Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время, после периода относительно независимого развития физики элементарных частиц и физики ядра, наблюдается активное сближение по ряду направлений этих двух областей физики. В целом ряде экспериментов на ведущих ускорителях высокой энергии исследовались или предполагается исследовать эффекты, относящиеся как к физике элементарных частиц, так и к ядерной физике. Первым таким эффектом, получившим широкую известность, стал так называемый ядерный ЕМС-эффект, обнаруженный в начале 80-х годов. Суть эффекта в том, что структурные функции ядер не равны простой суперпозиции структурных функций свободных нуклонов даже после учета фермиевского движения нуклонов. В экспериментах были обнаружены существенные различия (до 20%) ядерных и нуклонных структурных функций в области средних и больших значений бъеркеновской скейлинговой переменной х. Этим была впервые показана нетрнвиальность кварк-глюонной структуры ядер по сравнению со свободными нуклонами. Изучение различных аспектов кварковых и глюонных распределений в ядрах активно продолжается в настоящее время. Например, с целью установления природы ядерного экранирования в глубоконеупругом рассеянии (ГНР) пептонов исследуются структурные функции (СФ) ядер при малых значениях х. Сейчас твердо установлено, что ядерные взаимодействия приводят к заметным изменениям кварк-глюонных свойств ядер по сравне-
нию со свободными нуклонами. Изучение природы этих изменений важно, во-первых, для более глубокого понимания свойств ядерной материи. Стандартная нуклон-мезонная модель ядер не отражает ряд важных свойств ядер, проявляющихся на малых расстояниях. Например, в соответствии с этой моделью обменные мезонные поля должны были бы приводить к наличию в ядрах дополнительных антикварков по сравнению с системой свободных нуклонов. Однако данные для реакции Дрелла-Яна на ядрах показали, что .в ядрах отсутствует предсказываемое нуклон-мезонной моделью количество дополнительных антикварков. В то же время в реакциях электророждения и адророждения J/ip—частиц на ядрах получены указания на возможное присутствие в ядрах дополнительных глюонов, что никак не вписывается в нуклон-мезонную модель ядра.
Однако значение различных кварк-глюонных эффектов в ядрах далеко не ограничивается рамками ядерной физики. Среди приоритетных экспериментов при высоких и сверхвысоких энергиях значительное место отводите* экспериментам с участием ядер. Физические проблемы, которые могут исследоваться в этих экспериментах, относятся к наиболее важным проблемам квантовой хромодинамики (КХД) и Стандартной модели (СМ) сильных и электрослабых взаимодействий. Среди этих проблем можно выделить следующие: Q2—эволюция кварковых и глюон-ных СФ нуклонов и мезонов вне массовой поверхности, механизм адро- и- электророждения тяжелых кваркониев, возможное наличие в нуклонах виртуальных кварк-антикварковых конфигура-
ций высших ароматов и, наконец, возникновение кварк-глюонной плазмы. Последняя проблема является сейчас одной из наиболее актуальных в физике высоких энергий. Перечисленные проблемы могут быть достаточно полно решены только при учете влияния ядерной среды на кварк-глюонные свойства адронов и их решение требует выхода за рамки стандартной КХД. Стандарт я,-.,^-применение теоретико-полевых методов, разработанных в КХД, затруднено в данном случае наличием большого числа взаимодействующих частиц. Строгое решение методами теории возмущений задачи об одновременном взаимодействии нуклонов ядра как с налетающими частицами, так и с соседними нуклонами является формально правильным подходом, но сопряжено с большими техническими трудностями. К тому же два следующих аспекта делают этот путь еще менее привлекательным для высокоэнергетических реакций на ядрах. Во-первых, при таком подходе трудно использовать уже накопленную информацию о свойствах ядер и по-существу пришлось бы заново решать не только задачу о взаимодействии сталкивающихся частиц, но и задачу о связанном состоянии многотельной системы. Во-вторых, в рассматриваемых реакциях энергии взаимодействия нуклонов ядра с налетающими частицами и с соседними нуклонами мишени различаются на порядки величины. Поэтому при расчете этих двух типов взаимодействия требуются совершенно различные приближения и подходы. В частности, при высоких энергиях КХД предполагает ослабление взаимодействия в силу асимптотической свободы, что не имеет места для взаимодей-
ствий между ядерными нуклонами. С другой стороны, малость энергии взаимодействия нуклонов ядра между собой позволяет воспользоваться нерелятивисткими приближениями при расчете ядерной части задачи. Таким образом, использование ядер в реакциях рождения прі. высоких энергиях требует разработки новых теоретических подходов, совмещающих методы КХД с методами ядерной физики.
Цель диссертацш'. состояла в разработке и применении новых подходов к расчету ядерных эффектов в реакциях электророждения и адророждения (реакции Дрелла-Яна и рождение тяжелых кваркониев) на ядрах при высоких энергиях, опирающихся на методы ядерной физики и методы КХД.
Научная новизна. В диссертации изложены новые подходы к расчету ядерных СФ и учету взаимодействий быстрых парто-нов с ядерной средой. Впервые были получены выражения для СФ внемассовых ядерных нуклонов, содержащее функциональную зависимость от известных ядерных характеристик.
Было показано, что ядерные взаимодействия нуклонов приводят к перемасштабированию их структурных функций по бъер-кеновской скейлинговой переменной х, причем усредненная величина этого перемасштабирования в любой системе отсчета определяется средней энергией отделения нуклонов ядра. Было также показано, что учет квантовых поправок по кварк-глюонному взаимодействию приводит в ядерной среде к изменению шкалы
Q2—эволюции нуклонных СФ. Этот эффект можно приближенно представить в виде перемасштабирования Q2—зависимости нуклонных СФ в ядерной среде, причем усредненная величина изменения масштаба определяется средней энергией отделения нуклона и фермпевским импульсом для соответствующего ядра. Таким образом, была впервые показана связь параметров х и >->,*.,,. Q2, характеризующих свойства нуклонов на малых расстояниях, со стандартными ядерными характеристиками, определяемыми взаимодействиями на больших расстояниях.
На основе этого было получено новое объяснение ЕМС-' эффекта в ГНР пептонов на ядрах и достигнуто качественное согласие с экспериментальными данными. Данное объяснение ЕМС-эффекта, в отличии от многих других подходов, опирается лишь на хорошо установленные свойства ядерной среды и квар-ковые свойства нуклонов. Этот подход позволил получить правильную зависимость ядерных СФ от атомного номера и других параметров реакции и описать ядерные СФ в широком диапазоне скейлинговой переменной от х ~ 0.3 до х > 1. Разработанная техника расчета СФ позволяет учитывать ядерные эффекты во всех жестких процессах при высоких энергиях.
В реакциях Дрелла-Яна и адророждения тяжелых кваркониев на ядрах было показано, что взаимодействия быстрых начальных партонов с ядерной средой вносят существенный вклад в наблюдаемое ядерное подавление сечений этих процессов. Тем самым было установлено, что строгая факторизация сечений жестких процессов нарушается в ядерной среде. Были получены эмпири-
ческие оценки нарушения факторизации сечений адророждения на ядрах и предложена модель, описывающая ядерные эффекты в этих реакциях за счет поглощения налетающих партонов в ядерной среде. Используя эту модель и перемасштабированные ядерные СФ, удалось описать с использованием минимума свободных параметров сечения широкого класса реакций электро-и .сдророждения на ядрах. Из анализа данных на основе предложенного подхода были получены указания на возможное присутствие в ядрах дополнительных глюонов, переносящих часть импульса ядра.
Практическая ценность. Изложенный в диссертации подход широко применяется в настоящее время для расчета ядерных СФ. Используемое в данном подходе перемасштабирование структурных функций внемассовых нуклонов приводит к наблюдаемому на эксперименте изменению ядерных структурных функций, получившему общепринятое название "эффекта ядерной связи" в глубоконеупругом рассеянии пептонов. Учет этого эффсл.та.-в различных жестких процессах уже стал стандартной операцией при обработке экспериментальных данных и поиске других эффектов, связанных с наличием ядерной среды. Например, учет эффекта ядерной связи является необходимой операцией при анализе данных для реакций Дрелла-Яна и рождения тяжелых кваркониев в области средних значений переменной х.
Полученное на основе метода ренормгруппы согласованное описание х— и <52-перемасштабирования структурных функций
связанных нуклонов позволяет детально исследовать распределения не только кварков и антикварков, но и глюонов в ядрах. Последнее обстоятельство особенно важно в связи с тем, что адро-рождение с участием ядерных глюонов являются важнейшим каналом в реакциях с тяжелыми ионами высокой энергии.
Разработанный метод расчета ядерных структурных функций позволяет глубже исследовать фундаментальный вопрос о структуре ядерных межну к лонных полей. В качестве этих полей могут выступать как мезоны, так и неадронизованные кварк-антикварковые пары и глюоны. Было показано, что первая возможность качественно согласуется с данными для рассеяния К+—мезонов на ядрах, тогда как проведенный анализ реакций Дрелла-Яна и рождения тяжелых кваркониев на ядрах свидетельствует в пользу глюонных межнуклонных полей в ядрах. Установление структуры межнуклонных ядерных связей явилось бы фундаментальным результатом для ядерной физики.
Предложенная модель ядерного подавления адророждения при высоких энергиях за счет поглощения в ядерной среде начальных быстрых партонов, в совокупности с ядерным перемасштабированием распределений партонов ядра-мишени, позволила впервые единым образом объяснять ядерные эффекты в целом ряде реакций с различными налетающими и регистрируемыми частицами. Совместный анализ этих реакций дал указания на нарушение КХД факторизации для ядерных мишеней. Эти указания важны для уточнения пределов применимости методов КХД. Кроме того, данная модель предполагает наличие механизма
ядерного подавления рождения чармониев и других тяжелых кваркониев, не связанный с наличием кварк-глюонной плазмы. Учет этого эффекта очень важен для поиска истинных указаний на кварк-глюонную плазму.
Апробация диссертации. Результаты диссертации докладывались на научных семинарах Отдела теоретической физики ИЯИ РАН, Лаборатории теоретической физики ОИЯИ, теоретического отдела ЦЕРН, Центра теоретической физики Масса-чусетского технологического института (США), Института теоретической физики им. Нильса Бора (Дания), Института ядерной физики им. Макса Планка (Гейдельберг, Германия), Физического факультета Техасского А&М Университета (Колледж-Стэйшн,США), Физического факультета Университета Сиэтла (США), Физического факультета университета Перуджи (Италия), теоретического отдела ЦЕРНа (Швейцария), на Международных семинарах "Кварки" 1984-94 годов, на Международном симпозиуме "Слабые и электромагнитные взаимодействия ь ядрах" (Гейдельберг, Германия, 1986), на VIII Международном' семинаре по проблемам физики высоких энергий (Дубна, 1986), на XI Международной конференции Частицы и Ядра (Киото, Япония, 1987), на XIII Международной конференции Частицы и Ядра (Перуджа, Италия, 1994),
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав основного текста, содержащих 11 параграфов, заключения
и списка литературы.
