Теория фоторождения η-мезонов на ядрах в рамках многоконфигурационной барион-дырочной модели тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Введение

1 Стандартная Д - дырочная модель.

1.1 Барионные резонансы и влияние ядерной среды на их свойства.

1.2 Основы А - дырочного подхода.

1.2.1 Система сильно взаимодействующих нуклонов, Д-изобар и пионов.

1.2.2 Когерентное многократное рассеяние и функция Грина в Д -дырочной модели. Учет взаимодействия в конечном состоянии.

1.2.3 Взаимодействие Д - дырочных состояний.

1.2.4 Связь входных Д - дырочных состояний с каналами реакций.

1.2.5 Эффективный Д - ядерный оптический потенциал.

1.2.6 Переход от системы чартйца, т ядро к системе частица - нуклон. Кинематические поправки.

1.3 Фотоядерное взаимодействие в области Д(1232) резонанса.

1.3.1 Фотон-ядерное рассеяние (7,7') в Д - дырочной модели.

1.3.2 Реакция (7,7т0) в области Д(1232) резонанса.

1.4 Выводы к главе 1.

2 Многоконфигурационная барион - дырочная модель.

2.1 Расширение базиса барион - дырочных состояний.

2.2 Расширенный барион - дырочный пропагатор.

2.3 Взаимодействие барион - дырочных состояний и эффект конфигурационного смешивания.

2.4 Выводы к главе 2.

3 Когерентное фоторождение г] - мезонов в области £>13(1520) и 5ц (1535) резонансов в рамках многоконфигурационной барион - дырочной модели.

3.1 Фоторождение г) - мезонов в элементарном процессе на нуклоне в области £>13(1520) и (1535) резонансов. Сравнение теории с экспериментом.

3.2 Краткий обзор теоретических и экспериментальных работ по когерентному фоторождению г/ - мезонов на ядрах.

3.3 Построение резонансной амплитуды процесса

А{7, rj)Ag,s, в рамках расширенной барион - дырочной модели.

3.4 Правила отбора по спину при возбуждении и распаде резонанса 5ц (1535).

3.5 Правила отбора по спину при возбуждении и распаде резонанса Di3(1520).

3.6 "Two-step"механизм как проявление эффекта конфигурационного смешивания между D13(1520)- и 5ц (1535)- дырочными состояниями в реакциях

1ЯС(ъг1)1ЛСя.,.в1Ю(ъг1)1Юа.в.

3.7 Учет полюсной диаграммы обмена векторным мезоном. Полная амплитуда процесса А(7, г})

3.8 Выводы к главе 3.

Ядерная физика промежуточных энергий (до 1 Gev) переживает в настоящее время период бурного развития. Во многом это связано с началом активного систематического экспериментального изучения ядерных процессов в указанной области энергий. Новые поколения ускорителей электронов (MAMI, ELSA) и детекторов создают идеальные условия для проведения самых разнообразных экспериментов по исследованию динамики сильных взаимодействий, изучению свойств возбужденной ядерной материи, поиску экзотических мезон-ядерных состояний, проверке фундаментальных симметрий.

Основной теорией, описывающей процессы происходящие на субну-клонном уровне является квантовая хромодинамика (КХД). Стандартная теория сильных взаимодействий (КХД) достигла заметных успехов, как в систематике возбужденных адронных состояний, так и в описании жестких (с большими передачами импульса) процессов. Однако, попытки описания адронных процессов при низких и промежуточных энергиях сталкиваются со значительными трудностями из-за необходимости учета непертурбативных эффектов, связанных со сложной структурой вакуума КХД.

Период с середины 70-х начала 80-х годов приходится на бурное развитие так называемой А- дырочной (A-h) модели. Успех этой концепции при описании пион- и фотон -ядерного рассеяния, реакций когерентного фоторождения 7г°, реакций перезарядки и т.д. в области А(1232)- резонанса подтверждает исходную гипотезу: А (1232) действительно выживает в ядре, но с характерными модификациями ее массы и ширины. Подтверждение квазичастичной природы А (1232) в ядрах является важным результатом ядерной физики промежуточных энергий. A-h модель позволила описать не только многотельные поправки к распространению А-изобары в целом в ядре, но и дала систематическую основу для описания эффектов влияния ядерной среды на свойства барионных ре-зонансов. Благодаря ей получена согласованная картина ядра вплоть до передач энергий в несколько сот MeV, при этом основными степенями свободы являются А-изобара, нуклоны и пионы.

Переход в более высокую энергетическую область требует включения в рассмотрение следующих за А-изобарой барионных резонансов. В этой области возникают задачи, связанные с фоторождением и рассеянием тяжелых мезонов (rj, .) на ядрах. Особенностью такого рода процессов является то, что они проходят через возбуждение спектра барионных резонансов. В этой связи, существует потребность в микроскопической теории, способной не только описывать процессы, идущие через возбуждение разного сорта субнуклонных степеней свободы ядра, но и естественным образом включающей эффекты, связанные с влиянием ядерной среды на их свойства.

Данная работа - небольшой шаг в области называемой ядерной физикой промежуточных энергий. Наше исследование - попытка дать теоретическое обоснование и понимание экспериментов, которые проводятся или планируются в лабораториях США (TJNAF), Европы (MAMI, ELSA) и Японии (RCNP).

Основная цель работы - построение микроскопической теории, описывающей процессы когерентного фоторождения 77 - мезонов на ядрах в области Х?1з(1520) и 5ц(1535) барионных резонансов.

В основу диссертации для описания ядерных процессов в области барионных резонансов положена многоконфигурационная барион - дырочная модель, разработанная по инициативе и под руководством проф. В.В.Балашова в МГУ им.М.В.Ломоносова в 1998-2000 гг. Данная модель может быть с успехом применена для описания когерентных и некогерентных ядерных реакций с участием мезонов и фотонов на ядрах с J = Т = 0 в области промежуточных энергий. Главным следствием многоконфигурационной барион-дырочной модели является эффект конфигурационного смешивания разного рода барион-дырочных состояний.

На основе многоконфигурационной барион-дырочной модели рассмотрен процесс когерентного фоторождения 77 - мезонов на ядрах 12С и

16 Q в области £>1з(1520)- и 5ц(1535)-барионных резонансов. Дано исследование влияния конфигурационного смешивания на характеристики наблюдаемых на опыте величин.

Полученные результаты свидетельствуют о нетривиальном характере и важности конфигурационного смешивания в когерентном фоторождении 7] - мезонов на ядрах с</ = Т = 0.При этом, конфигурационное смешивание 1>1з(1520)-Ь и 5ц(1535)-Ь состояний оказывается доминирующим резонансным механизмом когерентного фоторождения г] - мезонов на ядрах и проявляет себя в сильном увеличении выхода 7] - мезонов в околопороговой области. Выводы, сделанные относительно эффекта конфигурационного смешивания являются универсальными, и должны быть приняты во внимание в любой теоретической модели описывающей процесс когерентного фоторождения г] - мезонов на ядрах.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

3.8 Выводы к главе 3.

Данная глава, посвящена исследованию когерентного фоторождения г] -мезонов на ядрах в области 5ц(1535)- и £>13 (1520)- барионных резонан-сов в рамках многоконфигурационной барион-дырочной модели. Впервые получено доказательство нетривиального характера обменного взаимодействия между 5ц(1535)-Ь и £>1з(1520)-Ь возбужденными состояниями ядра, приводящего к их конфигурационному смешиванию. Расчеты процессов 12С(у,г))12Сд.3. и 160(гу, г))16Од.8. показывают, что именно, конфигурационное смешивание £>1з(1520)-Ь и 5ц(1535)-Ь состояний является доминирующим резонансным механизмом когерентного фоторождения г] - мезонов, приводящему к сильному увеличению интегральных сечений в околопороговой области.

Проведен теоретический анализ экспериментальных данных по фоторождению г] - мезонов в элементарном процессе на свободном нуклоне.

Установлено, что кроме широкого круга эффектов, влияющих на возбуждение и распад ¿л (1535)- и ¿?1з(1520)- барионных резонансов в ядрах с 3 — Т = 0, существуют правила отбора, связанные со спиновой структурой вершинных функций, отвечающих за их фотовозбуждение и распад по каналу 7] + N.

Заключение

Сформулируем основные результаты и выводы, полученные в диссертации.

1. Впервые для описания процессов когерентного фоторождения г] - мезонов на ядрах в области £>1з(1520) и 5ц(1535) барионных резо-нансов применена микроскопическая многоконфигурационная барион-дырочная модель.

2. Впервые получено доказательство нетривиального характера обменного взаимодействия, приводящего к конфигурационному смешиванию барион-дырочных возбужденных состояний ядра в реакциях когерентного фоторождения г] - мезонов на ядрах. Расчеты процессов 12С(7, г])12Сд.а. и 160(у, г])16Од,8. показывают, что именно конфигурационное смешивание £?1з(1520)-Ь и 5,ц(1535)-Ь состояний является доминирующим резонансным механизмом когерентного фоторождения г) - мезонов, приводящему к сильному увеличению интегральных сечений в околопороговой области.

3. Проведен теоретический анализ экспериментальных данных по фоторождению г} - мезонов в элементарном процессе на протоне р(7, г])р и нейтроне п(7, г])п. Хорошее согласие с экспериментом свидетельствует о правильном выборе основных параметров модели, описывающих свойства как барионных резонансов, так и прямых фоновых процессов.

4. Установлено, что кроме широкого круга эффектов, влияющих на возбуждение и распад £>11(1535)- и (1520)- барионных резонансов в ядрах с 3 = Т = 0, существуют правила отбора, связанные со спиновой структурой вершинных функций. Разная структура основного состояния ядер сильно влияет на свойства 5ц(1535)- и £>1з(1520)- субнуклонных степеней свободы ядра. При этом 5ц(1535)- резонансные возбуждения ядра, разрешенные в ядрах типа 12С( в приближении 33 - связи оболочка 1р| заполнена, а 1 свободна), запрещены в ядрах 4 .Не,16 О,40 С а с полностью заполненными оболочками.

5. Получены вершинные функции (операторы взаимодействия) отвечающие за фотовозбуждение и распад по каналу 77 + N барионных резонансов 5ц(1535) и £>1з(1520). При этом наличие тензорного взаимодействия в фотонной вершинной функции приводит к доминирующей роли £>1з(1520)- резонанса в канале его резонансного фотовозбуждения.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору В.В.Балашову за постановку задачи, постоянное внимание и неоценимую поддержку на всем протяжении работы. Автор также искренне признателен участникам научной группы, в которой была выполнена данная работа, В.К.Долинову и A.B.Бибикову. Без их участия данная работа не состоялась бы.

1. Каскулов М.М., "Возбуждение барионных резонансов в адрон-ядерных взаимодействиях", Материалы Международной конференции "Ломоносов 99", Секция физическая, Московский Государственный университет, Москва, Апрель 10 - 16, 1999, р.48

2. V.V.Balashov, V.K.Dolinov, M.M.Kaskulov, "Coherent h meson photoproduction from nuclei in the region of the D13(1520) and SU(1535) resonances", Institute of Nuclear Physics, Moscow State University, Preprint 29/633 -2000.

3. V.V.Balashov, V.K.Dolinov, M.M.Kaskulov, "Coherent h meson photoproduction from nuclei.", Proceedings of the IX Int. Seminar "Electromagnetic interactions of nuclei at low and medium energies ", Moscow, 20 - 22 September 2000,p.20.

4. Бибиков А.В., Каскулов M.M., "Роль спиновых правил отбора в когерентном фоторождении г}- мезонов на ядрах в области барионных резонансов". Вестник МГУ, Сер.З. Физика.Астрономия, 2001, (принято к печати).

5. Balashov V.V., Bibikov A.V., Dolinov V.K., 16 Euro.Conf. on FEW BODY PROBLEMS IN PHYSICS, Autrans, France, 1-6 June 1998, Abstracts Booklet, Grenoble 1998, p.34.

6. Нгуен Ван Хьеу, Лекции по теории унитарной симметрии элементарных частиц, М., Атомиздат, 1967.

7. Коккедэ Я., Теория кварков, М., Мир, 1971.

8. Eisenberg J.M., Hüfner J. and Moniz E.J., Phys.Lett. В 47, (1973), 381.

9. Horikawa Y., Thies M., Lenz F., Nucl.Phys. А 345, (1980), 386.

10. Hirata M., Koch J.H., Lenz F., Moniz E.J., Ann.Phys. N.Y. V.120, (1979), 205.

11. Oset E., Toki H., Weise W., Phys.Rep. V.83, (1982), 281.

12. Гольдбергер M.JI., Ватсон K.M., Теория столкновений, M., Мир, 1967.

13. Kisslinger L.S. and Wang W.L., Ann.Phys. N.Y., V.99, (1976), 374.

14. Brown G.E. and Weise W., Phys.Rep., V.22, (1976), 279.

15. Hirata H., Lenz F., Yazaki K., Ann.Phys. N.Y., V.108, (1977), 16.

16. Weise W., Nucl.Phys. А 278, (1977), 402.

17. Koch J.H., Moniz E.J., Ohtsuka N., Ann.Phys. N.Y. Y.154, (1984), 99.

18. Oset E. and Weise W., Nucl.Phys. А 319, (1979), 477.

19. Oset E. and Weise W., Nucl.Phys. А 329, (1979), 365.

20. Karaoglu В., Karapiperis and Moniz E.J., Phys.Rev С 22, (1980),1806.

21. Ericson M. and Ericson T.E.O, Ann.Phys. N.Y., V.36, (1966), 383.

22. Baym G. and Brown G.E., Nucl.Phys. А 247, (1975), 345.

23. Эриксон Т. и Вайзе В., Пионы и ядра, М., Наука, 1991.

24. Brack М., Riska D.O. and Weise W., Nucl.Phys. А 287, (1977), 425.

25. Мигдал A.B., Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер, М.: Наука, 1983.

26. Bäckman S.O., Brown G.E., Niskanen J.A., Phys.Rep V.124, (1985), 1.

27. Brown G.E. and Weise W., Phys.Rep. V.27, (1976), 1.

28. Dickhoff W., Meyer-ter-Vehn J.,Müther H., Faessler A., Nucl.Phys. А 368, (1981), 445.

29. Dickhoff W., Meyer-ter-Vehn J.,Müther H., Faessler A., Phys.Rev. С 23, (1981), 1154.

30. Oset E. and Weise W., Phys.Lett. В 77, (1978), 159.

31. Oset E. and Weise W., Nucl.Phys. A 368, (1981), 375.

32. Barshay S., Brown G.E. and Rho M., Phys.Rev.Lett. V.32, (1974), 787.

33. Speth J., Werner E., Wild W., Phys.Rep. V.33, (1977), 127.

34. Пайнс Д. и Нозейр Ф., Теория квантовых жидкостей. Нормальные ферми-жидкости, М.: Мир, 1967.

35. Weise W., Nucl.Phys А 358, (1981), 163.

36. Arends J. et al., Z.Phys. A 311, (1983), 367.

37. Takaki Т., Suzuki Т., Koch J.H., Nucl.Phys. A 443, (1985), 570.

38. Fujii T. et al., Nucl.Phys. В 120, (1977), 395.

39. Peters W., Lenske H., Mosel U., Nucl.Phys. A 640, (1998), 89.

40. Blomquist I. and Laget J.M., Nucl.Phys. A 280, (1977), 405.

41. Клоуз Ф., Кварки и партоны, М.: Мир, 1982.

42. Carroll A.S. et al., Phys.Rev С 14, (1974), 635.

43. TAPS-Experiment at MAMI (1996), Proposal A2/12-93.

44. Hejny V. et al., Eur.Phys.J. A 6, (1999), 83.

45. Herminghaus et al., Nucl.Instrum.Methods, A 187, (1981), 103.

46. Novotny R. et al., IEEE Trans.Nucl.Science, 38, (1991), 379.

47. Bennhold C. and Tanabe H., Nucl.Phys. A 530, (1991), 625.

48. Delcourt B. et al., Phys.Lett. В 29, (1967), 75.

49. Bacci C. et al., Phys.Rev.Lett. 20, (1968), 571.

50. Dytman et al., Bull.Amer.Phys.Soc. 35, (1990), 1679.

51. Homma S. et al., J.Phys.Soe.Jpn. 57 (1988), 828.

52. Krusche B. et al., Phys.Rev.Lett. 74, (1995), 3736.

53. Abu-Raddad L.J., Piekarewicz J., Sarty A.J. and Rego R.A., Phys.Rev. С 60, (1999), 0504606.

54. Abu-Raddad L.J., Piekarewicz J., Sarty A.J. and Benmerrouche M., Phys.Rev. С 57, (1998), 2053.57 58 [59 [60 [6162 63 [64 [65 [66 [6768 69 [70 [71 [72 [73 [74 [75 [76 [77 [78

55. Piekarewicz J., Sarty A.J. and Benmerrouche M., Phys.Rev. С 55, (1997), 2571.

56. Sarty A.J. et al, TJNAF Letter of Intent, (1999).

57. Fix A. and Arenhövel, Nucl.Phys. A 620, (1997), 457.

58. Peters W., Lenske H. and Mosel U., Nucl.Phys. A 642, (1998), 506.

59. Abu-Raddad L.J., Ph.D. thesis, Florida State University, arXiv: nucl-th/0005068, (2000).

60. Wilhelm M., Ph.D. thesis, Universität Bonn, (1993). Price J.W. et al., Phys.Rev. С 51, (1995), R2283. Hicks H.R. et al., Phys.Rev. D 7, (1973), 2614. Zhenping Li, Phys.Rev. D 52, (1995), 4961.

61. Tiator L., Drechsel D., Knöchlein G., Bennhold C., Phys.Rev. С 60, (1999), 035210.

62. Bennhold C., Tiator L., Kamalov S.S., Lee Frank X., Wright L.E., Proc. of the 6-th Int.Symposium on Meson-Nucleon Physics and the Structure of the Nucleon, Blaubeuren, 1995.

63. Knöchlein G., Drechsel D. and Tiator L., Z.Phys. A 352, (1995), 327.

64. Green A.M. and Wycech S., Phys.Rev. С 60, (1999), 035208.

65. Benmerrouche M., Mukhopadhyay N.C., Phys.Rev.Lett. 67, (1991), 1070.

66. Benmerrouche M., Mukhopadhyay N.C., Zhang J.F., Phys.Rev. D 51, (1995), 3237.

67. Breitmoser E. and Arenhövel H., Nucl.Phys. A 612, (1997), 321.

68. Feuster T. and Mosel U., Phys.Rev. С 59, (1999), 460.

69. Bennhold C., Phys.Rev. С 39, (1998), 1944.

70. Sauermann Gh., Friman B.L. and Nörenberg W., Phys.Lett. В 341, (1995), 261. Ritz F. and Arenhövel H., arXiv: nucl-th/0011089, (2000). Carrasco R.C., Phys.Rev. С 48, (1993), 2333.

71. Particle Data Group, Rewiew of Particle Properties, Phys.Rev. D 50, (1994), 1173.

72. Particle Data Group, Rewiew of Particle Properties, Phys.Rev. D 45, (1996), 1.

73. Бьеркен Дж.Д., Дрелл С.Д., Релятивисткая квантовая теория, М.: Наука, 1978, Т. 1,2.

74. Tiator L., Bennhold С. and Kamalov S.S., Nucl.Phys. A 580, (1994), 455.

75. Kirchbach M. and Tiator L., Nucl.Phys. A 604, (1996), 385.

76. Dumbrajs 0. et al., Nucl.Phys. В 216, (1983) 277.

77. Dolinsky S.I. et al., Z.Phys. С 42, (1989), 511.

78. Chew G.F., Goldberger M.L., Low F.E. and Nambu Y., Phys.Rev. 106, (1957), 1345.

79. Williams R., Ji C.R. and Cotanch S.R., Phys.Rev. D 41, (1990), 1449.

80. David J.C., Fayard C., Lamot G.H. and Saghai В., Phys.Rev. С 53, (1996), 2613.

81. Krusche B. et al., Phys.Lett. В 358, (1995), 40.

82. Fix A.I. and Tryasuchev V.A., Yad.Fiz. 60, (1997), 41.

83. Sding P. et al., Phys.Lett В 39, (1972), 1.

84. Chumbalov A.A., Eramzhan R.A. and Kamalov S.S., Z.Phys., A 328,(1987),195.

85. Ahrens J., Nucl.Phys. A 446, (1985), 229.

86. Бояркина A.H, "Структура ядер 1 p- оболочки", Изд-во Московского Университета, 1973.

87. Chiang Н.С., Oset Е. and Liu L.C., Phys.Rev. С 44, (1991), 738.