Токи второго рода в электрослабых взаимодействиях лептонов с нуклонами и ядрами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

РОССИЙСКИ;! УНИВЕРСИТЕТ ЛРУаШ НАРОДОВ

На правах рукописи

НЕВСКИЙ АЛЕКСАНДР ДМИТРИЕВИЧ

УДК 539.16; 589.165; 539.123.1?

100 ВТОРОГО РОДА В ЭЛЕКТРОСЛАБЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ •ЛЕПТОНОВ С НУКЛОНАМИ И ЯДРАМИ

.01.04.02 - моретитвокая ¿иэика

.Автореферат диссертации на соискание ученой степей« кандидата фиашсе-намнатичеохих '"'.у*

М • о в 1 а -.1 ? 9 2

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Российского Университета дружбы народов

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук, доцент Н.В.Самоонеако.

Официальные оппоненты:

доктор ¿нзико-иатематичвскшс наук В.А. Дараг кандидат физико-математических наук, доцент U.a. Сафин

Ведуцая организация - Лаборатория ядерных проблей Объединенного Института Ядерных Исследований.

Завдта диссертации состоится " срЫр^у 1993 г. х на заседании специализированного совета

К 053.22.01 в Российской Университете дружбы народов по адресу: 117198, Москва, уа. Ордаоникадае, 3, зал № I.

С диссертацией полно ознакомиться в научной библиотеке Российского Университета дружбы народов но адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6.

Автореферат разослан 199:5 г*

Ученый секретарь

специализированного совета

кандидат (¿изико-ыатеиазичсскщс наук, доцент

Ю.й. ЗАПйРОБАННЫЙ

•03БЩАЯ 1АРАкТЕРИСТШа РАБОТЫ

Актуальность темы.Согласно предложенной ВаЗнбергом С. в 1958 г. классификация слабых нукломных токов, основанной на трансформационных свойотвах токов относительно операции £ -инверсии, их можно разбить на токи первого рода (ТИР) > тони второго рода (ТВР). В минимальной модели ВаДнберга-Салама-Гдаcoy содержатся только ТИР.Используемые в феноменологичео-ком подходе затравочные слабые V" и А*-токя (р^пи Р^/г") также являются ТПР. С другой стороны, исходя из имеющихся аж-спернментальных данных no^i - распаду ядер,у*-захвату, распаду X -деатона и другим реакциям нельзя однозначно сделать вывод о том, существуют или отсутствуют в природе ТВР. Это овязано, в частности, о тем, что регистрация аффектов ТВР находится на грани возможностей современных экспериментальных установок.

Токи второго рода представляют серьезную проблему для калибровочной теории. Вак П. Лангакером в 1977 г. было показано, что в рамках перенормируемой теории поля наличие ТВР и учет их вкладов в обычныйр -распад приводит в итоге либо в значительным математическим усложнениям, либо х феноменологическим трудностям (предсказанию новых ненаблюдаемых классов , адронов). В атой связи можно говорить, что ограничения на вскстанты овязи ТВР служат ограничениями на классы допусти-кых моделей влектрослабого взаимодействия. Невидимому, для окончательного реиения проблемы ТВР потребуется проведение большого чиола независимых экспериментов* В настоящее время доотигнут больной прогресс как в получении интенсивных пучков поляризованных частиц, так и > подготовке ориентированных ансамблей ядер. Поэтому в ядернол физике важное значение, приобретает более детальное теоретическое и экспериментальное изучен» процессов взаимодействия пептонов о поляризованными в неполяризованншш ядрами (свободными нуклонами), которое представляет собой один из путей решения проблемы ТВР.

Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является:

I. Теоретическое изучение процеоса р -распьда ядра три- -тия о учетом токов второго рода, возможной примеси правых ле-

птонных tokoj и пассы антинейтрино ив только в кинематическом множителе, но и в самом матричном элементе. Сравнение влияния динамических аффектов о влиянием массы нейтрино в кинематическом множителе на f> -спектр.

2. Теоретическое изучение чисто гамов-тедлеровского и сменанноге переходов на примерах квазиупругого рассеяния нейтрино (антинейтрино) на ядрах 6äo(°Li) и 3Н(®Не) с учетом пяти формфакторов (в том числе аксиально-тензорного формфак-тора 13?), масс покоя и поляризаций дептонов, правше дептон-яих токов, ориентации начальных иди конечлых ядер.

3. Поиск возможных эффектов ТВ? ж процессах обратного р> -распада полярлзовашшх нуклонов на основе рассмотрения дифференциальяых сечений рассеяния.

Научная новизна диссертации определяется следующими содержащимися в ней результатами:

1. Поло чьим оО^ие траления для лептонных функций (компонент лептонаого тензора), описыъаюцих кинематику прямого

н обратного Сега-распада ядер в лабораторной сиотеме с учетом поляризации и масс налетающей и рассеиваемой частиц, а также вкладов правых лептонных токов.

2. Найдено выражение для дифференциальной вероятности процесса бета-распада ядра трития о учетом ТВР, возможной примеси правых лептонных токов, продольной поляризации лептонов, а такхе массы антинейтрино не только в кинематическом мнохителе, но и в самом матричном элементе. Проанализировано влияние динамических аффектов на функцию Кюри.

3. Вычислены дифференциальные сечения рассеяния нейтрино (антинейтрино) аа ядрах бНе(б1с ) и 3ü(3tfe). ¡¡сследовако- шлите ТВР, правых лептонных токов и массы нейтрино на степень продольной полярпации электронов (позитронов) и коэффициент асимметрии AüV) вылета дептонов вперед-назад.

4. Исследовало влияние ТВР на различные коэффициенты корреляций между импульс \ми (анти)нейтрино и спином начальных или конечных ядер.

5. Получено выражение для дифференциального сечения рас- ' сеяния нейтрино (антинейтрино) высоких энергий (Е» MC2, где

U - масса нуклона) на нейтроне (протоне) с учетом ТВР. Численными методами проанализировало влияние токов второго рода 2 • •'.•'■..■';

на энергетическую зависимость коэффициента асимметрии Ав1)ви-лета лелтоног вперед-назад при ориентации спала начального нуклона параллельно импульсу (антн)ива1рмо, а такав коэффициентов корреляции меаду спином начального ну$оюна иицпульсом (аяти)двйтрияо.

Научная и практическая ценность. Результаты, подученные з диссертации,'могут быть использовали для описания различит процессов взаимодействия лептонов с ядрами и при планировании а проведении экспериментов по поиску эффектов ТВР. Результаты диссертации ыогут представлять интерес для исследовательских групп 0ИШ1 (г.Дубна), ИТЭФ (г.Москва), iffy им. li.B. Ломоносова, РУДН и др., а такав использованы л учебной процессе на кафедрах теоретической физики РУДН, МГУ им. М.В. Ломоносова и других ВУЗах.

Апробация работы. По основным результатам диссертации были сделаны доклады и сообщения на:

1. Научных семинарах кафедр теоретической физики РУДН . (1990 - 1992 гг) а ИГУ им. li.B. Ломоносова (1990 - 1992 гг).

2. Ежегодных 41-ом (Минск, 1991 г.) и 42-ом (А.ша-Ата,

' 1992 г.) Совещаниях по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра.

3. Егегодишс 27, 28 научных конференциях факультета фя-г знхо-математических и естественных наук РУДН (1991, 1992 гг) и 10, 13 конференциях молодых ученых РУДН (1987, 1990 гг). ..

4. 'Научных семинарах Объединенного Иаститута ядерних исследований (ОИЯИ, г. Дубна Московской обл. 1992 г.).

5. Научных семинарах Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ г. Москва If "Э -1992 гг.).

6. Научных семинарах Института атомной анергии им. Курчатова (ИАЗ г. Москва 1991 - 1992 гг.). .

Публикации. Основные результаты диссертации опубликова-. нн в 6 работах.

Структура п обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, спиока литературы (119.-. наименований) и пршшзвниа. Диссертация включает 12 рисунков,

Полный объем диссертации составляв! ш страниц.

СОДЕРШИЕ РАБОТЫ.

Ъо введении обосновывается актуальность темы, формулируются цеди исследований, дается краткой содержания каждой - главц диссертации.'

В главе I. рассматривается современное состояние теории адектрослабого вашшодвйствия. В § I.I обсуждается Феноменологическая ток-токозая теория слабого вгааиодвйствия к модель Вайвбарга - Садама Гдесоу. Б § 1.2 обсухдаогоя классификация токов на нормальные и аноиадьнма, на регулярные в нерегулярные, на тока первого рода к токи второго рода, В $ 1.3 на основе известных автору аитвратуршос источников изложено современное состояние ХВР. Обсуждается вопрос о 'ТВР з процессах р -распада зеркальнкс ядер; распада Т-яея- * тона; р. - захвати; в реакциях квазиупругого рассеяния ней?--рано на нуклонах. Приведен рад имеющихся в литературе ограничений на формфакторы ТВР. Отмечается, что в целой экспериментальная ситуация выглядит неопределенной и противоречивой. Рассмотрена проблема ТВР с точхи зрения возиокнше будущих экспериментов. В § 1.4 изложен метод разложения слабого и электромагнитного адронного тока по иультиполяи. В §1.5 приводятся o6sy¡e формулы для вычисления ядерных матричных злецентов d учетом IBP. На основе общего вида однонукдоннмх векторных и аксиально-векторных иатршшсс здеиентов прзво-дятся выражения для одночастичных мулииполъних операторов с точностью до членов порядка I/Ü2, а такге с всэиоккой примесью 5 , Р, Т вариантов взаимодействия с точностью до членов порядка I/U. В § 1.6 рассцатриваются выражения для вычисления квадрат- матричного элемента полулелтокных процессов с непсаяриаованными и поляризованный« ядрами. Приведены выражения для лептонных ¿ункцна (компонент лептонного тензора), огшсылавдах кинь агику пряного и обратного бета-распада ядер и адронных «ункций (компонент адронного тензора).

Во второй главе изучается влияние ТВР, пра'вкх лепюн-ных юков и массы антинейтрино на энергетический спектр электронов в процесса р -распада ядер тритии.- 3 ¿ ¿Л опи;.еде-. . на цель исследования.В § 2.2 в рамках оо'олочечной модели яд- .

pa о потенциалом гармонического осцидг.тора подучено выражение для дифференциальной вероятности процесса р -распада трития о учетом всех шести форцфакторов (в том числе двух форцзгакто-роз ТВР), возможного вклада правше дептоцных токоз и иасоы антинейтрино. В § 2.3 исследуется влияние на график Кври аксиально-тензорного формфактора IBP FT , правых лептонных токоз (параметру =йд/ (Xv i- I, гдtCL^GLy) - аксиально-векторкая (векторная) константа озязи лелтонного тока),и массы аптпней-трино 0), содержащейся Ев только з кинематическом множителе, но и а саном матричном-элементе* Показано, что относительный вклад ТВРи правых депг'оннюс токоз по порядку величины составляет -—10"^ а сравним (при акстраполяции гра^икоз) о относительным вкладом массы антинейтрино з зонде спектра, что падо учитывать при интерпретации экспериментальных дал-пьпе по измерению т./.

Тпатья глаза посвящена изучении гамоз-тедлеровсках я сме-пышкх переходоз на примерах реакций кзазиупругоГо рассеяняя нейтрино (антинейтрино) на поляризованных и непоаярпзозаяных ядрах бНз(6и ) я 3Н(3Не). В § 3.1 определена цель исследования. 3 § 3.2 подучено выражение для дифференциальных сечений реакций

з виде: г

гъъ (з)

в-случае деполяризованных ядер.*'5'

В (3) - лептонниа функции, - адронныо функции. В §3.3 исследуется влияние ТВР йа угдозуювеимметрип вылета электро-ноз (позитронов) и на лх продольную поляризацию в зазисимостн от энергий нейтрино (антинейтрино) ^ случае деполяризованных ' ядер. В § ЪЛ з длинноволновой приближении получены выражения для дифференциального сечения рассеяния (анти)нейтрино на поляризованных ядрах. В случае чистого гамоз-теллеровского перехода дифференциальные сеченая рассеяния реакций (I) будут иметь вид

■ l-Ш ,

где константа Ферми, Ев энергия и скорость вылетаю-

щего электрона (позитрона), £>Ч1 у* углы, задавдае направление опина ядра по отношению к шшульоу (а«гй)иейтраь'о, / и 7 -выстроекности и поляризации ядер, Ас( I ■ 1...5) - функции, зааисшцич от переданного цмаульса, угла рассеяния, анергии лептонов и ядерных (¿ори^акторов X * 1,2,А,Р,Т). Б случав оивщшнсго перехода дифференциальные сечения реакций (2) будут иметь аад:

В (4) и (5) в Ц-1),если учитывается ориентация спЬиа начального (конечного) ядра и Ч » Ц-1) в случае рассеяния нейтрино (антинейтрино). Далее рассматриваема корреляции между спиной конечного или начального ядра и импульсаш: лептонов, В случае поляризации начального или конечного ядра перпендикулярно импульсу (анти)нейтрино получены выражения для коэффициентов корреляции А& в виде:

для реакций (I) и

а,* «год/А; (?)

для реакций (2).

В случае поляризации начального или конечного ядра параллельно импульсу (анти)нбйтрино получены выражения для коэффициентов корреляции Ас г виде:

^чыМАс+глкьУ (8)

для реакции (I) и для реакции (2).

Также подучены выражения для коэффициента асимметрии вылета лептонов вперед-!.¿зад в случае ориентации спинов ядер параллельно или перпендикулярно импульсу (анти)неатрино в следующей виде:

А ¡[Ж-кО(в>вУ <»>

где к - функция аамоящая от квадрата переданного импульса и параметра осциллятора. В ультрарелятивисхском пределе функции »1,2} в выражении (10) для реакции (I) равны:

б

Здесь

Для реакции (2) функции В* разам:

В формулах (II), (12) Ff» Fit Fa ~ формфакторы ТПР, FT - аксиально-тензорный формфактор ТВР, В^(Ев) - анергия нейтрино (электрона) или .антинейтрино' (позитрона), ij. =(^/2)2, 4-параметр осцилятора, «¿(С т I...4) числовые коэффициенты. Индексы (±) в выражениях (II), (12) относятся, соответственно, я значениям т9~ ¿1, гдер - усол рассеяния. Численными методами при фиксированных значениях угла В исследовано влияния ТВР иа энергетическую зависимость коэффициентов корреляций между спином начального или конечного ядра и импульсами лептоноз, а такяе на энергетическую зависимость коэффициентов' асимметрии вылета лептоноз вперед-назад.

В четвертой глазе иссредуются процессы квазиупругого рассеяния улирарелятивистоких (антя)нейтрино на свободных поляризованных нуклонах. В § 4.1 определена цель исследования. Перечислены основные преимуцестза экспериментов с использованием нейтрино з качестве налетающей частицы. В § 4.2 з ульт-рарелятазнстскои пределе подучено вырааение для дифференциал, льного сечения рассеяния нейтрино (антинейтрино) на поляризованном нейтроне (протоне) с учетом ТВР в виде:

Здесь¿0- дифференциальное сечение неполяризованных нуклонов,

iff углы,задающие направление спина начального нуклона по отношению к импульсу (антинейтрино), Ij и Т^ - функции,зависящие от угла рассеяния, энергий .лептоноз и формфактороз ТПР и форм^актора ТВР (f^. ). В § 4.3 подучено зырааение для угловой асимметрии вылета электровоз (позитронов) зперед-на-зад з случае ориентации спина начального нуклона параллельно импульсу нейтрино (антинейтрино). В § 4.4 исследуется влияние ТВР на энергетические зависимости ког'рициентов спиновых корреляций при поляризации начального нуклона перпендикулярно ■

ишульоу (антинейтрино (коэффициент As ) и параллельно импульсу (анти)пейтридо (коэффициент kL ). Построены графики энв£гатичоской аовдоимости коэффициентов As и At при фиксированном утло раооеяния 9 для различных значений форифакхора ТВР Fr. ■ ,

В заключении приведены основные результаты, полученные в дисоертацши

В ириловеаии приведены выражения для одночаствчаих матричных йлемэнтов для ядер А в 3,4 " 6, вычисленные г рамках сболочечао'й модеди ядра о потенциалом гармонического осциля-тора.

ВЫВОДЫ

; I. В рамках оболочечной модели ядра с гармоническим ос-:цилятороц получено траление для дифференциальной вероятности бета-распада ядра трития о учетом всех шести формфакторов (в том числе двух формфакторов ТВР Fs и Fr ), возможной примеси правых лептонных токов и пассы ант..цейтрино не только , в кинематическом'множителе, но и в самом матричном элементе. В предположении о справедливости гипотезы СВТ (Fs * 0), в нерелятивистском приближении по окорости нуклонов в ядре получено выражение для функции Кюри. Исследовано влияние ядерной структуры, ТВР, массы нейтрино и правых лептонных токов на график Кюри. Показано, что влияние динамических эффектов в середине бета-спектра весьма заметно. Так, например, учет массы нейтрино в, самом матричном элементе приводит кроме известного изгиба графика Кюри вниз * конце спектра, еще и дополнительному его сдвигу вверх по сравнению со случаем 0. Показано,что ив-аа влияния ядерной -труктуры, график Кюри не является более прямой.

Численный анализ выражения для функции Кюри показал, -что относительный вклад ТВР и правых лептонных токов по порядку величины составляет Ю~^и сравним (при экстраполяции графика) с относительным вкладом массы нейтрино в конце спектра, что необходимо учитывать при интерпретации экспериментальных данных по измерениюКр.

2. Найдены заражения для дифференциальных сечений про- . цессов квазиупругого рассеяния нейтрино (антинейтрино) на "Б . —

ядрах 6Нв(6Ц) и Зн(3нв) о учетом ТВР, массы нейтрино и пра-i вих лептонных токоз ($¡1 I). Показано, что учет массы нейтрино (антинейтрино) при численных значениях 10 эВ на оказывает существенного влияния на энергетический спектр обратного бога-распада при рассматриваемых энергиях. Получены выражения для степени продольной поляризации электронов (позитронов) и коэффициента угловой асимметрии, я путей их числеп-пого анализа найдены области значений энергий, где вклад ТВР существенен. Показано, что возможный вклад правых лептонных токов при значении^ 0,9; 1,1 в коэффициент угловой асимметрии значителен а определенной области значений энергий (анти) нейтрино л мокет быть сравним с вкладом ТВР, что необходимо учитывать при интерпретации экспериментальных данных.

3. С учетом ориентации спина начального или конечного ядра а длинноволновом приближении получены выражения для дифференциальных сечений чистых гамов-теллеровсхих переходов и смешанных переходов Изучены выражения

для дифференциальных сечений в случаях:

а) спин начального или конечного ядра направлен параллельно импульсу нейтрино (антинейтрино);.

б) спин начального или конечного ядра направлен перпендикулярно импульсу нейтрино (антинейтрино) а плоскости реакции (т.е. S.Jft/bfyx/i );

в) спин начального или конечного ядра направлен перпендикулярно плоскости реакции (т.е. S(XPJ )•

Получены аналитические выражения для коэффициентов угло-. вых асимметрий вылета электронов (позитронов) вперед-назад при различной ориентации спина А^ , Agf и выражения для ко- ■ эффициентов спиновых корреляций As , AL . Исследовано влияние тензорного формфактора ^ на коэффициенты А4 , AL , Ад", Показано, что учет ориентации спина ядра дает дополнительные средства для исследования возаогных вкладов ТВР з коэффициен-.ты As , Al , Aj'{ , Ag^, и при этом отмечается важность учета поляризации ядер ^Р и зыстроенностиН • Рассмотрены релятивистские пределы вираяений для этих коэффициентов.

Получено выражение для дифференциального сечения квазиупругого рассеяния ультрарелятивистского нейтрино (антпней--трино) яа поляризованном нейтроне (пр хше) с учетом ТВР, а такзе выражение для коэффициента АД, асимметрии вылета лепто-

hos вперед-назад. Исоледована угловая и энергетическая зависимость коэффициентов корреляции между спином мишени и им-, пульсами лептонов (коэффициенты А5 и AL ). Найдены области анергий, где коэффициенты ¿s и At чувствительны к ТВР и, более того, показано, что их изучение может дать возможность получить информацию как о величине, так и о знаке тензорного формфактора FT.

5. Подучен и ободе выражения для лептон та функций, описывающих кинематику прямого и обратного бета-распада ядер б лабораторной системе с учетом поляризаций и масс налетающей и рассеиваемой частиц, а также вкладов правмх лептонных токов.

6. Получено.вырагенио для однонуклонного матричного элемента с учетом токов второго рода (формфактороз F, и Fr )с точностью до членов порядка I/M (11 - масса нуклона), & так se с возможной примесью 5, Р, Т.вариантов взаимодействия с точностью до членов порядка 1/Ц.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Самсоненко Н.В.', Катхат Ч.Л., Усмаи М.А., Невский А.Д. Об интерпретации экспериментальных даняых по измерению массы антинейтрино в ß -распаде трития. //Изв. АН СССР Сер. фиаич. - 1991. -Т.55. -C.2I96-2202.

2. Невский А.Д., Усман U.A., Самгии А.Л. Однонуклошшй матричный элемент с учетом токов второго рода с точностью до членов порядка I/112 // Тез. докл. 28 научной конф. факультета физико-математических и естественных наук. -4.1. -М.:Иэд-во РУДН. - 1992. -С.26.

3. Невский А.Д'., -азанур Рахман. Учет возможной примеси S, Р,' X вариантов в гамильтониане слабого взаимодействия нуклонов и ядер // Тез. докл. 27 научной конф. факультета физико-математических и естественных наук. -1Í.: изд-во РУДН -1991. -C.IO.

4. Самсоненко Н.В., Усман U.A., Невский А.Д., Риваспла-та А. О токах Еторого рода в процессах рассеяния9( V ) на по-^«¡ризованных нуклонах. //Tea.докл. 28 научной конф. факультета физико-математических а естественных наук. -11. i Изд-во РУДН - 1992. -С.24.

5. Невский А. Д., С акт ил АЛ. Исследование реакция бЦ( V 2f)6He о учетом токов второго рода, //llaiep. 10 конф. мол. ученых УДЫ. -4.1. -11., 1987. -C.I7 - .20. -Деп": л ВИНИТИ 29. 12. 1987, Й 915,1 В'- 87*.

6. Невские А.Д., Сймсоненкв Н.В., Усмад H.A.,О графике Кври р> -распада трития о учетом массы нейтрино.и токов вторе-го рода // liarep. 13 квнф. мол. ученых УДН - 11. г - 19.91. -0. 37 - 40. Деп. в ВИНИТИ 13.02.91, Й 7*8,- В 91.л "

Подписано к печати. Объем 1,0 п.л. Тир. 100, зак. -;-- . — ■ -1—

ТИПОГРАФИЯ РОССИЙСКОГО УНИВЕРСИТЕТА ДРУЖБЫ НАРОДОВ