Рождение хиггсовских бозонов и распады лептонов и кварков в сильных полях и в среде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

лн

Левченко Кирилл Геннадиевич

РОЖДЕНИЕ ХИГГСОВСКИХ БОЗОНОВ И РАСПАДЫ ЛЕПТОНОВ И КВАРКОВ В СИЛЬНЫХ ПОЛЯХ И В СРЕДЕ

Специальность 01.04.02 — теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре теоретической физики физическ го факультета Московского Государственного Университета име М.В.Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук

профессор В.Ч.Жуковский доктор физико-математических наук профессор П.А.Эминов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор Р.Н.Фаустов кандидат физико-математических наук доцент Б.В.Магницкий

Ведущая организация: МПГУ им. В.И.Ленина

Защита состоится " [лл/оМ-Зп. 1998 г. в ИЬ .00час, на за дании диссертационного Совета К 053.05.18 при Московском Госуд< ственном Университете им. М.В.Ломоносова (г. Москва, Ленина горы, физический факультет, ауд. ^^ -)•

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан " лл^и^ 1998г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета К 053.05.18 д.ф.-м.н.

п.А. Поля]

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важных задач современной шки является изучение квантовых процессов во внешних класси-ких полях. Интерес к таким исследованиям в немалой степени об-овлен развитием ускорительной техники и появлением пучков ча-ц сверхвысоких энергий, а также получением интенсивных электролитных полей в лабораторных условиях. Принципиальное значение I проверки Стандартной модели и в связи с возможными астрофи-ескими приложениями имеет развитие теории в область больших [ряженностей внешнего поля и малых расстояний, а также исследо-ие квантовых процессов высших порядков, происходящих во внеш-[ поле. Важная роль при разработке этих и некоторых других во-«ов современной физики высоких энергий придается изучению ха-:терных поляризационных эффектов, учет которых резко повышает [юрмативность процессов взаимодействия элементарных частиц. В последнее время особую актуальность приобрело развитие те-[и квантовых процессов, связанных с конечными температурой и >тностыо среды с учетом влияния внешних полей. С точки зрения зических приложений сюда в первую очередь относятся явления, со-шождающие распространение фермионов и фотонов в среде, осцил-щи намагниченности электрон-позитронного газа, фазовые перехо-в моделях взаимодействия элементарных частиц на ранних стадиях люции Вселенной.

Нелинейные квантовые эффекты в горячей и плотной среде про-гяются в полях значительно более слабых, чем в вакууме, а их из-:ние представляет собой одну из фундаментальных и мало иссле-анных задач современной физики. Однако, расчет конкретных финских эффектов даже в случае равновесной бесстолкновительной

плазмы в присутствии относительно сильного магнитного поля ( начат лишь в последние годы и потребовал разработки новых мето исследования квантовых процессов при наличии внешних услови! связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости, дроб го эффекта Холла, а также для моделирования других физичес явлений в тонких пленках, появилась необходимость и в исследова: трехмерных теорий поля с внешним магнитным полем при конеч] температуре и плотности среды. Методы статистический КЭД с тенсивным внешним полем находят широкое применение в адрон физике при изучении природы фазового перехода адроны —> ква глюонная плазма (КГП), образование которой ожидается в эксш ментах по столкновению тяжелых ядер. Теоретическое исследова вопросов, связанных с КГП, неразрывно связано со структурой куумного состояния КХД, которая в настоящее время остается н< вестной. Поэтому представляется актуальным исследование спек кварковых и глюонных возбуждений в КГП с учетом непертурбат ной структуры вакуума КХД. При этом целесообразно рассмотре моделей вакуума, допускающих решение возникающих задач в ана тическом виде.

Целью диссертационного исследования является примене теории радиационных эффектов в горячей и плотной среде в прш ствии внешнего калибровочного поля для исследования процессов ] пространения и взаимодействия фермионов и бозонов в Стандарт модели элементарных частиц, а также в ее возможных обобщения:

Научная новизна. В диссертационной работе вычислена в( ятность процесса ассоциативного рождения хиггсовского бозон 2Т-бозоном заряженным лептоном в постоянном скрещенном поле

з плоской волны. Рассмотрен процесс рождения виртуальным по-азованным фотоном массивной нейтринно-антинейтринной пары вдели Вайнберга-Салама (ВС) со смешиванием лептонов, изуче-как случай аннигиляции фотона в нейтринную пару, так и слу-рассеяния на внешнем поле. Теория радиационных эффектов в [чей и плотной среде в присутствии внешнего калибровочного по-¡первые использована для вычисления вероятности радиационного гада массивного нейтрино в замагниченном электрон-позитронном . Исследован радиационный сдвиг массы кварка в постоянном хро-агнитном поле при конечных температуре и плотности в случаях юго и сильного хромомагнитного поля.

Яаучная и практическая ценность работы. Полученные в дис-■ации результаты могут представлять интерес как с точки зрения юобразных физических приложений (экспериментальное обнару-ие скалярных хиггсовских бозонов, исследование энергетических ;рь нейтронных звезд), так и в принципиальном отношении (общие юсы, связанные с влиянием внешнего поля и среды на радиацион-эффекты в калибровочных теориях).

Результаты могут быть использованы в НИИЯФ МГУ, ИЯИ, ЛТФ Д, ФИРАН, ИТЭФ, МПГУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертации доклады-лсъ на научных конференциях ОЯФ РАН "Фундаментальные взаи-ействия элементарных частиц" /Москва 1995 г./, на конференциях моносовские чтения" /Москва, 1997, 1998 г./, обсуждались на се-арах физического факультета МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, список

приведен в конце автореферата.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, тырех глав основного текста, заключения и списка цитируемой . тературы.Общий объем диссертации составляет 105 страниц текс набранного в издательской системе M?gX.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются основные идеи метода точных шений релятивистских волновых уравнений и его использование в к тине Фарри для постановки и решения задач в рамках электросла( модели ВС и квантовой хромодинамики.

В главе 1 рассмотрен процесс ассоциативного рождения хиггс ских бозонов с .Z-бозонами заряженным лептоном в поле плоа электромагнитной волны произвольной интенсивности и в постояне скрещенном поле. Исследовано поведение сечения процесса как фу: ции энергии частиц и напряженности внешних полей при различн значениях массы хиггсовского бозона.

В параграфе 1 проводится краткий обзор рассматриваемой проб мы и обсуждается важность изучения процесса в интенсивных внепи полях.

Во втором параграфе получено выражение для вероятности проп cae-» e+Z+H в поле плоской электромагнитной волны произволы интенсивности.

Третий параграф посвящен вычислению вероятности проце

е —> е + Z + Н в постоянном скрещенном поле. Результаты этого

раграфа при ультрарелятивистских энергиях электрона и в отно

2

тельно слабых полях (Е, Н <§: Щ = Щ- ~ 4,41 • 1013 Гс) примени для описания процесса и в произвольном постоянном поле.

В четвертом параграфе в некоторых предельных случаях найде-асимптотические формулы для вероятности процесса в постоян-1 скрещенном поле и для сечения процесса в поле плоской элек-1магнитной волны в области применимости теории возмущений по >аметру интенсивности волны.

Глава 2 посвящена рассмотрению процесса рождения виртуаль-м: фотоном нейтринно-антинейтринной пары во внешнем магнитном ге. Изучены поляризационные свойства процесса. Получены асим->тические выражения для вероятности в случаях различной вирту-.ности фотона. Исследован как аннигиляционный канал (к2 > 0), : и канал рассеяния (к2 < 0).

В параграфе 1 проводится обзор различных расширений модели ВС зодится минимальная схема с массивными нейтрино и смешиванием ептонном секторе. Обсуждаются возможные последствия введения эоршо массивного нейтрино.

В параграфе 2 приведены лагранжианы взаимодействия и соответ-ующие диаграммы Фейнмана.

В параграфе 3 приведено точное по полю выражение для матрич-о элемента процесса. Вводятся явные выражения для векторов по-шзации виртуального фотона. Проведено разложение амплитуды цесса по относительно слабому (меньше критического) внешнему [ю. Полученное выражение регуляризуется для устранения расхо-юстей, связанных с использованием контактного приближения и образуется для записи в окончательном виде через интегралы от ткций Эйри.

В параграфе 4 проведено разделение амплитуды процесса на части, гветствующие определенным состояниям поляризации виртуально-¡эотона. Для каждой поляризации фотона рассчитаны квадраты ма-

тричных элементов.

В параграфе 5 вычислена дифференциальная и полная шири распада виртуального фотона на нейтринно-антинейтринныу пару.

В параграфе 6 исследованы асимптотики аннигиляционного ка! л а и канала рассеяния в предположении сильной |А;2| т\ и слаб \к2\ «С Шц виртуальности фотона. Обсуждается возможность приь нения результата для оценки энергетических потерь светимости ш тронных звезд за счет рождения нейтринных пар.

В главе 3 теория радиационных эффектов в горячей и плотн среде в присутствии внешнего калибровочного поля впервые иcпoJ зуется для исследования радиационного распада массивного нейтри щ —»1/у + 7 в замагниченном электрон-позитронном газе.

В параграфе 1 приводится краткий библиографический обзор п] блемы распадов свободного нейтрино и нейтрино в среде.

В параграфе 2 исследован вклад эффектов конечной плотносп амплитуду распада массивного нейтрино в сверхсильном магнитн поле. Получено точное по взаимодействию с внешним полем вырал ние для дифференциальной вероятности процесса.

В параграфе 3 рассмотрены распады нерелятивистского и ре.) тивистского дираковского нейтрино в нерелятивистском электронн газе. Показано, что в сверхсильном магнитном поле имеет место < щественное увеличение скорости распада по сравнению со свободн] процессом в среде.

В главе 4 вычислен вклад обменного взаимодействия в рад: ционный сдвиг массы кварка в кварк-глюонной плазме в постов ном хромомагнитном поле Матиняна-Саввиди, моделирующем ваз умный глюонный конденсат. Дано обобщение результатов на слу*

эмионов с изотопическим спином 1 в теории с калибровочной груп-I 5С/(2).

В параграфе 1 дается краткий обзор работ, посвященных вопросам троения устойчивого вакуума КХД и ожидаемого существования 1рк-глюонной плазмы.

В параграфе 2 обсуждается постановка задачи, приводятся лагран-ан КХД и уравнения движения для кварков и глюонов. В параграфе 3 на основе метода реального времени вычислен од-[етлевой вклад эффектов конечной температуры и плотности в ту ть сдвига энергии основного состояния кварка, которая обусловле-его взаимодействием с другими кварками и физически соответству-жладу обменного взаимодействия в закон дисперсии. Наряду с КХД смотрен также случай фермионов с изотопическим спином 1 в тео-[ с калибровочной группой 317(2).

В параграфе 4 получены асимптотические представления для сдви->нергии кварка при нулевой температуре в предельных случаях как осительно сильного, так и относительно слабого хромомагнитно-поля. Показано, что вклад эффектов конечной плотности в сдвиг :сы кварка в случае сильного поля не содержит мнимой части, а реальная часть может значительно превосходить соответствующую ть чисто полевого вклада.

В параграфе 5 проводится обсуждение и интерпретация получен-с результатов.

В заключении сформулированы основные результаты, получен; в диссертации.

НОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

.. Получена вероятность процесса ассоциативного рождения хигг-совского бозона с ^-бозоном заряженным лептоном в постоянном

скрещенном поле.

2. Исследовано поведение сечения процесса е + 7 —» е + + как функции энергии частиц и напряженности внешних по.) при различных значениях массы хиггсовского бозона. Пока но, что в области сверхвысоких энергий сечение указанного < топроцесса может существенно превосходить сечение реак1 е+ + е~ —> Z + Н, рассматриваемой на сегодняшний день I наиболее вероятный канал рождения хиггсовских бозонов.

3. Получена точная по взаимодействию с внешним магнитным лем амплитуда процесса рождения виртуальным поляризов ным фотоном массивной нейтринно-антинейтринной пары в : дели ВС со смешиванием лептонов.

4. При напряженностях магнитного поля, меньших критическ найдена вероятность рождения нейтринной пары фотонами р личной поляризации. Получены асимптотики вероятности предположении сильной и слабой виртуальности фотона.

5. Вычислена вероятность радиационного распада массивного раковского нейтрино щ —» ^ + 7 в замагниченном электр< позитронном газе. Показано, что в сверхсильном магнитном п имеет место существенное увеличение скорости распада по ср нению со свободным процессом в среде.

6. Исследован радиационный сдвиг массы кварка в постоянном я момагнитном поле при конечных температуре и плотности.

7. Показано, что вклад эффектов конечной плотности в сдвиг м сы кварка в случае сильного поля не содержит мнимой чах а его реальная часть может значительно превосходить соот! ствующую часть чисто полевого вклада.

ПУБЛИКАЦИИ

'езультаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Жуковский Б.Ч., Левченко К.Г., Шония Т.Л., Эминов П.А. Радиационный сдвиг массы кварка в постоянном хромомагнит-ном поле при конечных температуре и плотности// Вестн.Моск. ун-та. Физ.Астрон. - 1996. - №1. - С.3-9.

Жуковский Б.Ч., Григорук А.Е., Левченко К.Г., Эминов П.А. Распад виртуального фотона на нейтринно-антинейтринную паРУ // Препринт физического факультета МГУ. - 1997.

- №14. - 9 С.

Жуковский Б.Ч., Григорук А.Е., Левченко К.Г., Эминов П.А. Рождение нейтринной пары виртуальным фотоном во внешнем магнитном поле// Вестн.Моск.ун-та. Физ. Астрон. - №5. - 1997.

- С.62-63.

Жуковский Б.Ч., Эминов П.А., Левченко К.Г., Вшивцев В.А. Радиационный распад массивного нейтрино в замагниченном электрон-позитронном газе// Вестн.Моск.ун-та. Физ.Астрон.

- №2. - 1998. - С.64-66.

Eminov Р.А., Zhukovskii K.V., Levtchenko K.G. Associative production of Higgs bosons with Z-bosons by charged leptons in strong external fields// Препринт физического факультета МГУ.

- 1998. - №7. - 18 С.