Исследование эффектов нарушения пространственной и временной четности в дейтроне

Изучение процессов нарушения четности в ядерных взаимодействиях имеет достаточно долгую историю. С одной стороны, это многочисленные теоретические работы, с другой — очень скупые экспериментальные данные.

Для вычисления процессов нарушения четности в атомных ядрах, вообще говоря, необходимо вычислить диаграммы, описывающие взаимодействие кварков с обменом W± и £/°-бозонами. Несмотря на огромные успехи квантовой хромодинамики при описании высокоэнергетических процессов, она недостаточно эффективна для понимания ядерных явлений. Ввиду сложности описания на кварковом уровне удобно рассматривать соответствующие процессы как обмен между нуклонами эффективными бозонами. В этом случае описание сводится к диаграмме с одной сильной и одной слабой вершинами.

Нарушение Р-четности, зависящее от спина ядра, проявляется в появлении у ядер Р-нечетных электромагнитных моментов. У ядер со спином ½ и 1 существует один такой момент — анаполь. Анапольный момент был введен Я. Б. Зельдовичем [1]. Не будучи калибровочно инвариантной величиной, он рассматривался лишь как теоретический курьез до публикации работы [2], где было показано, что взаимодействие электрона с анапольным моментом тяжелого ядра усилено пропорционально площади ядра и является определяющим среди других Р-нечетных взаимодействий.

Кроме тяжелых ядер существует еще по крайней мере одно исключение, когда взаимодействие электрона с анапольным моментом ядра калибровочно инвариантно — дейтрон. Анапольный момент дейтрона сингулярен по массе 7г-мезона — малой в КХД-масштабе масс: I, а ~ —. тпг.

Этот факт позволяет выделить взаимодействие с анапольным моментом дейтрона среди прочих диаграмм порядка qzGf.

В различных подходах анапольный момент обсуждался в работах [2−10].

В работах [8−10] для анапольного момента дейтрона были приведены численные оценки, основанные на «наилучших значениях» констант слабого взаимодействия [11].

Большой рывок с экспериментальной точки зрения был сделан в 1997 году в Колорадо [12]. В этом эксперименте измерялась степень циркулярной поляризации фотонов в переходе между разными уровнями сверхтонкой структуры mCs. При этом автоматически отсекается та часть слабого взаимодействия, которая не зависит от спина ядра, так как она одинакова для всех уровней в сверхтонкой структуре. Полученное экспериментальное значение анапольного момента цезия оказывается в разумном согласии с теоретическими работами [2,3], если для констант мезон-нуклонного взаимодействия выбрать так называемые «наилучшие значения» .

Следующий кандидат для измерения нарушения четности — ядро 18i7', в котором два уровня с квантовыми числами Jp = 0~, I = 0 и Jp = 0+, 1 = 1 имеют очень близкую энергию, а потому хорошо смешиваются за счет Р-нечетного взаимодействия. Результат эксперимента со фтором указывает на значительно меньшую константу для 7г-мезонного обмена [13,14]. Расхождение между экспериментами со фтором и цезием может быть объяснено как некорректными «наилучшими значениями» констант слабого взаимодействия, так и погрешностями связанными с пренебрежением многочастичными эффектами при вычислении анапольного момента цезия. Многие исследователи склоняются к большой роли многочастичных поправок в анапольных моментах тяжелых ядер, что приводит к большому количеству публикаций на данную тему.

Нарушение Т-четности до сих пор наблюдалось только в распадах К0 и В мезонов. Теоретически оно снимает запрет на существование электрического дипольного момента (ЭДМ) у частицы со спином. Действительно, дипольный момент частиц в состоянии покоя может выражаться лишь через спин. Взаимодействие ЭДМ такой частицы с электрическим полем имеет вид.

U = —— sE. s.

При изменении знака времени электрическое поле знака не меняет, поскольку оно может создаваться покоящимися зарядами, а спин, как и орбитальный момент, изменяет знак на противоположный, и взаимодействие оказывается Т-нечетным.

Эксперименты позволили наложить лишь ограничения на ЭДМ элементарных частиц. Для электрона и нейтрона они равны соответственно.

4 = (0.69 ± 0.74) х 10~27ест, dn < (6-г 10) х Ю-26 е ст.

Идея об измерении электрического дипольного момента мюона появилась в связи с тем обстоятельством, что спин мюона коррелирует с направлением вылета электрона при /^-распаде. Полученное ограничение на ЭДМ мюона составляет dp = (3.7 ± 3.4) х10~19ест.

Ясно, что его измерение затруднительно из-за короткого времени жизни. Поэтому были предложены другие кандидаты для измерения электрического дипольного момента — тяжелые ядра. Основная трудность здесьвозникающая д — 2-прецессия спина. Дейтрон представляет особый интерес, поскольку у него эта прецессия мала (д — 2 = 0.143) и может быть устранена введением радиального электрического поля.

В настоящее время в Брукхейвене планируется эксперимент по измерению электрического дипольного момента дейтрона. Если такой эксперимент удастся, это предоставит очень ценную информацию о природе Т-нечетных ядерных взаимодействий.

Электрический дипольный момент дейтрона рассматривался в ряде работ [8,15,16].

Исследование нарушения Р-четности возможно на основе различных корреляций при ядерных реакциях. Первые теоретические шаги в исследовании Р-нечетных процессов начались в работах [17−21]. В работах [17,18] рассматривается Р-нечетная асимметрия в dj —" пр реакции, обусловленная линейно поляризованными фотонами. Для фотонов с энергией несколько мегаэлектронвольт рассматриваемая асимметрия значительно меньше, чем в случае фотонов с циркулярной поляризацией. Электрон-дейтронное рассеяние изучалось в работах [5,22−25]. Но исследование нарушения четности в этих процессах оказалось затрудненным из-за сильного фона, обусловленного нейтральными токами. Расщепление дейтронов поляризованными фотонами было рассмотрено в ряде работ [17−21,26−34]. Этот процесс интереснее, так как, несмотря на малость эффекта, нейтральные токи в нем отсутствуют.

Экспериментальные исследования нарушения четности в дейтроне и легких ядрах затруднительны в силу малости соответствующих эффектов. На данный момент получены лишь ограничения на значения таких эффектов [35−37].

Данная работа посвящена исследованию эффектов нарушения пространственной и временной четности в дейтроне. Ее целью является теоретическое вычисление Ри Т-нечетных характеристик дейтрона: анапольного, электрического дипольного и магнитного квадрупольного моментов, а также вычисление асимметрии сечения фоторасщепления дейтрона при различных энергиях и поляризациях начальных частиц.

Основные результаты диссертации состоят в следующем.

1. В киральном пределе вычислен анапольный момент дейтрона с учетом собственных анапольных моментов нуклонов. Взаимодействие электрона с анапольным моментом дейтрона имеет тот же вид, что и радиационные поправки к нейтральному току, вычисленные в работе [41]. Суммарный результат имеет достаточно высокую точность (с точки зрения ядерных расчетов) и дает надежду на экспериментальное обнаружение анапольного момента дейтрона.

2. Вычислены Т-нечетные моменты дейтрона: электрический дипольный и магнитный квадрупольный моменты. Показано, что в киральном пределе суммарный вклад в ЭДМ дейтрона от собственных электрических диполь-ных моментов протона и нейтрона равен нулю. В настоящее время особый интерес представляет результат для электрического дипольного момента дейтрона в связи с планируемым экспериментом в Брукхейвене.

3. Показано, что, независимо от конкретного вида волновых функций, вклад в асимметрию фоторасщепления Р-нечетного слабого взаимодействия, сохраняющего спин, равен нулю для неполяризованных дейтронов. Такая ситуация имеет место как раз для 7г-мезонного вклада, что исключает возможность измерения константы д в реакции с неполяризованными дейтронами.

4. Измерение слабой Р-нечетной константы д принципиально возможно лишь в реакции с поляризованными дейтронами. К сожалению, асимметрия в этом случае слишком мала (Л ~ 0.3 х Ю-8), чтобы можно было говорить о постановке эксперимента.

5. Асимметрия сечения расщепления неполяризованных дейтронов определяется обменом векторными ри о—мезонами, что приводит к ненадежным результатам, которые следует рассматривать как оценки. Максимальная величина асимметрии (при наилучших значениях констант Р-нечетного слабого взаимодействия векторных ри имезонов с нуклонами) составляет.

0.16 х Ю-7 и имеет место на пороге реакции. Существующее расхождение с результатами других авторов, а также расхождение результатов других работ, связано с сильной зависимостью асимметрии от вклада с?-волны в дейтрон. Численно вклад d-волны различен для разных модельных потенциалов и колеблется от 5.7% до 6.5%.

6. Получены также другие вклады малых расстояний, которые играют роль при энергиях фотона ш > 2.5 МэВ. Однако численные значения на порядок меньше вкладов малых расстояний вблизи порога.

Я очень благодарен И. Б. Хрипловичу за полезные дискуссии, ценные замечания и постоянный интерес к работе.

Заключение

.