mgr Beata Kowal

Promotor: dr hab. Krzysztof Graczyk, prof. UWr

Efekty polaryzacyjne w oddziaływaniach neutrin z nukleonami

I recenzent: dr hab. Marek Góźdź - UMCS

II recenzent: prof. dr hab. Krzysztof Kurek - Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Niniejsza rozprawa przedstawia wyniki teoretycznych badań oddziaływań neutrin z nukleonami. Rozważamy energię neutrin rzędu 1 GeV, która jest charakterystyczna dla eksperymentów akceleratorowych. Studiowane są dwa rodzaje procesów: rozpraszanie kwazielastyczne neutrin na nukleonach oraz rozpraszanie neutrin na nukleonach, w których zostaje wyprodukowany pojedynczy pion. W eksperymentach neutrinowych typu krótkiej i długiej bazy pomiar parametrów oscylacji neutrin opiera się, głównie, na analizie oddziaływań kwazielastycznych neutrin z jądrami i nukleonami. Mając model teoretyczny rozpraszania neutrino-jądro i neutrino-nukleon rekonstruuje się energie neutrin. Czynnikiem utrudniającym analizy doświadczalne są obserwowane wkłady od innych typów oddziaływań niż kwazielastyczne. Istotnym tłem do pomiarów oddziaływań kwazielastycznych są procesy nieelastyczne, w których zostaje wyprodukowany pojedynczy pion. Dalszy postęp w badaniu własności neutrin wymaga sformułowania precyzyjnego modelu teoretycznego opisującego oddziaływania neutrin z jądrami atomowymi. Punktem startu jest sformułowanie precyzyjnego, w przewidywaniach, modelu opisującego oddziaływanie neutrin ze swobodnymi nukleonami. W przypadku oddziaływania kwazielastycznego neutrino-nukleon głównym źródłem niepewności w modelowaniu teoretycznym jest wciąż niewystarczająca znajomość wkładu osiowego nukleonu. Pojawia się również pytanie czy pomiar rozpraszania kwazielastycznego może pozwolić uzyskać informacje o potencjalnych oddziaływaniach spoza Modelu Standardowego. Modele teoretyczne opisujące nieelastyczne oddziaływania neutrin z nukleonami, w których powstaje pojedynczy pion, są znacznie bardziej skomplikowane niż opis oddziaływania kwazielastycznego. Istnieją dwa mechanizmy produkcji pojedynczego pionu: rezonansowy, gdy nukleon przechodzi w stan rezonansowy i rozpada się na pion i nukleon, oraz nierezonansowy. Eksperymentalna weryfikacja modeli opisujących produkcję pojedynczego pionu jest skomplikowana. Do tej pory nie można było wydobyć osobno informacji o wkładach nierezonansowych i rezonansowych. Konieczne jest, aby znaleźć nowe procedury i metody, które pozwolą precyzyjnie ustalić parametry modelu na rozpraszanie kwazielastyczne neutrin oraz umożliwią pełne przetestowanie modeli produkcji pojedynczego pionu. W niniejszej rozprawie dyskutujemy obserwable spinowe, których pomiar może istotnie przyczynić się do postępu w uzyskaniu kompletnego modelu oddziaływań neutrin z nukleonami. Obserwable polaryzacyjne były już rozważane w przeszłości w kontekście oddziaływań neutrin. Jednak w przypadku procesu kwazielastycznego nie badano obserwabli wielospinowych. Natomiast w procesie produkcji pionu rozważano tylko polaryzację końcowego leptonu i końcowego nukleonu stosując uproszczony model hadronowy. W niniejszej pracy analizujemy obserwable dwu- i trójspinowe w procesie kwazielastycznym. Badamy czułość składowych obserwabli na wartość masy osiowej MA. Wykazujemy, że asymetrie spinowe są obiecującymi obserwablami do badania prądów drugiego rodzaju w rozpraszaniu neutrin oraz wyznaczenia przebiegu zmienności czynnika osiowego nukleonu. Pokazujemy również, że obserwable polaryzacyjne zawierają istotną informację o własnościach rozpraszania neutrin na nukleonach, przy którym powstał pojedynczy pion. W dyskusji uwzględniamy wkład rezonansowy zadany przez wzbudzenie nukleon-rezonans ∆(1232) oraz wkłady nierezonansowe opisane przez dwa modele bazujące na liniowym i nieliniowy modelu sigma. Wprowadzamy tzw. asymetrię spinową tarczy i pokazujemy, że jej składowe są zadane przez wkłady interferencyjne pomiędzy diagramami rezonansowymi i nierezonansowymi. Ponadto pokazujemy, że składowe polaryzacji wybitego nukleonu oraz końcowego leptonu zawierają nietrywialną informację o wkładach rezonansowych i nierezonansowych. Wreszcie pokazujemy, że pomiar obserwabli spinowych pozwoli na wyznaczenie względnej fazy pomiędzy wkładami rezonansowymi i nierezonansowymi. Badamy również jak obserwable spinowe zależą od osiowego czynnika postaci CA 5 opisującego słabe wzbudzenie nukleon-rezonans ∆(1232).