О работах, удостоенных премий ОИЯИ

Новые подходы - новые результаты

Мы продолжаем публикацию материалов, посвященных конкурсу научных работ. Вторая премия ОИЯИ в области теоретических работ была присуждена коллективу авторов: В.В.Бытьеву, А.В.Винникову, А.Е.Дорохову, Н.И.Кочелеву, Э.В.Кураеву, И.О.Чередникову за цикл работ "Исследование поправок высших порядков теории возмущений и эффектов нетривиальной структуры вакуума КХД в процессах с участием адронов". Сегодня авторы представляют основные результаты, относящиеся к решению некоторых проблем теории взаимодействия элементарных частиц в описании современных экспериментальных данных.

Экспериментальное измерение элементов матрицы смешивания кварков (матрицы Каббибо - Кабаяши - Маскава (ККМ)) является одним из критичных тестов Стандартной модели электрослабых взаимодействий. Большое внимание уделяется в настоящее время смешиванию странного и обычного кварков, который традиционно извлекается из данных по распаду заряженного каона в пион, позитрон и нейтрино. Тест на проверку унитарных свойств матрицы ККМ требует знания соответствующих матричных элементов с точностью лучше 0,1 процента. При этом повышается важность учета так называемых радиационных поправок к ширине распада каона. Вопросу вычисления радиационных поправок также было уделено много внимания, начиная с середины 70-х годов 20-го века. Необходимость в ревизии полученных ранее результатов была вызвана в основном значительным прогрессом в создании теории электрослабых взаимодействий и развитием мощных методов расчета в последние десятилетия 20-го века.

В работе авторов задача расчета радиационных поправок к ширине и спектрам распада каона с необходимой точностью была решена. Полученные результаты использовались для обработки результатов опыта и извлечения матричных элементов матрицы ККМ M_us. Оказалось, что именно благодаря учету радиационных поправок соотношение унитарности удовлетворяется, конечно, при условии малости матричных элементов перехода обычного кварка в кварк третьего семейства.

Поиск проявления эффектов "новой физики" ведется в двух основных направлениях: с помощью достижения максимальных энергий на ускорителях, при которых могут рождаться новые неизвестные частицы, и при низких энергиях в редких распадах адронов с помощью набора рекордной статистики. В наших работах выполнен систематический анализ редких распадов каона в некоторых вариантах суперсимметричных теорий, в том числе теорий, нарушающих сохранение аромата заряженных лептонов в суперсимметричных теориях с сохранением и без R-четности. Определены наиболее перспективные для поиска моды распадов (например, ), которые могут быть исследованы на интенсивном протонном источнике, планируемом для ввода в ЦЕРН.

Теоретически поведение формфакторов адронов хорошо известно в области малых передач из киральной теории возмущений Вайнберга-Лейтвиллера-Гассера, а в области больших передач из операторного разложения Вильсона в квантовой хромодинамике (КХД). Нами предложен новый подход, основанный на нелокальном взаимодействии кварков в рамках инстантонной модели вакуума КХД, который интерполирует результаты киральной теории и операторного разложения в область промежуточных передач импульса. Имеются успешные попытки таких интерполяций в рамках правил сумм КХД, моделей, насыщающих спектральные плотности адронными резонансами, но все они носят достаточно ограниченный характер. Действительно, известен целый ряд вычислений лидирующей асимптотики амплитуды распределения кварков в пионе (правила сумм КХД, КХД решетка, киральные модели солитонов). Вместе с тем, в нашем подходе удается достаточно эффективно извлечь амплитуды и следующих членов асимптотического разложения. Аналогов таких вычислений на сегодня нет. То же относится и к вычислению ряда других динамических характеристик адронов: топологической восприимчивости вакуума, корреляторов векторного и аксиального токов и т. д. Мы впервые предсказываем реалистическое поведение этих величин при промежуточных передачах. Показана согласованность результатов с общими результатами киральной теории возмущений и операторным разложением в КХД. Найдено согласие предсказаний модели с недавними данными ЦЕРН (коллаборации АЛЕФ и ОПАЛ) по инклюзивным распадам -лептона. Впервые получена импульсная зависимость топологической восприимчивости вакуума КХД в широкой кинематической области передач.

В данный цикл вошла работа, выполненная с участием одного из авторов: "Два комментария к использованию метода структурных функций для описания опытов по глубоко-неупругому рассеянию", в ней обсуждается вопрос об аномально больших радиационных поправках к сечению в области больших переданных энергий от электронов к адронной мишени. Показано, что собственно радиационные поправки в этой области не могут объяснить этого эффекта, так как в этом пределе они обращаются в нуль. Основная причина явления - излучение жесткого фотона начальным электроном - маскирует эффект большой передачи энергии мишени. Фактически вся эта энергия уносится при этом жестким фотоном, а переданная энергия мишени оказывается малой. Предложено учитывать этот эффект с наложением дополнительных условий, а не путем отказа от значительной части полученных данных, как это практиковалось прежде.

Перспектива создания встречных электрон-мюонных коллайдеров открывает новые возможности исследования процессов, описываемых Стандартной моделью, в частности, связанные с хиггсовским сектором и тяжелыми векторными бозонами. Поскольку свойства этих частиц проявляются, как правило, в достаточно тонких эффектах, первостепенную роль начинает играть вопрос о прецензионном определении характеристик самих коллайдеров: их светимости, степени поляризации и т. д.

Для непрерывного слежения за параметрами коллайдера используют один из процессов квантовой электродинамики, надежно детектируемый на опыте и имеющий достаточно большое сечение (мониторирующий процесс). Сечение этого процесса должно быть достаточно надежно известно теоретически. Детальное изучение процесса упругого и неупругого электрон-мюонного рассеяния (с учетом радиационных поправок) и явилось мотивацией двух работ авторов. Другим мотивом послужила необходимость теоретического исследования процесса в четвертом порядке теории возмущений, отсутствующего до настоящего времени.

В представленных работах задача теоретического описания процесса была частично решена: из пяти калибровочно-инвариантных наборов амплитуд Фейнмана, описывающих процесс, детально изучены четыре.

Полученные в цикле работ новые результаты внесли существенный вклад в наше понимание процессов в рамках стандартной модели взаимодействий элементарных частиц. Получила решение проблема описания различных инклюзивных и эксклюзивных процессов с участием адронов с учетом сложной структуры вакуума квантовой хромодинамики. Выполнен анализ современных экспериментальных данных по этим процессам в рамках пертурбативного и непертурбативного подходов.