Введение к работе
Актуальность проблемы
Описание свойств атомных ядер в рамках микроскопического подхода является важнейшей задачей теоретической ядерной физики. Последовательная теория микроскопической структуры ядра строится на основе многочастичной теории и теории элементарных взаимодействий между нуклонами, составляющими ядро. Поэтому в ядерной физике первостепенное значение имеет построение нуклон-нуклонного потенциала.
На современном этапе развития теоретической физики элементарных частиц не существует последовательной теории сильного взаимодействия, на основании которой можно было бы получить такой потенциал. В связи с этим в настоящее время в теоретической ядерной физике используются разнообразные полуфеноменологические нуклон-нуклонные потенциалы, построенные на основе разных модельных подходов. Эти потенциалы включают центральную, спин-орбитальную и тензорную части и могут быть нелокальными. Единственное, что от них обычно требуется, это хорошее описание упругого NN-рассеявия двух нуклонов и свойств дейтрона. Однако, эти требования не определяют однозначно нуклон-нуконный потенциал, и, в принципе, различия между всеми имеющимися потенциалами должны проявляться как в системах из нескольких нуклонов, так и в описании неупругих процессов, т.е. в реакциях, в которых кроме двух нуклонов участвуют дополнительные частицы. Выявление таких реакций, в которых различия между потенциалами проявлялось бы наиболее ярко, является интересной и актуальной задачей по двум причинам. Во-первых, правильное описание таких реакций могло бы стать дополнительным требованием, которому должны удовлетворять предлагаемые потенциалы. Во-вторых, такие реакции могли бы выявить, какие именно различия между потенциалами являются существенными, а следовательно, дать толчок к развитию именно тех микроскопических подходов к описанию нуклон-нуклонной системы, которые дают более правильные нуклон-нуклонные потенциалы.
Существуют два основных подхода к построению нуклон-нуклонного потенциала. Это, во-первых, традиционная модель чисто мезонного обмена, и, во-вторых, по идее более фундаментальная модель, в которой нуклон-нуклонное взаимодействие строится на основе кварк-кластерного описания двух нуклонных систем. Этот подход к построению нуклон-нуклонного взаимодействия разработан пока лишь в простейших моделях в связи с общими проблемами непертурбативной квантовой хромодинамики. Потенциалы, основанные на первой модели, на малых растояниях характеризуются отталкивающим кором, в то время как вторая модель наряду с потенциалами, фактически близкими к потенциалам мезонного обмена, при определенных допущениях (например, о преобладании дветомагнитного взаимодействия кварков с симметрией дает на малых расстояниях потенциал совершенно другого типа - глубокий потенциал с запрещенными состояниями (Московский потенциал)).
Техника построения потенциалов мезонного обмена хорошо разработана, в настоящий момент Парижская и Боннская группы исследователей учитывают кроме одномезонных еще и двух-мезонные обмены. Эти потенциалы, характеризуются отталкивающим кором на расстояниях и 0.5 Фм и имеют серьезный недостаток — при их построении совершенно пренебрегают внутренней структурой нуклонов и поэтому они чисто феноменологически описывают нуклон-нуклонное взаимодействие на малых расстояниях. Наличие свободных параметров позволяет описать упругое нуклон-нуклонное рассеяние и свойства дейтрона потенциалами обоих упомянутых типов, если иметь в виду отталкивающую сердцевину ~ г~2 (Д.Байе). Очевидно, что различие между этими двумя типами потенциалов является принципиальным, и выявление верного подхода имеет фундаментальное значение.
В диссертации показано, что очень эффективной реакцией для исследований указанного различия является реакция тормозного излучения при протон-протонном рассеянии (рр —+ рру), т.к. она представляет собой простейший неупругий процесс, в котором кроме двух сильновзаимодействующих нуклонов участвует
третья частица - фотон.
Слабость электромагнитного взаимодействия, по сравнению с сильным нуклон-нуклонным позволяет описать реакцию рр —+ ppf, не учитывая в конечном состоянии перерассеяния фотона на протонах, и описывая методом искаженных волн взаимодействие двух протонов как в начальном, так и в конечном состоянии. Используются два основных подхода к описанию этой реакции. В одном из них амплитуда реакции выражается через протон-протонные Т~матрицы в импульсном пространстве, в другом — в виде матричного элемента оператора электромагнитного излучения по волновым функциям протон-протонной системы в координатном пространстве. Большая часть расчетов реакции РР ~* РР1 была проведена в Г—матричном формализме. Здесь чувствительность к типу NN-потенциала связана с тем, что в теорию входят амплитуды рассеяния вне энергетической поверхности. В координатном представлении в семидесятых годах был сделан расчет Л. Хеллером и М. Ричем. Здесь для потенциалов двух указанных типов различие результатов возникает непосредственно из-за различия волновых функций на малых расстояниях. Таким образом фотоны должны быть достаточно жесткими.
Оба подхода к расчету реакции рр — рру одинаково оправданы. Координатное представление более наглядно с точки зрения интерпретации и позволяет естественным образом учесть кулоновское взаимодействие между протонами, в то время как включение кулоновского взаимодействия в Т-матричное описание реакции рр — рру технически значительно сложнее. В диссертации использовался координатный подход для описания реакции тормозного излучения при протон-протонном рассеянии.
Данная диссертация посвящена разработке техники расчета наблюдаемых реакции рр —* рру (дифференциального сечения и анализирующей способности реакции), исследованию на этой основе возможности надежного выбора между Московским потенциалом и потенциалами с отталкивающим кором и определению таких кинематических условий, при которых такой выбор можно сделать.
Цель работы
-
Развитие формального аппарата теории тормозного излучения рр —* рру в координатном представлении.
-
Применение разработанного подхода для численного расчета наблюдаемых реакции рр —+ ррг( с использованием потенциалов с отталкивающим кором и Московского потенциала.
-
Поиск подходящих кинематических условий для постановки эксперимента по измерению наблюдаемых реакции рр -+ ppf, который позволит сделать надежный выбор между потенциалами с отталкивающим кором и Московским потенциалом.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Развит в деталях формализм для описания реакции рр —* pp-f в координатном представлении.
-
Впервые проведены детальные расчеты дифференциальных сечений и анализирующей способности реакции рр — pyy для потенциалов с отталкивающим кором и для Московского потенциала в области энергий пучка 300-450 МэВ в лабораторной системе при самых разных кинематических условиях.
-
Установлено, что дифференциальные сечения реакции, рассчитанные для Московского потенциала и потенциалов с отталкивающим кором, в указанной области очень доступных промежуточных энергий могут различаться в 4-5 раз при определенном выборе кинематики реакции. Важно также то, что фунциокальный характер зависимости сечения от угла вылета фотона при этом резко различается для потенциалов двух типов. Тем самым впервые предсказана возможность на основе экспериментальных, данных о дифференциальных сечениях реакции рр — рр-у сделать надежный выбор между двумя кардинально различающимися в области малых расстояний подходами к построению нуклон-нуклонного потенциала, а именно, между моделями мезонного обмена и
моделью Московского потенциала, учитывающей кварковую структуру нуклонов.
Научна* и практическая ценность работы заключается в следующем:
-
Детально разработан и изложен формальный аппарат теории тормозного излучения в координатном представлении.
-
Рассчитаны дифференциальные сечения и анализирующая способность реакции рр —* рру для широкого круга кинематических условий при энергиях протонов 300-450 МэВ.
-
Уточнен Московский потенциал для состояний протон-протонной системы с орбитальным моментом L > 2.
-
Найдены кинематические условия для постановки эксперимента по измерению дифференциального сечения реакции РР7> ПРИ которых можно уверенно различить Московский потенциал и потенциалы с отталкивающим кором, поскольку они предсказывают сечения, различающиеся в 3-5 раз и имеющие различную форму зависимости от угла вылета фотона 07.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием известных проверенных моделей и приближений теории рассеяния и квантовой электродинамики, а также хорошо разработанных методов математической физики при выводе необходимых для расчетов выражений. При энергии протонов 280 МэВ результаты совпадают с имеющимися результатами других авторов.
Обоснованность выводов а результатов следует из того, что предсказываемая разница сечений для потенциалов двух типов, полученная с высокой достоверностью, является очень существенной, далеко выходящей за пределы ошибок лучших в этой области экспериментов.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на Международных совещаниях "Ядерная
спектроскопия Е структура атомного ядра" (Санкт-Петербург, 1995 г.; Москва, 1996 г), на Международном симпозиуме "Дейтрон-95" (Дубна, 1995 г.); на XIII Международном семинаре по проблемам физики высоких энергий (Дубна, 1996 г.); на Международной конференции "QULEN97" (Осака, Япония, 1997 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Формальный аппарат теории тормозного излучения при протон-протонном рассеянии в рамках координатного представления с учетом кулоновского взаимодействия между протонами.
-
Уточнение Московского потенциала, описывающего протон-протонное взаимодействие, для волн с орбитальным моментом L > 2, согласующееся с данными фазового анализа.
-
Детальные расчеты зависимости дифференциального сечения и анализирующей способности реакции pjry от кинематических условий (в широком диапазоне их изменения) и типа потенциала.
-
Обнаружение широкой кинематической области при весьма умеренных энергиях протонов Елаб. ~= 350 — 500 МэВ, где имеется масштабное различие сечений, предсказываемых Московским потенциалом и потенциалами с отталкивающей сердцевиной, возможность экспериментально сделать надежный выбор между Московским потенциалом и потенциалами с отталкивающим кором.
Объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации, включая 1 таблицу и 55 рисунков, составляет НО страниц.
