Проявление ненуклонных степеней свободы в NN- и Nd-рассеянии при промежуточных энергиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

На правах рукописи

Платонова Мария Николаевна

Проявление ненуклонных степеней свободы в NN- и ^¿/-рассеянии при промежуточных энергиях

01.04.16 - Физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 5МАР 2015

Москва - 2015

005561052

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ)

Научный руководитель:

Кукулин Владимир Иосифович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник НИИЯФ МГУ, г. Москва

Официальные оппоненты:

Фильков Лев Васильевич, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии Наук (ФИАН), г. Москва

Крутенкова Анна Петровна, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ведущий научный сотрудник Государственного научного центра РФ — Института теоретической и экспериментальной физики (ГНЦ РФ ИТЭФ), г. Москва

Ведущая организация:

Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ), г. Дубна

Защита состоится « 2015 г. в ¿¿Г часов на заседании

диссертационного совета Д 501.001.77 на базе Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 5 (19-й корпус НИИЯФ МГУ), ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Ломоносовский проспект, д. 27 и на сайте http://www.sinp.msu.ru/ru/dissertations/21008.

Автореферат разослан » 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.77, доктор физ.-мат. наук, профессор

^ П! Л С.И. Страхова

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Построение теории ядерных сил и адронных процессов на основе фундаментальной теории сильных взаимодействий — квантовой хромодинамики (КХД) — является одной из важнейших задач современной теоретической физики. В последние десятилетия значительный прогресс в этой области был достигнут в основном благодаря развитию техники расчетов КХД на решетке. В частности, были получены реалистические предсказания для ряда наблюдаемых величин в адрошюй физике, а также воспроизведены некоторые черты нуклоп-нуклонного взаимодействия. Тем не менее, реализация расчетов на решетке является чрезвычайно трудоемкой и сталкивается с различными трудностями, как технического, так и фундаментального характера. В настоящее время данная техника не позволяет производить реалистические расчеты адронных и ядерных процессов, требующиеся для описания многочисленных экспериментальных данных. В связи с этим остается необходимость в построении эффективных КХД-мотивирован-ных моделей адронного взаимодействия и ядерных сил.

Весьма перспективной областью для тестирования моделей ядерных сил, основанных на КХД, представляются процессы рассеяния в малонуклонных системах, прежде всего, при больших переданных импульсах, т.е. в области малых межнуклонных расстояний. Следует подчеркнуть, что многочисленные экспериментальные данные последних лет по рассеянию в малонуклонных системах выявили ряд значительных эффектов, которые не объясняются традиционными теоретическими подходами, учитывающими лишь нуклонные степени свободы, а также их усовершенствованными версиями, включающими пионы и Д-изобары. В качестве яркого примера здесь можно привести рассеяние нуклонов на ядрах дейтерия (^-рассеяние) при промежуточных энергиях 0.2 <Тц <2 ГэВ. В то время как рассеяние под малыми углами хорошо описывается стандартными подходами, основанными на решении точных трехчастичпых уравнений Фаддеева с учетом реалистического нуклон-нук-лонного (1ЯЩ взаимодействия, в рассеянии под большими углами наблюдаются существенные расхождения между теоретическими расчетами и экспериментальными данными. Эти расхождения увеличиваются с ростом энергии соударения, т.е. по мере продвижения в область все более коротких межнук-

лонных расстояний, что указывает на проявление кварковой структуры нуклонов в этой области. В таком случае возникает вопрос о методах описания ^//-взаимодействия на коротких расстояниях с учетом кварковой структуры нуклонов. Ясно, что явный учет кварковых и глюонных степеней свободы при описании адронных процессов в области промежуточных энергий является чрезвычайно сложной задачей. С другой стороны, на расстояниях гцц < 1 Фм, где кварковые остовы двух нуклонов перекрываются друг с другом, становится возможным образование единого шестикваркового (б#) мешка, свойства которого тесно связаны с природой короткодействующих ЫЫ-сш.

Образование таких компактных шестикварковых объектов — дибарионов — было впервые предсказано на основе 8и(б)-симметрии еще в 1964 г. в пионерской работе Дайсона и Ксуонга [1]. В конце 1970-х гг. дибарионные состояния (в том числе, узкие дибарионы, не распадающиеся по Л/М-капалу) были также предсказаны в рамках кварковых моделей (см., например, [2, 3]). Впоследствии были найдены многочисленные экспериментальные и теоретические указания на существование как широких, так и узких дибарионных резонансов. Так, указания на рождение ряда узких дибарионов в неупругом рр- и /«/-рассеянии были получены в ОИЯИ, ИЯИ РАН, ИТЭФ и др. (см., например, [4, 5]). Сигналы широких дибарионных резонансов были обнаружены в процессах упругого и неупругого рр-рассеяния, фоторасщепления дейтрона и т.д. (см. обзор [6]). Однако достаточно надежное подтверждение существования таких резонансов появилось лишь недавно, в серии экспериментов по реакциям двухпионного рождения в рп-, рс1- и ¿¿-соударениях, выполненных международными коллаборациями СЕЬЗШБЛУАЗА и затем \\7А8А@С08У в эксклюзивной постановке, в полной 4тг-геометрии и с очень высокой статистикой [7]. В этих экспериментах был обнаружен четкий сигнал изоскаляр-ного дибарионного резонанса Юоз(2380) с квантовыми числами 7(7Р) = 0(3+), который был затем подтвержден новыми данными фазового анализа упругого лр-рассеяния [8]. Помимо этого, резонансные полюсы, соответствующие изоскалярному дибариону £>оз(2380) и изовекторному. дибариону .012(2150) (также впервые предсказанному в работе [1]) были найдены недавно в рамках решения уравнений Фаддеева для систем лИК и лNN [9].

В настоящее время продолжаются поиски и других предсказанных ранее дибарионных состояний, в том числе, странного Н-дибариона, нестранных

дибарионов с изосгашами / = 2 и 3, а таюке сверхузких дибарионных резо-нансов с массой Мо < 2т^ + т„. Надежное экспериментальное обнаружение таких резонансов будет иметь важные следствия для ядерной физики и астрофизики. Однако в настоящей диссертации рассматриваются только широкие дибарионные резонансы, связанные с МУ-каналом, поскольку они могут играть существенную роль в Л'/У-взаимодействии на малых расстояшшх и в структуре короткодействующих ядерных сил.

Модель ядерных сил, учитывающая образование одетого дибариона (6д-мешка, окруженного мезонными полями) на коротких межнуклонных расстояниях и построенная на основе фундаментальных квартовых симметрии, была предложена группой ученых из НИИЯФ МГУ и Университета г. Тюбингена (Германия) в начале 2000-х гг. [10, 11]. Согласно этой модели, основным механизмом, ответственным за А'Д'-притяжение, является сильная связь ¡УЛГ-канала с дибарионным каналом, в котором отдельные нуклоны сливаются в единый 6^-мешок, одетый сильным скалярным полем. Скалярное иоле излучается в результате перехода 6^-мешка из возбужденного состояния с кварковой конфигурацией рг в основное состояние я6. Т.е. фактически стандартный ¿-канальный сигма-обмен между нуклонами заменяется 5-каналышм сигма-обменом. В рамках этой модели, с использованием минимального числа свободных параметров, были описаны эмпирические фазовые сдвиги упругого /УАг-рассеяния вплоть до энергий 1 ГэВ, а также успешно воспроизведены свойства легчайших ядер. Кроме того, дибарионная модель позволила предсказать ряд новых эффектов, некоторые из которых уже подтвердились экспериментально (например, рождение дибарионов в Л^-соударениях, структура Роперовского резонанса и др.).

Таким образом, в работах [10, 11] было найдено, что основные эффекты кварковой структуры нуклонов в Д'А'-взаимодействии могут быть вполне адекватно описаны в терминах промежуточных дибарионов. Такое описание уже не требует явного введения кварк-глюонных степеней свободы и непосредственно связано с переменными соответствующего адронного канала. Однако наблюдаемые упругого ЛгДг-рассеяния и статические свойства ядер, описанные ранее в рамках дибариошгон модели, содержат лишь весьма небольшие проявления кварковых степеней свободы и также могут быть довольно хорошо описаны в рамках традиционных мезон-обменных моделей. В связи с

этим, представляет интерес применение эффективного формализма дибарион-ной модели для описания процессов с большими передачами импульса (таких, как неупругое ЛГ//-рассеяние, упругое М/-рассеяние под большими углами и др.), традиционное описание которых сталкивается со значительными трудностями.

Цель диссертационной работы состоит в выяснении роли ненуклонных степеней свободы в процессах упругого и неупругого рассеяния нуклонов промежуточных энергий (порядка 1 ГэВ) на нуклонах и ядрах дейтерия, включая процессы рождения мезонов. В частности, необходимо прояснить вопрос о вкладе промежуточных дибарионных резонансов в процессы одно- и двухпи-онного рождения в МУ-соударениях. При этом особое внимание должно быть уделено исследованию соотношения между вкладами традиционных механизмов, учитывающих нуклонные (и изобарные) степени свободы, и механизмов возбуждения промежуточных дибарионных резонансов.

Результаты и положения, выносимые на защит}':

1. Впервые выполнено обобщение дифракционной модели Глаубера-Си-тенко для рассеяния быстрых нуклонов на ядрах дейтерия с учетом спиновой структуры нуклон-нуклонных амплитуд и волновой функции ядра-мишени, а также процесса двойной перезарядки. Получены явные аналитические формулы связи инвариантных N¿1- и ЛГМ-амплитуд. В рамках построенной модели рассчитаны сечения и поляризационные наблюдаемые упругого ^¿-рассеяния и выполнено детальное сравнение предсказаний дифракционной модели с результатами точных трехчастичных расчетов и экспериментальными данными. Показано, что проведенное обобщение позволяет существенно расширить область применимости дифракционной модели и улучшить описание данных в широком интервале энергий.

2. Предложен новый механизм //(¿-рассеяния под большими углами, включающий трехчастичное взаимодействие с рождением промежуточного дибари-онного резонанса. Установлена связь этого механизма с процессами неупругого МУ-рассеяния (NN —> с!л, NN —> ¿лл и т. д.) и возможность его исследования в таких процессах.

3. Исследована относительная роль стандартных мезон-обменных механизмов, в том числе, с возбуждением промежуточной Д-изобары, и механизмов возбуждения изовекторных дибарионных резонансов в реакции однопи-

онного рождения NN —> сЬт. Показано, что учет механизмов рождения промежуточных дибарнонов позволяет значительно улучшить описание данных для рассматриваемой реакции при условии согласованной параметризации мезон-барионных верпига в процессах ИИ- и л^-рассеяния. Также впервые указана возможность исследования изовекторных дибарионных резонансов в реакциях двухпионного рождения в рр-соударениях.

4. На основе дибарионной модели ЫЫ- вза и м оде й ств и я предложена новая количественная интерпретация околопорогового усиления (АВС-эффекта) в реакциях двухпионного рождения пр —> йлл, рс! —> 3Нелтг и др., открытого экспериментально более 50 лет назад и до сих пор не получившего признанного теоретического объяснения. Впервые показано, что АВС-эффект можно рассматривать как прямое экспериментальное подтверждение восстановления киральной симметрии в адронных соударениях при промежуточных энергиях.

Научная новизна. Основные результаты, представленные в диссертации, являются новыми и оригинальными. В частности, обобщение дифракционной модели Глаубера-Ситенко для задачи //¿/-рассеяния с учетом полной спиновой структуры АМ-амплитуд и дейтронной волновой функции, а также процесса двойной перезарядки было сделано впервые. Кроме того, впервые выполнено детальное сравнение предсказаний дифракционной модели с точными расчетами по уравнениям Фаддеева для реалистического ////-взаимодействия. Также впервые получено согласованное описание процессов одно- и двухпионного рождения в А'Д'-соударениях с учетом возбуждения промежуточных дибарионных резонансов. Наконец, предложена новая количественная интерпретация околопорогового усиления (АВС-эффекта) в реакциях двухпиоштого рождения, основанная на излучении скалярного сг-мезона из возбужденного дибариона в условиях частичного восстановления киральной симметрии.

Теоретическая и практическая значимость. Предложенная в диссертации интерпретация АВС-эффекта в реакциях двухпионного рождения открывает новые возможности исследования фундаментального явления восстановления киральной симметрии и рождения относительно стабильных легких скалярных мезонов в NN- и //¿-соударениях при промежуточных энергиях порядка 1 ГэВ. (До сих пор эти явления теоретически рассматривались только в ядерной материи высокой плотности и/или температуры.)

Резонансный (дибарионный) механизм для реакций одно- и двухпионно-

го рождения в .УЛ'-соударениях, развитый в диссертации, дает новую теоретическую основу для описания процессов рождения мезонов. (Базовые механизмы таких процессов, предложенные ранее в литературе, включали в себя только псевдорезонансы, обусловленные возбуждением отдельных барионов.) Предложенный дибарионньгй механизм может быть в дальнейшем включен в расчеты более сложных процессов типа упругого и неупругого рассеяния нуклонов на ядрах при больших передачах импульса.

Формализм обобщенной дифракционной модели может быть использован для расчетов поляризационных характеристик в рассеянии адропов промежуточных и высоких энергий на ядрах. В частности, обобщенная дифракционная модель была недавно использована учеными из ОИЯИ и Исследовательского центра Юлиха (Германия) для расчетов спиновых наблюдаемых рассеяния антипротонов на дейтерии. Эти расчеты являются важными для тестирования различных моделей антинуклон-нуклонных амплитуд и интерпретации будущих экспериментов с поляризованными антипротонными пучками.

В целом, результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для дальнейших расчетов адронных и ядерных процессов при промежуточных энергиях, а также для интерпретации существующих и предсказания новых экспериментальных данных.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации были доложены на следующих международных и всероссийских конференциях:

LIX, LX и ЬХП Международные совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра "ЯДРО 2009" (Чебоксары, 2009), "ЯДРО 2010" (Санкт-Петербург, 2010) и "ЯДРО 2012" (Воронеж, 2012); The Rutherford Centennial Conference on Nuclear Physics (Manchester, UK, 2011); Mini-workshop on two-pion production in the HADES and WASA experiments (IPN Orsay, France, 2013); The 22nd European Conference on Few-Body Problems in Physics "EFB 22" (Cracow, Poland, 2013); The 13th International Conference on Meson-Nucleon Physics and the Structure of the Nucleón "MENU 2013" (Rome, Italy, 2013); XII Всероссийская Конференция "Молодые ученые России" (Москва, 2014).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 21 работе, из них 9 статей в рецензируемых научных журналах и 12 тезисов докладов. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора. Основные научные результаты, представленные

в диссертации, были получены автором лично. Автором разработапы теоретические модели исследуемых физических процессов, сделан выбор расчетных методов, выполнены аналитические и численные расчеты, проведено детальное сравнение с экспериментальными данными.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, библиографии и приложения. Общий объем диссертации 154 страницы, из них 134 страницы текста, включая 28 рисунков и 6 таблиц. Библиография включает 175 наименований ira 16 страницах. Объем приложения 4 страницы, включая 4 таблицы.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована ее основная цель, представлены результаты работы и выносимые на защиту научные положения, аргументирована научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов, оценен личный вклад автора, приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации.

Первая глава посвящена рассмотрению упругого /Vd-рассеяния под малыми и большими углами.1 Исследование этого фундаментального процесса может дать важную информацию о ^//-взаимодействии и структуре ядра. В частности, в области больших переданных импульсов возможно проявление ненуклонных степеней свободы и трехчастичных сил. Однако, даже в рамках лишь нуклонных степеней свободы, к настоящему времени не создано количественной теории данного процесса при промежуточных и высоких энергиях. Так, в силу ряда причин, точные трехчастичные уравнения Фадде-ева могут эффективно применяться только при энергиях падающего протона Тр <, 350 МэВ, где возможные переданные импульсы и проявление короткодействующих ////-корреляций еще относительно малы. Поэтому необходимо построить достаточно надежную теоретическую модель prf-рассеяния при промежуточных энергиях Тр ~ 1 ГзВ, учитывающую пуклоншле степени сво-

1 В дальнейшем для определенности будем говорить о pd-рассеянии, имея в виду только ядерное взаимодействие (кулоновские эффееты при энергиях Тр > 200 МэВ проявляются только в рассеянии на очень малые углы к не рассматриваются в диссертации).

боды, как основу для последующего включения ненуклмшых степеней свободы и связанных с ними трехчастичных сил.

Известно, что сечение упругого ¿»¿-рассеяния под небольшими углами в области энергий Тр ~ 1 ГэВ хорошо описывается дифракционной моделью Глаубера-Ситенко [12,13], основанной на эйкональном приближении в теории рассеяния и учитывающей однократные и двукратные соударения падающего протона с нуклонами мишени. Однако в большинстве предшествующих работ по дифракционной модели использовалось весьма приближенное описание ////-взаимодействия, что затрудняло оценку точности как исходной модели, так и различных поправок к ней. В частности, в рамках дифракционной модели для /»¿-рассеяния так и не был произведен учет спиновой и изоспиновой структуры ////-амплитуд вместе с О-компонентой волновой функции дейтрона. Вместе с тем, такое обобщение модели необходимо для анализа поляризационных наблюдаемых, чувствительных к тонким деталям взаимодействия и хорошо изученных в последние годы в целом ряде экспериментов, и для установления количественной степени точности дифракционной модели.

В разделе 1.2 описана разработка обобщенной версии дифракционной модели Глаубера, включающей спиновую структуру ^//-амплитуд, О-волну дейтрона и процесс двойной перезарядки (который может быть представлен как следствие изоспиновой структуры полной ////-амплитуды). Произведен детальный вывод явных аналитических формул связи инвариантных N(1- и ////-амплитуд. Конечные формулы для 12 инвариантных //¿-амплитуд имеют вид:

А&) = А{;\4) + | ¿У (2Я«> (ч, Ч') - ч')) + п~р, (1)

где ] = 1,12 и л *-> р означает замену протонных индексов на нейтронные и наоборот. Амплитуды однократного рассеяния (А1^), а также подынтегральные выражения для амплитуд двукратного рассеяния и перезарядки и — соответственно), явно выражаются через инвариантные ////-амплитуды (6 для рр- и б для пр-рассеяния) и различные мультипольные составляющие формфактора дейтрона. Наблюдаемые величины (дифференциальное сечение, анализирующие способности и др.) представляют собой билинейные комбинации инвариантных //¿-амплитуд.

Важным элементом обобщенной дифракционной модели является также

8

использование точных эмпирических МЛ'-амплитуд и современных дейтрон-ных волновых функций в качестве "входных данных". Раздел 1.3 посвящен параметризации спиральных Л'Л'-амшштуд и дейтронных волновых функций. Спиральные /VTV-амплитуды (связанные с инвариантными амплитудами простыми линейными соотношениями) строятся на основе современных данных фазового анализа упругого ЛТУ-рассеяния и затем параметризуются в гауссовом виде. Для дейтронных волновых функций также получено удобное представление в виде суммы гауссоид. В расчетах используются две альтернативные модели волновой функции дейтрона — CD-Bonn и дибарионная модель.

Далее, в разделе 1.4 проводится исследование точности и пределов применимости обобщенной дифракционной модели в широком интервале энергий. Выполнены расчеты дифференциальных сечений и поляризационных наблюдаемых (протонных и дейтронных анализирующих способностей) pd-pac-сеяния при энергиях Тр = 250, 440 и 1000 МэВ. Также проведено сравнение полученных результатов с точными трехчастичными расчетами на основе решения уравнений Фаддеева (в той области энергий, где такое сравнение возможно) и имеющимися экспериментальными данными. При этом установлено очень хорошее согласие предсказаний обобщенной дифракционной модели с экспериментальными данными как для сечений, так и для векторных и тензорных анализирующих способностей в области переданных импульсов2 —t = q2 < 0.35 ГэВ2, причем двукратное рассеяние играет очень важную роль. В итоге сравнения с точным решением уравнений Фаддеева установлено, что результаты, полученные на основе обобщенной дифракционной модели, согласуются с предсказаниями точной трехчастичной теории для поляризационных наблюдаемых в той же области переданных импульсов -t < 0.35 ГэВ2 — см. Рис. 1. Вне этой области приближенное и точное описание анализирующих способностей не согласуются друг с другом, но и точная теория уже не описывает экспериментальные данные. И если расхождение дифракционной модели с экспериментом при больших переданных импульсах можно объяснить приближениями, заложенными в основу этой модели, то расхождение точных расчетов в данными свидетельствует о каких-то неучтенных механизмах. Естественно предположить, что в этой области проявляются ненуклон-ные степени свободы и связанные с ними трехчастичные силы.

1 В диссертации для записи импульсов и часе частиц используются энергетические единицы (с = 1).

-t, ГэВ2 -t, ГэВ2

Рис. I. Дифференциальное сечение (а) и протонная анализирующая способность (б) в упругом pd-рассеянии при энергии падающего протона Тр = 250 МэВ. Кривые: сплошные — предсказания обобщенной дифракционной модели (с дейтротюй волновой функцией CD-Bonn), точечные — вклад однократного рассеяния, штриховые — результаты расчетов по уравнениям Фаддеева с AW-потенциалом CD-Bonn. Точки — экспериментальные данные (RCNP, 2002).

Важно отметить, что значение квадрата переданного импульса |f| ~ 0.35 ГэВ2 в двукратном рассеянии соответствует передаче импульса в каждом однократном AW-соударении q « 300 МэВ. При больших передачах импульса существенный вклад в упругое /»¿-рассеяние должны давать процессы неупругого AW-рассеяния, в которых большую роль играет возбуждение бариоиных (а, возможно, и дибарионных) резонансов.

Раздел 1.5 посвящен качествешюму рассмотрению проявлений ненук-лонных степеней свободы в упругом //¿-рассеянии под большими углами и его связи с неупругим ^//-рассеянием. Основным процессом неупругого .////-рассеяния является рождение пионов. Известно, что в процессе NN —> dn, начиная практически от порога, очень важную роль играет механизм возбуждения нуклонной изобары Д(1232). При включении такого механизма в Nd-рассеяние возникает трехчастичная сила (предложенная еще в 1957 г.), представляющая собой 2я-обмен между нуклонами с рождением промежуточной Д-изобары. Однако попытки описания //¿-рассеяния с учетом этой трехча-стичной силы, в том числе, в рамках полного фадцеевского формализма с последовательным учетом Д-изобары, привели лишь к частичному улучшению согласия с экспериментальными данными. В связи с этим можно предположить, что в //¿-рассеянии все еще не учитывается какой-то важный коротко-

действующий механизм.

В качестве такого недостающего механизма в диисертации предлагается рассмотреть рождение промежуточных дибарионных резонансов в ////-системе. Согласно дибарионной модели ядерных сил [10], учет промежуточных дибарионов приводит к возникновению новой трехчастичной силы, обусловленной мезонным обменом между нуклоном и дибарионом. Сочетание трехчастичной силы такого типа с однонуклонным обменом в начальном (или конечном) состоянии (см. Рис. 2) может дать существенный вклад в //¿-рассеяние под большими ушами. При этом возможно дополнительное усиление за счет образования возбужденных дибарионов (резонансов Б*) в промежуточном состоянии.

Д Б*

N 1 ! л. о.

» лг :

►-О-

Рис. 2. Новый механизм упругого ЛУ-рассеяния, возникающий в дибарионной модели №/-сил и включающий дибарионнуго компоненту (О) дейтронной волновой функции.

Предложенный новый механизм, так же, как и стандартный механизм, включающий возбуждение промежуточной Д-изобары, содержит в качестве подпроцесса неупругое ////-рассеяние с рождением мезонов. Поэтому перед тем, как включать такой механизм в расчеты ЛИ-рассеяния, целесообразно провести исследование относительной роли промежуточных барионных и дибарионных резонансов в более простой реакции NN —> с1л.

Во второй главе рассматриваются вклады барионных и дибарионных резонансов в сечение реакции однопионного рождения NN йл. Эта реакция сопровождается довольно большими переданными импульсами д > 360 МэВ, поэтому даже в полных сечениях должны проявляться короткодействующие механизмы. В действительности, исследованиям реакции NN —» ¿л было посвящено очень большое число как экспериментальных, так и теоретических работ, начиная с 1950-х гг. Эта реакция рассматривалась в рамках феноменологических моделей, с помощью метода связанных каналов, а также на основе уравнений Фаддеева для системы лNN с учетом Д-изобары. При этом уже давно было установлено, что основные черты этого процесса могут быть

объяснены возбуждением промежуточной системы NA. Однако ряд более чувствительных поляризационных характеристик не удается описать на основе традиционных мезон-обменных моделей, в том числе, в рамках последовательного фаддеевского подхода.

С другой стороны, вблизи порога возбуждения системы NA имеются многочисленные указания на существование целой серии изовекторных диба-рионных резонансов '£>2(2150), 3F3(2240), 'G4(2430) и т. д. [6], которые могут проявляться и в реакции NN —> dn, Предыдущие попытки учета изовекторных дибарионов в данной реакции заключались в ad hoc подгонке параметров нескольких гипотетических резонансов под экспериментальные данные. Из такой подгонки было весьма сложно сделать обоснованные выводы, поскольку параметры дибарионов не были согласованы с предсказаниями кварковых моделей или с данными фазового анализа. Поэтому необходимо было провести более последовательный анализ относительных вкладов барионных и дибарионных резонансов в реакции однопионного рождения.

В разделе 2.2 рассматривается традиционное описание реакции рр —> dn* на основе суперпозиции двух базовых механизмов ONE (однонуклонно-го обмена) и NA (возбуждения системы N + А в промежуточном состоянии). Основная проблема в таком описании состоит в выборе параметров короткодействующего обрезания в вершинах kNN и nNA. В настоящее время точные значения этих параметров не установлены, хотя многие авторы сходятся в том, что они должны быть весьма малыми, т.е. А 0.4-0.9 ГэВ (для монополькой формы вершинных функций). В диссертации используется наиболее простая параметризация для мезон-бариоиных вершин, которая следует из основ иерелятивистской квантовой механики в сочетании с принципом минимального релятивизма. Именно, вершинная функция для процесса а —> b + с предполагается зависящей от (релятивистски-инвариантного) модуля относительного импульса в паре частиц be и некоторого параметра обрезания А: Fa-tbc = fipbc. А). Такая параметризация вершин допускает однозначное продолжение в область вне массовой поверхности, т.е. процессы с участием реальных и виртуальных пионов, например, nN —» А —» nN и nd —> NA —> NN, могут быть описаны на единой основе, без привлечения дополнительных свободных параметров. Тогда монопольный параметр А^д может быть найден из описания эмпирических данных по упругому яЛ'-рассеянию и составляет 0.44

ГэВ. Для параметра Лл№у было принято значение 0.7 ГэВ, которое согласуется с результатами расчетов КХД на решетке.

Показано, что сечение реакции рр -> diг+, рассчитанное на основе традиционных механизмов, очень сильно зависит от параметра ЛлЛ-д. При выборе этого параметра га согласия с данными по упругому л^-рассеянию традиционные механизмы дают только 40-50% парциального (!D2P) и полного сечений реакции рр —> dn+. Хотя увеличение параметра AnNA ad hoc позволяет примерно описать абсолютную величину сечений, такое описание уже не является вполне последовательным. Альтернативный путь состоит в учете промежуточных дибарионных резонансов.

В разделе 2.3 рассматривается учет механизма рождения промежуточного дибариона Dn с квантовыми числами I(JP) = 1(2+), массой Мд12 2150 МэВ и шириной Гд12 -110 МэВ в основной парциальной волне реакции 'D2P. Соответствующие парциальные амплитуда и сечение имеют вид

где 5 — квадрат инвариантной энергии системы, ряд — абсолютные величины импульсов протона и дейтрона в с.ц.и., соответственно. Параметры резонанса ■£>12(2150) не подгонялись под наблюдаемые процесса рр —» dк+, а были выбраны из независимых источников (в основном, из данных фазового анализа упругого рр- и 7г+¿-рассеяния). В итоге найдено, что учет рождения дибари-онного резонанса £>12(2150) позволяет значительно улучшить описание эмпирических данных для парциального сечения в волне 1П2Р (см. Рис. 3). Для описания полного сечения в широком интервале энергий нужно учесть возбуждение двух изовекторных резонансов: £>12(2150) ('С2) и 2Э~3(2240) (3^з).

В разделе 2.4 проводится анализ вкладов механизма рождения дибариона ©12(2150) в упругое рр- и лЛ^-рассеяние. Результаты расчетов показывают, что вклад дибарионных резонансов в полные сечения упругого рассеяния очень мал (- 2.5%), поэтому их весьма сложно обнаружить в таких процессах.

Таким образом, можно сделать вывод, что в случаях, когда гипотетический дибарионный резонанс лежит вблизи порога возбуждения псевдорезо-нанспой системы типа N + И* и имеет примерно такую же ширину, вклад ¿■-канального резонансного механизма может быть довольно хорошо описан

A('D2P) =

Тр, МэВ 400 500 600 700 800

о

' ■ • .......Г Г 7- ,- - I -

2.10 2.15 2.20 2.25

2.05

■Л ГзВ

Рис. 3. Сечение реакции рр -> drr* в парциальной волне 'Z)2P. Кривые: штрих-пунктирная — суммарный вклад механизмов однонуклонтгого обмена и возбуждения промежуточной Д-изобары, штриховая — вклад механизма рождения промежуточного дибариона Ю|2(2150), сплошная — полный расчет с учетом трех указанных механизмов. Точки — данные парци-ально-волнового анализа (SAID, решение С500).

Г-канальным псевдорезонансным механизмом. При этом требуется подгонка параметров короткодействующего обрезания в мезон-барионных вершинах под конкретный процесс, что неизбежно приводит к нарушению согласованности в описании различных процессов с участием одних и тех же механизмов. Тем не менее, поскольку истинные параметры обрезания в вершинах пока еще плохо известны, сделать однозначные выводы в такой ситуации весьма сложно. Поэтому важно найти такие реакции, в которых дибариоиные резонансы проявляются более четко и не могут быть "замаскированы" стандартными мезон-обменными механизмами, даже при подгонке параметров.

В третьей главе исследуется возбуждение дибарионных резонансов в реакциях двухпиокнош рождения. Такие реакции сопровождаются еще большими переданными импульсами q > 500 МэВ и затрагивают, в основном, область очень малых межнуклонных расстояний. Особый интерес представляет чисто изоскалярный процесс рп —> ¿/(ятг)о, поскольку только в нем наблюдается загадочный АВС-эффект [14] — ярко выраженное околопороговое усиление в спектре инвариантных масс 2тг-системы. Общепринятым механизмом реакций двухпионного рождения долгое время считался так называемый

Г-капальный Д-А механизм, основанный на образовании двух А-изобар посредством мезонного обмена с их последующим распадом по каналу Ы+л. Однако недавние эксклюзивные эксперименты [7], выполненные в условиях полной 4л--геометрии и с очень высокой статистикой, показали, что Г-канальный А-Д механизм не дает не только количественного, но и качестветюго описания данных. В то же время, в этих экспериментах был обнаружен сигнал рождения в ря-соударении дибарионного резонанса £)оз с квантовыми числами /(/р) = 0(3+), массой Мя03 ^ 2380 МэВ и шириной ГСю - 70 МэВ, причем была установлена связь АВС-эффекта с распадом этого резонанса [7]. Однако сам механизм распада дибариона £>оз, приводящий к АБС-усилению, оставался неясным.

В разделе 3.2 предлагается новая модель реакции рп —> с!(лл){) при энергиях Тр = 1-1.3 ГэВ, учитывающая две моды распада резонанса £>оз(2380) по каналу (1 + лл: (() излучение ¿г-мезона (в ¿-волне по отношению к бд-остову) с его последующим распадом на два пиона; (¿г) последовательное излучение двух р-волновых пионов через промежуточный изовекгорный дибарион £>12(2150). С формальной точки зрения, предложенные механизмы распада £>оз полностью аналогичны двум модам распада Роперовского резонанса по каналу N + лл: А'*(1440) N + (лл-)™е(о-) и N'(1440) -> Д + л. В действительности, в дибарионной модели резонансы £>12(2150) и £)пз(2380) можно рассматривать как возбужденные состояния дибарионной компоненты дейтрона £>01(1876), по аналогии с возбужденными состояниями нуклона.

Диаграммы, иллюстрирующие два соответствующих механизма реакции рп —» й(лл)о, изображены на Рис. 4 (а) и (б). Полная амплитуда процесса в рамках рассматриваемой модели вычисляется по формуле

?>->ою(р)

М =

'7Ъю->1?о-(Ф'7Гсг->лл(Ю

- т\ + 1М„пТа(Мпп)

+

--------------г Л"! «-> Л2

• (3)

[М1 - М1п + ¿м^г^м^)

Элементарные амплитуды !ГХр) представляют собой произведения F(^>)G(p), где формфактор Р(р) связан с парциальной ширмой распада соотношением Га->ьс(р) = р№(р)12/8л-М^с, а для вычисления угловой части Б(р) был использован нерелятивистский тензорный формализм. Распределение по инвариант-

ной массе двух пионов М^ находится по формуле

¿а _ 1

~ (4л)5рЕ2 4

Чкс1С1ас1ак\М{<1 к)|2,

где черта сверху обозначает усреднение по начальным и суммирование по

конечным спиновым состояниям.

К

Рис. 4. Диаграммы двух резонансных механизмов реакции рп —> /1 + (лтг)о в области энергий Т,, = 1-1.3 ГэВ. Импульсы в с.ц.и. двух частиц показаны между соответствующими линиями.

В разделе 3.3 приводятся результаты расчетов в рамках предложенной модели для дифференциальных распределений по инвариантным массам МЖК и при энергии -ф = 2.38 ГэВ, где полное сечение близко к максимуму (см. Рис. 5 (а) и (б), соответственно), а также для ряда угловых и энергетических распределений в реакции рп —» Найдено очень хорошее согласие теоретических расчетов с экспериментальными данными. Анализ отдельных вкладов двух механизмов распада резонанса £>оз, т-е- через промежуточный сг-мезон (а) и Юи-дибарион (б), показывает, что каждый из этих механизмов дает явное резонансное усиление в соответствующем спектре инвариантных масс. Так, механизм (а), хотя и имеет весьма малую вероятность в сравнении с механизмом (б), дает заметное околопороговое усиление (АВС-эффект) в М^-спектре. Конструктивная интерференция между процессами (а) и (б) приводит к дополнительному усилению АВС-пика и дает его наблюдаемую величину. Предложенная модель дает хорошее описание АВС-пика в интервале энергий лД = 2.34-2.44 ГэВ, одиако при приближении к ДД-порогу ( V? = 2.46 ГэВ) растет вклад фоновых процессов, в основном, Г-канального ДД-механизма.

В разделе 3.4 кратко рассматривается связь полученных результатов с фундаментальным явлением восстановления (приближенной) киральной симметрии КХД. Масса и ширина <т-мезона, необходимые для описания АВС-пика, должны быть весьма малыми: /Пд- 300 МэВ, Г^ - 100 МэВ. Однако в

(а)

(б)

CQ

(б)

i

y V

^ 0.5 О

6 0.5

О

0.3 0.4 0.5

2 2.1 2.2

Рис. 5. Спектры инвариантных масс двух пионов (а), а также пиона и дейтрона (б), подученные в реакции рп d + я°я° при энергии y/s = 2.38 ГэВ. Кривые: штриховые — вклад механизма рождения промежуточного сг-мезона, штрих-пунктирные — вклад механизма образования промежуточного изовекторного дибариона 2312, сплошные — полный расчет. Затененные области соответствуют фазовому объему, нормированному на полное сечение. Точки — экспериментальные данные (WASA@COSY, 2011, 2013).

свободном отт-рассеянии сг-мезон проявляется как очень широкий резонанс с параметрами т„ ~ Г„ - 500 МэВ. В действительности, скалярный сг-мезон — самый легкий резонанс в КХД с квантовыми числами вакуума — имеет весьма сложную структуру и необычные свойства. В частности, как было показано в ряде работ, уменьшение массы и ширины сг-мезона может служить индикатором частичного восстановления киральной симметрии, которое предсказывается в изолированных сильно возбужденных адронах, а также в ядерной материи высокой плотности и/или температуры. Поскольку дибарион Ю03 является очень плотным объектом, и, кроме того, имеет энергию возбуждения Е' - 500 МэВ, естественно предположить, что в дибарионе также должно происходить частичное восстановление киральной симметрии. В этом случае, сг-мезон, испускаемый дибарионом, будет иметь меньшую массу и ширину в сравнении со свободным сг-мезоном (рождающимся в лтг-рассеянии). Именно это показывает эксперимент в области АВС-пика. Согласно дибарионной модели ядерных сил, восстановление киральной симметрии играет ключевую роль в ////-взаимодействии на коротких расстояниях [15]. В рамках предложенной интерпретации АВС-эффект можно рассматривать как первое экспериментальное подтверждение этого предсказания.

В разделе 3.5 обсуждаются возможные проявления изовекторных диба-

рионов в реакциях 2л-рождеиия в рр-соударениях. В частности, предложена альтернативная модель реакции рр —> рря°л° в терминах промежуточных дибарионов. Показано, что такая модель приводит к качественно лучшему согласию с экспериментальными данными для полного сечения данной реакции, чем традиционная модель, учитывающая возбуждение псевдорезонаисов типа N + N' в промежуточном состоянии. Наконец, в разделе 3.6 приводятся сведения о спектроскопии дибарионов, обсуждается их возможная кварковая структура и влияние этой структуры на вероятность распада дибарионов с двухпионной эмиссией.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы. Основной вывод работы состоит в том, что учет рождения промежуточных дибарионных резонансов позволяет согласованно описать широкий круг процессов, сопровождающихся большими передачами импульса и не имеющих удовлетворительного объяснения в рамках традиционных мезон-обменных моделей. В частности, в диссертации получено согласованное описание реакций одно- и двухпионного рождения в AW-соударениях в терминах промежуточных дибарионов. На основании полученных результатов можно предположить, что дибарионные резонансы — это не только "мульти-кварковая экзотика", но и проявление фундаментальных свойств непертурба-тивной КХД, которые определяют взаимодействие нуклонов на малых расстояниях и короткодействующие корреляции в ядрах. Количественная проверка этой гипотезы требует дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.

Список основных публикаций

1. Platonova M. N., Kukulin V. I. Refined Glauber model versus Faddeev calculations and experimental data for pd spin observables // Phys. Rev. C. 2010. Vol. 81. P. 014004.

2. Платонова M. H., Кукулин В. И. Описание спин-зависящих наблюдаемых в упругом р^-рассеянии на основе обобщенной дифракционной модели // Ядерная физика. 2010. Т. 73, № 1. С. 90-110.

3. Платонова M. Н. Развитие обобщенной дифракционной модели для упругого р¿/-рассеяния при промежуточных энергиях // Изв. РАН. Сер. физ.

2010. Т. 74, № 11. С. 1650-1656.

4. Кукулин В. И., Платонова М. Н. О возможности восстановления пп и пр спиральных амплитуд на основе р + d и it + d данных рассеяния при промежуточных энергиях. // Изв. РАН. Сер. физ. 2011. Т. 75, № 4. С. 551-555.

5. Platonova М. N., Kukulin V. I. Quark degrees of freedom in the deuteron and their testing in nucleon-deuteron scattering // J. Phys.: Conf. Ser. 2012. Vol. 381. P. 012110.

6. Platonova M. N., Kukulin V. I. ABC effect as a signal of chiral symmetry restoration in hadronic collisions // Phys. Rev. C. 2013. Vol. 87, no. 2. P. 025202.

7. Кукулин В. И., Платонова М. Н. Короткодействующие компоненты ядерных сил: эксперимент против мифологии // Ядерная физика. 2013. Т. 76, № 12. С. 1549-1565.

8. Platonova М. N. New interpretation of the ABC effect in two-pion production in NN collisions // Few-Body Syst. 2014. Vol. 55. P. 791-794.

9. Kukulin V. I., Platonova M. N. Chiral symmetry restoration in cr-meson production in hadronic processes // EPJ Web Conf. 2014. Vol. 73. P. 05005.

10. Платонова M. H. Обобщенная дифракционная модель для спиновых наблюдаемых в упругом р + d рассеянии // Сборник тезисов LIX Международного совещания по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра, Чебоксары, 2009. Санкт-Петербург: СпбГУ, 2009. С. 208.

11. Platonova М. N. Quark degrees of freedom in the deuteron and their testing in nucleon-deuteron scattering // Book of abstracts of the Rutherford Centennial Conference on Nuclear Physics, Manchester, UK, 2011. Bristol: IOP Publishing, 2011. P. 55.

12. Platonova M. N., Kukulin V. I. Manifestation of quark degrees of freedom in backward pd scattering // Book of Abstracts of LXII International Conference "NUCLEUS 2012", Voronezh, 2012. St. Petersburg: SPbGU, 2012. P. 179.

Цитированная литература

1. Dyson F. J., Xuong N.-H. Y = 2 states in SU(6) theory // Phys. Rev. Lett. 1964. Vol. 13. P. 815-817.

2. Mulders P. J. G., Aerts А. Т. M., de Swart J. J. Negative parity, NN resonances and extraneous states // Phys. Rev. Lett. 1978. Vol. 40. P. 1543.

3. Matveev V. A., Sorba P. Quark analysis of multi-baryonic systems // Nuovo Cim. 1978. Vol. A45. P. 257-279.

4. Fil'kov L. V., Kashevarov V. L., Konobeevski E. S. et al. Search for supemar-row dibaryons in pd interaction // Phys. Rev. C. 2000. Vol. 61. P. 044004.

5. Khrykin A. S., Boreiko V. F., Budyashov Yu. G. et al. Search for AW-decoupled dibaryons using the process pp yyX below the pion production threshold // Phys. Rev. C. 2001. Vol. 64. P. 034002.

6. Макаров M. M. Дибарионные резонансы // УФН. 1982. Т. 136. С. 185-214.

7. Adlarson P. et al. ABC effect in basic double-pionic fusion — observation of a new resonance? // Phys. Rev. Lett. 2011. Vol. 106. P. 242302.

8. Adlarson P. et al. Evidence for a new resonance from polarized neutron-proton scattering // Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 112. P. 202311.

9. Gal A., Garcilazo H. Three-body model calculations of NA and АД dibaryon resonances // Nucl. Phys. 2014. Vol. Л928. P. 73-88.

10. Faessler A., Kukulin V. I., Obukhovsky I. Т., Pomerantsev V. N. The new mechanism for intermediate-range and short-range nucleon-nucleon interaction // J. Phys. G. 2001. Vol. 27. P. 1851-1868.

11. Kukulin V. I., Obukhovsky I. Т., Pomerantsev V. N., Faessler A. Two-component dressed-bag model for NN interaction: Deuteron structure and phase shifts up to 1 GeV // Int. J. Mod. Phys. 2002. Vol. Ell. P. 1-33.

12. Glauber R. J. Cross sections in deuterium at high energies // Phys. Rev. 1955. Vol. 100. P. 242-248.

13. Ситенко А. Г. К теории ядерных реакций с участием сложных частиц // УФЖ. 1959. Т. 4. С. 152-163.

14. Abashian A., Booth N. Е., Crowe К. М. Possible anomaly in meson production in p + d collisions // Phys. Rev. Lett. 1960. Vol. 5. P. 258-260.

15. Kukulin V. I., Grabmayr P., Faessler A. et al. Experimental and theoretical evidences for an intermediate ir-dressed dibaryon in the NN interaction // Ann. Phys. 2010. Vol.325. P. 1173-1189.

Подписано в печать:

25.02.2015

Заказ № 10571 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 \vvvw. аиЮгсГега!. ги