В.И. Мокеев, ЕЛ. Исупов

НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В ФИЗИКЕ АДРОНОВ: ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРА И СТРУКТУРЫ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ НУКЛОНА (N*) В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССАХ

В перерыве рабочего совещания по результатам совместных исследований ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ и Hall B at Jefferson Lab. Слева направо: Заведующий ОЭПВАЯ и Кафедрой Общей ядерной физики проф. Б.С. Ишханов, Outstanding Scientist of Virginia Dr. V.D. Burkert, and Hall B Staff Scientist Dr. V.I. Mokeev

    В выполненных под руководством проф. Б.С. Ишханова исследованиях спектра N* был внесен значительный вклад на пути к решению проблемы, т.н. “missing” резонансов. Поиск ещё не наблюдавшихся “missing" резонансов имеет ключевое значение в установлении симметрий сильного взаимодействия в непертурбативной области. Еще один “missing" резонанс N’(1720)3/2⁺ был обнаружен в совместном анализе данных по фото-/электророждению пар заряженных пионов на протонах. Совместный анализ эксклюзивных реакций фото- и электророждения мезонов на протонах стал качественно новым направлением в поиске “missing" резонансов предложенным физиками ОЭПВАЯ и Hall B at Jefferson Lab. Вклад от N’(1720)3/2⁺ “missing" резонанса необходим для совместного описания сечений π^-π⁺p фото- и электророждения с Q²-независимыми массами, адронными ширинами как нового сoстояния N’(1720)3/2+, так и известных возбужденных состояний нуклона в третьей резонансной области (рис. 1). В настоящее время N’(1720)3/2⁺ является единственным из установленных “missing" резонансов, для которого получены результаты по Q²-эволюции амплитуд электровозбуждения. Эти результаты открывают доступ к структуре и динамике формирования “missing” резонансов. Вклады спектров мезонов и барионов определяют переход от состояний слабо связанных КХД кварков и калибровочных глюонов в состояние газа адронов с одетыми кварками и глюонами обладающими динамической массой, возникающей в процессах динамического нарушения киральной симметрии. В этом фазовом переходе материи во Вселенной в первые микросекунды после Большого Взрыва возникает кварк-глюонный конфайнмент. Таким образом поиск “missing" резонансов имеет большое значение как для физики адронов, так и для космологии.

Рис. 1. Новое барионное состояние N’(1720)3/2⁺ из анализа фото- и электророждения π^-π⁺p на протонах

    Под руководством проф. Б.С. Ишханова были достигнуты значительные успехи в изучении структуры нуклонных резонансов, а также динамики сильного взаимодействия в непертурбативной области определяющей формирование структуры N* Из данных по реакциям фото-/электророждения пар заряженных пионов на протонах впервые в мире были определены амплитуды электровозбуждения большинства резонансов в области масс до 1.8 ГэВ и в широкой области виртуальностей фотонов Q2 < 5.0 ГэВ2. Результаты по амплитудам электровозбуждения N* из анализа реакций электророждения одиночных пионов (Ntc) в пределах неопределенностей совпадают с результатами из канала электророждения TtVp. В настоящее время в коллаборации между ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ и Hall B at Jefferson Lab ведутся работы по извлечению амплитуд электровозбуждения большинства N* во всей резонансной области и при виртуальностях фотонов
Q² < 5.0 ГэВ². Эти результаты будут получены в ближайшие годы. Они завершат исследования спектра и структуры нуклонных резонансов из данных детектора CLAS.
    Результаты по амплитудам электровозбуждения N(1440)1/2⁺ полученные из данных реакций электророждения мезонов на протонах на детекторе CLAS оказали значительное влияние на развитие физики адронов. Данные CLAS по амплитудам электровозбуждения N(1440)1/2⁺ резонанса полученные в широкой области виртуальностей фотонов 0 < Q² < 5.0 ГэВ² впервые позволили установить природу этого состояния. Данные CLAS впервые показали, что структура большинства исследованных нуклонных резонансов определяется совместным вкладом внутреннего кора из трех одетых кварков и внешнего мезон-барионного облака. Эти результаты открывают новое направление в физике адронов по исследованию возникновения внешнего мезон барионного облака из кваркового кора адронов. Они являются важной частью исследований перехода между сильным взаимодействием в режиме кварк-глюонного конфайнмента (кварковый кор) и мезон-барионными взаимодействиями во внешнем облаке.
    Исследования механизмов формирования массы адронов являются одной из наиболее актуальных нерешенных проблем Стандартной Модели. Открытый в CERN механизм Хиггса определяет формирование лишь массы КХД кварка с вкладом < 2% в массу одетого конституэнтного кварка или в массы адронов. Свыше 98 % массы адронов формируется сильным взаимодействием в непертурбативной области. Данные Jefferson Lab по упругим формфакторам пиона и нуклона, а также данные по амплитудам электровозбуждения. Δ(1232)3/2⁺ и N(1440)1/2⁺ резонансов, полученные со значительным вкладом группы ОЭПВАЯ, впервые продемонстрировали возможности доступа к механизмам сильного взаимодействия определяющим формирование доминирующей части массы адронов. В рамках метода уравнений Дайсона-Швингера было достигнуто хорошее описание амплитуд электровозбуждения Δ(1232)3/2⁺ и N(1440)1/2⁺ резонансов из Лагранжиана КХД во всей области виртуальностей фотонов, где вклады кваркового кора являются основными (Q² > 1.0 ГэВ² для Δ(1232)3/2⁺ и Q² > 2.0 ГэВ² для N(1440)1/2⁺) (рис. 2). Ключевым элементом в обеспечении этого успеха стало использование динамических одетых кварков с зависящими от импульсов массами. Массовая функция одетого кварка была рассчитана из Лагранжиана КХД лишь с одним параметром, используемым в любых КХД расчетах. α_x. Параметризация результатов этих расчетов приведена на рис. 3. Массовая функция одетого кварка показывает, как почти безмассовый при импульсах свыше 2.0 ГэВ КХД кварк становится при импульсах менее 0.5 ГэВ полностью одетым облаком глюонов кварком с массой ~ 400 МэВ используемым в конституэнтных кварковых моделях. Калибровочные глюоны КХД также становятся эффективными одетыми глюонами обладающими зависящей от импульса глюона массой. Доминирующая часть массы одетого кварка формируется в процессах одевания КХД кварка одетыми глюонами. В режиме величины бегущего параметра связи КХД
α_x > 0.3 происходит переход между непертурбативным сильным взаимодействием и пертурбативной КХД. В этом переходе формируется большая часть массы адронов. Таким образом, доступ к массовой функции одетого кварка из экспериментальных данных по структуре адронов позволяет исследовать механизмы формирования доминирующей части массы адронов. Хорошее описание данных CLAS по амплитудам электровозбуждения Δ(1232)3/2⁺ и N(1440)1/2⁺ резонансов было получено с одинаковой массовой функцией одетых кварков, точно такой же, как использовалась ранее для успешного описания упругих формфакторов пиона и нуклона. Совпадающие результаты по массовой функции одетого кварка из независимых анализа упругих формфакторов % мезона и нуклона и из анализа амплитуд электровозбуждения Δ(1232)3/2⁺ и N(1440)1/2⁺ резонансов различной структуры свидетельствуют о впервые достигнутым успешном доступе к механизмам формирования массы адронов. Это наиболее яркий успех в физике адронов достигнутый в последнее десятилетие совместными усилиями в эксперименте, феноменологии и теории структуры адронов на основе КХД.

Рис. 2. Исследования механизмов формирования доминирующей части массы адронов. Описание экспериментальных результатов по переходномуN > Δ магнитному формфактору (слева) и амплитуды A1/2 электровозбуждения N(1440)1/2⁺ резонанса с одинаковой зависимостью массы одетого кварка от импульса полученной из Лагранжиана КХД в методе уравнений Дайсона-Швингера

Рис. 3. (Слева) Структура N(1440)1/2⁺ резонанса из экспериментальных результатов CLAS по амплитудам электровозбуждения и их анализ в методе уравнений Дайсона-Швингера и в релятивистских кварковых моделях. Также показаны ожидаемые из данных детектора CLAS12 амплитуды электровозбуждения при Q² > 5.0 ГэВ². (Справа) Зависимость массы одетого кварка от импульса в области, где ожидается переход между непертурбативным и пертурбативным режимами сильного взаимодействия. Эта область, в которой происходит формирование доминирующей части массы адронов будет исследована из результатов по амплитудам электровозбуждения большинства нуклонных резонансов в экспериментах на детекторе CLAS12 при Q2 > 5.0 ГэВ2

    Данные по амплитудам электровозбуждения большинства резонансов в области масс W < 1.8 ГэВ позволили впервые получить оценки вкладов нуклонных резонансов в процессы инклюзивного рассеяния электронов на протонах из данных экспериментов. Это открывает возможность независимого доступа к массовой функции одетого кварка из данных по инклюзивному рассеянию электронов на протонах. Физиками ОЭПВАЯ были получены до сих пор единственные в мире данные об инклюзивном рассеянии электронов в резонансной области с перекрытием всего кинематически доступного диапазона инвариантных масс конечных адронов при фиксированной величине виртуальности фотона в широкой области Q² < 4.0 ГэВ².
    В настоящее время энергия непрерывного пучка электронов ускорителя CEBAF увеличена в 2 раза до 12 ГэВ. В 2018 г начались эксперименты на новом детекторе CLAS12 с энергиями пучка электронов 6.5 ГэВ, 7.5 ГэВ, и 10.6 ГэВ. Детектор CLAS12 является единственной в мире установкой способной изучать реакции электророждения мезонов на протонах в резонансной области W < 3.0 ГэВ и в еще не исследованной в эксклюзивных реакциях области высоких виртуальностей фотонов Q² > 5.0 ГэВ².
    Впервые окажется возможным получить доступ к взаимодействиям кварков в резонансах различной структуры непосредственно из результатов по амплитудам электровозбуждения N*. Ожидаемые результаты и их неопределенности по амплитудам электровозбуждения резонанса N(1440)1/2⁺ при Q² > 5.0 ГэВ² показаны на рис. 3. Область Q² достижимая в экспериментах на детекторе CLAS12 позволит значительно расширить диапазон импульсов в пределах которых будет определена массовая функция одетых кварков из результатов по амплитудам электровозбуждения нуклонных резонансов. Совпадающие результаты по массовой функции одетого кварка из независимого анализа амплитуд электровозбуждения большинства нуклонных резонансов различной структуры подтвердят надёжный доступ к механизмам формирования массы адронов в области расстояний, где формируется доминирующая часть их массы. Исследования структуры нуклонных резонансов на детекторе CLAS12 дадут ответы на ключевые открытые вопросы современной фундаментальной физики:

• как формируется > 98% массы адронов и как эти процессы связаны с динамическим нарушением киральной симметрии КХД;

• как возникает кварк-глюонный конфайнмент;

• может ли многообразие механизмов сильного взаимодействия в непертурбативной области быть описано на основе Лагранжиана КХД;

• каким образом динамика сильного взаимодействия в непертурбативной области формирует структуру атомных ядер.

    Исследования спектра и структуры возбужденных состояний нуклона основанные проф. Б. С. Ишхановым успешно развиваются в МГУ почти два десятилетия В коллаборации с Hall B at Jefferson Lab и международной CLAS Collaboration, физиками ОЭПВАЯ были получены первые и, в значительной части, единственные в мире важные результаты в этой быстро прогрессирующей области науки. Совместные усилия в области эксперимента, феноменологии и теории структуры адронов позволят получить ответы на ключевые открытые вопросы современной фундаментальной физики включая природу доминирующей части массы адронов и кварк-глюонного конфайнмента. Таким образом, заложенные проф. Б. С. Ишхановым в МГУ основы этого направления в течение долгих лет продолжат определять перспективы развития фундаментальной физики в МГУ, открывая широкиe возможности для ученых, преподавателей и студентoв МГУ внести значимый вклад в развитие фундаментальной физики в мире, а также в развитиe технологий на новых физических принципах, установленных при изучении фундаментальных процессов.

Оглавление