Ассоциативное образование очарованных и странных частиц с большими поперечными импульсами в нейтринных реакциях

В настоящее вреия проблема количественной проверки предсказаний современной теории сильных взаимодействий — квантовой хромодинамики (КХД) — приобретает все более актуальное значение. Еще совсем недавно основное внимание, связанное с приложениями КХД к конкретным процессам, уделялось вычислением моментов структурных функций в реакциях глубоконеупругого взаимодействия.

4- лептонов с нуклонами ианнигиляции в адроны, а также некоторьы простейшим расчетам сечений других процессов в низших порядках по константе сильного взаимодействия. При этом сравнение первых предсказаний теории с экспериментальными данными приводило к качественному, а иногда и к полуколичественному согласию. Сегодня подобные вычисления для проверки предсказаний такой фундаментальной теории как КХД представляются лишь первым этапом и встает вопрос о более детальном теоретическом и экспериментальном исследовании процессов с участием адронов. В отличие от других теоретико-полевых построений (таких, как квантовая электродинамика, стандартная теория электрослабого взаимодействия) экспериментальная проверка КХД вызывает значительные затруднения, основное из которых заключается в тон, что теория и эксперимент в этом случае имеют дело с различными объектами. Хромодинамика, как калибровочная теория сильных взаимодействий, манипулирует с цветными кварками и глюонами, в то время как на опыте регистрируются реальные адроны. Поэтому каждое подтверждение основных представлений КХД возникает не как следствие какого-то одного эксперимента, а в результате осмысления целого ряда экспериментов по изучению различных процессов.

Основные предсказания КХД относятся к так называемым жестким процессам (к процессам с большими передаваемыми импульсами), в которых существенную роль играют взаимодействия кварков и глюонов на малых расстояниях. Возможность изучения жестких элементарных кварк-глюонных подпроцессов обусловлена свойством асимптотической свободы хромодинамики /1,2/, заключающемся в ослаблении взаимодействия между кварками и глюонами на малых расстояниях, что позволяет использовать при вычислениях методы теории возмущений (ТВ) /3,4/. Основой приложений КХД к различным реакциям при высоких энергиях является свойство факторизации сечений жестких процессов на сечение партонного подпроцесса, происходящего на малых расстояниях и вычисляемого по ТВ, и на не зависящие от процесса функции распределения кварков (глю-онов) в адроне по импульсам и фрагментации их в адроны в конечном состоянии. Последние процессы связаны с большими расстояниями. Справедливость такого разделения всего процесса на «жесткую» и «мягкую» стадии (малые и большие расстояния) была доказана во всех порядках ТВ и для всех жестких процессов, включая помимо вышеуказанных и такие сложные реакции как образование мюонных пар и частиц с большими поперечными импульсами в адрон-адронных соударениях /5,3/.

На этом пути удалось удовлетворительно объяснить многие из ранее наблюдавшихся явлений и получить большое количество новых предсказаний, нуждающихся в экспериментальной проверке. К последним, в частности, относятся: распределения по поперечному импульсу массивной лептонной пары в процессах Дрелла-Яна, корреляции между двумя частицами с большими поперечными импульсами в адронных взаимодействиях, угловые распределения адронных струй в процессах С Саннигиляции и распадах тяжелых квариониев и т. д. /6,7/. В настоящее время уверенное подтверждение на эксперименте находят такие специфические для КХД черты как векторный характер глюона (эксперименты по трехструйным процессам в аннигиляции € в адроны, спектроскопия кваркониев), прямое глюонглюонное взаимодействие (процессы с большими Д в адрон-ад-ронных соударениях). Однако более тщательной обработки требуют наблюдаемые в глубоконеупругих лептон-адронных взаимодействиях эффекты нарушения скейлинга в структурных функциях, которые при современных энергиях ускорителей могут быть обусловлены не только КХД-механизмами, но и предасимптотическими поправками импульса), отражающими физику больших расстояний /8,9/.

К типичным представителям жестких процессов относятся и реакции лептон-нуклонных соударений с образованием трех струй адронов в конечном состоянии /10−14/. В глубоко-неупругой области трехструйные цроцессы играют роль поправок первого порядка по константе сильного взаимодействия к процессам двухструй-ного типа, описываемым стандартной кварк-партонной моделью (КОМ) /15,16/. Некоторая часть предсказаний теории для таких трех-струйных процессов уже наша подтверждение в ряде экспериментальных исследований /17−19,24/ Заметные успехи КХД в объяснении с единой точки зрения многих явлений в физике высоких энергий обусловливают необходимость дальнейшей проверки и развития ее основных представлений.

В диссертации в рамках теории возмущений КХД исследуются процессы ассоциативного образования очарованных и странных частиц с большими поперечными импульсами (to, где tn — масса очарованного кварка) в реакциях нейтрино (антинейтрино)-нуклон-ных соударений. В результате подробного анализа свойств этих процессов установлено, что они предоставляют реальную возможность независимой проверки предсказаний КХД и выяснения фундаментальных механизмов реакций с участием глюонов в условиях современных и будущих нейтринных экспериментов. Особую важность и интерес рассматриваемые процессы представляют в вопросах извлечения из квадрат передаваемого адронной системе 4 м экспериментально наблюдаемых величин информации о глюонной компоненте нуклона и выявления истинных причин нарушения скейлинга в структурных функциях нуклона при конечных энергиях нейтрино. В этом отношении исследуемые реакции обладают рядом преимуществ, подробно обсуждаемых в диссертации, по сравнению с аналогичными реакциями, но с образованием пар легких частиц /14,20/, а также с процессами образования частиц с большими поперечными импульсами в адрон-адронных соударениях.

В первой главе диссертации излагается теоретический формализм, используемый для описания рассматриваемых процессов, и включающий, в частности, обоснование применимости приближения низшего порядка ТВ по константе оts КХД. На основе этого формализма получены аналитические выражения для импульсно-угловых спектров адронных струй, содержащих очарованные и странные частицы с большими, А. Детально исследованы предельные кинематил ческие области, определяемые соотношениями между величинами to, и Q, в которых значительно упрощается анализ полученных формул и облегчается понимание результатов точных численных расчетов. При этом особое внимание уделяется характерной для данных процессов области теоретического (в рамках теории возмущений КХД) и экспериментального исследования Q. В этой области, отсутствующей в трехструйных процессах, связанных с образованием легких кварков /12−14,20/, предсказываются качественно новые эффекты и, в частности, существование конечных состояний с симметричными относительно направления пучка нейтрино кварковыми струями с большими Д в л.с. Основные результаты главы I диссертации опубликованы в работах /21,22/.

Описание различных процессов в рамках теории возмущений КХД, в том числе и рассматриваемых в данной диссертации, как правило, осуществляется в терминах цветных состояний кварков и глюонов.

Наблюдаемые на опыте адроны и адронные струи возникает за счет взаимодействия кварков и глюонов на больших расстояниях э где t^p ~ I ГэВ — характерный масштаб сильных взаимодействий), V которые ТВ не контролируются. Однако большая величина массы очарованного кварка, обеспечивающая малость характерных для рассматриваемых процессов расстояний, вместе с упомянутой выше теоремой факторизации позволяет использовать четко сформулированные правила вычислений. Нерешенные проблемы удержания цвета иногда удается обойти выделением таких характеристик процесса, которые являются малочувствительными к стадии адронизации кварковых состояний, но в то же время несут информацию о жесткой стадии реакции, описываемой в рамках ТВ. Для исследуемых реакций предпочтительной величиной, измеряемой на эксперименте, оказывается средний квадрат поперечного импульса адронной (очарованной или странной) струи >, характеризующий ее глобальные кинематические свойства /19,23−24/. Нечувствительность величины > в эффектам дальнодействия проявляется в том, что она имеет конечный инфракрасный предел, когда совершается переход к нулевым значениям масс взаимодействующих кварков (гипотеза «инфракрасной стабильности» /25/, см. также /6,26/1.

Во второй главе диссертации проанализированы зависимость дифференциального сечения t и средних кинематических характеристик (в том числе и <�Д2>) рассматриваемых процессов от rА ' величины С^. Отдельно изучены вклады процессов взаимодействия промежуточных Vбозонов в различных поляризационных состояниях с нуклоном в наблюдаемые величины и определена их роль на различных участках исследуемого интервала значений Q. Важное место в этой главе занимает обсуждение возможности выявления различных динамических и кинематических факторов исследуемых реакций, приводящих к нарушению масштабной инвариантности при современных энергиях нейтринных (антинейтринных) пучков. В частности, в результате подробного анализа зависимости К Q*) > установлена существенная роль кинематических эффектов в формировании у этой величины характерной области роста и максимума. Основные результаты исследования, которому посвящена глава 2, опубликованы в работе /27/.

Возможность проведения всестороннего изучения редких процессов парного образования очарованных и странных адронов с большими Д на эксперименте требует значительного набора статистики событий, которого трудно ожидать в первых экспериментах по изучению обсуждаемых процессов. Однако, на начальном этапе поиска рассматриваемых процессов проверку теоретических предсказаний можно осуществить и при небольшой статистике интересующих нас событий. При этом следует сосредоточить внимание на изучении свойств реакций, таких как полное сечение, относительный выход искомых событий, полная множественность и множественность вторичных адронов в струях с большими Д и др. Идентификация рассматриваемых реакций на опыте облегчается тем обстоятельством, что все отбираемые события из-за большой величины Д должны иметь характерную трехструйную конфигурацию конечных адронов в с.ц.и. V" -бозон-нуклонного соударения (рис. 1.2).

Исследованию интегральных характеристик изучаемых реакций как функций энергии налетающего нейтрино посвящена третья глава диссертации. Предсказывается довольно быстрый рост абсолютной величины сечения исследуемых реакций, к которому приводят наличие фундаментальных КХД-механизмов (1.2) образования конечных состояний и фактора порогового подавления, связанного с большой величиной массы очарованного кварка и большим поперечным импульсом. На основе полученных результатов обсуждается вопрос о доле рассматриваемых процессов парного образования очарованных и.

— iOстранных адронов с большими поперечными импульсами в полном сечении нейтрино (антинейтрино)-нуклонного взаимодействия.

С (^iot) «а тшсже Б полном сечении образования очарованных частиц в пучках нейтрино и антинейтрино. Значения последних извлекались из экспериментальных данных по дилептонным событиям (типа f** и ^ в») /28−31/, обусловленным рождением и последующим распадом очарованных частиц в Нсоударениях. Получены предсказания для числа вторичных заряженных адронов в струях с большими поперечными импульсами и полной множественности заряженных частиц в результате сравнений с данными работы /32/. Проанализированы также свойства полных сечений элементарных актов взаимодействия промежуточных.

У «*- бозонов в различных поляризационных состояниях с глюо-ном, входящим в состав релятивистского нуклона, с образованием с s и? s кварковых комбинаций в конечных состояниях. Основные результаты исследований, полученные в главе 3 диссертации, опубликованы в работе /33/.

Стандартная процедура вычисления сечений и громоздкие формулы вынесены в Приложение А. В Приложении В обсуждается кинематика исследуемых процессов.

На защиту выносятся следующие основные положения: I. Трижды^дифференциальное сечение исследуемой реакции оказывается полностью факторизованным по своим переменным (при отсутствии нескейлинговых эффектов в функции распределения глю-онов) и контанте сильного взаимодействия) в кинематических областях Д*, М2^ Дг и.

Qг. При этом зависимость от переменных * (стандартная бьеркеновская переменная) и sZfa/Jty4- (W* -квадрат инвариантной массы конечных адронов) является прямым источником информации о функции, а зависимость от Дг проявляет простые степенные закономерности, не зависит от фор, | мы С) и отражает размерную структуру сечения. j.

2. Б кинематической области U ^ м в исследуемом процессе должна наблюдаться характерная пространственная конфигурация системы конечных адронов с симметричными относительно направления пучка V (кварковыми струями с большими Д в л.с. При этом подавляющий вклад в сечение реакции вносит обмен Wбозоном в состоянии с продольной поляризацией (вклад поперечно-поляризованных й/ -бозонов подавлен фактором Q/mz), а само сечение пропорционально квадрату массы очарованного кварка Ы1 и убывает с ростом Д* как.

3. При высоких энергиях (анти)нейтрино (Е? 40 ГэВ) дифференциальное сечение dtf/cfQ1 растет с энергией в определенном интервале значений Q, который сам линейно увеличивается с F. Зависимость величинквадрат инвариантной массы струй адронов с большими Д) и^Д > от Q2 характеризуется существованием области роста и максимума, причем качественный вид этих зависимостей довольно устойчив относительно варьирования различных динамических и кинематических факторов в дифференциальном сечении реакции.

4. Предсказывается быстрый рост полного сечения и относительного выхода рассматриваемых процессов с энергией С — в области асимптотических значений ~ сечение пропорционально? & 8. Полученные значения относительного выхода (в скейлинговом пределе) позволяют рассчитывать при — 100 ГэБ на наблюдение ~ I события ассоциативного типа с большими Д странного и очарованного адронов л" на 20 событий рождения очарованных частиц в Vпучке и на 40 событий — в Vпучке.

5. Результаты вычислений характеристик процесса оказываются. чувствительными к учету в функции d (z) и константе взаимодействия логарифмических КХД-поправок, зависящих от характерного для данных процессов масштабного параметра Кг.

2. 2 / при fb. получена оценка К2-^ 2/>l +). В частности, эти эффекты искажают степенные закономерности, отмеченные в п. 1, и приводят к подавлению дифференциальных сечений в области больших значений Д2 и QZ (Р, уп*~) по сравнению со скейлинговым случаем.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах /21,22,27,33/^ He0flH0KparpH0 докладывались на научных семинарах и конференциях МШИ, а также на сессиях Отделения ядерной физики АН СССР в 1980;1983 годах.

В заключение автор считает своим долгом выразить благодарность своему научному руководителю Е. Д. Шижину, а также Ю. П. Никитину и А. Б. Кребсу, без помощи и поддержки которых выполнение данной работы было бы невозможно. Автор благодарит сотрудников кафедры Теоретической ядерной физики МИФИ за поддержку в работе и консультации.

Заключение

.

В диссертации получены следующие основные результаты, которые автор выносит на защиту.

1. Предложен метод теоретического исследования в рамках КХД процессов ассоциативного образования очарованных и странных адронов (а также адронов, содержащих кварки, более тяжелые, чем CjS) с большими поперечными импульсами в нейтрино (антинейтрино)-нуклонных соударениях. На основе развитого теоретико—возмущенческого формализма получены аналитические формулы для дифференциальных спектров адронных струй, содержащих странные и очарованные адроны с большими Д. Для триждыдифференциального сечения как функции переменной Д2 в случае скейлинговых параметризаций глюонного распределения и константы сильного взаимодействия °/s предсказываются простые степенные закономерности в кинематических областях (t^vn'^fi, «.

4. Q1. Эти закономерности отражают размерную структуру сечения, не зависят от формы глюонной функции и потому должны быть универсальными.

2. Исследование триждьщифференциального сечения рассматриваемых процессов в вышеуказанных кинематических областях выявило его полную факторизацию по всем переменным. В результате, распределения по переменным Я и Яг порознь непосредственно отражают форму глюонного распределения d (?) ив благоприятных фоновых условиях эксперимента могут служить практически прямым источником информации о глюонной компоненте нуклона (и, в частности, о коэффициенте h, стоящем в показателе степени фактора U-ъ)).

3. Учет эффектов лагорифмических КХД-поправок, зависящих от характерного масштабного параметра КА, в функции распределения глюонов и константе продемонстрировал высокую чувствительность предсказаний к указанным эффектам. В частности, искажаются простые степенные закономерности, отмеченные в п. 1. Предсказывается также более быстрое падение распределений по переменным % и Хт, чем в скейлинговом случае. Полученное для характерной виртуальности к* выражение в пределе />* рп* имеет вид КА ^ + % .

4. Проведен подробный анализ вкладов сечений взаимодействия промежуточных W-бозонов с различными полэдизациями с нуклоном в полные сечения рассматриваемых реакций. Рост вкладов поперечнополяризованных Убозонов (левополяризованных в.

Vпучке и правополяризованных впучке) с Q приводит при высоких энергиях нейтрино (антинейтрино) к увеличению дифференциального сечения dff/^Q2 в определенном интервале значений Q, линейно растущем с энергией пучка. Так, при Е = 200 ГэВ сечение ^/оЮ* возрастает примерно в 2 раза в интервале О? Q* 10 ГэВ2.

5. Впервые указана и изучена кинематическая область небольших значений Q, отсутствующая в аналогичных процессах с участием легких кварков, в которой правомерно теоретическое исследование реакций ассоциативного типа с большими Д конечных частиц в рамках теории возмущений КХД. Эта область характеризуется наиболее простой кинематикой реакций и отличается характерной трехструйной конфигурацией системы конечных адронов. Установлено, что в указанных условиях возникает благоцриятная возможность для достаточно подробного изучения процесса взаимодействия продольнополяризованного V" -бозона с нуклоном, который является доминирующим в области t с образованием очарованных и странных частиц с большими Д в конечном состоянии.

6. Исследована зависимость средних кинематических характеристик рассматриваемых процессов от величины Q. Для зависимостей <, < и от Q предсказывается наличие области роста и максимума, причем характерный качественный вид этих зависимостей оказывается весьма устойчивым относительно варьирования различных числовых и функциональных параметров, входящих в выражение для дифференциального сечения. Показано, что существование при высоких энергиях нейтрино области роста и максимума в зависимости невозможно объяснить на основании одних лишь качественных оценок, связанных с динамикой процесса (по крайней мере для процессов ассоциативного образования тяжелых частиц с большими Д), и что в формировании закономерностей поведения *f>*CQl)> значительную роль играют кинематические особенности реакции.

7. Проанализировано поведение полного сечения и относительного выхода изучаемых процессов как функций энергии F налетающего нейтрино. Полное сечение, поведение которого в исследуемом интервале энергий (Е? 200 ГэВ) существенно определяется фактором порогового подавления, характеризуется довольно быстрым ростом с энергией и при Е~100 ГэВ находится примерно на уровне сечения простейших эксклюзивных процессов образования очарованных адронов в нейтринном пучке. Сравнение предсказаний относительного выхода с экспериментальными данными по димюон-ным событиям позволяет рассчитывать на наблюдение примерно I события ассоциативного типа с большими Д странного и очарованного адронов на 20 событий рождения очарованных частиц в пучке антинейтрино и 40 событий — в пучке нейтрино при Е «100 ГэВ.

8. Выполнено исследование поведения средних значений основных кинематических переменных в зависимости от энергии нейтрино. Предсказываемые абсолютные значения среднего квадрата инвариантной массы кварковой пары cs не позволяют ожидать образования значительного числа вторичных адронов, принадлежащих струям с большими h: кроме тяжелого очарованного и странного адронов эти струи должны содержать дополнительно одну-две легкие частицы (пионы). Полная множественность вторичных адронов для полученных значений * должна составлять порядка 54−8 заряженных частиц (при этом 2 «г-4 заряженные частицы с малыми Д будут принадлежать нуклонной струе) на один акт взаимодействия.