Влияние электромагнитного поля на взаимодействие частиц в единых калибровочных моделях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

РГ6 ОД

На правах рукописи 2-93-347

МЕРЗОНОВА Елена Владимировна

УДК 530.145

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ В ЕДИНЫХ КАЛИБРОВОЧНЫХ МОДЕЛЯХ

Специальность: 01.04.02 — теоретическая физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1993

Работа выполнена на кафедре теоретической физпки физического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научные руководители: доктор физ.-мат. наук,

профессор И.М. Тернов

доктор физ.-мат. наук А.И. Студеникин

Официальнные оппоненты: доктор физ.-мат. наук,

профессор Р.Н. Фаустов (НСК РАН)

кандидат физ.-мат. наук A.B. Курилин (МГОПИ)

Ведущая организация: Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна)

Защита состоится » ОЯТ^/и* 1993 г. в /S4* час. на заседании Специализированного Совета К 053.05.18 по адресу: 119899, ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан

» » ОРГ-СУиО^ 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

доктор физ.-мат. наук H.A. Полякое

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена поучению проблемы влияния внешних электромагнитных полей на процессы превращения элементарных частиц в единых квантовополевых теориях взаимодействия. Исследования проводились на основе метода точных решений для волновых функций частиц, позволяющего в принципе точно учесть действие внешнего поля. Результаты работы могут быть использованы для актуальных в настоящее время калибровочных моделей взаимодействия, обобщающих стандартную теорию электро слабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама: супер симметричных моделей, моделей с горизонтальной симметрией между поколениями пептонов, композитных моделей и др.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ диссертации связана прежде всего с тем, что существует большое количество реальных физических ситуаций, где оказывается необходимым учитывать влияние внешнего электромагнитного поля на протекание квантовых процессов: наличие сильных электромагнитных полей соответствует условиям взаимодействия элементарных частиц в окрестности астрофизических объектов, при проведении экспериментов по физике высоких энергий на современных ускорителях и коллайдерах, а также при рассмотрении явлений, сопровождающих прохождение заряженных частиц вдоль осей ориентированных кристаллов. Возрастание в последнее время внимания к изучению воздействия попей на различные квантовые процессы обусловлено совершенствованием лазерной техники, возможностью ге-

нерации переменных электромагнитных полей все большей напряженности.

Другой важный аспект исследования проблемы влияния внешних полей на процессы превращения элементарных частиц в единых калибровочных моделях взаимодействия заключается в использовании внешнего электромагнитного поля как своего рода инструмента, под действием которого удается провести изучение свойств частиц п их взаимодействия и сделать заключения о величинах различных свободных параметров теоретических моделей: наличие попей изменяет скорости течения процессов, позволяет исследовать спиновые характеристики частиц, приводит к обнаружению новых эффектов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в исследовании влияния внешнего электромагнитного поля на процессы взаимодействия заряженных пептонов с нейтральными бесспиновымп бозонамп, возникающими в различных калибровочных моделях, а также на процессы с участием супер симметричных частиц. При этом проводится точный учет спиновых состояний заряженных пептонов и изучение вызванных внешним полем конкретных физических эффектов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в следующем:

1. В рамках модельно-незавпсимого подхода проводится исследование воздействия постоянного магнитного поля на протекание процессов излучения заряженным лептоном нейтральных скалярных п псевдоскалярных бозонов, предсказываемых в альтернативных теории

ГЬэшоу-Вайнберга-Салама моделях. При этом обсуждается поведение вероятностей при различных соотношениях масс бозонов и пептонов, анализируются сппновые закономерности п изучается возможность возникновения эффекта самополяризацип спинов заряженных пептонов.

2. Рассматриваются процессы аннигиляции пары лептон-антилептон с рождением массивных бессппновых бозонов в постоянном магнитном поле (1'~ + 1+ В, В = 5,Р); проводится детальное сравнение с вероятностью кинематически подобного электродинамического процесса с участием 7-кванта (П.М.Тернов, Л.П.Коровина, О.С.Павлова. Однофотонная аннигиляция электронов п позитронов с ориентированным спином в магнитном поле, ЯФ, 1966, т.З, с.499-502)

Показано, что точный учет спиновых состояний лептона и антнлеп-гона позволяет сделать вывод о критической зависимости вероятности ШШ1ГПЛЯЦ1Ш лептон-аитплептонной пары с рождением бессппновых 1астнц от взаимной ориентации спинов аннигилирующих заряженных гептонов, что качественно отличается от спиновой зависимости веро-1тн0стп однофотонной аннигиляции в электродинамике.

3. Впервые изучается влияние постоянного магнитного поля на ¡запмодействне суперсимметрпчных частиц во втором порядке теории юзмущенпн - процесс излучения заряженным лептоном 1'~ пары су-юр симметричных нейтрино VI,, VI и другого заряженного лептона 1~: юлучено общее выражение для вероятности процесса V -> /_+17(<+17( в гагннтном поле с учетом поляризационных состояний лептонов, спра-1едлипое при любых соотношениях масс взаимодействующих лептонов,

их энергии и напряженности внешнего поля.

4. Исследуется супер симметричный распад тяжелого пептона в сильном магнитном поле, анализируются возникающие при этом спиновые эффекты. Проводится сравнение вероятности суперспмметрич-ного распада мюона /х —► е 4- + йе в сильном магнитном иоле (Н > тп^/е) с вероятностью аналогичного распада ц —► е + и^ + г7е в стандартной теории электрослабого взаимодействия.

5. Впервые рассматривается магынтотормозное излучение пары снептрнпо заряженным релятивистским пептоном в постоянном сильном магнитном поле, при этом также учитываются спиновые состояния лептонов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ диссертации определяется тем, что полученные в ней результаты могут быть применены для анализа влияния внешних электромагнитных полей на протекание процессов взаимодействия заряженных лептонов с нейтральными бесспиновыми бозонами различного типа, которые возникают в альтернативных теории Гпэшоу-Вайнберга-Салама калибровочных моделях. Приведенные в работе общие выражения для вероятности излучения пары сней-трино заряженным пептоном во внешнем поле, а также результаты исследования конкретных неизученных ранее распадов могут использоваться при дальнейшем рассмотрении проблемы воздействия электромагнитных полей произвольных напряженностей на процессы с участием супер симметричных частиц.

АПРОБАЦИЯ ДИССЕРТАЦИИ И ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертации докладывались на сессиях ОЯФ АН СССР (Москва, 1989-1990 гг.), I Гродененской конференции молодых ученых (Гродно, 1990 г.), научной конференции МГУ "Ломоносовские чтения" (Москва, 1991 г.), V Школе молодых ученых МГУ "Элементарные частицы и внешние поля" (Ярославль, 1992 г.), VI Ломоносовской конференции "Космомпкрофизика п калибровочные поля" (Москва, 1993 г.). По материалам, вошедшим в диссертацию, сделаны доклады на теоретическом семинаре кафедры физики элементарных частиц физического факультета Берлинского университета им. Гумбольдта (ГДР, 1989 г.), на теоретических семинарах физических факультетов университетов Неаполя, Рима и Флоренции (Италия, 1992-1993 гг.), на семинарах кафедры теоретической физики физического факультета МГУ. Основные результаты диссертации вошли также в лекцию, прочитанную в Международном центре теоретической физики в Триесте (Италия, 1993 г.)

По материалам диссертации опубликовано 5 работ, список которых приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из четырех глав, заключения и списка цитированной литературы, содержащего 165 наименований. Общий объем 109 страниц, в работе имеется 9 рисунков.

Содержание диссертации

Первая глава диссертации носит вводный характер. В ней (§ 1.1) обосновывается актуальность темы, дается обзор основных работ, посвященных проблеме влияния внешних электромагнитных попей на взаимодействие элементарных частиц, кратко излагается постановка вопросов, рассматриваемых в следующих главах. В этой же главе (§ 1.2) обсуждаются некоторые вопросы, касающиеся бессппновых частиц -как стандартного хиггсовского бозона, так п бозонов различного типа, возникающих в теориях, обобщающих стандартную модель Пмшоу-Вайнберга-Сапама. Параграф 1.3 посвящен рассмотрению феноменологии элементарных частиц, предсказываемых супер симметричными теориями. В параграфе 1.4 рассматриваются способы описания воздействия внешних полей на квантовые процессы и приводится известное из литературы точное решение уравнения Дирака для волновых функций заряженных пептонов в постоянном магнитном поле, которое используется в работе.

Вторая глава диссертации посвящена поучению процессов излучения массивных бесспиновых бозонов заряженным лептоном, движущимся во внешнем постоянном магнитном поле. В параграфе 2.1 в рамках модельно-независпмого подхода получены общие выражения для вероятностей излучения массивных скалярных и псевдоскалярных бозонов, причем исходно не делалось ограничивающих предположений о величинах масс излучаемых бозонов, что дает возможность исследовать поведение вероятностей при различных соотношениях масс бозонов и пептонов и позволяет применять полученные результаты для

рассмотрения взаимодействия элементарных частиц в различных теоретических моделях. В параграфе 2.2 анализируются поляризационные эффекты, возникающие прп излучении нейтральных бессшшовых бозонов заряженным пептоном в магнитном поле. Отдельно рассмотрены случаи легких и тяжелых бозонов, получены асимптотические выражения для вероятностей процессов I' -> 1 + В (В = 5, Р) в различных интервалах значений энергий пептонов и напряженности магнитного поля.

В третьей главе диссертации исследуется аннигиляция пары лептон-антилептон во внешнем поле с рождением массивных бесспн-иовых бозонов. В параграфе 3.1 представлены общие выражения для вероятностен процессов аннигиляции 1'~+1+ —> В (В = 5, Р) в постоянном магнитном поле и рассмотрен предельный случай релятивистских энергий лаптопов. Параграф 3.2 посвящен изучению спиновых закономерностей при аннигиляции лептон-антплептонной пары в магнитном поле с рождением скалярных и псевдоскалярных частиц и сравнению спиновой зависимости вероятностей процессов 1'~+1+ —> В со спиновой зависимостью аналогичного квантовоэлсктродинампческого процесса V~ +1+ -* 7. В сильных и слабых магнитных полях исследуются отдельно аннигиляция пары электрон-позитрон (п. 3.2.1) и аннигиляция тяжелой (ц+ц~,т+г~) лептон-антияептонной пары (п. 3.2.2) с рождением как легких, так и тяжелых бозонов.

Гиава IV диссертации посвящена изучению протекания во внешнем юле процессов с участием суперспмметричных частиц . В параграфе 1.1 получено общее выражение для вероятности излучения пары су-

пер симметричных нейтрино (снептрпно) заряженным пептоном в постоянном магнитном поле. В параграфе 4.2 проводится исследование воздействия внешнего постоянного магнитного поля на распад тяжелого пептона (мюона или г-лептона) на более легкий с рождением пары безмассовых снейтрино; в частности, показано, что в сверхсильном магнитном поле в случае суперсимметрпчного снейтршшого распада /'->/ + щ, + иI возникает эффект "одномеризацип". В параграфе 4.3 рассматривается магнптотормозное излучение пары снейтрпно заряженным релятивистским пептоном, происходящее без изменения типа пептона.

В Заключении подведены итоги проведенного исследования и сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты диссертации

Перечислим основные результаты, выносимые на защиту:

1. В рамках модельно независимого подхода на основе метода точных решений уравнения Дирака получены выражения для вероятностей излучения заряженным пептоном, движущимся в магнитном поле, нейтральных массивных скалярных бозонов, предсказываемых в различных альтернативных теории Гпэ ш оу- В айн б ер г а- С а л ам а моделях: I' —> I + В (В = 5, Р), причем рассмотрен общий случай, когда может произойти изменение лептонного аромата (I1 ^ /, гп;, ^ т;). Для вероятностей излучения 5, Р бозонов релятивистским заряженным пептоном в постоянном магнитном поле представлены общие выражения I

виде однократных интегралов с учетом спиновых состояний начального н конечного лептонов.

В различных областях значений энергий частиц, напряженности магнитного поля н массы рождающегося бозона получены аналитические выражения для вероятностей процессов I' 1 +В, проанализированы спиновые закономерности п изучена возможность возникновения эффекта самополяризацни спннов лептонов. Показано, что в отличие от случая излучения скалярных частиц, при излучении псевдоскалярных бозонов у совокупности исходно неполярнзованных лептонов будет возникать преимущественная поляризация, то есть имеет место эффект самополярнзации спинов заряженных лептонов в магнитном поле.

Так как при проведении вычислений исходно не делалось предположений о величинах масс излучаемых бозонов, то было исследовано поведение вероятностей при различных соотношениях масс бозонов и пептонов (Мд > ГП[, Мв < ш;, В = в, Р). Полученные результаты могут быть использованы при рассмотрении соответствующих процессов взаимодействия элементарных частиц в различных теоретических моделях. В частности, показано, что из приведенного в главе II выражения для вероятности излучения скалярного бозона, следует результат, полученный в стандартной модели электрослабых взаимодействий при вычислении вероятности излучения скалярного массивного хиггсовского бозона электроном, движущимся в магнитном поле.

2. Рассмотрена аннигиляция лептон-антилептонной пары с образованием скалярного или псевдоскалярного бозона в магнитном поле,

которая является кросс-симметричным процессом по отношению к излучению 1'~ —> 1~ + В, (В = Б,Р). В случае релятивистских энергий пептонов получены общие выражения для вероятностей процессов 1'~ + 1+ -* В, содержащие функции Эйри, зависящие от аргумента

где р'0 п ра - энергии пептона п антилептона.

Точный учет спиновых состояний пептона и антилептона по значениям проекций спинов на вектор магнитного поля Н позволил сделать вывод о критической зависимости вероятности анннгипяции от поляризации взаимодействующих частиц: при различной ориентации спинов пептона и антилептона вероятность аннигиляции с рождением скалярного бозона равна нулю, а при одинаковой поляризации пептона и антилептона в нуль обращается вероятность процесса с образованием псевдоскалярного бозона. Такой характер спиновой зависимости вероятностей процессов 1'~+1+ —» В качественно отличается от спиновой зависимости однофотонной аннигиляции 1'~ +1+ —> 7 в электродинамике, вероятность которой не может о бращаться в нуль только лишь вследствие задания определенных состояний поляризации (по или против вектора Н) спинов аннигилирующих частиц.

В случае равных энергий пептона п антилептона (р'0 = р0) проведено детальное сравнение вероятностей процессов аннигиляции лептон-антилептонной пары с образованием скалярных и псевдоскалярных бозонов с вероятностью кинематически подобного электродинамиче-

_ Н р'р+ро _ (р'о + ро)2

— ™ > " — „ '

Я-—■—--) " —-;-

о гп РоРо

екого процесса с рождением 7-кванта. Отдельно рассмотрены процессы аннигиляции легкой (электрон-позитронной) п тяжелой т+т~) лептон-антнлептонной пар, приведены графики, демонстрирующие характерное поведение вероятностей процессов в зависимости от величины напрялсенности магнитного поля.

Показано, что наличие массы у Б, Р бозонов приводит к существенному различию в поведении вероятностей процессов + /+ -» В (В = 5, Р) н 4- /+ 7 при изменении энергии лептонов р0 и напряженности магнитного поля Н: при любых массах бесспиновых частиц, удовлетворяющих условию Мц > 2Ш;, всегда существуют такие значения энергий аннигилирующих лептонов и напряженности внешнего магнитного поля, для которых вероятность однофотонной аннигиляции экспоненциально мала, а вероятность процессов 1~ + 1+ —* В не является экспоненциально подавленной.

3. Впервые проведено изучение протекания в магнитном поле взаимодействия суперсимметрнчных частиц во втором порядке теории возмущений - излучения пары суперсимметрнчных безмассовых нейтрино V} заряженным пептоном I' {V ^ Приведено общее выражение для вероятности процесса /'—>/ + ¡/¡, + в магнитном поле с явным учетом поляризационных состояний лептонов, справедливое при любых соотношениях масс взаимодействующих лептонов, их энергиях и напряженности магнитного поля, удовлетворяющей условию Н < тп^/е, (тп,-и - масса вино - суперспмметричного партнера IV бозона). Полученный результат использовался для исследования протекания в сильном магнитном поле с напряженностью Н > т'{,/е сле-

дующих конкретных процессов: суперспмметричного распада тяжелого пептона на более легкий (I' I, т¡, > гщ) с образованием пары снейтрино и магнитотормозного излучения снейтрпнной пары релятивистским пептоном, происходящее без изменения пептонного аромата {V — I, ш(/ = т/).

Рассмотрение супер симметричного распада мюона ¡1 —» е + ¿>/( + йе показало, что в случае сильного магнитного поля Н > т^/е вероятность супер симметричного распада IV связана с вероятностью \УЗМ распада (1 е + + йе в стандартной модели электрослабых взаимодействий соотношением:

\У _1 (ГГЦу\4

М5м ~ 21 >1 '

откуда следует, что при определенных значениях массы вино (т^ < 67 Гэв) вероятность IV будет превосходить \\г$м•

Анализ суперсимметричного распада тяжелого пептона I' ->1 + Ц + г>1 в сильном магнитном поле привел к выводу о существовании эффекта одномеризации, заключающегося в том, что пептоны, рождающиеся в основном состоянии с квантовым числом п = 0, движутся вдоль направления магнитного поля, а их спины ориентированы в противоположную сторону.

В случае магнитотормозного излучения снентринной пары электроном в сильном магнитном поле получена замкнутая формула для вероятности перехода электрона в основное состояние со спином, ориентированным против напряженности магнитного поля.

Основное содержание диссертации и результаты проведенных исследований опубликованы в следующих работах:

1. Мерзонова Е.В., Студеникнн А.И. Процессы с участием скалярных и псевдоскалярных бозонов в магнитном поле// Изв.вузов. Фп-зика. - 1990. - N 5. - С.123.

2. Мерзонова Е.В., Студеникин А.И., Тернов И.М. Спиновые закономерности для процессов с нестандартными бозонами во внешнем электромагнитном иоле// Изв.вузов. Физика. - 1991. - N 2. - С.90-94.

3. Мерзонова Е.В., Студеникин А.И. Суперснмметричный сней-трннный распад мюона в сильном магнитном поле. Материалы I Гродненской конференции молодых ученых. - Гродно, 1990. - С.149-150.

4. Мерзонова Е.В., Студеникин А.П., Тернов И.М. Излучение пары снейтрино заряженным пептоном в сильном магнитном поле // Вест. Моск. ун-та. Сер.З. Физика, астрономия. - 1991. - N 5. - С.76-78.

5. E.V. Arbuzova (Merzonova), A.I. Studenildn Emission of super-symmetric neutrino pair by charged lepton in magnetic field // Preprint IC/93/169 - Miramare - Trieste, 1993.

Рукопись поступила в издательский отдел 16 сентября 1993 года.