Введение к работе
Актуальность темы. Основой теоретического изучения физики элементарных частиц служит квантовая теория поля, в которой частицам сопоставляются взаимодействующие квантованные поля. Адекватной теорией сильных взаимодействий в настоящее время признана квантовая хромодинамика (КХД) — квантовая теория цветовых полей, кварков п глюонов, в которой наблюдаемые адроны рассматриваются как бесцветные локальные связанные состояния.
Наибольшие успехи КХД связаны с описанием сечений так называемых жестких процессов рассеяния (происходящих на малых расстояниях), в которых эффективная констант.я связи мала и расчеты можно вести по теории возмущений. Однако КХД сталкивается с трудностями там, где ощутимой становится стадия материализации фундаментальных квантов КХД — кварков п глюонов — в виде адронов, которые регистрируются экспериментаторами. Речь идет о процессах множественного рождения.
Отметим, что в пертурбативной КХД кварки и глюоны рассматриваются вдали от массовых спнгулярностей, характерных для инфракрасно нестабильных величин, к которым, в частности, относятся характеристики процессов множественного рождения (например, спектры и множественности партонов).
В множественном образовании адронов при высоких энергиях п больших переданных импульсах релевантными являются партонные (кварк-глюонные) степени свободы. Однако, чтобы описать процесс генерации адронов, надо знать не только как кварки п глюоны взаимодействуют друг с другом при соударении высокоэнергетпчеекпх частиц, но п как они распределены в сталкивающихся частицах и как затем фрагментпруют в наблюдаемые адроны. Как упоминалось выше, речь идет о виртуальных партонах.
Таким образом, помимо знания кварк-глюонпой динамики требуется квантовополевой формализм, позволяющий связать кварк-глюонные и адронные степени свободы. Такая же проблема возникает, если поставить вопрос об универсальности функций распределения партонов в жестких лептон-лептонных н лептон-адронных процессах рассеяния, с одной стороны, и в мягких адрон-адронных соударениях — с другой.
Задача теории — не только дать количественное описание процесса множественного рождения, но и нарисовать его картину в терминах фундаментальных полей. КХД — калибровочная теория и, оказывается, партонная (т.е. вероятностная) интерпретация адронорождения имеет место лишь в определенном классе калибровок. Нетривиальным является и вопрос о калибровочной инвариантности пнфракрасно нестабильных характеристик конечных частиц.
Одна из возможностей получить более богатую информацию о связи партонов с адронами состоит в использовании поляризованных пучков. При этом возникает задача изучения свойств поляризованных распределений кварков и глюонов в адронах. Знание этих функций, в свою очередь, позволяет судить о том, как спин адрона распределен между его составляющими.
Цель диссертационной работы — разработка методов вычисления характеристик множественного рождения адронов в жестких процессах рассеяния в пертурбативной квантовой хромодинамике с учетом непер-турбативных эффектов, связанных с распределением партонов в адронах; установление связи "жестких" и "мягких" распределений; изучение спиновой структуры нуклонов в терминах адронных констант.
Научные результаты и новизна работы
-
Выведено интегральное уравнение для средней множественности виртуальных партонов в глюонной струе, испущенной в жестком процессе, в инвариантных переменных с учетом эффектов когерентности. Аналогичное уравнение выведено в вероятностной схеме Альтарелли-Паризи.
-
Получено инклюзивное распределение по инвариантной массе бесцветного кварк-глюонного кластера в е+е~-аннпгиляшиі. Найдено, что с ростом энергии столкновения увеличивается число бесцветных кластеров, но не их инвариантная масса. Это дает основание применять гипотезу преконфайнмента для описания конечных адронных состояний.
-
Вычислены средние множественностп в е+е_-аннигиляцші в событиях с рождением пары тяжелых кварков. Предложенные формулы хорошо согласуются с экспериментальными данными по ЬЬ-событиям, в том числе полученными на ускорителях SLC и LEP. Зто говорит в пользу универсальности механизма множественного рождения при высоких энергиях через образование массивных глюонных струй.
-
Изучена множественная генерация частиц в глубоконеупругом рассеянии лептона на кварке. Показано, что отношение средних мно-жественностей частиц, летящих по току и по мишени, стремится с ростом энергии к единице, а полная множественность совпадает со средней множестве?шостью в е~ге_-аннпгиляцпи.
-
Вычислена множественность при численно малых значениях бьер-кеновской переменной, когда важную роль играет когерентность в излучения струй пространственно-подобным партоном.
-
Вычислена множественность адронов в глубоконеупругом лептон-нуклонном рассеянии с учетом непертурбативных эффектов (распределения кварков в нуклоне). Найдено, что она совпадает со средним числом частиц в е+е_-анігагпляшпі, взятым при эффективной энергии, для которой получено аналитическое выражение.
-
Показано, что при фиксированной энергии множественность есть монотонно растущая функция переданного импульса. Данное теоретическое предсказание сделано до обнаружения указанного роста множественности на эксперименте.
-
Получено выражение для инклюзивного спектра по доле импульса в глубоконеупругом процессе. Сделан вывод о том, что спектр мягких адронов определяется универсальной для всех жестких процессов величиной — функцией фрагментации глюона в адроны.
-
Доказано, что множественность виртуальных партонов в е+е~-аннн-гплящш — инфракрасно нестабильная величина — не зависит от выбора калибровочного вектора.
-
Доказано также, что полная множественность виртуальных партонов в глубоконеупругом рассеянии, равно как и число частиц, летящих в определенном направлении, есть калибровочно-пнвариантные величины.
-
В редже-эйкональном подходе получено выражение для амплитуды высокоэнергетпческого адроп-адронного рассеяния, допускающее ее интерпретацию в терминах взаимодействующих партонов.
-
Предложено общее разложение кварковых и глюонных композитных операторов по локальным полям наблюдаемых адронов. На основе
этого разложения установлена связь "жестких" партонных и "мягких" распределений.
-
Найдено, что аномальный вклад в спин протона составляет треть от суммарного вклада кварков.
-
Показано, что из регулярности формфакторов нзовекторного аксиального тока в нуле следует известное соотношение Гольдбергера-Треймана а также связь физических констант аксиальных и псевдоскалярных мезонов.
-
Частичное сохранение аксиального тока обобщено на спнглетный ток с учетом смешивания псевдоскалярных нейтральных мезонов. Выведено соотношение типа Гольдбергера-Треймана для спнглетного канала.
-
Матричный элемент аксиального спнглетного тока между поляризованными состояниями протона выражен через распадные константы аксиальных и псевдоскалярных мезонов и константы их связи с нуклонами; получены его численные оценки.
Практическая ценность работы. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при изучении множественного рождения адронов в столкновениях пептонов и адронов при высоких энергиях.
Апробация работы. Результаты диссертации опубликованы в работах [1-24] и докладывались на Международных семинарах по проблемам физики высоких энергий и квантовой теории поля (Протвино, 1984, 198G, 1990 гг.), Международном совещании по проблемам квантовой теории поля (Дубна, 1990 г.), Международном семинаре по проблемам физики высоких энергий (Дубна, 1994 г.), Семинаре "Кварки-86" (Тбилиси, 1986 г.), Семинаре "КХД-89" (Ленинград, 1989 г.), Международной конференции "Раконтр де Морионд" (Ле Арк, Франция, 1989 г.), сессиях Отделения ядерной физики АН СССР, семинарах Отдела теоретической физики ИФВЭ, семинарах Теоретического отдела ЦЕРН (Женева, Швейцария), семинаре Отдела высоких энергий Международного центра теоретической физики (Триест, Италия), семинарах отделений Национального института ядерной физики (Болонья, Падуя, Турин, Флоренция—Италия).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав основного текста и заключения, содержит список литературы (112 ссылок), 13 рисунков, 4 приложения. Объем диссертации 133 страницы.
