手征玻色子交换对重子谱的贡献

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目前人们普遍相信基于Yang-Mills规范场理论[1]的QCD[2,3]是描述强相互作用的一个成功的理论,没有人怀疑这个理论的有效性。由于QCD渐进自由的特性[4],在高能过程中,以微扰方式处理的一切诸如散射截面的物理量都给出非常准确的结果。但是在我们处理强子问题时,典型能量范围是ΛQCD~200MeV,在这一能区,非微扰QCD效应是主要的,任何微扰的处理方式都会有问题。到目前为止还没有建立起基于第一原理的完整理论以正确的处理非微扰QCD的问题。 为了处理强子谱以及他们的精细结构等问题,我们需要建立一些能够反映QCD非微扰行为的具体模型并分析里面的参数。已有的方法包括势模型[17],袋模型[6,7]等等。在所有这些模型中,夸克间的短程相互作用是通过交换硬胶子实现的,其中领先项是单胶子交换过程。而描述QCD长程相互作用的方式则因模型的不同而有所区别。例如在势模型中,禁闭效应是通过引入一个唯象的因子来实现的,涉及到的参数需要通过拟和试验数据来确定。这样的唯象因子有几种选择方案,其中最常用的一种是引入一个线性势[8,9,10,17],这一方式与格点理论给出的结果相一致。对于袋模型[6,7],则是以一个刚性的袋边界条件来代替线性势,这样的袋边界也能给出禁闭效应。在袋内部的夸克在零阶近似下可以视为自由粒子,服从自由费米子的狄拉克方程,只是还要额外加上一个非平庸的袋边界条件以保证向强子袋外的夸克流为零。对于下一阶领先项则是考虑夸克间相互作用的部分。Jaffe等人[6]提出,在这一近似下,夸克间的相互作用主要是基于单胶子交换过程,这一过程可以用夸克的磁偶极矩的耦合来描述。而我们过去的一篇讨论一类特殊的,含有两个重夸克b或c的重子谱的工作证明了以量子场论里处理单胶子交换过程的方式来处理这一问题同样有效。 在计算夸克间单胶子交换过程的相互作用能时,我们把基于单胶子交换过程的相互作用哈密顿量插进夸克的零阶波函数中来计算它的期待值,这个期待值就是夸克间的相互作用能。此时的过程仍然都是微扰过程,接下来我们还需要通过寻找强子袋内包括零阶和新的下一阶领先项贡献的总能量最小值以获得袋半径。因此袋模型处理方式也并不是完全微扰的方式。 另外,许多的研究工作也提到,除了胶子,类似σ,π甚至K介子都可能构成独立的自由度[15]。也就是说,手征玻色子的交换过程是独立于硬胶子交换过程的。胶子是QCD的规范玻色子,自己就拥有色电荷,因此就会有自相互作用。在低能范围,胶子无法走得很远,因此只能对短程相互作用有贡献。如果我们像这样要求单胶子交换只决定短程相互作用,而无法以微扰方式处理的长程相互作用部分产生禁闭,这样的图景会不会过于简单了呢?换句话说,我们是否还应该把中程相互作用从短程和长程作用中抽出来单独考虑一下呢? 一些人提出由于渐进自由的性质,硬胶子交换过程根本就没有贡献,需要考虑的只是中程和长程作用的贡献。比如QMC模型[11,12,13]就认为,只需要考虑手征玻色子σ和矢量玻色子(ρ,ω,φ)的贡献。值得注意的是,手征玻色子的传播子E-mr/r在较大空间尺度上看似乎要比胶子传播子1/r压低得更厉害,但是这只是对于微扰情况来说的。作为Yang-Mills规范场的规范玻色子-胶子存在自相互作用,因此不会传播得很远,而手征玻色子则是色单态的粒子,没有这一限制,因此交换手征玻色子的相互作用就可以被认为是一种中程相互作用。 现在我们自然要问,我们是否能够忽略这三种来自QCD不同方面的任何一种相互作用呢?从唯象的角度来讲就是说,我们是否能够把某种相互作用仅仅通过调节参数来归结到另一种相互作用里面去呢?尽管这样的处理方式在各种文章中都可以较好的拟和出部分强子谱,但是这样的话物理图景其实是不完全的,而且一些精细的强子性质可能会被抹煞掉。因此,我们希望重新审视这三种相互作用的物理图景,看看是否能够建立一个更完整的物理图景。基于被广为接受的原则,我们在同一理论框架下同时研究了包括交换硬胶子的短程相互作用,交换手征玻色子的中程相互作用以及长程相互作用。也就是说我们在袋模型里同时研究了他们各自的贡献,其中,长程贡献是通过袋边界和零点能来加以描述的。 本文处理问题的方法是把分别对应胶子交换和介子交换贡献的哈密顿量同时叠加到夸克的零阶波函数上去以获得短,中程总的相互作用能量。而狄拉克方程的袋边界则反映了长程相互作用的贡献。在得到袋内各种能量贡献的总体表达式后,我们通过调节袋半径R以使总能量获得最小值,这个最小值即为强子的质量。实际上,还有一个零点能参数也需要参加拟和过程。这是一个对所有强子都相同的泛定参数,只能通过拟和试验数据来得到。这种拟和待定参数的问题在势模型中同样存在。 更具体的说,我们基于量子场论的原则,构建了有效哈密顿量并计算了由手征玻色子交换带来的中程作用部分对总能量的贡献。我们发现来自中程相互作用的贡献大约相当于短程贡献的40%。通过拟和重子谱,我们发现袋边界上的真空压力能密度B相比较于只考虑短程贡献的情况并没有变化。这意味着长程贡献的行为并没有变化,只是原本的短程作用现在被分为短程和中程作用两部分。 我们也简要的讨论了重子内三体相互作用贡献的可能性。也就是说袋内的三个夸克可能通过一个三胶子顶点耦合起来,但是一些对称性分析表明,由于强子色单态的要求,这样的三胶子贡献为零。于是我们转而考虑通过σ-π-π顶点耦合起来的三体中程相互作用。由于相应的三体问题的数学结构过于复杂,难以得到其严格的数值解。则我们希望讨论这一贡献的数量级,我们采用简化的“呼吸模型”对这种三体过程做了定性的和半定量的分析,并发现它的贡献远小于两体相互作用的贡献,因此在实际的计算中可以忽略。
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