структуры взаимодействующих частиц, так и механизмов реакции.

В третьей главе предлагается микроскопический подход к реакция развала дейтрона в области высоких я промежуточных энергий. На основании метода обобщённых кластерных функций, оказавшегося весьма эффективным при изучении малонуклошшх корреляций в лёгких ядрах, исследуется шестикварков&я компонента волновой функции дейтрона я эффекты, связанные со свойством ее антисимметричности по отношению к парным перестановкам структурных кварков. На языке -кластерных бараоыных конфигураций кварк-обменные компоненты волновой функции дейтрона означают примесь изобарных состояний, способных существенно изменить импульсное распределение нуклонов В дейтроне в области перекрытии пуклоцных волновых функций. Для демонстрации важности учёта этих состояний во внутренней структуре дейтрона на малых расстояниях рассматриваются поляризационные характеристика реакции развала поляризованного дейтрона на протонной мишени 1Н((1,р(0о))Х. Показано, что эффекты кваркового обмена, являющиеся следствием антисимметричности Ад-волновой функции дейтрона по отношению К парным перестановкам кварковых неременных, заметно меняют форму импульсного распределения протонов в дейтроне, а также поляризационные наблюдаемые этой реакции при значениях „внутреннего импульса" в дейтроне порядка нескольких сот МэВ/с. В заключении приведены основные результаты диссертации, выносимые на защиту.

В приложении содержатся математические дополнения к главам, а ' также Некоторая справочная информация, которую автор считает необходимой включить для полноты изложения материала.

Основные результаты диссертации, выдвигаемые на защиту

1. На основании правил кваркового счёта дня матричных элементов перехода с изменением спиральности, вытекающих из пертурбативной КХД, проведен анализ электромагнитных формфакторов дейтрона при больших значениях квадрата переданного импульса. Показано, что матричный элемент электромагнитного тока для перехода с изменением спиральности на единицу необходимо учитывать при анализе асимптотических свойств электромагнитных формфакторов дейтрона. В соответствии с этим, сделан вывод о том, что кварковая структура частиц со спином 1 существенно меняет асимптотическое

отношение электромагнитных формфак торов по сравнению со случаем элементарных частиц с тем Же спидом я зарядом.

2. В рамках метода приведенных матричных элементов оценен масштаб энергий, при которых поведение структурных функций дейтрона и Поляризационных наблюдаемых реакций упругого еО-рассеяния может быть описано размерными правилами кваркового счета КХД. С этой целью предложена параметризация, связывающая область низких энергий с асимптотической областью пертурбативной КХД. Показано, что при средней точности эксперимента 10% различия в поведении формфакТоров с предсказаниями КХД отсутствуют, начиная со значений переданного импульса ~ 3 (ГэВ/с). Предсказано поведение электромагнитных формфакторов и КвадрупоЛяризации Дейтрона в переходной области энергий, которая важна с точки зрения различных проявлений кварковой "экзотики".

3. Рассмотрены поляризационные наблюдаемые реакции упругого рассеяния назад поляризованного дейтрона на поляризованной протонной мишени с измерением поляризации протона отдачи и поляризации и выстроенности конечного дейтрона. В рамках предположения об однонейтроняом механизме реакции Получены выражения для поляризационных наблюдаемых этой реакции.

4. Впервые показано, что в рамки Приближения однопейтроиного обмена и при условии, что релятивистская волновая функция дейтрона в динамике на световом фронте имеет Только 5- и /^-Компоненты, существует ряд соотношений между поляризационными наблюдаемыми реакции рЛ-назад. Экспериментальная проверка полученных соотношений, которая будет проведена в готовящихся экспериментах в ОИЯИ и КЕК, должна дать информацию как об особенностях вотновой функции релятивистского дейтрона, так и о механизмах данной реакции при промежуточных энергиях.

5. Впервые исследована роль антисимметризацяи бд-волновой функции дейтрона по кварковым переменным в реакции развала дейтрона. В рамках трансляционно-инвариантной модели оболочек выполнены расчёты эффективных чисел ^^'-конфигураций в дейтроне при различных значениях размера кваркового кора 6 в нуклопе. Показано, что относительные вклады различных бариоп-бариопных

конфигураций очень чувствительны к b и в сумме составляют величину ~ 1.8%. Рассчитаны импульсное распределение протонов в дейтроне п(к), тензор-анализирующая способность реакции Tjо и векторный коэффициент передачи поляризации *о-

6. Впервые исследован вопрос об аатнсвмметрнзации D—волновой компоненты волновой функции дейтрона. Получено полное выражение дня виртуальной амплитуды дисинтеграции дейтрона в рамках метода обобщённых кластерных функций. Выполненная численная оценка влияния D—волновых деформаций на эффективные числа различных кварк-обменных конфигураций показывает, что что при этом поправки в среднем составляют 13% (а сумма относительных вкладов различных нуклон-барионных конфигураций составляет 1.04%).

Результаты диссертации опубликованы в работах

[1] A. Kobushkin and A. Syamtomov, High-Q2 Elastic ed-scattering and QCD Predictions, - ITP-93-S3E [LANL hep-ph 9307339] (1993).

[2] A. Kobushkin and A. Syamtomov, At What Energy Scale QCD ' Works In the Elastic eD-scattering? - Proceedings of the International

Symposium "DUBNA DEUTERON-93Dubna, Sept. 14-18,1993, E2-94-95, Dubna, 198 (1994).

{3] A. Kobushkin and A. Syamtomov, High-Q2 Elastic ed-scattering and ' QCD Predictions, -Phys. Rev. D49, 1637 (1994).

[4] A. P. Kobushkin and A. I. Syamtomov, Deuteron Electromagnetic Form Factors in the Transitional Region Between Nucleon-Meson and Quark-Qluon Pictures, - Ядерная физика 68, вып.9 (1995). с.

[5] А. P. Kobushkin and A. I. Syamtomov, Deuteron Electromagnetic Form Factors in the TYansitiona! Region Between Nucleon-Meson and Quark-Qluon Pictures, - ITP-94-30E [LANL hep-ph 9409411} (1994).

[6] А. P. Kobushkin, A. I. Syamtomov, C. F. Perdrisat, and V. Punjabi, Polarization Observables of the dp —* pd Reaction and One-Neuteron-Exchange Approximation, 1ТР-Ц-19Е (1994).

[7] A. P. Kobushkin, A. I. Syamtomov, C. F. Perdrisat, and V. Punjabi, Spin Structure of the Deuteron from the $p-*pd Reaction, - Phys. Rev. C50, 2627 (1994).

[8] A. P. Kobushkin and A. I. Syamtomov, Quark Viewpoint on Deuteron Breakup at High Energy, Proceedings of International Seminar on High Energy Physics Problems, Dubna, Sept. 12-17, 1994.

[9] A. P. Kobushkin, A. I. Syamtomov and L. Ya. Glozman, Quark-exchange Effects in a Deuteron Breakup at Intermediate Energy, - ITP-95-9E [LANL hep-ph 9503435], 25pp. (Направлено в ЯФ).