基于相对论性手征微扰理论对核子与流相互作用过程的研究

Study of the structure and the interactions of the nucleon, the building block of the visible matter of our world, is of great importance in hadron physics and nuclear physics. Especially, as precision goal is pursed by more and more experiments, it is timely to carry out high-precision theoretical analyses on the properties of the nucleon. In recent years, relativistic chiral perturbation theory (ChPT), as the low-energy effective filed theory of quantum chromodynamics in the non-perturbative region, has proved to be very successful in the studies of hadron and nuclear physics, and hence becomes more and more popular now. In this project, we intend to carry out investigations on the nucleon-current interactions by using relativistic ChPT with the help of existing experimental data at low energies. Two important types of nucleon-current interactions are under consideration: I. current production of light mesons off the nucleon; II. Compton scattering of the nucleon. Within the framework of ChPT, highest-order chiral representation of the two processes will be obtained, which will be applied to extract the nucleon electromagnetic radius, axial charge and radius, spin polarizabilities and so on. Our results will deepen our understanding of the nucleon and also offer high-precision theoretical inputs to the analysis of other relevant experiments.

核子是构成可见物质世界的基本单元，对其基本结构与相互作用的研究是强子物理与核物理中的重要课题。特别是在实验日益追求高精度测量的今天，高精度并且模型无关地对核子性质的理论研究势在必行。近年来，相对论性手征微扰论作为量子色动力学在低能非微扰区域的有效场论，在现代强子物理和核物理中的应用获得巨大成功而日益受到广泛关注。本课题拟利用相对论性手征微扰论，结合低能实验数据，对核子与流之间的相互作用过程进行研究，主要集中在两类重要的过程：1. 轻介子在核子上的流相互作用产生过程；2. 核子的康普顿散射过程。通过本课题的研究，将获得对这两类过程最高阶的精确描述，并高精度地抽取核子的电磁半径、轴矢电荷与半径、自旋极化率等重要物理量，从而加深对核子的理解，同时为其他相关的物理实验的数据分析提供可靠精确的理论输入。

核子性质的研究一直是粒子物理和核物理共同关注的重要前沿课题。手征微扰论是探索强相互作用非微扰能区物理的有效方法，是高精度探索核子性质的强大工具。将手征微扰论的方法和思想运用到现代强子物理的研究也是当前的热门方向。围绕核子与流相互作用，本项目做出了以下有意义和影响的工作：1）基于相对论手征微扰论，对介子在核子上的光生过程进行了次次领头阶研究，分析了Delta共振态的贡献，计算了非极化散射截面和不对称度等，为核子电磁性质的探索提供了高精度的理论输入。基于手征微扰论得到的高精度手征振幅结果，结合色散技术，探索了新发现的阈下极点N*(890)的电磁耦合性质，为核子的手征伴随态的理解和阐释提供了全新视角。2）在两个方面拓展了手征微扰论的应用范围：一是考虑了含重味夸克核子自由度的手征微扰论，首次构造了到次次次领头阶的双粲重子的完备且线性无关的手征有效拉氏量，可用于系统研究双粲重子性质；二是提出了一种有限体积单圈张量积分的统一表述，结合手征微扰论可系统计算有效体积效应，为未来利用格点QCD数据高精度研究核子性质做铺垫。3）基于有效场论的思想和有效拉氏量构造方法，结合LHCb实验数据，研究了双J/Psi谱中的极点，抽取了X(6900)等全粲夸克态的质量及量子数等。基于本项目的工作基础与相关研究，受邀综述了手征微扰论与色散技术相结合在分波动力学应用，对低能强子物理研究具有一定的参考意义。