[논문 리뷰] Weak Radiative Decays of Hyperons: Quark Model and Nonlocality

P. Żenczykowski|ArXiv.org|2001. 05. 21.

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 약한 방사선 하이퍼온 붕괴에서 Hara의 정리 위반이 VMD 모델의 게이지 비대칭성 때문이 아니라 쿼크 모델 상태의 내재된 국소성 부재에서 기인한다는 것을 보여준다. 정적 쿼크 근사에서 명백히 게이지 불변인 직접 광자-쿼크 결합을 사용함으로써, 동일한 페어리 위반 진폭과 비대칭도—특히 큰 양의 $Σ^{+}\to p\gamma$ 및 $ Xi^{0}\to\Lambda\gamma$ 비대칭도—가 재현됨을 보여주며, 이는 비국소성, 즉 게이지 대칭성 실패가 아니라 위반의 근본 원인이 됨을 증명한다.

ABSTRACT

It is proved that symmetry structure of the parity-viol. (p.v.) amplitudes of weak radiative hyperon decays in the VMD approach, and the violation of Hara's theorem in particular, are also obtained when direct coupling e_q \bar{q}γ_μq A^μ of photon to quarks is used in place of VMD. Thus, violation of Hara's theorem in VMD-based models does not result from the lack of gauge invariance. It is further shown that, in the static limit of the quark model, the CA commutator term in the p.v. amplitudes of nonleptonic hyperon decays (NLHD) and the parity-violating Σ^+ o p γdecay amplitude are proportional to each other. As a result, Hara's theorem may be satisfied in this limit if and only if the contribution from the CA commutator in NLHD is zero. Violation of Hara's theorem is traced back to the nonlocality of quark model states in the static limit. It is argued that the ensuing intrinsic baryon nonlocality does not have to be unphysical. It is stressed that the Ξ^0 o Λγasymmetry will provide very important information concerning the presence or absence of nonlocal features in p.v. photon coupling to baryons at vanishing photon momentum. If the Ξ^0 o Λγasymmetry is found negative, Hara's theorem is satisfied but the gauge-invariant quark model machinery predicting its violation must miss some contribution, or be modified. If experiment confirms positive Ξ^0 o Λγasymmetry, then, most likely, Hara's theorem is violated. Although positive Ξ^0 o Λγasymmetry admits of the possibility that Hara's theorem is satisfied, this alternative is in disagreement with hints suggested by the similarity of photon and vector-meson couplings and the observed size of p.v. nuclear forces.

연구 동기 및 목표

• 약한 방사선 하이퍼온 붕괴(WRHDs)에서 VMD 기반 모델의 게이지 비대칭성으로 인한 Hara의 정리 위반 여부에 대한 논란을 해결하기 위해.
• VMD 기반 모델에서 도출된 동일한 결과들이 정적 쿼크 근사에서 명백히 게이지 불변인 직접 광자-쿼크 결합을 사용할 때 재현 가능한지 조사하기 위해.
• 비레프톤적 하이퍼온 붕괴에서의 커런트 대수 교환자 항과의 연결을 통해 WRHDs의 페어리 위반 진폭의 기원을 규명하기 위해.
• 쿼크 모델의 타당성과 내재된 바리온 비국소성의 존재 여부에 대한 영향을 평가하기 위해 $\Xi^0\to\Lambda\gamma$ 붕괴 비대칭도의 의미를 분석하기 위해.
• 관측된 Hara의 정리 위반이 물리적 특성인지, 혹은 쿼크 격리와 저에너지 강입자 구조의 맥락에서 모델 가정의 산물인지 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 정적 쿼크 근사에서 VMD 메커니즘을 대체하기 위해 직접 광자-쿼크 결합 $e_q \bar{q}\gamma_\mu q A^\mu$ 를 사용함.
• 벡터 메손 중간 상태에 의존하지 않고, 게이지 불변 형식을 유지한 채 쿼크 모델에서 페어리 위반 진폭을 명시적으로 계산함.
• VMD 기반 모델에서 도출된 진폭과 비교함으로써 대칭성 구조와 Hara의 정리 위반의 동등성을 입증함.
• 비레프톤적 하이퍼온 붕괴에서의 커런트 대수 교환자 항이 WRHDs의 페어리 위반 진폭의 근원임을 규명함.
• Hara의 정리가 성립하기 위해선 비레프톤적 붕괴에서 커런트 대수 교환자 기여가 0이 되어야 하며, 이는 표준 쿼크 모델 계산에서 성립하지 않음.
• $\Xi^0\to\Lambda\gamma$ 붕괴 비대칭도를 중심적인 시험으로 삼아 분석: 양의 비대칭도는 비국소성과 Hara의 정리 위반을 의미하며, 음의 비대칭도는 쿼크 모델 예측과 모순됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VMD 기반 모델에서의 약한 방사선 하이퍼온 붕괴에서 Hara의 정리 위반이 게이지 비대칭성 때문인지, 아니면 쿼크 모델의 비국소성 때문인지?
• RQ2 정적 쿼크 근사에서 명백히 게이지 불변인 직접 광자-쿼크 결합을 사용할 때, VMD 기반 모델에서 관측된 동일한 페어리 위반 진폭과 비대칭도를 재현할 수 있는가?
• RQ3 비레프톤적 하이퍼온 붕괴에서의 커런트 대수 교환자 항이 $\Sigma^+ \to p\gamma$ 붕괴의 페어리 위반 진폭의 기원인가?
• RQ4 쿼크 모델에서 내재된 바리온 비국소성이 약한 방사선 하이퍼온 붕괴에서 관측된 비대칭도를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 저에너지 바리온-광자 결합에서 비국소적 특성의 존재 여부를 평가하기 위해 $\Xi^0\to\Lambda\gamma$ 붕괴 비대칭도의 실험 측정 결과는 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• VMD 기반 모델에서 Hara의 정리 위반은 이전에 주장된 바와 같이 게이지 비대칭성 때문이 아니라, 정적 쿼크 근사에서 명백히 게이지 불변인 직접 광자-쿼크 결합 기반으로 재현됨.
• 비레프톤적 하이퍼온 붕괴에서의 커런트 대수 교환자 항은 $\Sigma^+ \to p\gamma$ 붕괴에서의 페어리 위반 진폭과 직접 비례하며, 비레프톤적 붕괴와 방사 붕괴 사이의 기본적 연관성을 확립함.
• Hara의 정리가 정적 쿼크 모델에서 성립하려면 비레프톤적 붕괴에서 커런트 대수 교환자 기여가 0이 되어야 하는데, 이는 표준 쿼크 모델 계산에서 성립하지 않음.
• $\Xi^0\to\Lambda\gamma$ 붕괴 비대칭도는 쿼크 모델에서 크게 양수로 예측되며, 이는 모델 타당성에 대한 핵심 실험적 시험으로서 중요함.
• 음의 $\Xi^0\to\Lambda\gamma$ 비대칭도는 쿼크 모델 예측과 모순되며, 커런트 대수 교환자 기여가 누락되거나 잘못 모델링되었음을 시사함.
• 페어리 위반 강력 상호작용의 크기와 광자 및 벡터 메손 결합 간의 유사성은 비국소성이 물리적으로 타당하다는 것을 시사하며, Hara의 정리 위반은 비물리적일 수 없다.