Природа и идентификация резонансов

Предложено усовершенствование метода идентификации резонансов, позволяющее из предполагаемых резонансов выделить истинные. Высказаны также некоторые соображения о природе образования резонансов.

Наблюдаемые в процессах аннигиляции, неупругих и упругих взаимодействиях сталкивающихся частиц резонансные состояния интерпретируют как рождение короткоживущих частиц – резонансов. Рождение резонансов обычно происходит при столкновении двух частиц и определяют их по пику в спектре эффективных масс или на графике сечения взаимодействия. Однако наличие такого пика может быть вызвано кинематическим эффектом при совместном рождении долгоживущих и короткоживущих частиц или же высвобождением части кинетической энергии сталкивающихся частиц в форме несформировавшейся частицы (прачастицы).

В первом случае при распаде короткоживущих частиц часть энергии распада может быть передана долгоживущим частицам, поскольку этот процесс протекает в малом объеме, в котором все находящиеся в нем частицы взаимодействуют сильным образом. К тому же образование короткоживущих частиц данного вида может происходить на ограниченном интервале полной энергии сталкивающихся частиц. В результате чего долгоживущие частицы на спектре эффективных масс покажут наличие пика.

Во втором случае энергия родившейся прачастицы обратно переходит в кинетическую энергию исходных частиц и долгоживущих частиц за малое время, создавая эффект распада одной частицы. В результате чего на графиках спектра эффективных масс и сечения взаимодействия появляется пик. Прачастица представляет собой некое материальное образование, не успевшее превратиться в частицы в силу незавершенности процесса их рождения из-за нехватки выделившейся при столкновении исходных частиц кинетической энергии. Количество такой выделившейся кинетической энергии определяется параметрами столкновения (энергиями сталкивающихся частиц и их прицельным расстоянием), типами взаимодействующих при столкновении полей (для нуклонов, каонов, пионов – ядерные поля; для электронов, позитронов –электрические поля; для мюонов – как электрические поля, так и мюонные поля, ответственные за большую массу мюона по сравнению с массой электрона) и типом взаимодействия – аннигиляция или рассеяние.

Изучение рассеяния быстрых электронов на нуклонах привели к гипотезе существования субчастиц – партонов, входящих в структуру нуклонов. Согласно введенной выше прачастице явление партона полностью ей объясняется, поэтому нельзя говорить о нуклоне, имеющим некую субчастичную структуру. Впоследствии для объяснения эффектов взаимодействия нуклонов как между собой, так и между нуклоном и другими частицами, были введены кварки, которые также по указанной выше причине не могут являться составными частями нуклонов и других элементарных частиц. При взаимодействии частиц высокой энергии генерируется высвобождение кинетической энергии сталкивающихся частиц в форме прачастицы, процесс распада которой обуславливает наблюдаемые результаты. Прачастица может иметь и большую энергию, достаточную для множественного образования нескольких частиц. Еще в конце 50-х годов XX века группа польских физиков во главе с М.Я. Менсовичем, изучая в процессах взаимодействия нуклонов большой энергии угловые распределения рожденных частиц, пришла к выводу об образовании двух сгустков сильно возбужденной материи, практически мгновенно распадающейся на несколько заряженных и нейтральных пионов. Впоследствии эти сгустки были названы ими файрболами. Образование этих двух сгустков есть не что иное как результат распада высокоэнергичной прачастицы.

Существование описанных выше двух процессов вносит в идентификацию истинных резонансов некоторую неопределенность в виде возможного появления ложных резонансов. Если резонансное состояние считать одним из видов элементарных частиц, то тогда должно выполняться соотношение

E ² = M ² + p ² (1)

для всех энергий E > E ₀ , где E, M, P – соответственно полная энергия, масса и импульс резонанса, E ₀ – наименьшая полная энергия, возможная для образования данного резонанса в каком-либо процессе. График спектра эффективной массы обычно строят в широком интервале полной энергии системы частиц, предполагаемых на образование резонанса [1]. На график наносят 142

значения эффективной массы независимо от полной энергии E и по получающемуся пику определяют образование резонанса. Кроме выделенного пика существует довольно много значений эффективной массы, не равных значению массы полученного резонанса. Это указывает на то, что в данной реакции кроме образования резонанса происходит также и образование системы свободных частиц, по которым строят спектр эффективной массы. Значения эффективной массы свободных частиц могут сколь угодно близко приближаться к значению эффективной массы исследуемого резонанса и тем самым будут его либо усиливать, либо ослаблять. Избавиться от этих явлений можно, если спектр эффективной массы строить для той системы частиц, полная энергия которых в лабораторной системе является постоянной, т.е. E = const . Для каждой энергии E _i из интервала ∆ с некоторым узким интервалом Д _о строят свой график и по нему определяют наличие резонанса, где i= 1, 2, ..., Д / Д ₀ . Если на одном из графиков будет обнаружен резонанс, соответствующий полной энергии E _k , то он должен образовываться и с полными энергиями E _m >  E _k по крайней мере на достаточно широком интервале энергий ∆ = E _m - E _k . На всех графиках эффективной массы, построенных для энергий E _i , фон посторонних частиц будет также присутствовать, но в меньшей степени. Однако не это главное. Главным является то, что истинный резонанс будет появляться на всех этих графиках, подтверждая тем самым свое цельное образование в виде самостоятельной частицы, имеющей произвольную полную энергию, как это и должно быть для реальных частиц. Резонанс, обнаруженный только на узком интервале ∆ полных энергий, не должен считаться элементарной частицей в том смысле, что он не может иметь произвольный импульс, тогда как на любую другую элементарную частицу такое ограничение не накладывается. Резонансы, обнаруженные по пику на графиках полных поперечных сечений рассеяния упругих реакций, должны быть дополнительно подтверждены в неупругих процессах, поскольку для упругих процессов они образуются только при определенном импульсе падающей частицы, что может быть обусловлено характером и свойствами процесса взаимодействия двух частиц, о которых было сказано выше.

Предлагаемый метод идентификации резонансов позволяет получать более отчетливые спектры эффективных масс и дает возможность выделения из большого числа существующих резонансов тех из них, которые удовлетворяют соотношению (1).