Рассеяние нейтрино на нуклонах и поляризация заряженных лептонов в квазиупругих реакциях

Для обработки и интерпретации результатов нейтринных экспериментов, необходимо аккуратное описание взаимодействий (анти)нейтрино с нуклонами и ядрами. В современных и планируемых в будущем экспериментах с нейтрино от астрофизических источников, атмосферными нейтрино, нейтрино от ускорителей и реакторов, проводимых и планируемых для изучения осцилляции нейтрино, распадов нейтрино, нестандартных взаимодействий нейтрино и других эффектов (эксперименты OPERA, NOE, MONOLITH, MINOS, MINERIA, T2K, NOMAD, SciBooNE, MiiiiBoo-NE и другие эксперименты), феноменологические модели сечений реакций рассеяния (аптп)пейтрино па нуклонах являются источником неопределенностей. Аккуратное описание реакций взаимодействия (анти)нейтрино с нуклонами чрезвычайно важно и для постановки экспериментов непосредственно пе связанных с изучением свойств нейтрино, поскольку взаимодействия нейтрино являются основным и неустранимым источником фоновых событий в экспериментах rio поиску распада протона, rin переходов в ядрах и других реакций (эксперименты Super-Kamiokancle, ICARUS). В настоящее время отсутствует общепринятая единая модель расчета сечений взаимодействия (антинейтрино с нуклонами, применимая в широкой области энергий, от пороговых до сверхвысоких значений. Общепринятым подходом к проблеме является использование суперпозиции нескольких вкладов, описывающих квазиупругое рассеяние, рассеяние с рождением гиперонов, резонансное рождение одиночных пионов и когерентное рассеяние. Иногда к этим доминирующим вкладам добавляются менее существенные вклады сечений рассеяния с резонансным рождением многих пионов, когерентного рассеяния, рассеяния с рождением одиночных каонов. Основная неопределенность этого подхода (даже в предположении, что феноменологические параметры всех вкладов известны) связана с неопределенностью значений границ кинематических областей, фиксируемых параметрами и Wc^s, в пределах которых применимы модели для описания соответствующих реакций. Существование таких областей следует из концепции кварк-адронной дуальности, которая не дает, однако, количественного определения границ кинематических областей. Существуют и другие источники неопределенностей в расчете сечений реакций взаимодействия (анти)нейтрино с нуклонами. В структурные функции сечений реакций квазиупругого рассеяния (анти)нейтрино и реакций рассеяния с резонансным рождение пионов входят параметры, так называемые аксиальные массы мjes и Мд ES, значения которых плохо определены экспериментально. Значения параметров исключительно сильно влияют не только на значения сечений при фиксированных энергиях (анти)нейтрино, но и на характер зависимости сечений от энергии. В диссертации предпринята попытка определить величины неизвестных параметров сечений взаимодействия нейтрино с нуклонами на основе глобального статистического анализа экспериментальных данных.

Диссертация состоит из Введения, трех Глав, шести Приложений и Заключения.

Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в работах [6,8−15].

Результаты, полученные в диссертации, докладывались на научных семинарах кафедры теоретической физики Иркутского государственного университета, г. ИркутскЛаборатории теоретической физики им. Н. Н. Боголюбова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), г. ДубнаГосударственного научного центра РФ Института теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова (ИТЭФ), г. МоскваInstituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Bari, Bari, ItalyTheoretical Division, High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Tsukuba, Japan, а также на VIII Научной конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ, 2−6 февраля, 2004, г. Дубна- 3rd International Workshop оп neutrino-nucleus interactions in the few GeV rcgion (Nulnt'04), March 17 — 21, 2004, Gran Sasso, Assergi, ItalyV International Conference оп поп-accelerator new physics (NANP'05), June 20 — 25, 2004, Dubna, RussiaXXth Max Born Symposium, December 7 — 10, 2005, Wroclaw, PolandAPCTP-BLTP JINR International Workshop, BLTP JINR and Gunsan National University, June 18 — 23, 2007, Dubna, RussiaXXX International Workshop «Neutrino Physics at Accelerators», January 23 — 25, 2008, Dubna, Russia.

Перечислим основные результаты, выносимые на защиту.

• В общем виде получена поляризационная матрица плотности лептонов, рождающихся в реакциях рассеяния нейтрино на нуклонах.

• Получены дифференциальные сечения квазиупрутих реакций рассеяния нейтрино на нуклонах и квазиупрутого рождения странных гиперонов с учетом вклада токов первого и второго рода.

• В рамках формализма Рариты-Швингера получены структурные функции и сечения реакций рождения одиночных А-резонансов с учетом 8 переходных форм-факторов.

• На основе статистического анализа ускорительных данных по дифференциальным и полным сечениям квазиупругих, резонансных и глубоконеупругих реакций рассеяния нейтрино и антинейтрино па различных ядерных мишенях извлечены значения аксиальных масс и параметров обрезания по инвариантным массам конечных адронных состояний, необходимые для расчета чисел событий в нейтринных экспериментах. Полученные значения «квазиупругой» аксиальной массы, оказываются существенно ниже результатов измерений, выполненных в недавних экспериментах К2К SciFi и MiniBooNE. В пределах статистических ошибок полученные значения «резонансной» аксиальной массы не противоречат значению, используемому в эксперименте К2К, но существенно отличается от значения, используемого в эксперименте Super-Kamiokande по исследованию нейтринных осцилляций.

• Исследована угловая и энергетическая зависимость вектора поляризации леп-тонов, рождающихся в реакциях квазиупругого рассеяния нейтрино и антинейтрино на нуклонах за счет токов первого рода. Оценены ожидаемые поляризационные эффекты, обусловленные нестандартными токами второго рода.

• Получены формулы для спектральных функций вторичных лептонов в трех-лептониых распадах поляризованных заряженных лептопов.

Совместный статистический анализ всех доступных данных по полным и дифференциальным сечениям квазиупругого рассеяния нейтрино и антинейтрино па различных ядерных мишенях является наиболее полным и точным. Независимый статистический анализ, проведенный на основе первичных (не пересчитанных к сечениям) экспериментальных данных был выполнен в недавней серии работ Бодека и др. [118] для выборки данных нейтринных экспериментов на дейтериевых и водородных мишенях. Значения «квазнунругой» аксиальной массы (включая соответствующую неопределенность), найденные в обоих анализах, хорошо согласуются друг с другом и могут быть рекомендованы для практического применения в качестве «стандартных».

Впервые значение «резонансной» аксиальной массы МдЕЗ извлечено из статистического анализа полного набора экспериментальных данных по сечениям неупругого рассеяния нейтрино и антинейтрино на нуклонах и ядрах с рождением одиночных пионов (17Г реакций) на основе усовершенствованной резонансной модели Рейна-Сегала, учитывающей интерферирующие вклады 18 барионных резопансов. Полученное значение отличается от в пределах ~ 3 стандартных отклонений. Этот результат следует учитывать в расчетах резонансных вкладов при моделировании и обработке результатов нейтринных экспериментов.

Впервые значения аксиальных масс Мд Ей, и кинематических обрезаний.

И/^Р, И^Р получены из совместного глобального статистического анализа экспериментальных данных по дифференциальным и полным сечениям квазиупругих реакций, реакций рассеяния с рождением одиночных пионов и инклюзивных реакций рассеяния нейтрино и антинейтрино на различных ядерных мишенях. Полученные значения МдЕЗ, МдЕ5 хорошо согласуются со значениями, извлеченными из анализа данных, относящихся только к соответствующим эксклюзивным каналам и слабо зависят от использованной модели партонных распределений. Оба факта можно рассматривать как хорошее подтверждение самосогласованности анализа.

Найденные значения И^Р и И^р оказываются равными друг другу в пределах своих доверительных интервалов, что может рассматриваться как подтверждение корректности принятой схемы расчета и, следовательно, как качественное подтверждение гипотезы кварк-адронной дуальности в интегральном (но отнюдь не в дифференциальном) смысле. С другой стороны, значения И^р и И^цР сильно зависят от модели партонных распределений, что приводит не только к значительной разнице абсолютных значений суммарных полных и дифференциальных сечений, но и к сильным вариациям отношений сечений мюонных и электронных (анти)нейтрино5. Пренебрежение этим эффектом может не только количественно, но и качественно повлиять на интерпретацию результатов осцилляционных экспериментов с ускорительными и атмосферными нейтрино, в частности, на значения параметров смешивания нейтрино, извлекаемых при обработке данных. Можно надеяться, что результаты проведенного анализа будут использованы в будущих экспериментах на подземных детекторах и позволят экспериментаторам сделать осознанный выбор модели пар

5Из-за высокого порога рождения т-лептона, модельная зависимость и 17ТЛГсечений оказывается значительно слабее. тонных. распределешni, наилучшим образом описывающей всю совокупность уско-рптельпых данных по нейтринным взаимодействиям.

На основе полученных результатов подробно изучена энергетическая п угловая зависимость вектора поляризации лептоиов, рождающихся в квазиупругнх реакциях рассеяния нейтрино и антинейтрино на нуклонах. Оценены возможные эффекты за счет вкладов нестандартных заряженных токов второго рода. Учет поляризационных эффектов в нейтрино-нукло1шых взаимодействиях существен для анализа и интерпретации данных будущих прецизионных экспериментов с низким порогом регистрации лептопов, в частности, для идентификации событий с т-лептоном в конечном состоянии.

Предлагаемый статистический анализ экспериментальных данных может быть модифицирован и усовершенствован. Прежде всего необходимо включить в анализ новые типы данных, такие как средние значения кинематических переменных (Q2), (х), (у) в измерении суммарных сечений, дифференциальные сечения и Q2-распределений реакций одиночного резонансного рождения пионов и другие типы данных. Необходимо включить в анализ данные сечений реакций рассеяния (антинейтрино на нуклонах, индуцированных нейтральным током. Было бы полезно выполнить статистический анализ экспериментальных данных, на основе нескольких альтернативных алгоритмов (MINUIT, процедуры AMSL).

Было бы по небезынтересно включить в глобальный статистический анализ данные по измерению сечений многопиоипого рождения, когерентного рассеяния, рассеяния с рождения одиночных каонов. К сожалению, экспериментальные данные по измерению сечений этих реакций чрезвычайно скудны и измерены с большими систематическими ошибками. Феноменологическими модели расчета сечений этих реакций плохо разработаны. Особые трудности анализа данных этих реакций связаны с необходимостью аккуратно учитывать эффекты ядерных мишеней.

Необходимо учесть в алгоритме поиска минимальных значений х2 тот факт, что средние значения энергии (анти)нейтрино, х, у и других переменных измеряются с ошибками. Очевидно, что для статистических анализов величин слабо зависящих от аргументов, таких как полные сечения квазиупругих реакций и реакций с резонансным рождением одиночных пионов при средних энергиях (анти)нейтрино, учет ошибок существенно не повлияет на результаты фитов. В области низких энергии, области сильной зависимости сечений от энергии, можно ожидать изменения результатов фитов.

Следует модифицировать феноменологические GK и ВВВА модели описания векторных форм-факторов нуклонов на основе статистического анализа экспериментальных данных по измерению электрических и магнитных форм-факторов нуклонов, полученных в новейших экспериментах и не вошедших в анализы [1—3].

Необходимо развить релятивистскую модель ферми-газа в формализме Смита-Моница [4] на случай реакций резонансного рождения пионов в нейтрино-ядерных реакциях для более аккуратного описания ядерных эффектов. В общем случае было бы небезынтересно учесть в ExRS модели описания сечений резонансного рождения пионов от распада резонансов, ранее не включенных в модель.

В общем случае необходим расчет сечений глубоконеупрутих реакций рассеяния (анти)нейтрино на нуклонах согласно моделям квантовой хромодинамики (например таких как [208]). используемый в данном анализе метод феноменологического описания сечений глубоконеупругих реакций прежде всего направлен на адекватное описание экспериментальных данных. Аналогичные схемы описания сечений приняты в подавляющем большинстве Монте-Карло генераторов нейтриноиндуцирован-ных событий, используемых в современных нейтринных экспериментах. Переход от используемой в данном статистическом анализе феноменологической схемы опнеания DIS сечений к КХД расчету может существенно изменить результаты и выводы. В расчете структурных функций DIS реакций необходимо исследовать выполнение так называемых «условий положительности», фундаментальных, не зависящих от моделей, следующих только пз условия положительности адронного тензора (1−4), неравенств, связывающих структурные функции wpis [209].

Необходимо учесть в расчете сечений радиационные поправки, которые могут оказаться существенными для описания поляризационных эффектов при низких энергиях нейтрино.

Я благодарен Вадиму Александровичу Наумову, сыгравшему решающую роль в моей научной судьбе и физическом образовании. Вадим Александрович увлек меня физикой нейтрино, поставил задачу диссертации, поддерживал и помогал в работе, проявляя заботу, терпение и великодушие.

Я благодарен Дмитрию Игоревичу Казакову за постоянную опеку и организацию условий для плодотворной работы над диссертацией в ОИЯИ и ИТЭФ.

Я благодарен В. В. Любушкину за возможность использовать написанные им на языке FORTRAN програмные модули для расчета сечений реакций рассеяния нейтрино на нуклонах с одиночным резонансным роснсдением пионов и расчета ядерных эффектов в квазиупругих реакциях рассеяния нейтрино на ядрах, а так же за помощь в освоении пакетов MINUIT и PAW на ранних этапах работы.

Мне очень приятно поблагодарить коллективы кафедры теоретической физики Иркутского государственного университета, Лаборатории теоретической физики им. H. Н. Боголюбова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), теоретического отдела Института теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова (ИТЭФ), Theoretical Division of Hight Energy Accelerator Research Organization (KEK), Instituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) Sezione di Bari, и лично С. И. Кузьмина, С. И. Синеговского, А. Н. Валла, О. В. Теряева, А. В. Ефремова, О. А. Займидорогу, И. А. Сокальского, К. Хагивара за чрезвычайно полезные и доброжелательные обсуэ/сдения вопросов, затронутых в диссертации.

Исследования по теме диссертации выполнены при финансовой поддерэ/ске ИТЭФ иль. А. И. Алиханова в рамках программы финансирования работ молодых ученых в 2006 году и Российского фонда фундаментальных исследований в рамках гранта 07−02−215-а.

Детали расчета поляризационной матрицы плотности.