Введение к работе
.Актуальность .проблемы, - Последние, двадцать- пять лет явились для фи-,
.зй^-.длененїар;та-^стіщ'-перйодвй бурного-развития, в результате кото
рого -основным»- обьёдташ исследования стали Аептоны и кварки. Причина
,эт<ЗГ{> обстоятельства ;за«лйчаетч:я^8' создании it. экспериментальном под- .
тчёрудении. таких $ундамшітадЬНиХ' tjoieде^ в теорій элементарных частиц
ка^'йвар'кова'я'іюдвіпь^ падтоинйя >іод*ль',.. модеіь .единого электрослабого
^зацмслЦсївия ц: кван'іовггя-'^ойоДраі^'а (-ЇВД>. Свда йе по праву можно
ойест_й.!^еТЬф.еаскварк<зву& мйпедь/ с-!вк\тйчённем; очарованного кварка-,
приказание, и'отирай»^ главных ообытий в фи-
^tae;тад?лщ;.квар.ков.'-;'г.''. -.'..'.;'.'.*>..'-,;.''
; ;\'Одни^и'?,&$>нсі развітаШ^^оя;вправлении.в физике высоких- энергий
іздяеїСя'.'исїтедо>^'#е'-іет^ адронов в леп-
tori^KJiOHHjn-( чаоіяр&т,- э .'неЛтрїшо^ані^е^рин^Г-нзгклоннмх) ив
вді|он-нуклюндаа ^аимодеіїствия» V. Интереск а'тим 'явленияи обусловлен
; іфеіав.-всего -totli,.''ifp' в-си^/больше*;м^с»с^, счозарЕСов можно без
учета радиг'цясхчнызс.: (глшйызг-); поправок- проверить'; оправедливость пер-
" «^aJf^pKeJR tQCJ^ в. {ииеании poigteffiw $чароБ'аяияі: С ІДругрй стороны, в
ївх. явлениях/-где. начхают. ^^^ ЮЩ,
: легче;вве^о" вцісниті и&роДь'_на':фэне-пер^ именно
-д^я'тяаелих кваглда^'Яс^ті^,ж'?еоретич9ск6е-.и;зксперідоентальное исследование'явлониА,- cSMaajflfifit с-решением тяяелцх/Юваркоэ'-в высокоэнерге-jjriecKOH:.рассеянии., 'занщйёг-йакйрб ;мёсгс- в; стременний*физике элемён-: .т~8р№ частиц. ': -ш\ .'.;';.'-.' ';>. V. " '.". ::"V:_-"-'}'->'. -'. -'"
'; Йо^'льву; очкро&адй1Ыа «іяро'й^'і^гу.^'^.сязіїі^ьюать 'jiuJ^MeiiTjTHBue распады, .'to :с;рдздёни^-'очарованнш]-кв^$рв фіазйваЛтеТг-тесно связаны мно-ґйШіщіе- (и 'Шіо'гб.ЩіфтввТ. я^^сЦ;:^Ев3^.оі;р8йі^Цї.-іруаднвем -,тдяью,:іге^р^о-іЄ^яж»йчЛ й- аїитйейтрі^'-яукіганта". глубоко-йеупругих'
pawii*Bv"f*sr?f до p^ff -*
: +. /iV"f (Р'Оразрйааис 'д^даптойов'';датда6по;лодаогр! знакаVі »'„11 » ц'ц'Х,
»-.^Т/»*Д Чоф^ и теоре-
таче^скр'е і^чеще'лодббнші'npoUe.fe^ в последние два
ле_йятвлётия.'л.'- :"-;'''-'-" "''.. ."
Что касается теоретического описания образования очарованных адро-
нсб е глуСоко-неулругих нейтрияо-нуклот.чух- соударениях-,, ^о оно надежно
объясняется ГИМ-ыеханиэмом1' Р соответствии с-этим механизмом еГтКварк
или морской s-кварк после взаимодействия, $о_ слась-м-їарйгсенньїл.током:
переходит в с-кварк, который затег'фрагііентйрует 6 ряарз?анный адррн,
в частности, в Д-кезон. Такой-'слогов Образования..очарования связан с
механизмом "мягкой" адрс-низашйг. при'которой-реальный "е-кварк,; образо
ванный в жестком процессе, фрагменіирует- л 'ад'р.сн -на 'бо;лгиих.'-р,аес'тіяни-
ях порядка і/Л (Л - стандартный да^красниЙ\па'ркі^р'.'ЮЦІ).. 'С ТЙ-ме'г
ханизілом, как оказывается, теіїно. св'яйако' ро&дзнп'е дилецтонов про'тиво-
полоетого знака2'. Действительно',' если' очарованней-адрон',/ образованный.
при помоли этого механизма, '.испытывает, гюлулептрнный распад'"с рождени-
ем положительно заряженного.ьвйн'а1 Іилй.позитрона.)',-'їо';ш додачей 'про
цесс uN * ц~ц*(е*)Х, ' '"'/'.'.;.'."..';.' ' -..'.'-.
Напротив, для описания процессов роаденяя ди'дептонов. одного знака, в глуооко-неупругкх нейтриш-нуклоняых -'coyдарения^. (ujf--*.ff(i~ie"-)X-). необходимо рассматривать оОразаванйе адронов-,'содержащих с-^варк, в;
частности, В-мззонов. В раджах.стандартной іюдаіи; хащр иэханизма&к являются3': каскадный, механизм;, втсдвч^та^. образование Ь-вБ&риа;.Механизм D-D смешивания:, и меУ-щих такие 'неп.ертур0ат"|щные. эффекты і- явлдатс?.кв4з.іш4рі6нній'ьіехщизм (КПМ)4), который-в свое Ере.мя.сил.еьірт.їуї'діа:-ойадсиеі»я'.лрфоіа.дяг лептонов одного зуака"в' нейзр^о^цукяЬннЬ*'соударениях.\В отличие от', пертурбативногр .Юф механизма.-' которйй рзсяй^трайа'ет'- роадеда^ 'рЦіаньпс-сс-кварков и и? лоследущуЪ еід^оикгациа цз. .сво^дного'. состояния; ;Ш1.
'' Glashow S.L. .Illiopqulos, J.vtfaiarii L. iftya'./ReV;.-, 1-970,y,D2,.p.:1,2a"5.
г) Abramowics Н. et al. .Z- &tye.Ue82;v.15,p;'19.' \
3' Barge* V. .Keung-W,X. .йгіДДрз J(.j\ii'. .Tiffs'. .Rey., J982/,f .D25,p. Щ?3,
41 Choban E.A. I. РЬуз..,19Э4;у;(;г5,р.269.- ' '"
рассматривает взаимодействие в виртуальном состоянии между 5-кварком из ассоциированной пары и легким кварком, провзаймодействовавшим со слабым током. Это взаимодействие кварк-антикварка ведет к образованию антиочарованных мезонов на малых расстояниях порядка 1/т (ие - масса с-кварка). Эти эффекты можно рассматривать как проявление жесткой ад-рон'лэадии, т.е. перехода на малых (по сравнений с 1/Л) расстояниях сильно виртуальных кварков в бесцветную систо'.у, которая, уходя на большие расстояния, приобретает морскую структуру и превращается в реальный адрон. В работе*', было показано, что рассматриваемое взаимодействие кварков приводит к усилению вклада КПМ по сравнегаш с вкладом пертурбативного КХД-механизма. Усиление обусловлено резонансным характером взаимодействия виртуальных и-,- с- (d-, с-) кварков при образовании iJ-мезонов. Таким образом, в рамках КПМ можно рассматривать следующий процесс: ні » n'D'^X. Оценки показывают, что отношение сечения образования ~, предсказываемое КПМ, к инклюзивному сечению есть величина порядка tO*3. Если сравнять эту оценку с приводимыми выше относи-
тельными вкладами каскадного" механизма, D~D-смешивания и пертурбативного КХД-механизма ассоциированного сс-рождения, то ясно, что вклад
КПМ в,образование 0-мезонов является доминирующим. Такой величины отношения сечений могло бы быть достаточно для' того і чтобы Д-мезоны были наблюдаемы в нейтринном эксперименте на существующих ускорителях.
Поэтому, образование і>-мезонов в нейтрино-нуклонных соударениях могло . бы быть использовано в качестве средства экспериментальной проверки предсказаний КПМ.
Как отмечалось вше, КПМ был выдвинут для объяснения природы ди-лептонов одного знака (ДОЗ) в нейтрино-нуклонных соударениях. Действительно, образование Д-мезоиов и образование ДОЗ тесно связанй. Если в
процессе ицН.+ n~DX 0-мезои испытывает полулептонкый распад 2) -» . » (Г(е~)Х, то мы имеем процесс, где образуются ДОЗ: vjl » ц~ц~іе~)Х. Димюоны одного знака в процессах vjl * м~/*~Х,~Гу(г -* Ц Ц*Х были исследованы многими экспериментальными группами. При этой, значения, полу-
ченные в экспериментах3*, для отношения сечения образования ДОЗ к инклюзивному сечению оказались много меньше значений, полученных более ранними экспериментами61. Как показано в работе, последние недооценивали вклад одного из основных фоновых источников, а именно, Вклад по-лулептонных распадов я-мезонов и К-мезонов, образующихся в адроннрй струе. Иными словами, недооценивался вклад димюонов "непрямого" рождения (т. е; от распадов п,'Я-мезонов), чья природа-хорошо известна. В свою очередь это приводило к увеличению связанного с "прямым" рождением димюонов"сигнала и его кажущейся статистической значимости.
Как следует из экспериментальных данных, характерной особенностью событий с ДОЗ является ассимметрия в распределении анергии между двумя мюонами Е„ > Е., . Авторы многих из указанных выше экспериментов отме-
чали, что второй (медленный) мюон образуется в результате полулептон-ного распада антиочарованной частицы» и, поэтому, для теоретической интерпретации событий с прямым рождением ДОЗ необходимо привлечение
моделей, описывающих рождение с-кварка. Уже упомянутые механизм D-D-смешивания и каскадный механизм, включающий образование b-кварка либо не могут объяснить экспериментальные данные, либо противоречат им4'. Из анализа экспериментальных данных следует, что в рамках стандартной модели единственно возможным источником для ДОЗ является образование глюоном ассощшрованной сс-пары. Однако, вычисления в рамках пертурба-тивной КХД приводят к сечению образования ДОЗ примерно в 30 раз меньшему, чем сечения, наблюдавшиеся в эксперименте..
. Возвращаясь к квазипартонному.механизму, подчеркнем, что его вклад в полное сечёнйе образования. ДОЗ является доминирующим4'. Также отметим, что предсказания КШ4) для полных сечений различных процессов (включаяобразование ДОЗ в yif-соударенйях) находились в хорошем согласии с имеющимися экспериментальными данными61. В связи с этим является актуальным дальнейшее изучение КШ и получение его предсказаний
> Burkhardt Н. et al. Z. Phys.,1986,v.C31,p,39; Iang К. et al. Z. Phys.,1987,v.C33,p.483; Schumm B.A. et al. Phys. Rev.,Lett.,1988, у.60,рЛб18.
1 їгілко T. et al. Phys. Rev.,1981,v.D23,p.1889; Jonker M. et al. Pir/s. bett.,1981,v.lOTB.p,241; Nlahikawa K. et al. Phys. Rev. Lett., 1985,7*54,p.1336.
4 '.'.'
не только для полных сечений образования ДОЗ, но и для различных кинематических распределений. С другой стороны, как отмечалось выше, в последние годы была выполнена серия новых экспериментов5', имеющих бо лее совершенные методики и набравших значительно большую статистику, чем предыдущие эксперименты6'. При этом для корректного сравнения новых данных с теоретическими предсказаниями становится необходимым при вычислении полных сечений и кинематических распределения провести последовательный учет.различных факторов, которые могут заметно повлиять на теоретические результаты. Речь идет, в частности, об усреднении сечений по энергетическим спектрам нейтринных и антинейтринных пучков, используемых в.соответствующих экспериментах, и об учете кинематического обрезания по импульсам обоих лептонов. (В экспериментах, где изучали образование ДОЗ, отбирали события, в которых р » pZln > Ри *
р1", где р11п, р11п - фиксированные параметры^)
Дальнейшей проверкой КШ явилось бы его применение к процессам в нейтрино-нуклонном и антинейтрино-нуклонном рассеяниях, идущих эа счет слабого нейтрального тока, и сравнение его предсказаний с соответствующими -экспериментальными данными. Речь идет, в частности, об образовании мюонов неправильного знака (МНЗ), которые были исследованы в нейтринных экспериментах несколькими группами7'. В дополнении к изучению взаимодействия нейтрино с нуклоном за счет заряженного тока v N * -» іГХ, эти группы также исследовали события с одним положительно заряженным мюоном в конечном состоянии v^ti *- д*Х. Находясь в рамках стандартной модели, следует сделать вывод, что данный мюон образуется, в процессах с.нейтральным током в адронной вершине нейтрино-нуклонного взаимодействия. Обычно цель изучения МНЗ заключается в поиске некоторых редких или экзотических явлений в рамках стандартной модели или эа
ее пределами, например, Д0-Л0-смешивание, нейтральные токи, изменяющие аромат, u-P-осцилляции и другие. При этом в качестве фона рассматриваются процессы типа vjl * ц*Х, идущие за" счёт примеси дц к иц-пучкам, а также полулептонныа распады л- и К-мезонов, образующихся в адронном ливне. Отметим, что для объяснения МНЗ ГИН-механиэм не подходит, поскольку наличие слабого заряженного тока является существенной частью
71 Holder М. et al. Phys. Lett..l978,v.74B,p.277; Mlshra S.R. et al. Z. Phys.,1989,?.CU.p.187.
этого-механизма. Что касается ассоциированного рождения сс-пары, то вклад этого процесса, вычисленный в низшем порядке пертурбативной ЮЩ, оказывается слишком, малым, чтобы сыть заметным в таких экспериментах. (Отметим, что образование одиночных ИНЗ' в v tf-рассеянии происходит при атом за счет последующего полулептонного распада очарованного'адрона и нелептонного распада адрона, содерасашего с-кварк. > В то же время, учет непертурбативных з«фактов в ассоциированном сй-роашении, проводимый в рамках КПМ, может существенно увеличить вклад этого процесса в рождение МНЗ. Это, в свою очередь,- приведет к тому, что, с одной стороны, КПИ надо Судет учитывать как важный источник фона.для редких и экзотических процессов, упомянутых выше, а, с другой стороны, рождение МНЗ можно будет использовать как средство экспериментального изучения КПМ в процессах, идущих за счет слабого нейтрального ..тока!
ины и пря-вершине *.
Одной из все еще на ревенных проблем многомюоннсто рождения в нейтринных и антинейтринных пучках является проблема теоретической интерпретации неэлектромагнитного вклада в образование триыюонов. їримвон-ные события в процессах vjt -» уГуГ^Х, иц№ -» р*ц~ц*Х были исследованы многими экспериментальным)!.группами*?,9), Эксперименты указывают, что, по крайней мере, два различных механизма требуются для описания экспериментальных результатов. Один из этих механизмов рассматривает радиационное Образование димюонной пары мюоном из лептонной вері мое электромагнитное образование димюонной пары в адронной Анализ тримюонных кинематических распределений, полученных группой GDHS показывает, что вклад электромагнитного механизма составляет S) 25 + 30%. Теоретические предсказания для электромагнитного механизма, полученные в рамках кварк-партонной модели, не содержат подгоночных параметров и находятся в хорошем согласии с экспериментальными результатами. Следовательно, другой механизм (или механизмы) долаен объяснять неэлектромагнитный вклад в образование тримвонов, который в случае CDHS эксперимента составляет91 65 > 70.
В работе был предложен механизм адронного- образования димвонных
*' Benvehuti A» et al. Fhys. Rev. Iett.,1979,v.42,B.16,p.1024. 9) Нала! Т. et al,- Hucl. Phys.,19T8,viBf42,p.i381. ' '. ,0> Smith J,, Vermaseren J.A,M, Phys. Rer..l97a,v.Dt7,p.2288, tt) Barger V.. пар в стандартном нейтрино-нуклонном рассеянии за счет заряженных токов. Он основывается на использовании в уц(Ру)-каналах данных по реакции ntl -* juVX В этой модели Я-бозон-нуклонная амплитуда образования дишоонов їїН -* ц*ц~Х заменяется, на амплитуду гшон-нуклонного рассеяния пН -* й+м~Х. Однако, в отличие от электромагнитной компоненты, нормировка адронной не основывается на каком-либо теоретическом рассмотрении. Нормировка адронной' компоненты, .основанная на данных по реакции п8 -» » ц*1х~л, дает слишком маленький результат'". Поэтому, для того, чтобы достичь согласия между теорией и экспериментом, вычисленный вклад адронной компоненты умножают на фактор 2.5. Кроме того, существует серьезный довод, выдвинутый в работе*21,' против замены амплитуды Ш -» у?\ГХ амплитудой тїН:-* uV*- Этот довод состоит в том, что образование пары мюонов в тУ-реакции является процессом, сохранявшим четность, в то время какJW-взаимодействие нарушает четность максимальным образом. Как следует из работы13', такая замена может быть-сделана только по порядку величины, и, следовательно, она не дает права рассчитывать на большую точность. Поэтому, в частности, приходится вводить фактор 2.5. Таким образом, механизм адронного образования''' может объяснить только порядка 40% неэлектромагнитной компоненты, и следовательно для интерпретации экспериментальных данніа необходимо рассмотрение дополнительных механизмов. ' ; Одним яз механизмов, дающих Зц-события, является механизм ассоциированного образования с5-пары3' с пойледувдими полулептонными распадами обеих очарованных частиц. Однако вклад этого механизма31, вычислен-/ный в низшем порядке пертурбативной КХД, слишком мал, чтобы быть заметным в таких экспериментах. В работе1 - для объяснения части 3/і-собьі-тий была использована простая феноменологическая модель, включающая малую непертуроативнув сс-коштоненту в функции фрагментации легких кварков. Как следует из работы'3', вклад данного механизма составляет примерно 45% неэлектромагнитной компоненты в CDHS эксперименте9'. Но, необходимо отметить, что авторы работы'3', использовали бренчинг BR(c -» і ц*Х) -20. тогда-как в настоящее время разумное значение бренчинга Tung Wu-kl. Mel, Рііуз.,1979,7.В157,рЛ45. Smith J., Valenzuela G. Phya. Rev.,1983,v.D28,p.1071. составляет'"' около 10%. Это приводит к уменьшению вклада, вычисленного в работе'3), в 4 раза, что составляет лишь около 10 от экспериментального значения9'. И следовательно проблема объяснения Зд-событий неэлектромагнитной природы остается открытой. С точки зрения проверки справедливости КПМ, который также дает вклад в 3/л-события при полулептонных распадах обоих образующихся в рамках КПМ очарованных адронов, очень важно выяснить, не противоречат ли предсказания КПМ экспериментальным данным по другим различным процессам в адрон-нуклонном и лептон-нуююнном рассеянии» в частности, данным по тримюонам в 1>н(р^)#~соударениях. Целью работы является получение предсказаний КГІМ для образования многомюонных событий, очарованных адронов и МНЗ в нейтрино (антинейтрино (-нуклонных соударениях для выяснения вопросов о существовании явления жесткой адронизации кварков и справедливости рассматриваемого механизма. Научная новизна и практическая ценность. В диссертации впервые последовательно учтены в КПМ обрезания по импульсам мшнов и усреднения по спектрам начальных (анти)нейтрйно для ДОЗ. Впервые для ДОЗ получены: кинематические распределения по инвариантной Массе димшнов, по азимутальному углу между импульсами мшнов в плоскости ношальной к импульсу начального нейтрино, зависимость полного сечения от импульса обрезания, распределения по энергии, медленного мюона, по поперечному импульсу медленного мнюна относительно оси адрояного ливня. В диссертации впервые получены сечения и кинематические распределения рождения очарованных адронов в уд(Р^)/Моударениях, позволяющие по адронным каналам их распадов проверить справедливость КШ. В диссертации впервые рассмотрена возможность объяснения МНЗ в v(U )#-соударениях в рамках КШ за счет слабого взаимодействия с нейтральным током. Показане» что ЙНЗ могут быть объяснены без нарушения закона сохранения мюонного квантового числа. Получены кинематические распределения по энергии и поперечному импульсу мйона. . Впервые подробно получены предсказания КПй для образования тр'имісо-нов неэлектромагнитной природы ."Найдены кинематические распределения по Particle Data Group. Phys. Lett.',1990.v.239B,p.1. импульсам медленных мюонов, по их поперечным импульсам, по инвариантным массам мюонных пар, по азимутальным углам между импульсами быстрого и медленных мюонов. Показано, что механизмы ассоциированного рождения очарования (в частности, КІМ) дают малый вклад в образование три-мюонов неэлектромагнитной природы. Для защиты выдвигаются следующие результаты, полученные в диссертации: 1. В рамках КШ вычислены полные сечения прямого рождения D(D0)--мезонов в нейтрино(антинейтрино)-нуклонных соударениях с целью сравнения с предварительными экспериментальными, данными. 2.Изучены распределения по различным кинематическим характеристикам мюона и D(D)-мезона- в процессах иJI * ц~йХ, й Я -» fj.+DX. Используя вероятности полулёптонных распадов очарованных мезонов, получены функции обрезания по импульсам мюонов.' С помощью этих функций проведен последовательный,учет.экспериментального обрезания по импульсам медленных мюонов в многомюнных событиях. "'." Изучено влияние импульса обрезания и влияние усреднения по нейтринным спектрам на полные, сечения и кинематические распределения ди-лептонов одного знака. Получены и последовательно сравниваются с экспериментальными данными предсказания КШ.для.полных и дифференциальных сечений, усредненных по различным нейтринным (антинейтринным) спектрам. В рамках КПМ вычислены,дифференциальные сечения полуинклюзивных процессов, идущих за счет "обмена"слабым нейтральным' током: v (дц)И * * иц^ц)Г>е +--«» V'V'"* ^(^P"c:;+.vVV^((^)ff^t/(1^)Д"0с +..,. 6. Дано объяснение происхождению мйонов неправильного-згіакаї кото в у„(Р )№-рассеянии за счёт нейтральных токов. При этом, образование МНЗ не нарушает, закона сохранения„мюоннрго квантового числа. Получены предсказания для полных .сечений .й.разЩных^'кйнем'атических^распределе- ний-.мнз. -.- '^;"^Г.^л"і:^<І';і^Г;!ї!І!^!!,' 7. Проанализирован вклад КШ в образование'тримйбнов'нёзлектромаг- нитной природы в'^І^іtf-соударенияхіс.;целью;выяснения,гнеспротиворечат ли предсказания рассматриваемого,механизма экспериментальным дан- нда по тримюонам. С учетом обрезания по импульсам мюонов и усреднения по нейтринному спектру получены распределения по различим кинематическим характеристикам мюонов в /^""//-событиях. Проведено сравнение с соответствующими экспериментальными данными. Показано, что КШ дает значительные (или доминирующие) вклады в прямое образование О (D0)-мезонов, дилептоное одного знака и мюонов неправильного знака в нейтрино(антинейтрино)-нуклоннах соударениях и не противоречит экспериментальным данным по образованию тримюонов. Апробация диссертации. Основные результаты диссертации были доло Публикации. По результатам диссертации опубликовано ? статей. Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4тХ глав и заключения, содержит 157 страниц, включая 35 рисунков, 10 таблиц, а также библиографический список литературы из 104 названий.
рое состоит в том, что-МНЗ рохдавтся'в-результате'полулёптоНного' рас
пада соответствующего-очарованного мезона,'образованного в рамках КШ
жены на Конференции Отделения Ядерной физики АН СССР по адронным взаи
модействиям (Москва.ноябрь 1985)« на Конференции Отделения Ядерной
физики АН СССР по физике элементарных частиц и ядерной астрофизике
(Москва, январь 1938), на Второй конференции Отделения Ядерной физики
АН СССР по адронным взаимодействиям (Москва, ноябрь 1988), на Второй
конференции Отделения Ядерной физики АН СССР "Частшш и ядра при высо
ких анергиях" (Москва, ноябрь 1989), на ХІІІ Международном семинаре
"Проблемы физики высоких анергий и теории поля" (Протвино, июль 1990),
на Всесоюзной конференции по фундаментальным взаимодействиям элемен
тарных частиц (Москва, ноябрь 1990), на семинарах кафедры теоретиче
ской физики СПбГТУ в 1985-1392гг. ' - оПохожие диссертации на Многолептонные события и мооны неправильного знака в нейтрино-нуклонных и антинейтрино-нуклонных соударениях