Непертурбативная низкоэнергетическая физика адронов и лептонов

А.Е.Дорохов, дфмн, рук. сектора физики адронов ЛТФ ОИЯИ, гнс ИТПМ МГУ
К.А.Свешников, дфмн, проф. кафедры КТ и ФВЭ, дир. ИТПМ МГУ

Поиск новой физики в фундаментальных взаимодействиях всегда происходил по двум противоположным направлениям - либо увеличивая энергию, как на LHC, в надежде увидеть процессы, которые при меньших энергиях обнаружить невозможно, либо изучая в низкоэнергетической области непертурбативные эффекты, которые играют определяющую роль в свойствах вакуума, структуре адронов, прежде всего самого важного для нас бариона - нуклона (протона и нейтрона), природе ядерных сил, и тем самым окружающего нас мира. Так, одно из самых важных свойств сильного взаимодействия при низких энергиях - это конфайнмент. Конфайнмент - это удержание кварков внутри адронов. Проявляется это вљтом, что чем дальше кварк пытается отдалиться от соседних кварков, тем сильнее между ними притяжение.

Глюонные силы, связывающие кварки в нуклоне, не ослабевают при удалении одного кварка от другого. При попытке "вырвать" кварк из нуклона глюонное поле порождает дополнительную кварк-антикварковую пару, и от нуклона уже отделяется не кварк, а пи-мезон. В результате нуклон и другие адроны - это "киральные мешки", внутри которого заперты цветные кварки и глюоны, а снаружи их окружает облако бесцветных мезонов, через обмен которыми и реализуется сильное взаимодействие между нуклонами. При этом практически вся масса нуклонов возникает из энергии взаимодействия легких u- и d-кварков, и если станет понятным механизм такого процесса "адронизации", то появятся шансы найти и способ эту энергию высвобождать.

В основе феномена конфайнмента лежит сложная структура квантованного вакуума, прежде всего вакуума КХД, изучение которого ведется с самых разных сторон. Так, в 2009-2011 гг. коллаборацией BABAR (SLAC, USA) обнаружен уникальный эффект, суть которого состоит в том, что для пиона и возможно η-мезона формфактор, умноженный на виртуальность фотона, продолжает расти вплоть до 40 ГэВ², что находится в противоречии с предсказаниями КХД, сделанными на основе гипотезы факторизации (см. рис.1).

Рис.1. Babar-эффект

На основе изучения асимптотик формфакторов в нелокальной модели вакуума КХД показано, что BABAR-эффект может быть объяснен сильной зависимостью амплитуды распределения мезонов от массы мезонов. Впервые удалось также осуществить полную томографию пиона в тензорном канале, определив формфакторы как в импульсном пространстве, так и в пространстве прицельного параметра. (A.E.Dorokhov, et al. Generalized Quark Transversity Distribution of the Pion in Chiral Quark Models Phys. Rev. D84 (2011) 074015).

Другой актуальное направление в изучении свойств вакуума - это проблема критических полей и зарядов в КЭД. Вопросу уже 70 лет, начиная с пионерских работ И.Я. Померанчука и В.Б.Берестецкого, где было показано, что нижний электронный уровень в кулоновском поле атомного ядра (фактически нуклонного кластера) с радиусом порядка 10 фм и зарядом Z_cr∼170 должен достигать порога отрицательного континуума (см. рис.2).

Рис.2.

Дальнейшие исследования показали, что при этом должна происходить спонтанное рождение электрон-позитронных пар и непертурбативная перестройка вакуумного состояния. Однако 30 лет работы всемирно известного комплекса (мега-установки по современной терминологии) по физике тяжелых ионов GSI (Darmstadt, Germany) не дали положительного результата, по крайней мере в диапазоне 140<Z<190 (W.Greiner, S.Schramm, Am. J. Phys. 76 (2008), 509-528; R.Ruffini, G.Vereshchagin, and S.-S. Xue. Phys.Rep. 487 (2010), 1-140, arXiv:0910.0974v3). Причина оказалась в высшей степени нетривиальной - радиационная компонента аномального магнитного момента (АММ) электрона, которая сама по себе является лишь малой поправкой к дираковскому гиромагнитному отношению g=2, за счет специфического эффекта взаимодействия Дирака-Паули-Швингера с точечными кварками при таких зарядах ядра приводит к непертурбативному сдвигу уровней, который у порога нижнего континуума ведет ∼Z⁵ и не позволяет электронным уровням опуститься до порога континуума. (K. A. Sveshnikov, D. I. Khomovskii. Large Z effects in hydrogen-like atoms caused be radiation component of electronic AMM. Phys. Part. Nucl. Lett., 2012, vol. 10, N 2, pp. 187-206.)

Еще один существенно непертурбативный и актуальный аспект низкоэнергетической физики адронов и лептонов - это адронный вклад в АММ мюона и редкие распады π, η, η'- и К-мезонов. Для мюона в настоящее время установлено 3.5σ отклонение предсказаний Стандартной Модели от экспериментально наблюдаемой величины. Имеющиеся экспериментальные и теоретические неопределенности не позволяют в то же время уверенно утверждать о нарушении СМ в этом процессе. В настоящее время (2012 г.) оценки адронного вклада от процесса рассеяния света на свете имеют значительный разброс (в 2 раза) и требуют существенного уточнения.

В то же время, получено модельно-независимое предсказание в рамках СМ для редкого распада π⁰ → e⁺e^- и показано, что недавние данные коллаборации KTeV (Fermi Lab, USA) отклоняются от предсказания больше, чем на 3σ (Dorokhov A.E., Ivanov M.A. Rare decay π⁰ → e⁺e^-: theory confronts KTeV data. Phys. Rev. D, 2007, v.75, pp. 114007). Установлено, что более аккуратный учет радиационных и степенных поправок, а также учет новых данных по переходному формфактору пиона коллаборации BABAR (SLAC, USA, 2009) не устраняет найденное расхождение (A.E.Dorokhov. Нow the recent Babar data for p → γγ^* affect the Standard Model predictions for the rare decays p → l(+) l(-). JETP Lett. 91 (2010) 163-169). Если эффект будет подтвержден, то он может быть проявлением частиц темной материи с низкими массами ∼10 МэВ.