Поляризуемость пиона: эксперимент проверяет теорию

Кандидат физико-математических наук Алексей Гуськов, Объединённый институт ядерных исследований (г. Дубна)

Из чего складывается масса элементарных частиц? Возьмём, к примеру, протон, который, по современным представлениям, состоит из трёх кварков.

Физики сравнили измеренные спектры тормозного излучения для пиона и мюона с ожидаемыми спектрами для соответствующих точечных частиц. Оказалось, что эластичность структуры реального пиона приводит к некоторому подавлению вероятности излучения очень жёстких фотонов по сравнению с гипотетическим бесструктурным пионом. А для мюона полученный результат в пределах ошибки измерений никаких отклонений от ожидаемого не демонстрирует. Контрольные измерения с мюонным пучком хотя и не гарантируют полного отсутствия каких-либо неучтённых систематических эффектов, но ставят довольно жёсткие ограничения на величину возможных вкладов таких эффектов. Значение электрической поляризуемости пиона, соответствующее измеренному спектру, составляет (2,0±0,6стат.±0,7сист.)x10-4 фм3, что отлично согласуется с предсказанием эффективной киральной теории. Этот результат получен при допущении, что сумма электрической и магнитной поляризуемостей пиона равна нулю. Такое допущение использовалось и в протвинских измерениях, поскольку оно достаточно обосновано с точки зрения теории.

Измерения, выполненные на установке COMPASS, закрыли вопрос о возможном несоответствии между предсказанием эффективной киральной теории для поляризуемости пиона и её истинным значением. Означает ли это, что работа в данном направлении завершена? Конечно, нет. В настоящее время продолжается обработка значительно большего количества данных, где во внимание будут приняты не только энергетическое, но и угловое распределение тормозных фотонов. Это позволит выполнить независимые прецизионные измерения как электрической, так и магнитной поляризуемости и проверить, действительно ли они практически равны по модулю, как предполагает теория. Кроме того, большой объём данных, возможно, позволит детально «пощупать» различные нелинейные эффекты, проявление которых ожидается при большой величине деформации пиона во внешнем поле и которые описываются константами следующего порядка — квадрупольными поляризуемостями.

Несмотря на то что именно пион является простейшей структурой для квантовой хромодинамики, интересно было бы измерить поляризуемости и других адронов. Сложность в том, что вероятность испускания частицей тормозного фотона обратно пропорциональна квадрату массы частицы. В адронном пучке эксперимента COMPASS присутствует около 2,5% каонов, которые могут быть надёжно идентифицированы. Несмотря на то что для каона вероятность испустить тормозной фотон почти в 10 раз ниже, чем для пиона, ожидаемого объёма данных должно хватить не только для того, чтобы впервые в мире зарегистрировать тормозное излучение каона, но и для первой оценки его поляризуемости, для которой киральная эффективная теория предсказывает значение 0,6x10-4 фм3.

Работа коллаборации COMPASS по измерению поляризуемости заряженного пиона опубликована в феврале 2015 года в журнале «Physical Review Letters».

Отрадно отметить, что определяющий вклад в данную работу на всех стадиях, от планирования измерений до набора данных и их обработки, внесла группа физиков из Дубны. Это отличный пример того, как исследования, инициированные отечественными учёными, опираясь на мощную базу международного сотрудничества, выведены на новый уровень при активном участии наших физиков.

Словарик к статье

Эффект Комптона —рассеяние фотонов на свободной заряженной частице, при котором фотон передаёт частице часть своей энергии. Впервые такую передачу энергии наблюдал в 1923 году Артур Комптон в рассеянии рентгеновских лучей на электронах. Эффект Комптона доказывает квантовую природу электромагнитного излучения.

Виртуальная частица — объект, обладающий зарядом и квантовыми числами соответствующей реальной частицы, но для которого не выполняется предписываемое специальной теорией относительности соотношение между массой, энергией и импульсом. В квантовой теории поля виртуальные частицы служат для описания взаимодействий. Например, электромагнитное взаимодействие между зарядами осуществляется путём обмена виртуальными фотонами.

Черенковское излучение (излучение Вавилова — Черенкова) — свечение, порождаемое в среде заряженной частицей, движущейся со скоростью, большей скорости света в данной среде. Излучение направлено вперёд вдоль образующей конуса, ось которого совпадает с направлением движения частицы, а угол при вершине определяется её скоростью. Измеряя этот угол, можно установить скорость частицы. Если для частицы известны импульс или энергия, то знание скорости позволяет однозначно её идентифицировать. Этим обусловлена широкая распространённость детекторов черенковского излучения в экспериментальной физике частиц.

Электромагнитный калориметр — детектор для регистрации высокоэнергетичных электронов, позитронов или фотонов. В результате взаимодействия этих частиц с веществом развивается электромагнитный ливень — каскад вторичных частиц. Энерговыделение в рабочем веществе калориметра преобразуется в электрический сигнал и позволяет определить энергию исходной частицы.

 

Случайная статья

Статьи по теме


Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки