Введение к работе
Актуальность темы.
После открытия в 1974 году первого связанного состояния тяжелых :варков - J/ф—мезона, физика тяжелых кваркониев является одним из са-шх плодотворных разделов физики элементарных частиц. Причина этому богатый экспериментальный материал (спектроскопия тяжелых кварко-[иев, парциальные п полные ширины распадов, сечения рождения и др.), гакопленный в последние годы, а также уникальные свойства связанных истем тяжелых кварков, теоретическое исследование которых позволяет начительно продвинуться в понимании физики взаимодействия кварков и люонов в рамках фундаментальных представлений квантовой хромодина-іики (КХД).
В основе теоретического описания свойств тяжелых кваркониев, вклю-:ая расчет ширин распада и сечений рождения, лежит гипотеза фактори-ацпп эффектов физики больших и малых расстояний. Параметром ма-остн, контролирующим относительный вклад эффектов больших и ма-:ых расстояний, является отношение Aqcd/^q << 1> где Kqcd ~ 100 1эВ - характерный масштаб конфайнмента кварков, mq - масса тяже-ого кварка (тс « 1.5 ГэВ, mj « 4.8 ГэВ). Значительный прогресс в изике тяжелых кваркониев достигнут в последнее время в рамках следу->щих теоретических направлений: нерелятпвистские потенциальные мо-елп, включая релятивистские обобщения, решеточные расчеты в кванто-ой хромодинампке, метод правил сумм КХД, эффективная теория тяже-ых кварков (ЭТТК).
Исследование процессов рождешія тяжелых кваркониев представляет їачительннй интерес как с точки зреня проверки представлений КХД механизме рождения тяжелых кварков на малых расстояниях, так и с очки зрения проверки существующих моделей, в первую очередь - пар-онной модели, используемых для описания взаимодействия кварков и их аронпзацип на больших расстояниях. Наибольший успех в описании провесов рождения кваркониев получен в подходе, который обычно называют
і
нерелятивистской КХД (HP КХД), основанном на гипотезе факторизацш эффектов физики больших и малых расстояний. В рамках HP КХД могут быть рассчитаны сечения рождения тяжелых кварконпев и функции фраг ментации тяжелых кварков и глюоноз в тяжелые кварконии. При этом про цесс рождения тяжелых кварков в определенном по спину, четности, цвет] (синглетном) и инвариантной массе состоянию - описывается в рамках те ории. возмущений КХД. В нерелятивистском приближении информацию < непертурбативном переходе кварков в конечный мезон несет параметр Ф(0 - значение волновой функции кваркония в нуле, который может быть не зависимо рассчитан в потенциальной кварковой модели. Ввиду того, что і рамках синглетного механизма рождения не удается описать наблюдаемук абсолютную величину сечений рождения тяжелых кваркониев с большимі поперечными импульсами при энергии ^-коллайдера FNAL, недавно бы; предложен так называемый "октетный" механизм рождения. При этоь предполагается, что пара тяжелых кварков рождается с квантовыми чи слами кваркония, но в октетном по цвету состоянии, а ее обесцвечивани происходит на стадии мягкой адронизации. Однако данный подход имее: узкое феноменологическое значение, так как не позволяет предсказать абсо лютную величину сечения рождения кваркониев, поскольку процесс МЯГКО! (непертурбативной) адронизации не поддается расчету в КХД.
В процессах рождения кваркониев с большими поперечными импуль сами доминирует фрагментационный механизм рождения, в рамках кото рого предполагается, что кварконии образуется в результате фрагментаци] тяжелого кварка или глюона с большим поперечным импульсом, рожден еых в жестком подпроцессе. Функции фрагментации тяжелых кварков : кварконии могут быть вычислены в рамках HP КХД без привлечения новы: параметров. В настоящее время такие расчеты выполнены для функциі фрагментации 6— и с—кварков в S-,P- и D-волновые bb—,cc— и be—мезоны
Как уже отмечалось выше, сравнение расчетов сечений рождения тяже лых кваркониев с экспериментальными данными указывает на ряд труд ностей в теоретическом описании таких процессов. Оказывется, что дл описания зспериментальных данных требуется учет эффектов, выходящп:
а рамки, как теории возмущений КХД, так и нерелятивистского прибли-кения. Оценки показывают, что учет следующих поправок по as и релятн-іистских эффектов в процессах рождения тяжелых кваркониев (например, T/ip - мезопов) меняет величину абсолютную сечения и, особенно, форму пектроз.
В последние годы интенсивно развивается, основанная на лагранжиане (ХД в пределе ttiq — со, эффективная теория тяжелых кварков (ЭТТК). і рамках ЭТТК может быть рассчитан ряд характеристик процессов ро-кдения и распада адронов, содержащих один тяжелый кварк. Так з ЗТТК іьіли рассчитаны функции фрагментации Ь—кварков в ІЗс-мезоньі и пока-ала их согласованность с точными КХД.расчетами в приближении О(^).
Хорошо известно, что в области высоких энергий основной вклад в полює сечение рождения тяжелых кваркониев дают процессы бозон-бозонного :лияния (75,55)1 которые несут прямую информацию о глюонных функціях распределения в протоне или фотоне. Принимая во внимание тот [>акт, что се— и ЬЬ—кваркояии имеют достаточно большие двух-лептонные юлы распада, которые являются удобным триггером для выделения провесов рождения этих частиц, становится понятным постоянный интерес к процессам рождения кваркониев, особенно J/^-частиц, в экспериментах по ізучению глюонных функций распределения. Кроме того, существуют экс-герпментальные указания на то, что в процессах рождения ее—кваркониев $ области фрагментации фотона или протона существенную роль может іграть "внутренний" чарм, связанный с непертурбативной примесью сс-юстоянпй в волновой функции фотона или протона. Процессы рождения :с—кваркониев считаются одними из самых перспективных с точки зрения наделения вклада "внутреннего" очарования и его экспериментального изу-іения.
В последнее десятилетие интенсивному теоретическому и экспериментальному изучению подверглись процессы рождения тяжелых кваркониев і адрон-ядерных и ядерно-ядерных взаимодействиях. Причина этому, во-тервых, в том, что в таких процессах можно как нельзя лучше проверить ;уществующие представления КХД о пространственно-временной картине
сильных взаимодействий. Изучение А-зависимости спектров тяжелых квар-кониев, рожденных в адрон-ядерных взаимодействиях, по поперечной и продольной компоненте пмпульса позволяет выделить и исследовать вклад "мягких" взаимодействий в начальном и конечном состоянии. Ядро в этом случае выступает как уникальный КХД-фильтр для выделения различных эффектов физики больших расстояний.
Огромный интерес вызвало, обнаруженное в ЦЕРНе, подавление выхода J/гр-мезопоъ в процессах центрального столкновения тяжелых ионов по сравнению с периферическими столкновениями. Дело в том, что такое подавление может указывать на образование в процессах столкновения тяжелых ионов при высоких энергиях нового состояния вещества -кварк-глюонной плазмы. Однако для определенного вывода необходим более детальный теоретический анализ особенностей процессов рождения и распада кваркониев в экстремальных условиях больших ядерных плотностей и температур, кроме того требуется точно выделить вклад ядерных эффектов перерассеянпя в начальном и конечном состоянии.
Хорошо известно, что экспериментальные данные в адронной физике высоких энергий не могут быть описаны в настоящее время исходя только из первопринципов квантовой хромодинамики. Необходимо построение феноменологических моделей, основанных на КХД, позволяющих самосогласованно описать огромную совокупность экспериментальных данных. В диссертационной работе ставилась задача, используя специфические черты процессов рождения тяжелых кваркониев, исследовать возможность применения ряда феноменологических моделей адронной физики в новых условиях, связанных прежде всего с введением в строй нового поколения ускорителей работающих в тэвной области энергий.
Цель диссертационной работы.
Основная цель диссертационной работы состоит в разработке и развитии методов расчета сечений рождения тяжелых кваркониев во взаимодействиях фотонов, адронов и ядер при высоких энергиях, а также в исследовании возможностей получения новой информации о динамике взаимодей ствия кварков и глюонов на малых и больших расстояниях, о структурных
функциях протона и фотона в процессах рождения тяжелых кваркоппев.
Научная новизна
Основные результаты диссертации вляются оригинальными и получены впервые.
о Проведен анализ ядерных эффектов в процессах рождения тяжелых кваркониев и массивных лептонных пар при высоких энергиях:
-
Предложен оригинальный подход для описания жестких процессов в адрон-ядерных и ядерно-ядерных взаимодействиях, основанный на аддитивной кваркевой модели, гипотезе динамического рескейлинга и теории возмущений КХД
-
Показано, что в рамках предложенного подхода можно описать спектры по рт и Xf JІ'і/ьмезопов п массивных лептонных пар, а. также их энергетическую и А-зависимость без введения новых параметров.
-
Сделаны предсказания для случая столкновений тяжелых ионов при высоких энергиях, получена оценка на величину эффекта подавления выхода J/ф—мезонов в центральных взаимодействиях и ее зависимость от энергии ядер, xf н поперечного импульса J/"ф—мезонов, связанную с ядерными эффектами.
в В рамках теории полужестких процессов Грибова-Левина-Рыскина выполнен расчет полных и дифференциальных сечений фоторождения //0(Т)-мезонов и тяжелых кварков на протонах при высоких энергиях:
-
Получены формулы для сечений фоторождення 7/'0(Т)-мезонов и тяжелых кварков на глюоиах в области малых х, когда необходимо учитывать поперечный импульс и продольную поляризацию виртуальных глюонов.
-
Сделаны предсказания для рт~, у—спектров и полных сечений
'/,2-2095
рождения .7/?/>(Т)-мезонов п тяжелых кварков при энергии ер—кол-лайд-ра HERA и выше.
3. Сравнение результатов расчетов в теории полужестких процессов и стандартной партонной модели показывает, что учет специфических эффектов физики малых х приводит к изменению спектров рождения тяжелых кваркониев и кварков, которое может быть наблюдено экспериментально.
ф Основываясь на формализме структурной функции фотона и HP КХД исследован вклад глюонной и с-кварковой структурной функции фотона в процессы фоторсждения с-кварков, J/гр и 5с-мезонов при высоких энергиях:
-
Показано, что в су взаимодействиях в тэвной области энергий е процессах рождения J/гр—мезонов и тяжелых кварков может быть существенным вклад, связанный с глюонной СФФ. Определены кинематические области, в которых вклад глюонной СФФ может быть измерен.
-
Предсказываются значительные спиновые эффекты в процессах ассоциативного рождения J/ip—мезонов и гамма-квантов, которые дают возможность прецеэионного исследования механизма адронизации се — J/ф.
-
Показано, что формализм с-кварковой СФФ позволяет эффективно учесть вклад старших порядков теории возмущений КХД в процессах фоторождения с-кварков, чармония и Вс—мезонов при высоких энергиях.
в исследована роль "внутреннего" чарма в протоне в процессы фото- и адрсрождзния //і/'-мезонов при высоких энергиях:
-
В модели цветовых спнглетов получены формулы для сечений рождения J/ф—мезонов в подпроцессах су —» J/фс п дс —> J/фс.
-
Показано, что в области фрагментации протона вклад "внутреннего" очарования из протона в процессах фото- и адророжде-
ния //^—мезонов может превосходить вклад механизма фотон-глюонного или глюон-глюонного слияния.
3. Исследована возможность извлечения с-кварковых функций распределения в протоне в процессах инклюзивного и ассоциативного (совместно с открытым очарованием) рождения J/ф—мезонов при высоких энергиях.
В рамках квазипотенциального метода проведен расчет релятивист
ских поправок к ширинам распада S-волновых кваркониев:
-
Показано, что релятивистские поправки к ширинам распада J/ф —* е+е~ и т]с —+ 77 достигают ~ 10% и ~ 50%, соответственно, и их учет является важным как при расчетах процессов распада, так и рождения чармонпя.
-
Вычислен нетривиальный вклад в релятивистские поправки к ширинам распада кваркониев, связанный с существованием дополнительных полюсов в амплитуде распада, дающих ненулевой вклад в интеграл по относите льни энергии кварков.
в В эффективной теории тяжелых кварков проведен расчет функций фрагментации b-кварка в продольно- и поперечно-поляризованные В*-мезоны.
В рамках нерелятивпстской КХД и кварк-дикварковой модели бари-
онов получены функции фрагментации тяжелых кварков (Ь,с) в два
жды тяжелые барионы (bcq, ccq) спина 1/2 и 3/2.
Научная и практическая значимость
В диссертации предложена модель, которая успешно описывает ядерные эффекты в процессах рождения тяжелых кваркониев и массивных лептон-ных пар на ядрах при высоких энергиях. Модель может быть использована для создания монте-карловских генераторов событий и анализа экспериме-тальных данных в жестких процессах на ядрах.
Полученные в диссертации формулы для амплитуд сечений фоторождения 7/^(Т)-мезонов в рамках теории полужестких процессов могут быть использованы для анализа экспериментальных данных и извлечения функции распределения глюонов в протоне в области малых х.
Показана важная роль глюонной и с-кварковой структурной функции фотона в процессах фоторождения J/ф— и Вс— мезонов при высоких энергиях.. Выделены кинематические области, в которых вклад структурной функции фотона может быть выделен экспериментально. Показано, что формализм с-кварковой структурной функции фотона позволяет эффективно суммировать вклады старших поправок теории возмущений КХД при расчетах сечений фоторождения адронов, содержащих с-кварки.
Предложенный метод расчета релятивистских поправок к ширинам распада может быть использован для прецезпонных расчетов релятивистских поправок к ширинам распада мезонов, а также в квантовой электродинамике (в первую очередь - ширин распада орто- и парапозитрония). Последовательный учет релятивистских поправок, связанных с относительным движением кварков, посредством явного учета волновой функции кварко-ния и дополнительного вклада от полюсов в амплитуде распада - позволяет получить более точное значение волновой функции кваркония в нуле, которое необходимо для предсказания величины сечения рождения данного кваркония.
Выполненный в диссертации расчет функций фрагментации Ъ-кварков в поляризованные *-мезоны в рамках эффективной теории тяжелых кварков и сравнение его с результатами расчетов в КХД имеет важное значение для развития моделей адронов, содержащих тяжелые кварки.
Полученные функции фрагментации тяжелых кварков в дважды тяжелые барионы могут быть использованы для предсказания сечений рождения этих частиц на е+е~ и рр коллайдерах.
Аппробация работы
Основные результаты диссертации в разные годы были представлены на IX-XII Международных семинарах по проблемам физики высоких энергий в ОИЯИ (Дубна), на XIV-XVIII Международных семинарах по про-
5емам физики высоких энергий и теории поля в ИФВЭ (Протвино), на ^Ш-Х Международных школах (семинарах) по проблемам физики высоких энергий и квантовой теории поля НИИЯФ МГУ (Сочи, Звенигород), іа Международных конференциях по физике фундаментальных взапмодей-;твий в ИТЭФ (Москва), на Международном семинаре "Физика на ГЕРЕ" Гамбург), на III Российско-Германском семинаре по физике тяжелых квар-дав в ОИЯИ (Дубна) и докладывались на научных семинарах Самарского государственного университета, НИИ ядерной физики МГУ, Физического гастптута им. П.Н.Лебедсва. Исследования по теме диссертации прово-щлпсь в рамках государственной научно-технической программы " Физика зысоких энергий", были поддержаны Российским Фондом Фундаменталь-іьіх Исследований (грант 93-02-3545) и Госкомитетом РФ по высшему обра-юванпю (грант 94-6.7-2015). Основные результаты диссертации опублпко-заны в работах [1]-[40]. Личный вклад диссертанта в работы, выполненные з соавторстве, является определяющим.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Полный эбъем диссертации - 204 стр., рисунков - 69, список литературы включает 228 ссылок.
