Феноменологическая квантово-полевая модель каонного водорода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Иванова, Виолетта Андреевна

• Иванова, Виолетта Андреевна
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иванова, Виолетта Андреевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКОЕ КВАНТОВО - ПОЛЕВОЕ ОПИСАНИЕ КАОННОГО ВОДОРОДА.

1 1 Волновая функция каонного водорода в представлении чисел заполне1 шя

1 2 Сдвиг и ширина энергетического уровня каонного водорода в основном сос гоянии Общая формула

13 Низкоэнергетическая tfopema ац + 3а0 =

14 Феноменологическая динамика сильных низкоэнергетических KN взаимодеиствии.

15 s - волновая амплитуда к р рассеяния вьлизи порога.

16 S - волновая амплитуда к fl рассеяния вблизи порога. . 34 1.7. Правило сумм.

1 8 Сдвиг и ширина энергетического уровня oci ювного состояния каонного водорода

19 сечения нижоэнергетическо! о неупругого и упруг ого к /7 рассеяния выводы

ГЛАВА 2. ПОПРАВКИ К СДВИГУ И ШИРИНЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ КАОННОГО ВОДОРОДА.

2 1 Поправка к сдвигу и ширине энергетическог о уровня ochobhoi о состояния каонного водорода за c4ft взаимодействии, нарушающих изоспиновую инвариантность

2 2 сдви1 энергетического уровня ос1 ювного состояния kaohhoiо водорода, инду1 (ированныи неупругими каналами К р —> Уж выводы

ГЛАВА 3. &kn])(Q) - ЧЛЕН АМПЛИТУДЫ УПРУГОГО KN РАССЕЯНИЯ.

3 1. Определение сkn "(0) -члена. 58 3 2 низкоэнергет ическая теорема мя1ких каонов для амплитуды упругог о к р рассеяния

3.3. Поправка к сдвигу энергетического уровня основного состояния каонного водорода за счет ст - члена

3 4 Оценка величины '' (0) - члена из экспериментальных данных по сдвигу энер1 етического уровня основного состояния каонного водорода

Выводы

ГЛАВА 4. СДВИГ И ШИРИНА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО УРОВНЯ ВОЗБУЖДЕННОГО Пр СОСТОЯНИЯ КАОННОГО ВОДОРОДА.

4 1. Сдвиг и ширина энергетического уровня возбужденного nl состояния kaoi того водорода Общие формулы

4 2. Феноменологическая квантово - полевая модель сильна о низкоэнергетического к р взаимодеиствия в р -состоянии

4 3 р-волновые длины упругого к р рассеяния

4 4 низкоэнерптическая теорема мягких каонов для амплитуды упру1 ого к р рассеяния и упругого р-волнового фона

4 5 р - волновые длины ^■а3!2> + атр упруго! о к р рассеяния и сдвиг энерге гического уровня возбужденного пр состояния каонного водорода

4 6 р - волновые длины рассеяния 2+ а\п неупругих каналов к р —> Yjt

4.7. Р-ВОЛНОВЫЕ ДЛИНЫ РАССЕЯНИЯ 2«з/+а\12 НЕУПРУГОГО КАНАЛА К р —» Е + К

4 8 Р-ВОЛНОВЫЕ ДЛИНЫ РАССРЯНИЯ + af/2 НЕУПРУГОГО КАНАЛА AT р —> £ 7Г+

Ц 4.9. Р-ВОЛНОВЫЕ ДЛИНЫ РАССЕЯНИЯ 2fl3/2 + Д,/2 НЕУПРУГОГО КАНАЛА К р —> S К

O^AV , aV „ V АО^О

4 10 Р-ВОЛНОВЫЕ ДЛИНЫ РАССЕЯНИЯ + #]/2 НЕУПРУГОГО КАНАЛА Л. рJ\ 7Г

4 11 ШИРИНА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО УРОВНЯ ВОЗБУЖДЕН! ЮГО Щ) СОСIОЯНИЯ KAOI1НОГО ВОДОРОДА 88 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 5. РАДИАЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДЫ Пр—> h + / В КАОННЫХ АТОМАХ, ИНДУЦИРОВАННЫЕ СИЛЬНЫМИ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯМИ.

5 1. РАДИАЦИОННЫЕ Пр 1.S + У ПЕРЕХОДЫ В КАОННОМ ВОДОРОДЕ . 90 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Феноменологическая квантово-полевая модель каонного водорода»

Адронные атомы - это атомоподобные системы, в которых электроны замещены отрицательно заряженными адронами, такими как (7Г ,К ) - мезоны, (E~,H~,Q~)- гипероны и р - антипротоны. Отрицательно заряженные адроны взаимодействуют с ядрами за счет кулоновского притяжения и образуют системы во многом подобные обычным атомам и молекулам. Простейшими системами такого типа являются адронные атомы водорода и дейтерия.

Несмотря на то, что ж~ - и К - мезоны и Г - гипероны имеют достаточно малые времена жизни тя =2,60x10"8сек, тк =1,24x10сек и тг = 1,48 х Ю~10сек [1] , которые обусловлены слабыми взаимодействиями, этих временных интервалов оказывается вполне достаточно для детального экспериментального изучения свойств адронных атомов.

Адронные атомы и молекулы находят много применений - от катализа ядерных реакций до исследования распределения электрического заряда и ядерной материи в ядрах. Они могут быть так же использованы и для точных измерений фундаментальных постоянных и как меченые атомы для моделирования химических реакций с участием атомарного водорода. Подобные исследования привели к развитию мощных методов изучения:

- размеров, формы и строения поверхности ядер,

- быстрых химических реакций с участием атомарного водорода,

- измерений с высокой точностью таких характеристик элементарных частиц как масса и магнитный момент [2].

Одно из основных приложений адронных атомов в ядерной физике и физике элементарных частиц - это изучение сильных низкоэнергетических взаимодействий адронов путем измерения сдвигов и ширин энергетических уровней основных состояний адронных атомов, индуцированных сильными низкоэнергетическими взаимодействиями [4-6].

Как было отмечено Далицем [3]: «Наиболее важные эксперименты в физике низкоэнергетических взаимодействий К - мезонов связаны с измерением энергетических уровней К р и К d атомов, вследствие их прямой связи с физикой KN взаимодействий и их полной независимости от всех других типов измерений, имеющих отношение к этим взаимодействиям».

Настоящая работа посвящена теоретическому изучению свойств каонного водорода в основном и первом возбужденном состоянии и сильных низкоэнергетических К р (KN) взаимодействий в S - и Р - волновых состояниях. Все теоретические величины определены в системе единиц н — с — \.

В пренебрежении сильных низкоэнергетических взаимодействий, вклад которых может быть учтен по теории возмущений, атомные энергетические уровни приближенно описываются решениями уравнения Клейна - Гордона для пионных и каонных атомов [7] и уравнением Дирака для барионных и анти - протонных атомов [8].

Экспериментально адронные атомы образуются в результате замедления отрицательно заряженных адронов в веществе. Это может быть, например, газообразный водород при температуре около Т = 25 К и давлении Р = 2bar при плотности молекулярного водорода р = 2,\г!л [4 - 6]. Адрон, выбивая электрон из атома водорода в основном состоянии с энергией связи Еи = -а2тс/2 = -\3,6\эВ, где а = 1/137,036 - постоянная тонкой структуры и те =0,51 МэВ/с2 - масса электрона [1], захватывается атомом с образованием высоковозбужденного состояния с энергией связи

Еп = -а2р!2пг =-а2те / 2 = -13.61э2?, где р - приведенная масса системы адрон - ядро, а п - главное квантовое число, определяемое неравенством п > ^р/ те 5 поскольку энергия связи адронного водорода в основном состоянии Еи = -а2 [л 12. Для каонного водорода с энергией связи в основном состоя

НИИ Еи=-аг/л12 = -Ш2МэВ при ^ = тктр1(тк + тр) = Ъ2Ъ,АШэВIс2, где тк = 493,68Мэ5/с и т =938,27МэВ/с - массы - мезона и протона [1], главное квантовое число удовлетворяет неравенству п > 25.

Возбуждение адронного атома в состоянии с главным квантовым числом п - л//^ те снимается за счет каскадных процессов, таких как: Оже - переходы и эффект Штарка, которые происходят без испускания у - квантов, и электрические дипольные переходы с одного энергетического уровня на другой, сопровождаемые испусканием у - квантов рентгеновского спектра. Когда отрицательно заряженный адрон достигает энергетических уровней с небольшим главным квантовым числом п ~ 2 - 5, переход адронного атома в основное состояние происходит за счет электрических дипольных переходов с испусканием у - квантов. При этом существенную роль начинают играть сильные низкоэнергетические взаимодействия, которые приводят к сдвигам и ширинам энергетических уровней адронных атомов.

При экспериментальном исследовании сдвигов и ширин энергетических уровней адронных атомов измеряются спектры рентгеновского у- излучения, которые позволяют получить информацию о сдвиге и уширении энергетического уровня основного состояния каонного водорода [4-6].

Недавно Коллаборацией DEAR [5] были получены следующие значения для сдвига и ширины энергетического уровня каонного водорода в основном состоянии г

- е,5 +/ -^- = (-\9Ъ ±37 (стат.) ± 6(сист.))+i(\25 ±56( стат.) ± 15 (сист.))эВ ,(1.1) где первая ошибка статистическая, а вторая - систематическая.

В настоящее время Коллаборации DEAR и SIDDHARTA готовят эксперименты по исследованию каонного водорода с точностью измерения порядка нескольких электрон-вольт [6].

Связь сдвига и ширины энергетического уровня адронного атома в основном состоянии с амплитудами сильных низкоэнергетических адрон - ядерных взаимодействий осуществляется с помощью формулы Дезера, Гольдберга, Баумана, Тирринга [9] и Трумана [10], то есть ДГБТТ формулы.

Согласно ДГБТТ формуле, сдвиг и ширина Ги пропорциональны S -волновой амплитуде реакции упругого рассеяния адрон + ядро —»адрон + ядро

-els+/^ = y/0(0)K(0)|2. (1.2)

Здесь {J. - приведенная масса связанной системы адрон - ядро, /о (0) - амплитуда реакции упругого рассеяния адрон + ядро —> адрон + ядро в S - волновом состоянии, вычисленная на пороге реакции, то есть при нулевом относительном импульсе в системе адрон - ядро. Для водородоподобных атомов шв [7], где ав = 1/сс/л - боровский радиус водородоподобного атома.

Амплитуда /0(0) упругого S - волнового рассеяния адрон + ядро —* адрон + ядро определяется сильными низкоэнергетическими взаимодействиями, которые описываются эффективными киральными лагранжианами с киральной SU(3) х SU(3) симметрией [11, 12]. Эффективные киральные лагранжианы с киральной SU(3) х SU(3) симметрией осуществляют лагранжеву форму реализации киральной симметрии квантовой хромодинамики (КХД) при низких энергиях взаимодействия, то есть при относительных энергиях взаимодействия меньше 1 ГэВ. В настоящее время КХД является общепризнанной теорией сильных взаимодействий адронов на языке обменов кварками и глюонами [13], которая возникла в результате развития кварковой модели адронов, предложенной Гелл - Манном и Цвейгом [14].

Согласно КХД [13], все адроны с массами порядка 1 ГэВ/с и меньше являются связанными состояниями трех кварков и - кварк (или «ир» кварк), d -кварк (или «down» кварк) и s - кварк (или «strange» кварк) с тремя «цветовыми» степенями свободы каждый Nc= 3. Взаимодействие между кварками происходит путем обмена глюонами, меняющими «цветовые» степени свободы кварков u, d, s. Наличие трех «цветовых» степеней свободы у кварков объясняется необходимостью правильного описания экспериментальных данных по распаду

7Г° - мезона на два У - кванта я-0 -> у + у и барионных резонансов таких как Д(1232)-резонанс с массой тА =\232МэВ/с2 [13,14].

Математически три степени свободы кварков описывают калибровочной группой симметрии SU(3)c. Кварки и глюоны принадлежат фундаментальному Зс и присоединенному 8С представлениям группы SU(3)C, соответственно [13]. На малых относительных расстояниях R « 1 ГэВ"1 = 0,20 Фм, что соответствует большим переданным импульсам р » 1 ГэВ/'с, кварки u, d и s - безмассовые и взаимодействие кварков с глюонами может быть описано по теории возмущений, поскольку константа кварк - глюонного взаимодействия в этой области переданных импульсов меньше единицы [13]. На больших расстояниях 0,20 Фм « R « Rc = 1/m^.=1,41 Фм константа кварк - глюонного взаимодействия больше единицы, что делает невозможным использование теории возмущений [13]. Напомним, что параметр Rc = 1/m^ =1,41 Фм называют радиусом «конфайн-мента цветовых состояний», то есть радиус пространственной области, за пределы которой R » Rc квантовые состояния с ненулевыми «цветовыми» степенями свободы выйти не могут [13]. Эффект запирания квантовых систем с ненулевыми «цветовыми» степенями свободы в области R » Rc приводит к экспериментально наблюдаемому факту, что все наблюдаемые адроны являются состояниями с нулевыми «цветовыми» степенями свободы. Иначе говоря, наблюдаемые адроны - это «бесцветные» или «белые» квантовые состояния [13].

Формирование адронных состояний в рамках КХД может происходить по следующей схеме [15-19]. Согласно общим свойствам КХД [13] кварк - глю-онная система на больших относительных расстояниях, то есть при малых переданных импульсах, проходит следующие непертурбативные фазы: 1) «низкоэнергетическая кварк - глюонная фаза или фаза «низкоэнергетической КХД»,

2) адронная фаза или фаза формирования наблюдаемых адронов, то есть «бесцветных» квантовых состояний, и 3) ядерная фаза или фаза формирования ядер таких как дейтрон, гелий и другие.

Используя метод континуального интегрирования, непертурбативные фазы КХД могут быть представлены следующей последовательностью преобразований [15]. Для этой цели рассмотрим амплитуду перехода вакуум -» вакуум, представленную континуальным интегралом:

Z=\DqDqDAe,P'e"'<"-», (1.3) где интегрирование выполняется по полям кварков q, антикварков q и глюонов

Л1. с учетом полей «духов» Фадеева - Попова [10]; , А) - полный лагранжиан КХД с фиксированной калибровкой и детерминантом Фадеева - Попова.

Интегрируя по высокоэнергетическим кварк - глюонным флуктуациям, ограниченным снизу энергиями порядка масштаба СНКС ГэВ, мы получаем следующий вакуумный функционал:

Z=\DqDqDae'№D{°'*"), (1.4) где L%ffD (q,q,2 + а) - эффективный лагранжиан, описывающий сильные низкоэнергетические взаимодействия кварков и глюонов в «низкоэнергетической кварк - глюонной фазе КХД». Здесь соответствует вкладу непертурбатив-ных конфигураций глюонных полей ответственных за формирование линейно -растущего кварк - кваркового и кварк - антикваркового потенциала, который обеспечивает конфайнмент кварков и антикварков на больших относительных расстояниях, а сР - глюонные поля, флуктуирующие вокруг непертурбативных глюонных конфигураций

Интегрируя далее по полям глюонных флуктуаций cf, получаем вакуумный функционал:

Я l"wlmulti-4uark couplings) (15)

Этот функционал описывает эффективную теорию кварков и антикварков, взаимодействующих при относительных энергиях порядка Лх = \ГэВ и меньше.

На феноменологическом уровне результат интегрирования по флуктуаци-ям глюонных полей может быть представлен в виде феноменологических локальных лагранжианов многокварковых взаимодействий, ответственных за появление многокварковых коллективных возбуждений [15].

Кварк - антикварковая система с эффективным лагранжианом Leff(q,q,local multi-quark couplings) нестабильна по отношению к СНКС и адронизации. Превращая кварковые степени свободы в адронные, то есть адро-низируя кварк - антикварковую систему, получаем вакуумный функционал в форме континуального интеграла, где интегрирование выполняется только по адронным степеням свободы:

Z = J/Ж,DBIDMhDBhe ^^(М' 'BlMh'Bh), (1.6) где Mi, Bi и Mh, Bh - локальные интерполирующие поля мезонов и барионов. Индексы / и h соответствуют легким адронам с массами порядка 1 ГэВ/с и меньше, и тяжелым адронам с массами больше 1 ГэВ/с2.

Для практического анализа сильных низкоэнергетических взаимодействий легких [11, 12] и тяжелых [20] адронов эффективный лагранжиан h,Bh) может быть аппроксимирован эффективными киральными лагранжианами, описывающими сильные низкоэнергетические взаимодействия легких и тяжелых адронов в «адронной фазе КХД».

Интегрируя по степеням свободы тяжелых адронов, определяемых полями Ми и В^ получаем вакуумный функционал в форме континуального интеграла только по степеням свободы легких адронов:

Z = . (1.7)

При низких энергиях взаимодействия результат интегрирования по полям тяжелых адронов может быть представлен феноменологическими локальными лагранжианами многобарионных коллективных возбуждений с квантовыми числами ядер.

В терминах локальных интерполирующих полей ядер вакуумный функционал (1.7) принимает вид:

Z= \ (1.8) где d, 3Н, 3Не, 4Не - интерполирующие поля дейтрона, трития, гелия - 3 и гелия - 4, соответственно. Эти ядра могут быть рассмотрены как коллективные возбуждения нейтронов и протонов со структурой: (пр), (ппр), (прр), (ппрр). Многоточие обозначает вклад более тяжелых ядер. Вакуумный функционал (1.8) описывает «ядерную фазу КХД», когда ядра взаимодействуют друг с другом и легкими адронами при низких энергиях.

В рамках феноменологической квантово - полевой модели дейтрона эффективный лагранжиан Lejj(MlfBltd, Н, Не, Не,.) был использован для описания низкоэнергетических характеристик дейтрона: 1) энергия связи, 2) электрический квадрупольный и магнитный дипольный моменты, 3) доля А(1232)х Д(1232) состояния в волновой функции дейтрона, 4) доля D - волнового состояния дейтрона по отношению к S - волновому состоянию дейтрона, а так же сечений реакций низкоэнергетических взаимодействий с участием дейтрона р+p^>d + e+ + ve, ve + d->р + р+е~ и так далее, и парциальные ширины энергетического уровня пионного дейтерия в основном состоянии [15-19].

Актуальность работы

Квантовая хромодинамика (КХД) - современная теория сильных взаимодействий - хорошо описывает взаимодействия адронов на языке кварков и глюонов при высоких и сверхвысоких энергиях, то есть там, где применимо описание взаимодействий по теории возмущений. В области низких энергий взаимодействия, где теория возмущений не применима, КХД аппроксимируют эффективными киральными лагранжианами с киральной симметрией, где силь-новзаимодействующие частицы - адроны рассматриваются как элементарные частицы и описываются локальными интерполирующими полями.

Константы взаимодействия адронов в эффективных киральных лагранжианах связаны киральной SU(3) х SU(3) симметрией. Численные значения этих констант определяют амплитуды низкоэнергетического взаимодействия адронов при нулевых относительных переданных импульсах.

В связи с этим исследование квазистабильных адронных систем с малыми относительными импульсами является актуальной проблемой современной физики адронов. Одной из таких квазистабильных систем является каонный водород - связанное состояние К' - мезона и протона. Относительный импульс К~ - мезона и протона в основном и возбуждённых состояниях порядка 2 МэВ/с, что делает каонный водород прекрасной лабораторией для экспериментального и теоретического изучения низкоэнергетических взаимодействий К' - мезонов с нуклонами.

Цель работы

Целью работы является развитие феноменологической квантово - полевой модели сильных низкоэнергетических KN взаимодействий в S - волновом состоянии, предложенной в работе [22], путем: 1) введения понятия резонансного барионного фона с квантовыми числами унитарного октета Jp = ^ и последовательного изучения его вклада, 2) вычисления сечений упругого и неупругого KN рассеяния вблизи порога, 3) вычисления поправок к сдвигу и ширине энергетического уровня основного состояния каонного водорода за счет вклада неупругих каналов KN рассеяния и взаимодействий нарушающих изотопическую инвариантность, а также 4) расширения этой модели на описание сильных низкоэнергетических KN взаимодействий в Р - волновом состоянии и в вычислении сдвига и ширины энергетического уровня каонного водорода в возбужденном 2р состоянии.

Результаты полученные в работе

В работе получены следующие результаты: вычислены S - волновые амплитуды K~N рассеяния на пороге и сдвиг и ширина энергетического уровня каонного водорода в основном состоянии. Результат вычисления хорошо согласуется с экспериментальными данными Коллаборации DEAR; вычислена поправка к уровню энергии основного состояния каонного водорода, индуцированная вкладом неупругих каналов К~р рассеяния: К~р -»1*7!*, К'р -> SV и К~р -> AV; вычислена поправка к сдвигу и ширине энергетического уровня каонного водорода в основном состоянии за счёт нарушающего изотопическую инвариантность взаимодействия; выполнена оценка сигма - члена KN рассеяния из экспериментальных данных Коллаборации DEAR по сдвигу энергетического уровня каонного водорода в основном состоянии. Полученный результат свидетельствует в пользу гипотезы об отсутствии составляющих s - кварков в структуре протона; вычислены Р- волновые длины упругого и неупругого К~р рассеяния и сдвиг и ширина энергетического уровня каонного водорода в первом возбуждённом 2р состоянии. Результаты вычисления хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными, полученными путем измерения спектров и интенсивностей X - лучей, обусловленных каскадными переходами в каонном водороде.

Научная новизна

Впервые получены теоретические значения сдвига и ширины энергетического уровня каонного водорода в основном состоянии, зависящие от S волновой амплитуды К~р рассеяния в согласии с экспериментальными данными Коллаборации DEAR.

2. Впервые вычислена поправка к уровню энергии основного состояния каонного водорода, индуцированная вкладом неупругих каналов К~р рассеяния: К-р-ьТ^я*, К~р -»I°;r0, К~р А0я"0.

3. Впервые вычислены поправки к сдвигу и ширине энергетического уровня каонного водорода в основном состоянии за счёт нарушающего изотопическую инвариантность взаимодействия.

4. Впервые сделана оценка сигма - члена S - волновой амплитуды KN рассеяния из экспериментальных данных Коллаборации DEAR.

5. Впервые вычислены сдвиг и ширина энергетического уровня каонного водорода в первом возбуждённом 2р состоянии. Результаты вычисления хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными, полученными путем измерения спектров и интенсивностей X - лучей, обусловленных каскадными переходами в каонном водороде. Практическая ценность

Полученные результаты могут найти практическое применение в таких разделах физики, как квантовая теория поля, физика низкоэнергетических взаимодействий адронов, физика атомного ядра и элементарных частиц и при интерпретации экспериментальных данных, получаемых в настоящее время на крупнейших ускорителях мира. Результаты работы необходимы для:

1. проектирования экспериментов по исследованию адронных атомов,

2. экспериментального исследования механизма взаимодействия К'- мезонов с нуклонами при низких энергиях.

3. для планирования экспериментов по измерению сдвигов и ширин основного состояния каонного дейтерия Коллаборации DEAR во Фраскати (Италия).

4. дальнейшего развития метода эффективных киральных лагранжианов Основные положения выносимые на защиту

1. Резонансный барионный фон с квантовыми числами унитарного октета тр Г

J = - играет важную роль для описания сильных низкоэнергетических

KN взаимодействий вблизи порога.

2. Основными поправками к сдвигу и ширине энергетического уровня основного состояния каонного водорода являются поправки за счет кинематически - разрешенных неупругих каналов К'р рассеяния, обусловленных сильными низкоэнергетическими взаимодействиями и взаимодействиями, нарушающими изотопическую инвариантность.

3. Экспериментальные данные Коллаборации DEAR согласуются с отсутствием составляющих странных кварков в структуре протона.

4. Барионные резонансы с квантовыми числами унитарного октета и деку

1+ 3 + плета Jp = - и / =- доминируют в Р - волновых длинах упругого и неупругого К~р рассеяния в близи порога. Публикации

По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Апробация работы

Результаты работы были доложены:

1. на семинарах Института Атомной и Ядерной физики Венского технического Университета 2004 - 2005 г.,

2. на семинарах Института Субатомной физики им. Штефана Майера Австрийской Академии Наук 2004 - 2005 г.,

3. на семинарах Института Ядерной физики и Физики Элементарных Частиц Венгерской Академии Наук (г. Будапешт) 2004 - 2005 г.,

4. на международной конференции по адронным атомам в Институте Теоретической физики Бернского Университета (9-10 фераля 2005 г., Берн, Швейцария),

5. на международной конференции по экзотическим атомам ЕХА-05 в Институте Субатомной физики им. Штефана Майера Австрийской Академии Наук (21 - 25 февраля 2005 г., Вена, Австрия). Содержание и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, 5 глав, заключения и списка использованной литературы источников. Объем диссертации составляет 108 стр., в том числе 3 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 75 наименования.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Иванова, Виолетта Андреевна

Результаты работы были доложены: 1. на семинарах Института Атомной и Ядерной физики Венского технического Университета 2004 - 2005 г.,

2. на семинарах Института Субатомной физики им. Штефана Майера Австрийской Академии Наук 2004 - 2005 г.,

3. на семинарах Института Ядерной физики и Физики Элементарных Частиц Венгерской Академии Наук (г. Будапешт) 2004 - 2005 г.,

4. на международной конференции по адронным атомам в Институте Теоретической физики Бернского Университета (9-10 фераля 2005 г., Берн, Швейцария),

5. на международной конференции по экзотическим атомам ЕХА-05 в Институте Субатомной физики им. Штефана Майера Австрийской Академии Наук (21 - 25 февраля 2005 г., Вена, Австрия).

БЛАГОДАРНОСТИ

Прежде всего, я всего я хочу поблагодарить своего научного руководителя профессора Бердникова Ярослава Александровича за его поддержку в течение всей моей работы над диссертацией. Он всегда находил время обсудить со мной научные проблемы и подсказать их решение. Я благодарна профессору Космачу Валерию Федосеевичу за полезные замечания по диссертационной работе и поддержку в течение всей моей научной деятельности. Я благодарна моим соавторам за внимательное и терпеливое отношение ко мне и за поддержку в течение всей моей научной работы над решением наших общих научных задач. Я также благодарна всем сотрудникам кафедры Экспериментальной Ядерной Физики за многочисленные научные консультации и поддержку в течение всей моей работы и учебы на этой кафедре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации развита феноменологическая квантово - полевая модель каонного водорода и сильных низкоэнергетических KN взаимодействий в S волновом состоянии для описания упругого и неупругого К~р рассеяния при ненулевых относительных импульсах К~р пары и К~р взаимодействия в Р -волновом состоянии на пороге.

Вычислены с более высокой точностью комплексные S - волновые длины KN рассеяния путем введения резонансного барионного фона с квантовыми iP Г числами унитарного октета J = - .

Показано, что S - волновые длины упругого и неупругого К~р рассеяния хорошо описывают экспериментальные данные по сечениям упругого и неупругого К"р рассеяния.

Получены более точные теоретические значения сдвига и ширины энергетического уровня основного состояния каонного водорода, вычисленные без учета вклада от неупругих KN взаимодействий и взаимодействий, нарушающих изотопическую инвариантность.

Вычислены поправки к сдвигу и ширине энергетического уровня основного состояния каонного водорода за счет неупругих каналов K~p->Yn, и взаимодействий нарушающих изотопическую инвариантность.

Вычислены полный сдвиг и ширина энергетического уровня основного состояния каонного водорода с учетом всех основных поправок и сделана оценка -члена KN рассеяния из экспериментальных данных Коллаборации DEAR. Полученная оценка -члена подтверждает гипотезу об отсутствии составляющих s кварков (ss- компоненты) в кварковой структуре протона.

Вычислены сдвиг и ширина энергетического уровня возбужденного пр состояния каонного водорода за счет сильных низкоэнергетических KN взаимодействий в Р - волновом состоянии. Показано, что основной вклад определяется барионными резонансами с квантовыми числами унитарного октета и де

ТР 1 тР 3 куплета J = - и J = - .

Численные значения сдвига и ширины энергетического уровня возбужденного 2р состояния хорошо описывают экспериментальные данные по спектрам и интенсивностям Х- лучей Ка- серии каонного водорода [70].

Вычислены парциальные ширины радиационных переходов np->\s + у, индуцированных сильными низкоэнергетическими взаимодействиями и усиленных кулоновским взаимодействием.

Все результаты, полученные в диссертации, новые и опубликованы в хорошо реферируемых журналах.

Теоретическими методами исследования в диссертации являются хорошо разработанные и апробированные методы квантовой механики и квантовой теории поля сильных низкоэнергетических взаимодействий в рамках эффективных киральных лагранжианов.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертации, обусловлены хорошим согласием с экспериментальными данными и использованием стандартных хорошо проверенных методов теоретической ядерной физики и физики элементарных частиц.

Полученные в диссертации результаты используются для планирования эксперимента на ускорителе DA0NE во Фраскати по измерению сдвигов и ширин энергетических уровней каонного водорода и дейтерия, а также могут быть использованы для дальнейшего развития метода эффективных киральных лагранжианов для описания сильных низкоэнергетических взаимодействий адронов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Иванова, Виолетта Андреевна, 2006 год

1. Groom D. Е., et al. Review of particle physics // European Physical Journal. 2000. -V.C15. -P.l-878.

2. Бархоп Э. Экзотические Атомы // Успехи физических наук. 1972. Том 106. вып.З. 527-548 с.

3. Dalitz R. Н., et al. Theory of low-energy kaon-nucleon scattering // Proceedings of the Conference on "Hyper nuclear and Kaon Physics", edited by B. Povh, Max-Plank Institute Report MPI H-1982-V20 (MPI, Heidelberg). -1982. -P.201.

4. Marton J., et al. (the DEAR Collaboration), Results on Kaonic Hydrogen // Proceedings of the Conference on "Hadron Structure 2004". Smolenice Castle. Slovakia. -2005. -V.55. -P.69.

5. Beer G.,et al. (the DEAR Collaboration) Measurement of the kaonic hydrogen X-ray spectrum // Physical Review Letters. -2005. -V.94. -P.212302.

6. Ericson Т. E. 0. and Weise W. Pions and Nuclei // Clarendon Press. Oxford. -1988.

7. Шапиро И. С. Ядра из барионов и анти барионов // Успехи Физических Наук. 1978, том 125, 577 с.

8. Deser S., Goldberger М. L., Baumann К., and Thirring W. Energy level displacements in Pi-mesonic atoms // Physical Review. -1954. -V.96. -P.774.

9. Trueman T. L. Energy level shifts in atomic states of strongly interacting particles //Nuclear. Physics. -1961. -V.26. -P.57.

10. Gasiorowicz S., and Geffen D. A. Effective lagrangiens and field algebras with chiral symmetry // Review of Modern Physics. -1969. -V.41 .-P.531.

11. Wess J., and Zurnino B. Consequences of anomalous Ward identities // Physics Letters.-1971.-V.B37. -P.95.

12. Индурайн Ф. Квантовая Хромодинамика. Введение в теорию кварков и глюонов // Издательство "Мир". Москва. 1986.

13. Коккедэ Я. Теория Кварков // Издательство "Мир". Москва. 1971.

14. Ivanov A. N., Troitskaya N. I., Oberhummer Н., and Faber М. The Nambu-Jona-Lasinio model of light nuclei // European Physical Journal. -2000. -V.A7. -P.519.

15. Ivanov A. N., Troitskaya N. I., Oberhummer H., and Faber M. On the AA component of the deuteron in the Nambu-Jona-Lasinio model of light nuclei // European Physical Journal. -2000. -V.A8. -P. 125.

16. Ivanov A. N., Ivanova V. A., Oberhummer H., Troitskaya. N. I. and Faber M. On the D-wave state component of the deuteron in the Nambu-Jona-Lasunio model of light nuclei // European Physical Journal. -2001. -V.A12. -P.87.

17. Volkov M. K. and Wess C. A chiral Lagrangian for excited pions // Physical Review. -1997. -V.D56. -P.221.

18. Schweber S. S. An Introduction to Relativistic Quantum Field Theory // Row, Peterson and Co. Evanston. New York. 1961.

19. Ivanov A. N., M. Cargnelli, M. Faber, H. Fuhrmann, Marton J., Troitskaya N. I., and Zmeskal J. On kaonic hydrogen: Quantum field theoretic and relativisticcovariant approach // European Physical Journal. -2004. -V.A21. -P. 11 (nucl-th/0310081).

20. Ivanov A. N., M. Cargnelli, M. Faber, H. Fuhrmann, Ivanova V. A., Marton J., Troitskaya N. I., and Zmeskal J. On kaonic hydrogen: Phenomenological quantum field theoretic model revisited // European Physical Journal. -2005. -V.A 25. -P.329.

21. Nagels M. M. et al. Compilation of coupling constants and low-energy parameters //Nuclear Physics. -1979. -V.B147. -P.253.

22. Weinberg S. Current commutator theory of multiple pion production // Physics Review Letters. -1966. -V.16. -P.879.

23. Adler S. Consistency conditions on the strong interactions implied by a partial conservation of axial-vector current // Physics Review. -1965. -V.139. -P.B1638.

24. Gasser J. and Leutwyler H. Chiral perturbation theory: expansions in the mass of the strange quark//Nuclear Physics. -1985. -V.B250. -P.465.

25. Анисович В. В. Систематика кварк анти - кварковых состояний и скалярные экзотические мезоны // Успехи физических наук. 2004, том 47, 49 с. (hep-ph/0208123).

26. De Alfaro V., S. Fubini, G. Furlan, and C. Rossetti Currents in Hadron Physics // North-Holland Publishing Co., Amsterdam • London, American Elsevier Publishing Co. Inc. New York. 1973.

27. Lipkin H. J. Lie Groups for Pedestrians // North-Holland Publishing Co. Amsterdam. 1965.

28. Lee C.-H., Min D.-P., and Rho M. Kaon nucleon scattering from chiral Lagrangians // Physics Letters. -1994. -V.B326. -P. 14.

29. Nowak R. J. et al. Charged sigma hyperon production by K~ -meson interactions at rest//Nuclear Physics. -1978. -V.B139. -P.61.

30. Dalitz R. H. and Deloff A. The shape and parameters of the K(\A05) resonance //Journal of Physics. -1991. -V.G 17. -P.289.

31. Ivanov A. N., Nagy M., and Troitskaya N. I. Effective quark model with chiral U(3)xU(3) symmetry for baryon octet and decuplet // Physical Review. -1999. -V.C59. -P.451.

32. Reya E. Chiral symmetry breaking and meson nucleon sigma commutators: a review // Review of Modern Physics. -1974. -V.46. -P.545.

33. Ivanov A. N., Cargnelli M., Faber M., Fuhrmann H., Ivanova V. A., Marton J., Troitskaya N. I., and Zmeskal J. Energy level displacement of excited np state of kaonic hydrogen // Physical Review. -2005. -V.A71. -P.052528 (nucl-th/0411026).

34. Itzykson C. and Zuber J.-B. Quantum field theory // McGraw-Hill Book Co. New York. 1980.

35. Ivanov A. N., Nagy M., and Troitskaya N. I. Chiral perturbation theory at the quark model // International Journal of Modern Physics. -1992. -V.A7. -P.7305.

36. Иванов A.H. и Шехтер В. M. Аномальные диаграммы в распадах псевдоскалярных и векторных мезонов // Ядерная физика, 1980, том 31, 530 с.

37. Shifman M. A., Veinshtein A. I., and Zakharov V. I. QCD and resonance physics. Sum rules //Nuclear Physics. -1979. -V.B147. -P.385.

38. Landau L. D. and Lifshitz E. M., Quantum mechanics, Non-relativistic Theory, Volume 3 of Course of Theoretical Physics // Pergamon Press, Oxford, 1965.

39. Tandean J., Thomas A. W., and Valencia G. Can the Ал scattering phase shifts be large? // Physical Review. -2001. -V.D64. -P.014005.

40. Humphrey W. E. and Ross R. R. Low-energy interactions of AT"-mesons in hydrogen // Physical Review. -1962. -V.127. -P.1305.

41. Sakitt M., Day Т. В., Gasser R. G., and Seeman N. Low-energy K~ -meson interactions in hydrogen // Physical Review. -1965. -V.139. -P.B719.

42. Borasoy В., Nossler R., and Weise W. Chiral dynamics of kaon nucleon interactions, revisited // European Physical Journal. -2005. -V.A 25. -P.79 (hep-ph/0505239).

43. Oiler J. A., Parades J., and Verbeni M. Surprises in threshold antikaon nucleon physics // Physical Review Letters. -2005. -V.94. -P.212302 (hep-ph/0508081).

44. Dalitz R. H. and Tuan S. F. The phenomenological representation of K-nucleon scattering and reaction amplitudes // Annals of Physics. -1960. -V.3. -P.307.

45. Dalitz R. H. Strange Particles and Strong Interactions // Oxford University Press. 1962.

46. Meissner U.-G., Raha U., and Rusetsky A. Spectrum and decays of kaonic hydrogen // European Physical Journal. -2004. -V.C35. -P.349 (hep-ph/0402261).

47. Iwasaki M. et al. (the KEK Collaboration) Observation of kaonic hydrogen Ka Xrays // Physical Review Letters. -1997. -V.78. -P.3067.

48. Gasser J. Kaonic atoms in QCD // Invited talk in Plenary Session of DAONE 2004 Physics at Meson Factories at Frascati. June 7-11. 2004. // hep-ph/0412393.54.55,56,57,58,59