Письма в ЖЭТФ, том 112, вып. 6, с. 352 - 356
© 2020 г. 25 сентября
Несохранение четности в протон-дейтронном рассеянии
А. И. Мильштейн+∗, Н. Н. Николаев×1), С. Г. Сальников+∗
+Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения РАН, 630090 Новосибирск, Россия
Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия
×Институт теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН, 142432 Черноголовка, Россия
Поступила в редакцию 13 августа 2020 г.
После переработки 13 августа 2020 г.
Принята к публикации 13 августа 2020 г.
Обсуждаются эффекты несохранения четности при взаимодействии релятивистских поляризован-
ных протонов и дейтронов. В рамках подхода Глаубера получены оценки Р-нечетных асимметрий в пол-
ном и упругом сечениях рассеяния, сечении диссоциации и в неупругом сечении рассеяния с рождением
мезонов. Показано, что с точки зрения величины Р-нечетного эффекта, взаимодействие поляризованных
дейтронов с неполяризованными протонами имеет преимущество по сравнению со взаимодействием по-
ляризованных протонов с неполяризованными дейтронами. При этом найдена значительная Р-нечетная
асимметрия в канале диссоциации поляризованного дейтрона.
DOI: 10.31857/S1234567820180020
Введение. Интерференция амплитуд сильного и
сеянии, так как в неупругих сечениях асимметрия
слабого взаимодействий приводит к несохранению
сильно подавлена.
четности в ядерных и адронных процессах [1, 2].
В предлагаемой работе мы обобщили результаты
Наблюдаемые эффекты в ядерных процессах и в
[26] на P-нечетные асимметрии в протон-дейтронном
процессах рассеяния протонов и нейтронов низких
рассеянии при энергиях коллайдера NICA. В отли-
энергий принято описывать феноменологическими
чие от нуклон-нуклонного рассеяния, здесь возни-
мезон-барионными взаимодействиями (см. обзор [3]).
кает канал квазиупругого рассеяния с диссоциаци-
Несмотря на обширную теоретическую [4-15] и экс-
ей дейтрона в протон-нейтронный континуум. Ана-
периментальную [19-22] литературу, вопрос о несо-
логично результату [26] об усилении асимметрии в
хранении четности в адронных процессах при высо-
упругом рассеянии, подобное усиление найдено и для
кой энергии остается открытым. Существенного про-
диссоциации продольно поляризованного дейтрона
гресса в понимании этого эффекта можно ожидать
на неполяризованном протоне. Р-нечетная асиммет-
от поляризационных экспериментов на коллайдере
рия при взаимодействии поляризованного дейтрона
NICA [23, 24]. Возможные постановки экспериментов
с неполяризованным протоном оказывается выше,
на NICA по поиску нарушения четности при взаимо-
чем при взаимодействии поляризованного протона
действии продольно поляризованных протонов или
с неполяризованным дейтроном. Это важно с точки
дейтронов с неполяризованной мишенью обсужда-
зрения экспериментальных возможностей, так как в
лись в работе [25].
области энергий коллайдера NICA ускорение поля-
Оценки Р-нечетной асимметрии в нуклон-
ризованных дейтронов свободно от спиновых резо-
нуклонном рассеянии в области энергий NICA даны
нансов, многочисленных в случае поляризованных
в нашей недавней работе [26]. Структура слабых
протонов. Что касается выделения Р-нечетной асим-
токов такова, что главный вклад в Р-нечетную
метрии в процессах упругого рассеяния и диссоциа-
асимметрию в pp рассеянии дают радиационные
ции ускоренных дейтронов, выгодных с точки зрения
поправки за счет зарядово-обменного сильного
ожидаемой величины эффекта, мы обращаем вни-
взаимодействия. Было показано также, что с точки
мание на возможности работы с внутренней струй-
зрения величины наблюдаемого эффекта, выгодно
ной водородной мишенью с детектированием прото-
измерять P-нечетную асимметрию в упругом рас-
нов отдачи [27].
Нуклон-нуклонное рассеяние. Полная ам-
плитуда высокоэнергетического упругого протон-
1)e-mail: nikolaev@itp.ac.ru
нуклонного рассеяния T (q), где q - поперечный
352
Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 5 - 6
2020
Несохранение четности в протон-дейтронном рассеянии
353
импульс рассеянного протона, может быть представ-
Обратим внимание на то, что cpp и cpn имеют проти-
лена в виде [26]
воположный знак.
= -ImT(0),
Используя оптическую теорему, σtot
T (q) = Ts(q) + TW (q) + Tint(q),
находим поправки σppW,tot и σpnW,tot к полному сечению
i
d2q′⊥
pp и pn рассеяния за счет слабого взаимодействия:
Tint(q) = -
Ts(q′⊥)TW (q - q′⊥).
(1)
2
(2π)2
pp
σW
Здесь Ts(q) - амплитуда сильного взаимодействия,
, tot
= λ1δλ1λ2δλ1λ3δλ1λ4SWp,
TW (q) - амплитуда слабого взаимодействия с уче-
σpnW,tot = λ1δλ1λ3 δλ2λ4 SWn,
том радиационных поправок к Р-нечетному гамиль-
SppW = 3.7 нб, SpnW = -2.47 нб.
(6)
тониану за счет сильного взаимодействия, Tint(q) -
так называемая абсорбционная поправка к слабой
Соотношение между SppW и SpnW определяется не толь-
амплитуде, ее нетрудно вывести в эйкональном под-
ко соотношением между cpp и cpn, но и разной за-
ходе. С учетом сохранения s-канальной спирально-
висимостью амплитуд tppW и tpnW от q. При упро-
сти для амплитуд pN рассеяния (здесь и далее N =
щенной параметризации (2) Р-нечетные поправки
= p, n) можно использовать стандартную парамет-
σpNW,el к упругим сечениям pN рассеяния совпадают
ризацию [28] (отличие от альтернативных парамет-
с Р-нечетными поправками к соответствующим пол-
ризаций [29, 30] несущественно и не обсуждается):
ным сечениям. Подавление Р-нечетных поправок к
неупругим сечениям есть, по-существу, общее след-
TpNs(q) = δλ1λ3 δλ2λ4 tsN (q),
ствие условия унитарности в линейном по слабому
tpNs (q) = -(ǫpN + i)σpNs,tot exp(-BpN q2⊥/2),
(2)
взаимодействию приближении.
Эффекты слабого взаимодействия в
где λ1 и λ2 - спиральности начальных частиц, λ3 и
протон-дейтронном рассеянии. Здесь рабо-
λ4 - соответствующие спиральности конечных час-
чим аппаратом является подход Глаубера [31-33].
тиц (λi = ±1). При переданных импульсах внутри
Отдельного рассмотрения требует новый канал
дифракционного конуса отношение вещественной и
дифракционной диссоциации (квазиупругого рассе-
мнимой частей амплитуды ǫpN и наклон конуса BpN
яния) в протон-нейтронный континуум без рождения
можно считать константами. С удовлетворяющей нас
мезонов, pd → (pn)p, в котором, как мы покажем,
точностью, в области энергий NICA, можно поло-
также возможна большая P-нечетная асимметрия.
жить tpps(q) = tpns(q) ≡ ts(q) [28]. В численных
оценках мы используем
Амплитуда Tpds упругого рассеяния за счет силь-
ного взаимодействия равна
ǫpN = ǫ = -0.5, σpNs,tot = σs,tot = 50 мб,
BpN = B = 9 ГэВ-2.
(3)
Tpds(q) = δλpλ′p δλdλ′d tsd(q),
[
]
)
(q
При этом сечение упругого рассеяния равно
tpds(q) = tpps(q) + tpn
s
(q) FD
-
2
)
)
i
d2q
(q
(q
d2q
(1 + ǫ22s,tot
tpps
-q
tpns
+q
FD (q′⊥).(7)
σpNs,el =
|TpNs (q)|2
=
= 17.8 мб.(4)
2
(2π)2
2
2
16π2
16πB
Согласно [26], амплитуды за счет слабого взаи-
Здесь λp и λ′p - спиральности начального и конеч-
модействия, TpNW (q), имеют разные зависимости от
ного протонов, λd и λ′d - спиральности начального и
переданного импульса и спиральностей:
конечного дейтронов. Амплитуда однократного рас-
сеяния содержит формфактор дейтрона FD (q/2), а
TppW(q) = λ1δλ1λ2δλ1λ3 δλ1λ4 tWp(q),
малая в области дифракционного конуса упругого pd
TpnW(q) = λ1δλ1λ3δλ2λ4 tWn(q),
рассеяния амплитуда двухкратного рассеяния дает
tppW(q) = cpp R(q), tpnW(q) = cpn F2(q),
глауберовское экранирование. Формфактор дейтро-
4
на можно оценить с достаточной точностью, исполь-
Λ
F (q) =
,
зуя чисто S-волновую функцию φ(r):
2 + q2⊥)2
4
F2(k)d2k
R(q) =
,
π (k - q)2 + m2
FD(q) = d3r |φ(r)|2 exp(-iq · r).
ρ
cpp = 5 нб, cpn = -7.8 нб,
Λ = 1ГэВ, mρ = 770МэВ.
(5)
Полученная в модели прямоугольной ямы формула
5
Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 5 - 6
2020
354
А. И. Мильштейн, Н. Н. Николаев, С. Г. Сальников
[
2b
(x)
1
(x)
Главный Р-нечетный вклад σpdW,el в сечение упругого
FD(q) =
arctan
-
Si
-
(b - 1) x
2
2
b
рассеяния равен
(
(
1
x)
1
x)]
-
Si π +
+
Si π -
,
[
]
d2q
ǫσs,tot
4
b
4
b
σpdW,el =
Re tpd∗s(q)tpdW(q) ≃-
×
x
sin y
2
2
Si(x) =
dy
,
b = 2.5,
0
y
× d2q exp(-B q2⊥/2)Tλpλd(q)FD (q
/2).
(11)
x = q/κ, κ = 45.7МэВ
(8)
численно хорошо согласуется с полученными в дру-
В случае рассеяния поляризованного протона на
гих моделях.
неполяризованном дейтроне следует использовать
Выражение для полного сечения pd рассеяния
Tλpλd (q) из (10) с λd = 0, а для рассеяния поля-
следует из оптической теоремы:
ризованного дейтрона на неполяризованном протоне
необходимо использовать Tλpλd(q) с λp = 0.
σpds,tot = 2σs,tot - ΔσG = 96 мб,
Следуя технике Франко Глаубера
[32,
33],
1
нетрудно получить Р-нечетную поправку к сече-
ΔσG =
(1 - ǫ22s,tot ×
2
нию квазиупругого pd рассеяния. Опуская детали
d2q
вычислений, мы ограничимся утверждением, что
×
exp(-B q2⊥)FD (q) = 4 мб.
(9)
(2π)2
суммарное Р-нечетное сечение упругого (σpdW,el)
pd
и квазиупругого (σW
) рассеяния совпадает с
Поправка ΔσG, соответствующая глауберовской
, qel
экранировке, мала в силу большого размера дейтро-
поправкой σpdW,tot к полному сечению pd рассеяния,
на, ΔσG ≪ σpds,tot. Ввиду очевидной доминантности
которое может быть определено по оптической
амплитуды однократного рассеяния, Р-нечетная
теореме из амплитуды (10):
асимметрия в pd рассеянии будет подобна асиммет-
рии в упругом pN рассеянии. Интегральное сечение
σpdW,tot = -ǫσs,tot
×
2
упругого pd рассеяния будет заметно подавлено
формфактором дейтрона. В том же приближе-
× d2qexp(-B q2⊥/2)Tλpλd(q)[1 + FD (q)]. (12)
нии рыхлого дейтрона дифференциальное сечение
квазиупругого pd рассеяния будет близко к сумме
Как и в случае неупругого pN рассеяния, Р-нечетная
дифференциальных сечений упругого pp и pn рас-
асимметрия в истинно неупругом сечении pd рассея-
сеяния. Таким образом, мы ожидаем, что указанное
ния, в котором рождаются мезоны, является подав-
в [26] усиление Р-нечетной асимметрии в упругом
ленной.
pN рассеянии будет присутствовать и в упругом, и
Перейдем от качественного обсуждения к числен-
в квазиупругом pd рассеянии. Мы опускаем обсуж-
ным оценкам сечений и соответствующих асиммет-
дение имеющего ничтожно малое сечение процесса
рий A = σWs при рассеянии поляризованного дей-
перезарядки дейтрона (d → pp).
трона с λd = 1 на неполяризованном протоне. Ис-
Полный вклад слабого взаимодействия в ампли-
пользуя приведенные формулы, находим:
туду упругого рассеяния поляризованного протона
на поляризованном дейтроне, TpdW(q), включающий
σpds,tot = 96 мб, σpdW,tot = 2.1 нб, Apdtot = 2 · 10-8,
все абсорбционные поправки, имеет вид
σpds,el = 20 мб, σpdW,el = 0.7 нб, Apdel = 3.5 · 10-8,
TpdW(q) = δλpλ′p δλdλ
tpdW(q),
σpds,qel = 22.4 мб, σpdW,qel = 1.4 нб, Apdqel = 6 · 10-8.
d
)
(q
(13)
tpd
(q) = Tλpλd(q)FD
-
W
2
)
i
d2q′⊥
(q
Для взаимодействия поляризованного протона с
-
ts (q′⊥)Tλpλd (q - q
)FD
-
λp = 1 с неполяризованным дейтроном имеем
2
(2π)2
2
)
)
i
d2q′⊥
(q
(q
-
ts
-q
Tλpλd
+q
FD(q′⊥) -
σpdW,tot = -0.8 нб, Apdtot = -0.9 · 10-8,
2
(2π)2
2
2
∫∫
)
)
σpdW,el = -0.6 нб, Apdel = -3 · 10-8,
1
d2q′⊥ d2q′′⊥
(q
(q
-
ts
-q
ts
-q′′
×
4
(2π)2 (2π)2
2
2
σpdW,qel = -0.2 нб, Apdqel = -10-8
(14)
× Tλpλd (q + q⊥′ )FD (q),
Разница в знаках и величине асимметрий связана с
1
Tλpλd (q) =
p + λd)tppW(q) + λp tpnW(q).
(10)
существенным отличием зависимости Tλpλd(q) от q
2
Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 5 - 6
2020
Несохранение четности в протон-дейтронном рассеянии
355
с одновременной дискриминацией событий рождения
пионов, когда ǫ > mπ.
Заключение. Мы проанализировали эффекты
несохранения четности в процессе рассеяния прото-
нов на дейтронах при энергиях коллайдера NICA.
Используя подход Глаубера, мы получили оценки
для поправок за счет слабого взаимодействия к пол-
ному, упругому, неупругому сечениям и сечению дис-
социации в pd рассеянии, а также соответствую-
щие спиновые асимметрии, см. (13) и (14). Соглас-
но нашим результатам, предпочтительными явля-
ются эксперименты по рассеянию поляризованных
дейтронов на неполяризованных протонах. Это об-
Рис. 1. Зависимость T0 1 (сплошная линия) и T1 0 (пунк-
стоятельство является особенно важным, поскольку
тирная линия) от q2 ≡ q2⊥, (10)
ускорение релятивистских поляризованных дейтро-
нов проще, чем ускорение поляризованных протонов.
для поляризованных протонов и для поляризован-
Полученные результаты должны учитываться при
ных дейтронов, см. рис. 1.
планировании экспериментов на коллайдере NICA.
Так как Р-нечетный гамильтониан слабого pp вза-
Мы выражаем благодарность И. А. Коопу и
имодействия определяется радиационной поправкой
Ю. М. Шатунову за полезные обсуждения.
за счет сильного взаимодействия, точность расчета
Работа выполнена при поддержке гранта Рос-
которой невелика, то указанное на рис. 1 поведение
сийского фонда фундаментальных исследований
#18-02-40092 МЕГА.
Tλpλd (q) носит скорее качественный характер. Из
приведенных оценок следуют два важных вывода.
Вo-первых, величина ожидаемой Р-нечетной асим-
1. Y. G. Abov, P. A. Krupchitsky, and Y. A. Oratovsky,
метрии делает выгодным эксперимент по взаимодей-
Phys. Lett. 12, 25 (1964).
ствию именно поляризованных дейтронов с неполя-
2. V. M. Lobashov, D. M. Kaminker, G. I. Kharkevich,
ризованными протонами. Это выгодно и с точки зре-
V. A. Kniazkov, N. A. Lozovoy, V. A. Nazarenko,
ния управления поляризацией накопленных в уско-
L. F. Sayenko, L. M. Smotritsky, and A. I. Yegorov, Nucl.
рителе частиц, так как в области энергий NICA у
Phys. A 197, 241 (1972).
дейтронов нет спиновых резонансов, в то время как
3. S. Gardner, W. C. Haxton, and B. R. Holstein, Annual
у протонов есть многочисленные спиновые резонан-
Review of Nuclear and Particle Science 67, 69 (2017).
сы. Во-вторых, опять же ориентируясь на величи-
4. V. Brown, E. Henley, and F. Krejs, Phys. Rev. C 9, 935
ну ожидаемой асимметрии, выгодно выделять упру-
(1974).
гое и квазиупругое pd рассеяние. Здесь мы вкрат-
5. E. M. Henley and F. R. Krejs, Phys. Rev. D 11, 605
це прокомментируем проводимый участниками гран-
(1975).
та Российского фонда фундаментальных исследова-
6. V. B. Kopeliovich and L. L. Frankfurt, Письма в
ний # 18-02-40092 МЕГА, которые являются автора-
ЖЭТФ 22, 601 (1975) [JETP Lett. 22, 295 (1975)].
ми [25], анализ привлекательных возможностей ра-
7. L. L. Frankfurt and V. B. Kopeliovich, Nucl. Phys. B
боты с внутренней струйной водородной мишенью.
103, 360 (1976).
При работе со струйной мишенью (см., например,
8. B. Desplanques, J. Donoghue, and B. Holstein, Ann.
[27]) для выделения упругого рассеяния достаточно
Phys. (N.Y.) 124, 449 (1980).
измерить передачу импульса на протон отдачи, ко-
9. L. L. Frankfurt and M. I. Strikman, Phys. Lett. B 107,
торый однозначно связан с углом вылета протона,
99 (1981).
θ = qz/q = q/(2mp). Диссоциация релятивистско-
10. A. Barroso and D. Tadić, Nucl. Phys. A 364, 194 (1981).
го дейтрона c γ ≫ 1 в np пару с энергией возбуж-
11. T. Oka, Progress of Theoretical Physics 66, 977 (1981).
дения ǫ дает дополнительный вклад в продольный
12. G. Nardulli and G. Preparata, Phys. Lett. B 117, 445
импульс протонов отдачи, Δqz = ǫ/γ, что увеличи-
(1982).
вает угол вылета θ. При этом уширяется, по срав-
13. Б. Г. Захаров, ЯФ 39, 1260 (1984) [B. G. Zakharov,
нению с чисто упругим рассеянием, и распределение
Sov. J. Nucl. Phys. 39, 793 (1984)].
по поперечному импульсу протонов отдачи. Это да-
14. Б. Г. Захаров, ЯФ 42, 756 (1985) [B. G. Zakharov, Sov.
ет возможность регистрации квазиупругих событий
J. Nucl. Phys. 42, 479 (1985)].
Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 5 - 6
2020
5
356
А. И. Мильштейн, Н. Н. Николаев, С. Г. Сальников
15.
T. Goldman and D. Preston, Nucl. Phys. B 217, 61
24. I. A. Savin, A. Efremov, D. Peshekhonov, A. Kovalenko,
(1983).
O. Teryaeva, O. Shevchenko, A. Nagajcev, A. Guskov,
16.
J. M. Potter, J. D. Bowman, C. F. Hwang,
V. Kukhtin, and N. Toplilin, EPJ Web Conf. 85, 02039
(2015).
J. L. McKibben, R. E. Mischke, D. E. Nagle,
P. G. Debrunner, H. Frauenfelder, and L. B. Sorensen,
25. И. А. Кооп, А. И. Мильштейн, Н. Н. Николаев,
Phys. Rev. Lett. 33, 1307 (1974).
А. С. Попов, С. Г. Сальников, П. Ю. Шатунов, and
Ю. М. Шатунов, Письма в ЭЧАЯ 17, 122 (2020)
17.
D. E. Nagle, J. D. Bowman, C. Hoffman, J. McKibben,
[I. A. Koop, A. I. Milstein, N. N. ikolaev, A. S. Popov,
R. Mischke, J. M. Potter, H. Frauenfelder, and
S. G. Salnikov, P. Yu. Shatunov, and Yu.M. Shatunov,
L. Sorensen, AIP Conf. Proc. 51, 224 (1979).
Phys. Part. Nucl. Lett. 17(2), 154 (2020)].
18.
R. Balzer, R. Henneck, C. Jacquemart, J. Lang,
26. А. И. Мильштейн, Н. Н. Николаев, С. Г. Сальников,
M. Simonius, W. Haeberli, C. Weddigen, W. Reichart,
Письма в ЖЭТФ 111, 215 (2020) [A. I. Milstein,
and S. Jaccard, Phys. Rev. Lett. 44, 699 (1980).
N. N. Nikolaev, and S. G. Salnikov, JETP Lett. 111, 197
19.
N. Lockyer, T. A. Romanowski, J. D. Bowman,
(2020)].
C. M. Hoffman, R. E. Mischke, D. E. Nagle, J. M. Potter,
27. A. Bujak, P. Devensky, A. Kuznetsov, B. Morozov,
R.L. Talaga, E. C. Swallow, D.M. Alde, D. R. Moffett,
V. Nikitin, P. Nomokonov, Yu. Pilipenko, V. Smirnov,
and J. Zyskind, Phys. Rev. D 30, 860 (1984).
E. Jenkins, E. Malamud, M. Miyajima, and R. Yamada,
20.
V. Yuan, H. Frauenfelder, R. W. Harper, J. D. Bowman,
Phys. Rev. D 23, 1895 (1981).
R. Carlini, D. W. Macarthur, R.E. Mischke, D. E. Nagle,
28. J. Ryckebusch, D. Debruyne, P. Lava, S. Janssen,
R.L. Talaga, and A. B. Mcdonald, Phys. Rev. Lett. 57,
B. van Overmeire, and T. van Cautere, Nucl. Phys. A
1680 (1986).
728, 226 (2003).
21.
P. D. Eversheim, W. Schmitt, S. Kuhn, F. Hinterberger,
29. A. Sibirtsev, J. Haidenbauer, H.-W. Hammer,
P. von Rossen, J. Chlebek, R. Gebel, U. Lahr,
S. Krewald, and U.-G. Meissner, Eur. Phys. J. A
B. von Przeworski, M. Wiemer, and V. Zell, Phys. Lett.
45, 357 (2010).
B 256, 11 (1991).
30. W. Ford and J. W. van Orden, Phys. Rev. C 87, 014004
22.
A.R. Berdoz, J. Birchall, J. B. Bland et. al.
(2013).
(Collaboration), Phys. Rev. C 68, 034004 (2003).
31. R. J. Glauber, Phys. Rev. 100, 242 (1955).
23.
V.D. Kekelidze, R. Lednicky, V.A. Matveev,
32. V. Franco and R. J. Glauber, Phys. Rev. 142, 1195
I. N. Meshkov, A. S. Sorin, and G. V. Trubnikov,
(1966).
Proc. of
3rd Large Hadron Collider Physics Conf.
33. R. J. Glauber and V. Franco, Phys. Rev. 156, 1685
(LHCP 2015), 565 (2016).
(1967).
Письма в ЖЭТФ том 112 вып. 5 - 6
2020