Дослідження процесів лептон–адронної взаємодії з міченими фотонами - Автореферат

Для того, щоб розширити діапазон зміни кінематичних змінних в процесах електрон-позитронної анігіляції та електрон-протонного розсіяння, застосовують експерименти з так званими міченими фотонами (фотонами, які випромінюються у початковому стані). Процеси з міченими фотонами використовувалися на прискорювачі HERA для розділення структурних функцій за порівняно низьких значень квадрата переданого імпульсу. Метод мічених фотонів (метод радіаційного повернення) застосовується нині для вимірювання повного адронного перерізу в процесі електрон-позитронної анігіляції. Мета дисертаційної роботи - теоретичне обчислення з точністю, потрібною для аналізу експериментально виміряних перерізів деяких процесів взаємодії адронів та лептонів (електрон-позитронна анігіляція та глибоко непружне розсіяння електрона на тензорно поляризованому дейтроні), які супроводжуються випроміненням міченого фотона, а також обчислення диференціальної ширини пятилептонного розпаду мюона наприкінці спектра швидкого електрона. З цією метою потрібно було розвязати такі задачі: Розрахувати квантово-електродинамічні радіаційні поправки, обумовлені випроміненням віртуального і реального фотонів, до перерізу процесу е е-анігіляції в адрони, який супроводжується випроміненням колінеарного міченого фотона, що реєструється фотоним детектором.Розрахована повна радіаційна поправка першого порядку по сталій тонкої структури до перерізу е е-анігіляції в адрони з випроміненням міченого фотона у випадку, коли фотон є колінеарним до електронного пучка. Результати, знайдені в цьому розділі, використані для опису процесу е е---анігіляції в пару заряджених піонів, який супроводжується випроміненням міченого колінеарного фотона без його явної реєстрації (в інклюзивній постановці) та процесу глибоко непружного розсіяння електрона на тензорно поляризованому дейтроні (розділи 3 і 4, відповідно). , (1) де ?(к) - мічений фотон з імпульсом к, Н(q) - довільний адронний стан з повним імпульсом q, знайдено вирази для перерізу у борнівському наближенні (перший підрозділ) та радіаційні поправки до нього (другий підрозділ). , , , де a(q2) - бігуча стала тонкої структури, яка ураховує ефект поляризації вакууму лептонами, q2 - квадрат інваріантної маси адронів, me та mm - маси електрона та мюона, z - частина енергії, яка залишилася у електрона після випромінення фотона z=1-w/E, w - енергія міченого фотона, E - енергія кожного з початкових пучків, sh та sm - повні перерізи електрон-позитронної анігіляції в адрони та мюонну пару. Остаточно ці умови можуть бути записані як дві нерівності: , , (5) де , , та - повні імпульс та енергія усіх фотонів в процесі , , E - енергія початкового пучка.Основний підсумок роботи можна подати у вигляді наступної сукупності результатів: У процесі електрон-позитронної анігіляції в адрони, який супроводжується випроміненням колінеарного до електроного пучка міченого фотона, що реєструється, знайдено формули для перерізу цього процесу на борнівському рівні та для радіаційної поправки першого порядку по сталій тонкої структури. Запропоновано інклюзивний підхід до сканування перерізу процесу електрон-позитронної анігіляції у заряджену піонну пару. Розглянуто процес випромінення фотона в кінцевому стані в процесі однофотонної анігіляції електрона та позитрона у заряджену піонну пару, тобто піонами. Доведено, що у випадку випромінення фотона на малий кут вздовж електронного пучка переріз цього процесу має істотне зменшення, яке повязане з кінематикою процесу і з малістю формфактора піона при q2=s порівняно з його значенням в резонансній області. Запропоновано застосування методу міченого фотона до процесу глибоко непружного розсіяння електрона на тензорно поляризованому дейтроні, вимірювання перерізу якого дасть змогу здобути інформацію про позануклонну структуру дейтрона.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації розглянуті процеси лептон-адронної взаємодії з міченими фотонами. Розраховані радіаційні поправки до перерізів таких процесів, як електрон-позитронна анігіляція в адрони, глибоко непружне розсіяння електрона на тензорно поляризованому дейтроні. Окрім того розрахована диференціальна ширина пятилептонного розпаду позитивно зарядженного мюона. Зазначимо, що високоточні теоретичні розрахунки перерізів процесів взаємодії лептонів та адронів, які супроводжуються випроміненням фотона, та диференціальної ширини розпаду m дуже важливі для аналізу сучасних експериментів.

Основний підсумок роботи можна подати у вигляді наступної сукупності результатів: У процесі електрон-позитронної анігіляції в адрони, який супроводжується випроміненням колінеарного до електроного пучка міченого фотона, що реєструється, знайдено формули для перерізу цього процесу на борнівському рівні та для радіаційної поправки першого порядку по сталій тонкої структури. Продемонстровано, що врахування радіаційної поправки приводить до розширення радіаційного максимуму та появи радіаційного хвоста. Для випадку кінцевого двопіонного стану оцінено переріз основного фонового процесу, яким є двофотонний механізм. Доведено, що для вимірювання перерізу процесу електрон-позитронної анігіляції у піонну пару з відсотковою точністю цей механізм можна не враховувати.

Запропоновано інклюзивний підхід до сканування перерізу процесу електрон-позитронної анігіляції у заряджену піонну пару. Такий підхід дає змогу не реєструвати колінеарний фотон, що привабливо для вимірювання на прискорювачі DAFNE. У цьому випадку виведено диференціальний за квадратом переданого імпульсу розподіл з урахуванням фотонної радіаційної поправки першого порядку. Продемонстровано, що у випадку інклюзивного підходу відбувається факторизація перерізу не тільки на борнівському рівні, як це було в постановці з реєстрацією міченого фотона, а також і в радіаційних поправках.

Розглянуто процес випромінення фотона в кінцевому стані в процесі однофотонної анігіляції електрона та позитрона у заряджену піонну пару, тобто піонами. Доведено, що у випадку випромінення фотона на малий кут вздовж електронного пучка переріз цього процесу має істотне зменшення, яке повязане з кінематикою процесу і з малістю формфактора піона при q2=s порівняно з його значенням в резонансній області.

Запропоновано застосування методу міченого фотона до процесу глибоко непружного розсіяння електрона на тензорно поляризованому дейтроні, вимірювання перерізу якого дасть змогу здобути інформацію про позануклонну структуру дейтрона. Знайдено вигляд перерізу цього процесу з урахуванням фотонної поправки першого порядку до лептонної гілки взаємодії.

Наведено теоретичні розрахунки диференціальної ширини пятилептонного розпаду позитивно зарядженного мюона наприкінці спектра електрона, який є основним фоновим процесом при дослідженні процесів конверсії мюонія до антимюонія у вакуумі, заборонених у межах сучасної теорії елементарних частинок. Продемонстровано, що наприкінці спектра електрона виникає істотне подавлення диференціальної ширини розпаду. Виявлено, що наявність фона, повязаного з процесом пятилептонного розпаду позитивно зарядженого мюона, не перешкоджує виявленню процесу конверсії мюонія до антимюонія у вакуумі.

Важливою задачею при аналізі експериментальних даних є розрахунок радіаційних поправок. Запропонований у цій роботі метод вже використовується для розрахунків радіаційних поправок у сучасних експериментах з міченими фотонами (таких як HERMES, ELFE, DA?NE) та експериментах з пошуку конверсії мюонія до антимюонія. Також, розвинутий метод розрахунку радіаційних поправок може бути застосован при майбутньому аналізі еспериментів, що плануються в колабораціях BABAR, CLEO та інших.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ.

1. Gakh G.I., Konchatnij M.I., Merenkov M.P., Shekhovtsova O.N. QED correction to electron-positron annihilation cross-section with tagged collinear photons and electron positron pairs // УФЖ- 2001.- Т. 46, №7.- С. 652-660

2. Меренков Н.П., Шеховцова O.Н.. Инклюзивный подход к сканированию сечения процесса e eap p- при энергиях ниже 1ГЭВ методом радиационного возврата // Письма в ЖЭТФ.- 2001.-Т. 74, № 2.- С. 69-75.

3. Khoze V.A., Konchatnij M.I., Merenkov N.P., Pancheri G., Trentadue L., Shekhovzova O.N..The scanning of e eap p- cross-section below 1GEV by radiative events with untagged photon. // Eur. Phys. J. C.- 2002.- Vol. 25, № 9.- P. 199-213.

4. Konchattij M.I., Merenkov N.P., Shekhovtsova O.N. The scanning of hadronic cross-section in e e-annihilation by radiative return method // ВАНТ.-2001.- № 6- С. 30-34.

5. Gakh G.I., Merenkov N.P., Shekhovtsova O.N. QED corrections to polarized deep-inelastic and semi-inclusive deep-inelastic scattering // ВАНТ.-2001.- № 6- С. 35-39.

6. Merenkov N.P., Shekhovtsova O.N. About the end of the electron spectrum in five-lepton muon decay // УФЖ.- 2001.- Т.46, № 10.- С. 1028-1031

7. Gakh G.I., Shekhovtsova O.N. Radiative events in DIS of unpolarized electron by tensor-polarized deuteron. Radiative corrections. // УФЖ.- 2002.- Т.47, № 7.- С. 637-644.

8. Шеховцова О.Н. Влияние неколлинеарностей пучков и излучения в конечном состоянии на измерение сечения реакции посредством радиационного процесса. // Вісник Харківського національного університету, Сер. фіз. “Ядра, частинки, поля”.- 2002.- № 559.- вип. 2 (18).- С. 31-36.

анотація сканування перерізів позитронний анігіляція

Шеховцова О.М. Дослідження процесів лептон - адронної взаємодії з міченими фотонами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.02 - теоретична фізика. - Інститут монокристалів НТК “Інститут монокристалів” НАН України. - Харків, 2003.

Дисертація присвячена вивченню процесів взаємодії лептонів і адронів, а саме електрон-позитронної анігіляції в адрони, глибоко непружного розсіяння електрона на тензорно полярізованному дейтроні та пятилептонного розпаду позитивно зарядженного мюона.

Вивчена можливість застосування методу радіаційного повернення (методу міченого фотона) до сканування перерізів процесів електрон-позитронної анігіляції в адрони та глибоко непружного розсіяння електрона. Здобуті аналітичні результати проілюстровані числовими розрахунками для кінцевого двопіонного адронного стану.

Для сканування перерізу процесу електрон-позитронної анігіляції за допомогою радіаційних процесів запропонован метод інклюзивного відбору подій, який дозволяє не реєструвати мічений фотон. Також враховано вплив неколінеарності початкових пучків та випромінювання у кінцевому стані.

Розрахована диференціальна ширина пятилептонного розпаду позитивно зарядженного мюона наприкінці спектра електрона. Виявлено, що виникає істотне подавлення спектрального розподілу.

Ключові слова: мічений фотон, анігіляція, глибоко непружне розсіяння, радіаційна поправка, диференціальна ширина розпаду.

Shekhovtsova O.N. Lepton - hadron interactions with tagged photons. - Manuscript.

Thesis for obtaining Doctor of Philosophy (Ph. D.) degree in physics and mathematics, speciality 01.04.02 - theoretical physics, Institute for Single Crystals of STC “Institute for Single Crystals” of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2003.

The present work is concerned with the researching of the lepton hadron interaction, namely electron positron annihilation into hadrons, deep inelastic scattering of unpolarized electron beam off the tensor polarized deuteron target, five-lepton decay of ? .

Application of a return method (a tagged photon method) for scanning the total cross section for electron positron annihilation into hadrons and deep inelastic scattering has been considered. We propose an inclusive approach to measuring the total cross section for electron positron annihilation by radiative return method. This approach makes the detection of the photon emitted in the initial state unnecessary. Influence of the initial beam accollinearity and the final state radiation is also taken into account.

The differential width of five-lepton decay of ? at the end of electron spectrum has been calculated. An essential suppression of the spectral distribution has been revealed.

Keywords: a return method, a tagged photon, annihilation, deep inelastic scattering, radiative corrections, differential width of decay.

Шеховцова О.Н. Исследование процессов лептон-адронного взаимодействия с мечеными фотонами.- Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.02 - теоретическая физика.- Институт монокристаллов Научно технологического концерна “Институт монокриталов” НАН Украины.- Харьков, 2003.

Диссертация посвящена изучению процессов взаимодействия лептонов и адронов, а именно аннигиляции електрона и позитрона в адроны, глубоко неупругого рассеяния електрона на тензорно поляризованном дейтроне, пятилептонного распада положительно заряженного мюона.

Исследуется возможность применения метода радиационного возврата (метода меченого фотона) для сканирования сечения электрон-позитронной аннигиляции в адроны при условии, что меченый фотон излучается вдоль направления одного изначальных лептонов. Для случая явной регистрации фотона получено аналитическое выражение для сечения радиационного процесса e e-®адроны g с учетом радиационных фотонных поправок первого порядка попостоянной тонкой структуры. В случае излучения фотона вдоль электронного пучка факторизация сечения происходит только на борновском уровн.

Поскольку при низких энергиях сканирование полного сечения фактичсеки сводится к измерению вклада в это сечения канала e e-®? ? -, то полученные аналитические результаты использованы для численных расчетов в случае конечного двухпионного адронного состояния. Показано, что учет радиационной поправки приводит к расширению резонансного максимума и появлению радиационного хвоста. Абсолютное значение рассчитанной радиационной поправки по отношению к борновскому сечению колеблется от 10% в начале спектра до 30% в конце спектра фотона. Проведенные численные расчеты показали, что в случае сканирования сечения электрон-позитронной аннигиляции методом радиационного возврата с регистрацией меченого фотона с процентной точностью при вычислении радиационных поправок первого порядка достаточно учитывать только логарифмические вклады.

Оценено сечение основного фонового процесса - двухфотонной аннигиляции электрона и позитрона в пионную пару с излучением жесткого фотона. Установлено, что сечение двухфотонной аннигиляции как минимум на три порядка меньше соответствующего сечения однофотонной аннигиляции. Поэтому при сканировании сечения электрон-позитронной аннигиляции в адроны с процентной точностью фон, обусловленный двухфотонным механизмом, можно не учитывать.

Для метода радиационного возврата без прямой регистрации фотона предложен инклюзивный подход к измерению сечения электрон-позитронной аннигиляции. Существенной частью этого подхода является выбор правил отбора, запрещающих образование трехчастичного конечного состояния и уменьшающих вклад от излучения в конечном состоянии. В случае инклюзивного отбора событий происходит факторизация сечения радиационного процесса e e-®? ? -? не только на борновском уровне, но и с учетом радиационных поправок. Оценено влияние неколлинеарности начальных пучков на сечение процесса. Рассмотрены случаи урезанного и полного фазового пространства пионов. Проделанные расчеты показали, что в широкой области энергии излученного фотона полная радиационная поправка первого порядка велика (до 20% по отношению к борновскому сечению) и отрицательна. В случае урезанного фазового пространства пионов на борновском уровне найдено аналитическое выражение для акцепт-фактора, а для радиационной поправки получены результаты, которые можноиспользовать для численных расчетов. Оценен основный фон, вызванный излучением в конечном состоянии и интерференцией амплитуд излучений в конечном и начальном состояниях. Показано, в случае излучения фотона на малый угол вдоль электронного пучка этот фон пренебрижимо мало.

Предложено использовать метод меченого фотона для сканирования сечения глубоко неупругого рассеяния электрона на тензорно поляризованном дейтроне. Изучены два разных способа отбора событий: калометрический и эксклюзивный. Получены аналитические выражения для сечений с учетом полной фотонной радиационной поправки первого порядка для случая, когда меченый фотон излучается вдоль пучка начальных электронов.

В процессе пятилептонного распада положительно заряженного мюона получено выражение для спектрального распределения быстрого электрона. Показано, что в конце спектра электрона происходит существенное подавление, обусловленное сильным сжатием фазового пространства обоих позитронов.

Ключевые слова: мечений фотон, аннигиляция, глубоко неупругое рассеяние, радиационные поправки, дифференциальная ширина распада.

Размещено на .ru