Поперечная поляризация Λ-гиперонов в реакции квазиреального фоторождения при высоких энергиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Г)

V,

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На праваурукописи

Алиханов Ибрагим Алиевич

ПОПЕРЕЧНАЯ ПОЛЯРИЗАЦИЯ А-ГИПЕРОНОВ В РЕАКЦИИ КВАЗИРЕАЛЬНОГО ФОТОРОЖДЕНИЯ ПРИ ВЫСОКИХ

ЭНЕРГИЯХ

01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

? п т:т ?.с:з

Санкт-Петербург — 2009

003481489

Работа выполнена на кафедре ядерной физики Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

Гребенюк Олег Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Шабельский Юлий Мечиславович

кандидат физико-математических наук, Феофилов Григорий Александрович

Ведущая организация: Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Защита состоится ¿ллло^Л 2009 в И> ч. Од мин. на заседа-

нии Совета Д 212.232.16 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском Государственном Университете по адресу: 199034,

г. Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.

/\jS-Jc^ллгучлА^л.^ З0"2--

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат физико-математических наук Власников А. К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. После экспериментального обнаружения ряда важных спиновых эффектов в адрон-адронпых взаимодействиях учет спиновых степеней свободы стал необходимой частью теоретического анализа. Здесь, прежде всего, следует отметить открытие в середине 1960-х годов ненулевой поляризации в реакции перезарядки тт~р —» 7г0тг, в результате которого стала ясна неприменимость полюсной модели Редже. Оказалось, что р-мезонный обмен, с помощью которого удалось хорошо описать дифференциальные ссчспия, не в состоянии объяснить наличие ненулевой поляризации. Это открытие свидетельствовало о необходимости изменения теоретических представлений о динамике взаимодействий. В середине 1970-х годов были обнаружены большие поляризационные эффекты в инклюзивном рождении гиперонов, которые также вызвали большой интерес теоретиков и стимулировали проведение дальнейших экспериментов в этой области. Данное явление поставило вопрос о пределах применимости квантовой хромодинамики. Если рассматривать процесс взаимодействия двух адропов при высоких энергиях как результат взаимодействия составляющих их кварков, то массами последних можно пренебречь, что, в свою очередь, подразумевает сохранение спиральности. Другими словами, в подпроцессах жесткого рассеяния кварков друг па друге спиновые состояния будут оставаться неизменными, и поляризация не возникнет. Эксперимент же указывает на наличие высокой степени поляризации, более того, спиновые эффекты остаются весьма значительными до энергий, эквивалентных 2 ТэВ в лабораторной системе. Это может указывать па важную роль нспертурбативпых процессов.

Сегодня экспериментальные исследования по спиновой физике приносят результаты, оказывающие сильное влияние па теоретические представления и модели в области высоких энергий.

Коллаборация HERMES, в своих недавних экспериментах, обнаружила ненулевую поперечную поляризацию Л-гиперонов, образующихся при рассеяиии позитронов энергии 27.6 ГэВ на протонной мишени. Причем средний передаваемый 4-импульс стремился к пулю и, следовательно, промежуточный фотон был почти безмассовым, т.е. квазиреальпым. Данное обстоятельство, вместе с относительно хорошей статистической точностью измерений, придаст особый статус результатам HERMESa. Дело в том, что проведенные до этого эксперименты по фоторождению Л-гиперопов при высоких энергиях не позволяли сделать однозначные выводы о свойствах поляризации из-за неудовлетворительной статистики.

Эксперимент HERMES показал, что поляризация Л-гиперопов в реакции фоторождепия качественно ведет себя также, как и в адрон-адронпых

столкновениях. Ее знак и зависимость от поперечного импульса гиперонов совпадают с поляризацией, измеренной в инклюзивной реакции K~N —» АХ, что может указывать также и на сходство физических механизмов, приводящих к появлению поляризации.

Поляризация Л-гиперопов представляет собой очень удобный инструмент для изучения процессов передачи спина в реакциях при высоких энергиях. В рамках точной спин-ароматовой симметрии SU(G) спин Л-гиперона полностью определяется спином его валентного странного кварка. Однако существует альтернативный взгляд па кварковую структуру адропов, появившийся после публикации результатов коллаборации ЕМС по глубоко иеупругому рассеянию поляризованных лептопов на нуклонах, который предполагает, что лишь часть спина переноситься валентными кварками, а остальная приходиться на их орбитальное движение и так называемое море партоиов (кварк-аптикварковые пары и глюопы). На сегодняшний день вопрос о том, какая картина наиболее адекватно описывает процессы поляризации, остается все еще актуальным.

Цель работы. Целью настоящей работы является описание поперечной поляризации Л-гиперопов в реакции квазирсального фоторождеиия, измеренной коллаборацией HERMES, в рамках уже разработанных методов для адрон-адроппых реакций.

Метод исследования. В работе проводится теоретический метод исследования, который заключается в выдвижении предположений и проведении расчетов.

Научная новизна. В диссертации высказана идея о том, что основной причиной поляризации Л-гиперопов в фоторождсиии при высоких энергиях является кварковая структура фотона.

Модель рассеяния кварков адаптирована к реакции фоторождеиия и, для более адекватного сравнения с экспериментом, сформулирована в терминах переменных, использованных коллаборацией HERMES.

Оценен лидирующий вклад процессов возбуждения и последующего распада тяжелых странных резопапсов.

В рамках кварк-рекомбипациопной модели описана зависимость поляризации от переменной Файнмапа хр. Учтена разница в распределениях дикварков в протопе-мишеии.

Апробация работы. Результаты диссертации были представлены па следующих конференциях:

1. XI Advanced Research Workshop On High Energy Spin Physics (DUBNA-SPIN-05), Дубна, 27 сентября - 1 октября, 2005.

2. XII Advanced Research Workshop On High Energy Spin Physics (DUBNA-SPIN-07), Дубна, 3-7 сентября, 2007.

3. 3-я Молодежная Научная Конференция «Физика и Прогресс», Санкт-Петербург, 14-1С ноября, 2007.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Alikhanov /., Grebenyuk О. Transverse Л° polarization in inclusive quasireal photoproduction at the current fragmentation. // Eur. Phys. J. C.— 2008.- vol. 54,— P. 123-127.

2. Алиханов И. А., Гребенюк О. Г. Поперечная поляризация Л°-гиперонов в инклюзивной реакции квазиреального фоторождепия: модель рассеяния кварков. // Яд. Физ.— 2008.— Т. 71.— С. 1452-1458.

3. Alikhanov /., Grebenyuk О. Quark scattering model of the transverse Л0 polarization and quark recombination approach. // Europhys. Lett.— 2008 -vol. 83 - 41001.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3-х глав и общих выводов. Общий объем диссертации - 73 страницы, включая библиографию из 73 наименований. Диссертация содержит 30 рисунков и 2 таблицы.

Вклад автора. Автором предложено интегральное представление поляризации и в значительном объеме проведены теоретические расчеты. Также существенен его вклад в подготовку публикаций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении сформулирована цель работы, обосновывается актуальность исследований.

В первой главе даны основные определения величин и понятий, используемых в работе. Делается обзор экспериментальной ситуации по измерению поперечной поляризации Л-гипероиов в высокоэнергетических реакциях с исполяризоваипыми пучками и мишенями. Рассматриваются основные теоретические модели, описывающие поляризацию.

Во второй главе проводиться сравнение экспериментально измеренной поляризации в реакции K~N —* АХ с квазиреальным фоторождеписм Л-гипсронов, изученным коллаборацией HERMES, и делается предположение о сходстве механизмов поляризации в данных процессах.

Идея рассматривать поляризацию Л-гиперонов как результат взаимодействия кварков и глюонов появилась уже в самом начале исследований этого явления в адрон-адроипых столкновениях при высоких энергиях. Так, например, было высказано предположение, что поляризация

Л-гипсропов в протоп-пуклонпых реакциях возникает в результате рождения поляризованных йв-пар поляризованными тормозными глюопами, а иа!-дикварк, будучи в еинглетпом спиновом состоянии согласно 811(6)-симметрии, остается спсктатором по отношению к данному процессу. Причем й-кварк, оказываясь в составе гиперона, определяет также его поперечный импульс.

Модель рассеяния кварков рассматривает поляризацию как результат рассеяния 5-кварка, образующегося либо в процессе взаимодействия адро-пов (как в случае рЛ^-реакции), либо переходящего из валентного состава частицы пучка в конечный Л-гипероп (как в случае /С^УУ-реакции), на цветовом (глюонпом) поле. Из-за своей ненулевой массы, в-кварк приобретает поляризацию точно также, как это происходит, например, с электронами, взаимодействующими с кулоповским полем ядра. Если ограничиться рассмотрением соответствующих диаграмм во втором борцовском приближении, то можно воспользоваться уже давно известным решением уравнения Дирака для электрона в статическом кулоновском поле.

При этом нужно просто заменить постоянную тонкой структуры а на константу сильного взаимодействия а8 и ввести дополнительный множитель, учитывающий все возможные комбинации цветов кварков и глюопов. Тогда формула для поляризации кварка будет иметь вид

2 Са3тр 5т3*9/21п8ш6>/2 ..

~ Е2 [1 - р2/Е2Вт2 в/2] соз в/2П' ( '

где С - это цветовой множитель, т, р, Е - это масса, абсолютное значение импульса и энергия кварка до рассеяния соответственно, в - его угол рассеяния, п - единичный вектор, определяющий направление поляризации, которое перпендикулярно плоскости рассеяния: п ос [р х рг] (рг - вектор импульса кварка после рассеяния).

Модель рассеяния кварков была развита и применена к процессу поляризации Л-гиперопов в инклюзивной реакции —> АХ, где валентный 5-кварк каопа при переходе в состав Л рассеивается па цветовом поле мишени. Схематически механизм поляризации изображен па рис. 1.

Главным предположением здесь является необходимость использования формулы (1) в такой системе отсчета, где импульсы й-кварка до и после рассеяния совпадают по абсолютной величине. Константы а, и С выступают в качестве свободных параметров модели.

С другой стороны, хорошо известно, что фотон во взаимодействиях способен проявлять адронные свойства. Особенно отчетливо эти свойства видны в процессах фоторождеиия нейтральных векторных мезонов (р, и/, ф) при малой передаче импульса. При более высоких энергиях, помимо пере-

ходов в связанные состояния, необходимо учитывать также возможность расщепления фотона на отдельные кварк-антикварковые пары, поэтому в общем случае его волновая функция представиться как

где первый член суммы соответствует случаю точечного, или, как говорят, голого фотона, константы gv и g'q характеризуют веса состояний векторных мезонов (V) и кварков (q) в фотоне, а соответствующие суммирования ведутся по веем возможным таким состояниям. Конечно, формула (2) не даст исчерпывающего описания, можно было бы, например, еще учесть и вклады от тормозных глюопов, но такие процессы являются процессами более высокого порядка.

Сегодня наличие партонпой структуры у фотона является надежно установленным экспериментальным фактом.

Опираясь на сходство экспериментальных данных коллаборации HERMES с результатами измерения поляризации в реакции K~N —> АХ можно предположить, что поляризация в фоторождепии возникает так, как это показано на рис. 2.

Применение модели рассеяния кварков к случаю фоторождения будет сводиться к замене /{""-мезона па фотоп, что, формально, заключается в использовании функций распределения кварков в фотоне вместо соответствующих функций каопа. Необходимо также выразить поляризацию через переменную (, так как экспериментальные данные, с которыми проводится сравнение наших расчетов, представлены в виде зависимости от этой переменной.

Были проведены расчеты зависимости поляризации Л-гиперонов в области фрагментации пучка от их поперечных импульсов рт и переменной Параметры модели принимали следующие значения: т., = 0.5 ГэВ, 2 Cas = 5.0.

На рис. 3 сравниваются результаты наших расчетов с экспериментальными данными коллаборации HERMES. Примечательно, что в рамках единого подхода удается хорошо описать обе зависимости поляризации: от поперечного импульса и от переменной

Так как представленная модель в значительной степени является качественной, то мы ограничились лишь рассмотрением экспериментально исследованной кинематической области, не делая каких либо предсказаний вис се.

Принималось во внимание также поперечное движение кварков в начальном состоянии и учитывался вклад возбуждения странных резопаисов,

(2)

Рис. 1. Иллюстрация механизма поляризации Л-гипсрона, рождающегося тз области фрагментации пучка при взаимодействии /^"-мезона с протоном. Стрелками обозначены поляризованные частицы.

Рис. 2. Иллюстрация механизма поляризации Л-гиперона в реакции квазиреальиого фоторождепия. Стрелками обозначены поляризованные частицы.

— 12

öS

"T, in а.

»

б 4

2

»

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.S 0.6

~ 16 S .4

Q? 12 10 8 6 4 2 О

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

pT(GeV)

Рис. 3. Результаты расчетов поляризации (кривые) в сравнении с экспериментальными данными коллаборации HERMES. Зависимость поляризации Л-гиперонов от С (Рт) представлена па верхнем (нижнем) графике.

для оценки которого использовалась программа PYTIIIA G.2. Согласно полученным результатам, основной вклад дают распады Е* —> Ля-, —» А~у и S —+ Air. Наблюдаются и другие сильно подавленные каналы, которыми мы пренебрегли: £ —» £°7Г —> Л77Г, —► АК~, О, —» Зж —> Апп. Важно подчеркнуть, что рассмотрение таких каналов в рамках модели рассеяния кварков требует, в общем случае, учета поляризации всех кварков, так как теперь спин-ароматовыс части волновых функций тяжелых резо-папсов имеют более сложную структуру. Следовательно, необходимо знать коэффициенты передачи поляризации как в процессе перехода поляризованного кварка в поляризованный тяжелый резонанс q —> H, так и при распаде последнего в конечный поляризованный Л-гипсрои H —» Л. На рис. 4 показаны результаты соответвующих расчетов вместе с экспериментальными данными коллаборации HERMES при £ > 0.25. Согласно нашим оценкам, вклад резопансов £* и S составляет в среднем 13.3 % от полной поляризации Л-гиперонов.

Видно, что модель удовлетворительно воспроизводит зависимость по-

ï HERMES

Inn ..... Innl

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

L 1 HERMES (Ç >0.25)

Н numerlc. ---Т

: ... 1 ... 1 Q........1 : .

0 0.2 0.4 ОС 0.8 1 1.2

pT(GeV)

Рис. 4. Результаты расчетов поляризации (кривые) с учетом вклада резо-паисов £°, Е* и S в сравнении с экспериментальными данными коллабора-ции HERMES. Зависимость поляризации Л-гиперопов от £ (рт) представлена на верхнем (нижнем) графике.

ляризации от поперечного импульса А-гиперонов и сходна с соответствующим результатом, изображенным на рис. 3. В случае же зависимости от переменной £ наблюдается качественно иная картина - поляризация падает с ростом Это связано с тем, что мы приняли во внимание поперечное движение кварков в начальном состоянии. Подобная ситуация, как показано в третьей главе диссертации, имеет место также и при описании поляризации в рамках кварк-рекомбинациоипой модели.

Поляризация А-гипсропов рассматривалась также и в области значений £ < 0.25, представляющей собой смесь двух областей: фрагментации пучка и фрагментации мишени. Для этого мы использовали программу PYTHIA 6.2, позволяющую определять все нужные кинематические величины для каждого события рождения А-гипсрона в отдельности.

Поляризация Л-гиперопов определялась следующим образом. Прослеживался весь путь кварка с момента его образования до фрагментации в соответствующий гиперон, а также необходимые кинематические ха-

рактсристики. Предполагалось, что каждый такой кварк, рассеиваясь па цветовом поле, приобретает поляризацию согласно формуле (1). Как и выше, учитывались коэффициенты передачи поляризации при фрагментации кварка в тяжелый резонанс (или непосредственно в Л-гиперои в случае прямого рождения), а также при распаде резонанса в конечный гиперон.

Отбирались те события, которые удовлетворяли следующим ограничениям:

рЛ > 4.35 GeV,

РхА

PzA

> 0.15, 0.02 <

РуА

PzA

< 0.14,

(3)

что частично отражает ограничения регистрирующей установки кол-лаборации HERMES.

Брались те же значения параметров модели, что и выше, за исключением коэффициента 2Cas, который в данном случае был равен 5/2.

На рис. 5 и б результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными. Как видно, в рамках описанного подхода удастся достичь хорошего согласия с экспериментом.

о

-10

1 **

- I HERMES

.... i .... г .... I

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

С

Рис. 5. Результаты расчетов зависимости поляризации А-гипсропов от ( (мелкие точки) в сравнении с экспериментальными данными (большие точки).

В третьей главе проведены расчеты поперечной поляризации А-гиперопов в реакции квазиреального фоторождепия в рамках кварк-

15

а 10 5

о

-5 -10

2 15 а ю

5 О -5 -10

Рис. 6. Результаты расчетов зависимости поляризации Л-гиперопов от рт (мелкие точки) в сравнении с экспериментальными данными (большие точки). На верхнем (нижнем) графике представлена область £ < 0.25 (С > 0.25).

рскомбипациоипой модели (КРМ). Как и выше, предполагалось, что поляризация возникает благодаря кварковой структуре фотона. Учитывались все подпроцессы рекомбинации кварк-дикварк, дающие лидирующий вклад в образования конечного Л-гипсропа. Так как спин Л равен 1/2, то рассматривалось взаимодействие кварков как со скалярными, так и с векторными дикварками. Возможны следующие комбинации: о,

сЙ-(из)о, в+(ий)о, 1 и с1+(из) 1.

Изучалось образование Л-гиперопов в реакции —> АХ при фрагментации пучка (хр > 0). Формула для поляризации записывалась в следующем виде:

р _ '¿Л' I_

Ь3,к I

где й; - это свободные параметры КРМ, так что индекс I принимает значения 0 (рассеяние па скалярном дикварке) и 1 (рассеяние на векторном дикваркс),

1. С<0.25

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

I

I

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Рт(йеЧ)

(4)

I ' ri т* ■ / /

СА(г3,п,хр,Рт)

Г Г г1т Г00 Г00

L-'O J-oo J-оо

х ^М(п,г2)гз1г4,а;,.>№)^(г1)/^)1(Г2)Д3Д4. (5)

В последнем выражении Д3Д4 - это дельта-функции, обеспечивающие сохранение энергии и импульса, /,/fc(ri) и /(^),(г2) есть распределения кварков в фотоне и дикварков в протоне, соответственно (г3- = (xj,yj,Zj) ~ доля полного импульса адроиа, переносимая j-м партоном в направлении (x,y,z)), явные выражения для cr°nd, a°ejJ (a-nd, сг]ер) приведены в основном тексте диссертации. В качестве волновой функции G\, описывающей Л-гиперон в конечном состоянии, использовалась его волновая функция иа световом конусе. Массы кварков тпи = rrid = 0.3 ГэВ, ms — 0.55 ГэВ. Массы дикварков брались как суммы масс составляющих их кварков, в независимости от полного момента I: Ш(иа)01 = m(ds}ol — 0-85 ГэВ, — 0.6 ГэВ.

Параметры принимали следующие значения: Rо = 2.5 ГэВ и Ri = —5.6 ГэВ, структурные функции фотона /¿(?'i), а также распределения дикварков были взяты из работ, посвященных описанию поляризации в адроп-адроиных реакциях. Отмстим, что /^.^(гг) предполагались одинаковыми для скалярных и векторных дикварков, за исключением дикварка (ud)о, поскольку оба кварка и и d входят в валентный состав протона. Хотя данные функции зависят еще и от Q2, но логарифмически, и, следовательно, варьирование передаваемого 4-импульса очень слабо отражается на результатах вычислений. Поэтому мы фиксировали Q2 = 8 ГэВ2. Условие рождения Л-гиперопов в области фрагментации пучка (хр > 0) достигалось наложением требования х\ > Х2, которое означает, что кварки из фотона являются более быстрыми, чем дикварки из протона.

Результаты расчетов показаны на рис. 7 вместе с экспериментальными данными коллаборации HERMES.

Подчеркнем, что здесь мы вычисляли зависимость поляризации от переменой хр, усредненную по поперечным импульсам Л-гипсропов. Поэтому необходимо при сравнении с экспериментом HERMES учитывать существующую неоднозначную связь между хр и (. Зависимость от рт также рассчитывалась для трех значений а"р: 0.1, 0.2 и 0.4.

Вклад более тяжелых резонансов не принимался во внимание, так как он относительно мал и, что более важно, не приводит к каким-либо качественным изменениям поведения поляризации.

Следует отметить сходство расчетов зависимости поляризации от С

O.t 0.2 _0.3 0.4 0.5

т-1-1-1-Г

1 HERMES — numeric, averaged over Pf

0.S С

0.3 П.4 0.5 O.fi

— Ко 2 I HEHMES(Ç>0.2S)

::: ¡Uo:*

Рис. 7. Результаты расчетов поляризации Л-гиперопов в рамках КРМ (кривые) в сравнении с данными коллаборации HERMES (точки). Зависимость от хр усреднена по поперечным импульсам Л.

из главы 2 (рис. 4) с результатом, приведенным на верхнем графике рис. 7.

В разделе общие выводы представлены основные результаты и выводы, полученные в данной работе.

Положения, выносимые на защиту:

1. Поперечная поляризация Л-гиперонов в квазиреальном фоторождении, обнаруженная коллаборацией HERMES, возникает, главным образом, благодаря кварковой структуре фотона.

2. Описание зависимости поперечной поляризации Л-гиперопов от их поперечных импульсов и области образования в рамках модели рассеяния кварков, основанной па 8и(С)-симметрии.

3. Оценка вклада возбуждения тяжелых странных резоиансов Е°, £, S в поляризацию Л-гиперонов.

4. Описание зависимости поперечной поляризации Л-гипсропов от их поперечных импульсов и области образования в рамках кварк-рекомбипациоипой модели, основанной на 8и(6)-симмстрии.

Подписано в печать 19.10.2009 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1329.

Отпечатано в ООО «Издательство "ЛЕМА"»

199004, Россия, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., д.24, тел./факс: 323-67-74 e-mail: izd_lema@mail.ru http://www.lemaprint.ru

Введение

Глава 1. Эксперимент и теория

1.1 Предварительные сведения.

1.2 Почему Л-гиперон?.

1.2.1 Угловое распределение продуктов распада Л-гиперона

1.2.2 Волновая функция Л-гиперона.

1.3 Экспериментальная ситуация.

1.3.1 Нуклон-нуклонные взаимодействия.

1.3.2 Мезон-нуклонные взаимодействия.

1.3.3 Фотон-нуклонные взаимодействия (фоторождение)

1.4 Феноменологические модели

1.4.1 Полуклассические модели.

1.4.2 Квантовоиолевые модели.

1.5 Выводы к главе 1.

Глава 2. Модель рассеяния кварков

2.1 Сравнение ^"А^-взаимодействия с фоторождением.

2.2 Рассеяние на цветовом поле.

2.3 Прямое фоторождение А-гиперонов в области фрагментации пучка

2.4 Учет вклада тяжелых резонансов

2.5 Поляризация А-гиперонов в области фрагментации мишени

2.6 Выводы к главе 2.

Глава 3. Кварк-рекомбинационная модель

3.1 Вероятности рождения адронов в инклюзивных реакциях

3.2 Амплитуды рассеяния партонов

3.2.1 Рассеяние кварков на скалярных партонах.

3.2.2 Рассеяние кварков на векторных партонах.

3.3 Определение поляризации.

3.4 Результаты расчетов.

3.5 Выводы к главе 3.

Многие из известных сегодня частиц и резонансов обладают отличным от нуля спином, который является одним из фундаментальных квантовых чисел, характеризующих их состояние. Устойчивый интерес последних лет к исследованию спиновых явлений и спиновой структуры адронов связан с пониманием важности соответствующих эффектов для анализа динамики адроиных взаимодействий и построения теории.

Впервые понятие спина в физике появилось в середине 20-х годов XX века. К этому времени было выполнено большое количество экспериментов по исследованию атомных спектров, результаты которых сравнивались с предсказаниями теории Бора. Среди прочих особенностей этих спектров наблюдалась тонкая структура спектральных линий. Было обнаружено, что многие линии являются не синглетами, как следовало из боровский теории, а близко расположенными дублетами. Первый шаг в решении данной проблемы сделал Паули, предположив, что электрон в атоме обладает дополнительным квантовым числом, которое может принимать два значения. Затем Улепбек и Гаудсмит заметили, что тонкая структура может быть объяснена в рамках теории Бора, если предположить, что электрон помимо орбитального имеет еще и внутренний угловой момент, названный спином. Хорошее согласие с экспериментом получалось, если приписать электрону значение спина 1/2 (в единицах постоянной Планка %).

Открытие уравнения Дирака показало, что спин является естественным свойством релятивистской теории. Свободная дираковская частица, волновая функция которой удовлетворяет матричному уравнению, имеет, помимо импульса, еще один дополнительный интеграл движения - собственный момент импульса (спин), равный 1/2.

Опыты с использованием поляризованных частиц и/или мишеней начали проводиться с начала 1950-х годов. Изучение спиновых эффектов является одной из наиболее актуальных задач физики высоких энергий.

Измерение спиновых наблюдаемых дает более богатую информацию по сравнению с измерениями усредненных по спину величин, что позволяет проводить детальный анализ различных теоретических представлений и подходов.

Эксперименты по изучению поляризационных эффектов ведутся практически на всех действующих и планируются на строящихся ускорителях. Следует однако отметить, что такая ситуация сложилась лишь в последние 30-35 лет. Ранее считалось, что в физике высоких энергий можно обойтись без учета спина частиц, а эксперименты при высоких энергиях, посвященные изучению спиновых явлений, считались, по мнению многих, лишь данью традициям из области физики низких энергий. Несмотря на то, что все фундаментальные составляющие материи (кварки, лептоны, также калибровочные бозоны - переносчики взаимодействий) имеют ненулевой спин, соответствующие эффекты учитывались, как правило, лишь комбинаторикой при построении векторов состояний и соответствующими факторами в амплитудах. Динамические проявления спиновых степеней свободы при этом игнорировались. Только после экспериментального обнаружения ряда важных спиновых эффектов учет спиновых степеней свободы стал необходимой частью теоретического анализа. Здесь, прежде всего, следует отметить открытие в середине 1960-х годов ненулевой поляризации в реакции перезарядки —» тг°п, в результате которого стала ясна неприменимость полюсной модели Редже [1]. Оказалось, что р-мезонный обмен, с помощью которого удалось хорошо описать дифференциальные сечения, не в состоянии объяснить наличие ненулевой поляризации. Это открытие свидетельствовало о необходимости изменения теоретических представлений о динамике взаимодействий. В середине 1970-х годов были обнаружены большие поляризационные эффекты в инклюзивном рождении гиперонов [2], которые также вызвали большой интерес теоретиков и стимулировали проведение дальнейших экспериментов в этой области. Данное явление поставило вопрос о пределах применимости квантовой хромодинамики. Если рассматривать процесс взаимодействия двух адронов при высоких энергиях как результат взаимодействия составляющих их кварков, то массами последних можно пренебречь, что, в свою очередь, подразумевает сохранение спиральности. Другими словами, в подпроцессах жесткого рассеяния кварков друг на друге спиновые состояния будут оставаться неизменными, и поляризация не возникнет. Эксперимент же указывает на наличие высокой степени поляризации, более того, спиновые эффекты остаются весьма значительными до энергий, эквивалентных 2 ТэВ в лабораторной системе. Это может указывать на важную роль непертурбативных процессов.

Для получения систематической информации по данной проблеме измерения поляризации проводились в экспериментах с использованием целого ряда адронов в качестве пучков при различных кинематических условиях. Прежде всего это, конечно, протон-нуклонные столкновения [3, 4, 5, 6, 7, 8]. Исследовались также процессы образования гиперонов в инклюзивных реакциях, вызываемых псевдоскалярными мезонами К~, К+, 7г~ [9, 10, 11,12]. Более того, поляризация изучалась и в процессах, где сами гипероны выступали в качестве пучков: E~iV —> АХ, Е~N —> Е+Х, Е~N —> Е~Х [13]. Рассматривалось фоторождение гиперонов в реакциях 7TV и е+е~ [14, 15, 16, 17].

Сегодня экспериментальные исследования по спиновой физике приносят результаты, оказывающие сильное влияние на теоретические представления и модели в области высоких энергий.

Несмотря на относительно большой массив экспериментальной информации, до сих пор не выработан подход, который объяснял бы явление поляризации с единой точки зрения. Существующие модели способны лишь на фрагментарное описание поляризации в отдельных кинематических областях. Особую сложность вызывает непертурбативный характер взаимодействия.

Подробный обзор экспериментальной ситуации по измерению поперечной поляризации А-гиперонов и обсуждение теоретических подходов даны в главе 1 настоящей диссертации.

Актуальность проблемы

Коллаборация HERMES в своих недавних экспериментах обнаружила ненулевую поперечную поляризацию А-гиперонов, образующихся при рассеянии позитронов энергии 27.6 ГэВ на протонной мишени [17]. Причем средний передаваемый 4-импульс стремился к нулю и, следовательно, промежуточный фотон был почти безмассовым, т.е. квазиреальным. Данное обстоятельство, вмссте с относительно хорошей статистической точностью измерений, придает особый статус результатам HERMESa. Дело в том, что проведенные до этого эксперименты по фоторождению Л-гиперонов при высоких энергиях не позволяли сделать однозначные выводы о свойствах поляризации из-за неудовлетворительной статистики.

Эксперимент HERMES показал, что поляризация Л-гиперонов в реакции фоторождения качественно ведет себя также, как и в адрон-адронных столкновениях. Ее знак и зависимость от поперечного импульса гиперонов совпадают с поляризацией, измеренной в инклюзивной реакции K~N —> ЛХ, что может указывать также и на сходство физических механизмов, приводящих к появлению поляризации.

Поляризация А-гиперонов представляет собой очень удобный инструмент для изучения процессов передачи спина в реакциях при высоких энергиях. В рамках точной спин-ароматовой симметрии SU(6), спин Л-гиперона полностью определяется спином его валентного странного кварка. Однако существует альтернативный взгляд на кварковую структуру адронов, появившийся после публикации результатов коллаборации'ЕМС по глубоко неупругому рассеянию поляризованных лептонов на нуклонах [18, 19], который предполагает, что лишь часть спина переносится валентными кварками, а остальная приходится на их орбитальное движение и так называемое море партонов (кварк-антикварковые пары и глюоны). На сегодняшний день вопрос о том, какая картина наиболее адекватно описывает процессы поляризации, остается все еще актуальным [20, 21, 22, 23, 24, 25].

Цель диссертации

Целью настоящей работы является описание поперечной поляризации Л-гиперонов в реакции квазиреального фоторождения, измеренной кол-лаборацией HERMES, в рамках уже разработанных методов для адрон-адронных реакций.

Научная новизна

В диссертации высказана идея о том, что основной причиной поляризации Л-гиперонов в фоторождении при высоких энергиях является квар-ковая структура фотона.

Модель рассеяния кварков адаптирована к реакции фоторождения и, для более адекватного сравнения с экспериментом, сформулирована в терминах переменных, использованных коллаборацией HERMES.

Оценен лидирующий вклад процессов возбуждения и последующего распада тяжелых странных резонансов.

В рамках кварк-рекомбинационной модели описана зависимость поляризации от переменной Файнмана хр. Учтена разница в распределениях дикварков в протоне-мишени.

Положения, выносимые на защиту

1. Поперечная поляризация А-гиперонов в квазиреальном фоторождении, обнаруженная коллаборацией HERMES, возникает, главным образом, благодаря кварковой структуре фотона.

2. Описание зависимости поперечной поляризации А-гиперонов от их поперечных импульсов и области образования в рамках модели рассеяния кварков, основанной на Зи(6)-симметрии.

3. Оценка вклада возбуждения тяжелых странных резонансов Е, Е в поляризацию А-гиперонов.

4. Описание зависимости поперечной поляризации А-гиперонов от их поперечных импульсов и области образования в рамках кварк-рекомбинационной модели, основанной на Зи(б)-симметрии.

Апробация работы и публикации Результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях, посвященных спиновой физике при высоких энергиях в 2005 и 2007 годах, г. Дубна (XI and XII Advanced Research Workshops On High Energy Spin Physics, DUBNA-SPIN-05, DUBNA-SPIN-07), на всероссийских молодежных конференциях по физике высоких энергий (Баксанская Молодежная Школа Экспериментальной и Теоретической Физики (БМШ ЭТФ), п. Эльбрус, 2005 и 2007 годы, Молодежная Научная Конференция «Физика и Прогресс», г. Санкт-Петербург, 2007), на семинарах кафедры ядерной физики Санкт-Петербургского Государственного Университета.

Основные результаты опубликованы в трех статьях в реферируемых журналах - «Ядерная Физика», «The European Physical Journal С»и «Europhysics Letters», а также в двух докладах сборников трудов конференций DUBNA-SPIN-05, DUBNA-SPIN-07.

Эксперимент и теория

Общие Выводы

1. Привлекая идею кварковой структуры фотона показано, что поперечная поляризация А-гиперопов в квазиреальном фоторождении, обнаруженная в недавних экспериментах коллаборации HERMES, укладывается в общую картину адрон-адронных взаимодействий.

2. В рамках модели рассеяния кварков, ранее успешно примененной к описанию поляризации А-гиперонов в реакции K~N —> АХ, удается удовлетворительно воспроизвести основные экспериментальные зависимости поляризации в квазиреальном фоторождении.

3. Вклад возбуждения тяжелых странных резонансов в поляризацию А-гиперонов составляет примерно 15 % от полного значения поляризации и не оказывает существенного влияния на характер ее поведения в исследованной кинематической области.

4. Кварк-рекомбинационная модель образования гиперонов также позволяет достичь хорошего согласия расчетов поляризации в квазиреальном фоторождении с экспериментальными данными.

Автор выражает искреннюю благодарность кандидату физ.-мат. наук Олегу Григорьевичу Гребешоку за научное руководство, всестороннее содействие и бесконечное терпение; доктору физ.-мат. наук, профессору кафедры ядерной физики Санкт-Петербургского Государственного Университета Леониду Васильевичу Краснову за постоянный интерес к работе.

1. 1.ving А. С., Worden R. P. Regge phenomenology. // Phys. Rep.— 1977.— vol.34.- P. 117-231.

2. Bunce G. et al. A0 hyperon polarization in inclusive production by 300-GeV protons on beryllium. // Phys. Rev. Lett.— 1976,— vol. 36 — P. 1113-1116.

3. Heller K., et al. A0 hyperon polarization in inclusive production by 24 GeV protons on platinum. // Phys. Lett. В.- 1977,- vol. 68.- P. 480-482.

4. Pondrom L. G. Hyperon experiments at Fermilab. // Phys. Rep.— 1985,— vol. 122,- P. 57-172.

5. Lundberg В., et al. Polarization in inclusive A and A production at large pT. // Phys. Rev. D.- 1989,- vol.40.- P. 3557-3567.

6. Erhan S., et al. A0 polarization in proton-proton interactions at л/s — 53 and 62 GeV. // Phys. Lett. В.- 1979,- vol. 82,- P. 301-304.

7. Abe F., et al. Polarization of A0 hyperons in inclusive production by 12-GeV protons on tungsten. // Phys. Rev. Lett.- 1983.- vol. 50 — P. 1102-1105.

8. Smith A. M, et al. A0 polarization in proton-proton interactions from л/s =31 to 62 GeV. // Phys. Lett. В.- 1987,- vol. 185,- P. 209-212.

9. Gourlay S. A., et al. Polarization of A's and A's in pp, pp, and K~p interactions at 176 GeV/c. // Phys. Rev. Lett.- 1986 vol. 56,- P. 22442247.

10. Ajinenko I. V.; et al. Inclusive A polarization in K+p interactions at 32 and 70 GeV/c. // Phys. Lett. В.- 1983.- vol. 121,- P. 183-186.

11. Faccini-Turluer M. L., et al. A and A polarization in K±p interactions at

12. GeV/c. 11 Z. Phys. C.- 1979,- vol. 1,- P. 19-24.

13. Bensinger J., et al. Inclusive A production and polarization in 16-GeV/c ir'p interactions. // Phys. Rev. Lett.— 1983 — vol.50.— P. 313-316.

14. Adamovich M. I., et al. Measurement of the polarization of A0, A0, £+ and E~ produced in a beam of 330 GeV/c. // Z. Phys. A — 1995.— vol. 350.- P. 379-386.

15. Aston D., et al. Inclusive production of lambdas and antilambdas in 7p interactions, for photon energies between 25 and 70 GeV. // Nucl. Phys. B.- 1982,- vol. 195,- P. 189-202.

16. Abe K., et al. Inclusive photoproduction of neutral strange particles at 20 GeV. // Phys. Rev. D.- 1984.- vol.29.- P. 1877-1887.

17. Althoff M., et al. A detailed study of strange particle production in e+e~ annihilation at high energy. // Z. Phys. C — 1985,- vol. 27.- P. 27-37.

18. Airapetian A., et al. Transverse polarization of A and A hyperons in quasireal photoproduction. // Phys. Rev. D — 2007 — vol. 76.— 092008.

19. Ashman J., et al. A measurement of the spin asymmetry and determination of the structure function gi in deep inelastic muon-proton scattering. // Phys. Lett. B.- 1988.- vol. 206.- P. 364-370.

20. Ashman J., et al. An investigation of the spin structure of the proton in deep inelastic scattering of polarized muons on polarized protons. // Nucl. Phys. B.- 1989,- vol. 328.- P. 1-35.

21. Burkardt M., Jaffe R. L. Polarized q —» A fragmentation functions from e+e~~ A + X. /J Phys. Rev. Lett.- 1993,- vol. 70,- P. 2537-2540.

22. Jaffe R. L. Polarized lambdas in the current fragmentation region. // Phys. Rev. D.- 1996.- vol. 54,- P. 6581-6585.

23. Boros C., Liang Zuo-tang. Spin content of A and its longitudinal polarization in e+e" annihilation at high energies. // Phys. Rev. D.— 1998 vol. 57.- P. 4491-4494.

24. Kotzinian A., Bravar A., von Harrach D. A and A polarization in lepton induced processes. // Eur. Phys. J. C — 1998 vol.2.- P. 329-337.

25. Chun-xiu Liu, Qing-hua Xu, Zuo-tang Liang. Hyperon polarization in semi-inclusive deeply inelastic lepton-nucleon scattering at high energy. // Phys. Rev. D 2001.— vol. 64.- 073004.

26. Ellis J., Kotzinian A., Naumov D., Sapozhnikov M. Longitudinal polarisation of A and Л hyperons in lepton-nucleon deep-inelastic scattering. // Eur. Phys. J. C— 2007.- vol.52.- P.283-294.

27. Yao W.-M. et al. The Review of Particle Physics // (Particle Data Group) J. Phys.- 2006.- vol. 33,- P. 1.

28. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. — В 10-ти т. Т.З. Квантовая механика (нерелятивистская теория).— 4-е изд., испр,— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.— 768 с.

29. Друкарев Г. Ф., Объедков В. Д. Поляризационные явления в электронных и атомных столкновениях. // УФН.— 1979,—т. 127, вып. 4.— С. 621650.

30. Трошин С. М., Тюрин Н. Е. Спин в физике высоких энергий.— М: Наука, 1991.- 175 с.

31. Craigie N. S., Hidaka К., Jacob М., and Renard F. M. Spin physics at short distances. // Phys. Rep.— 1983.— vol.99.— P.69-236.

32. Окунь Л. Б. Лептоны и кварки.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.— 346 с.

33. Клоуз Ф. Кварки и партоны — М: Мир, 1982.— 438 с.

34. Ramberg Е. J., et al. Polarization of A and A produced by 800-GeV protons. /1 Phys. Lett. В.- 1994.- vol.338.- P.403-408.

35. Grassier H., et al. Lambda polarization in inclusive K~p interactions at 10 and 16 GeV/c. // Nucl. Phys. В.- 1978,- vol. 136.- P. 386-400.

36. Adeva В., et al. Study of strange particle inclusive reactions in тг~р interactions at 3.95 GeV/c. // Z. Phys. C.- 1984,- vol. 26.- P. 359-372.

37. Stuntebeck P. H., et al. Inclusive production of Kf, A0, and Л0 in 18.5 GeV/c тт^р interactions. // Phys. Rev. D.— 1974 — vol. 9 — P. 608-620.

38. Ackerstaff K., et al. Polarization and forward-backward assymetry of A baryons in hadronic Z° decays. // Eur. Phys. J. C — 1998.— vol. 2.— P. 4959.

39. Andersson В., Gustafson G., Ingelman G. A semiclassical model for the polarization on inclusively produced A°-particles at high energies. // Phys. Lett. В.- 1979.- vol.85.- P.417-420.

40. DeGrand T. A., Miettinen H. I. Quark dynamics of polarization in inclusive hadron production. // Phys. Rev. D — 1981 — vol. 23.— P. 12271230.

41. Heller K., et al. Polarization of A's and A's produced by 400-GeV protons. // Phys. Rev. Lett.- 1978,- vol.41.- P. 607-611.

42. Szwed J. Hyperon polarization at high energies. // Phys. Lett. В.— 1981.— vol. 105,- P. 403-405.

43. Gago J. M., Mendes R. V., Vaz P. Is the A polarization in inclusive K~p compatible with QCD? // Phys. Lett. В.- 1987,- vol. 183.- P. 357-360.

44. Dharmaratna W. G. D., Goldstein Gary R. Gluon fusion as a source for massive-quark polarization. // Phys. Rev. D.— 1990.— vol.41.— P. 17311735.

45. Рыскин M. Г. Поляризация в инклюзивных процессах. // Яд. Физ.— 1988.- vol.48.- Р. 1114-1121.

46. В ami R., Preparata G., Ratcliffe P. G. A simple explanation of hyperon polarization at high pT. // Phys. Lett. В.— 1992 vol. 296 — P. 251-255.

47. Cea P., Chiappetta P., Guillet J.-Ph., Nardulli G. Hyperon polarization and final state interactions in high-energy inclusive pN scattering. // Phys. Lett. В.- 1987,- vol. 193.- P. 361-367.

48. Fujita T., Suzuki N. A model for polarizations of A0 in inclusive protonproton collisions at high energy. // Nucl. Phys. A.— 1989.— vol. 503.— P. 899-910.

49. Soffer J., Tornqvist Nils A. Origin of the polarization for inclusive A production in pp collisions. // Phys. Rev. Lett.— 1992.— vol. 68.— P. 907910.

50. Troshin S. M., Tyurin N. E. Hyperon polarization in the constituent quark model. // Phys. Rev. D 1997.- vol. 55,- P. 1265-1272.

51. Anselmino M., Boer DD'Alesio U., Murgia F. A polarization from unpolarized quark fragmentation. // Phys. Rev. D.— 2001.— vol.63.— 054029.

52. Dong Hui, Liang Zuo-tang. Hyperon polarization in different inclusive production processes in unpolarized high energy hadron-hadron collisions. 11 Phys. Rev. D 2004.- vol.70.- 014019.

53. Yamamoto Y.} Kubo K.-I., Toki H. Quark recombination model for spin polarization in high energy inclusive hadron reactions. // Prog. Theor. Phys.- 1997,- vol. 98.- P. 95-128.

54. Soffer J. Is the riddle of the hyperon polarizations solved? // arXivrhep-ph/9911373.

55. Troshin S. M., Tyurin N. E. The challenge of hyperon polarization. // arXiv:hep-ph/0201267.

56. Felix J. On theoretical studies of A0 polarization. // Mod. Phys. Lett. A.— 1999.- vol. 14.- P. 827-842.

57. Фейнман P. Взаимодействие фотонов с адронами.— M: Мир, 1975.— 389 с.

58. Nisius R. The photon structure from deep inelastic electron-photon scattering. // Phys. Rep.- 2000.— vol. 332,- P. 165-317.

59. McKinley W. A., Feshbach H. The Coulomb scattering of relativistic electrons by nuclei. // Phys. Rev.— 1947.— vol.74.— P. 1759-1763.

60. Dalitz R. H. On higher Born approximations in potential scattering. // Proc. R. Soc. A- 1950.- vol. 206.- P. 509-520.

61. Алиханов И. А., Гребепюк О. Г. Поперечная поляризация А°-гиперонов в инклюзивной реакции квазиреального фоторождения: модель рассеяния кварков. // Яд. Физ — 2008.— Т. 71 — С. 1452-1458.

62. Sjöstrand ТLönnblad L., Mrenna S. PYTHIA 6.2 physics and manual. // arXiv:hep-ph/0108264.

63. Alikhanov I., Grebenyuk O. Transverse A0 polarization in inclusive quasireal photoproduction at the current fragmentation. // Eur. Phys. J. C.— 2008,- vol. 54,- P. 123-127.

64. Belostotsky S., Grebenyuk O., Naryshkin Y. Study of A hyperon production in the HERMES experiment. // Acta. Phys. Pol. В.- 2002,- vol. 33.-P. 3785-3790.

65. Liang Zuo-tang, Liu Chun-xiu. Hyperon polarization in charged current interaction at the NOMAND energies. // Phys. Rev. D — 2002 — vol.66— 057302.

66. Gatto R. Relations between the hyperon polarizations in associated production. 11 Phys. Rev.- 1958.- vol. 109,- P. 610-611.

67. Gustafson G., Häkkinen J. A polarization in e+e~ annihilation at the Z° pole. // Phys. Lett. В.- 1993,- vol.303.- P. 350-354.

68. Alikhanov I., Grebenyuk O. Quark scattering model of the transverse A0 polarization and quark recombination approach. // Europhys. Lett.— 2008 vol.83.- 41001.

69. Grebenyuk O. Transverse polarization of A and A produced inclusively in eN scattering at HERMES. // Acta. Phys. Pol. В.— 2002,— vol.33 — P. 3797-3801.

70. Das K. P., Hwa R. C. Quark-antiquark recombination in the fragmentation region. // Phys. Lett. В.- 1977 — vol. 68 — P. 459-462.

71. Lepage G. P., Brodsky S. J. Exclusive processes in perturbative quantum chromodynamics. // Phys. Rev. D — 1980.— vol.22.- P. 2157-2198.

72. Kubo K.-I., Suzuki K. Spin polarization of hyperons in the hadron-hadron inclusive collisions mechanisms and dynamics. // arXiv:hep-ph/0505179.

73. Gliick M., Reya E., Vogt A. Parton structure of the photon beyond the leading order. // Phys. Rev. D — 1992,- vol.45.- P.3986-3994.

74. Ekelin S., Fredrikson S. New ideas on the proton-neutron differences in deep inelastic structure functions. // Phys. Lett. B.— 1985.— vol. 162.— P. 373-378.