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Thèse Année : 2020

Effective field theory studies of hadron-hadron interactions

Étude des interactions hadron-hadron en théorie effective des champs

Résumé

With the development of accelerator and detector techniques, experimentalists have obtained quite a large amount of data on hadron-hadron interactions with much higher statistics based on large experimental accelerators such as BEKB, LHC, BEPC and so on, revealing a large variety of phenomena for theoretical researches. In order to provide a reliable understanding on these experimental data, theorists continually investigate new models or improve the original ones. Among all the approaches for studying hadron-hadron interactions in the low energy regime, the Effective field theory(EFT) has now become one of most popular approaches. Due to the asymptotic freedom and the color confinement, the fundamental theory for the strong interaction, quantum chromodynamics(QCD) is perturbative at high energy, while at low energies it is in a strong coupled and confining regime and perturbation theory is not applicable. With the chiral symmetry and its spontaneous breaking fully taken into account, chiral perturbation theory and its unitary version make it possible to improve the descriptions order by order according to a certain power counting rule. One can thus improve the description systematically and evaluate the uncertainties. In the present work, we first briefly introduce the main idea of effective field theory. Then we study three typical scattering processes as examples within the framework of EFT to show how EFT helps to understand experimental data and further more, its power for predicting the unmeasured ones. Part I : In this part we investigate the interactions between singly charmed baryons and Goldstone bosons with a unitary chiral perturbation theory combined with approximate heavy quark symmetry. We compare different regularization methods for the two-point integral. In the lowest order, we fix the only free parameter in our model by reproducing the Λc(2595) and predict a number of resonances. We then extend our study to include the next-to-leading order contributions. Further more, we utilize the compositeness rules and large Nc expansion to study the structure of Λc(2595) in different models. Part II : In this part we calculate the interaction between ground state baryons and pseudoscalar meson up to one loop level with covariant SU(3) baryon chiral perturbation theory. We apply the extended-on-mass-shell scheme to absorb the Ultra-violate divergence and power counting breaking terms. For the first time we performed a combined fit for both piN and KN scattering phase shifts. Further more, we perform a global fit to meson-baryon scattering phase shifts and baryon masses and show that it can provide a reasonable description of the experimental data. In the end of this part we discuss in detail the convergence of covariant BChPT. Part III : In this part, we study the meson-meson interaction with isospin I = 1 as final state interaction in photon-photon scattering. Muskhelishvili-Omnès (MO) representation based on dispersion relations and analytical properties of amplitudes are applied. The most recent experimental data on γγ→πη; and γγ→KS KS with much higher statistics from the Belle Collaboration are used to fix the parameters of our model, with which we calculate the position of a₀(980) and a₀(1450) which still remain ambiguous.
Les progrès techniques dont ont bénéficié les accélérateurs de particules ainsi que les détecteurs ont permis aux expérimentateurs de collecter des résultats sur un grand nombre d'interactions hadron-hadron, avec de grandes statistiques auprès d’accélérateurs tels que KEK, LHC, BEPC. Parmi les nombreuses approches utilisées pour décrire les interactions hadron- hadron à basse énergie, celles qui se basent sur la théorie effective des champs (EFT) deviennent les plus populaires. La théorie fondamentale des interactions fortes, la QCD, est perturbative aux grandes énergies (liberté asymptotique) mais pas aux basses énergies où la physique associée est dominée par le couplage fort et le confinement. Dans ce cadre, la brisure spontanée de la symétrie chirale est prise en compte et un développement perturbatif chiral est possible sur lequel sont également applicables des méthodes d'unitarisation. Des règles de comptage en puissance peuvent être introduites qui permettent la description d’une interaction hadron-hadron ordre par ordre. On peut ainsi améliorer la description de manière systématique et faire une évaluation des incertitudes. Dans le présent travail, nous présentons tout d’abord brièvement les idées de base de la théorie effective des champs. Nous étudions ensuite trois processus de diffusion hadron-hadron, ayant chacun un intérêt particulier, dans le cadre de l’EFT. Nous montrerons ainsi la capacité de cette approche à expliquer les observables mesurées et de plus, à faire des prédictions sur des quantités qui ne le sont pas encore. Première partie : Dans cette partie nous examinons la possibilité d’engendrer des résonances dans les interactions entre un baryon charmé ou un baryon bottom et un boson de Goldstone en utilisant un développement chiral unitarisé et en exploitant la symétrie approximative de quark lourd. Nous comparons plusieurs méthodes de régularisation pour l’intégrale de la fonction a deux points. A l’ordre dominant, l’unique paramètre de la théorie est fixé de manière a reproduire les états Λc(2595). Cette étude est ensuite étendue de manière à inclure les contributions sous-dominantes. Par ailleurs, nous avons étudié la structure du Λc(2595) en utilisant le critère d'état composite de Weinberg ainsi que le développement en grand Nc. Deuxième partie : Dans cette partie nous calculons les amplitudes d’interaction entre mésons légers et baryons de l'état fondamental dans le cadre de la théorie de perturbation chirale baryonique (BChPT) covariante et du groupe de saveur SU(3) à l'ordre d'une boucle. Nous appliquons la méthode dite sur-couche étendue qui permet d'absorber à la fois les divergences ultra-violettes et les contributions qui violent la règle de comptage en puissances. Nous avons effectué, pour la première fois, un fit combiné des déphasages piN et KN. De plus, nous effectuons un fit global simultanément des déphasages méson-nucléon et des masses des baryons et nous trouvons un bon accord avec les données expérimentales. A la fin de cette partie nous discutons en détail les propriétés de convergence de la BChPT covariante. Troisième partie : Dans cette partie nous étudions l'amplitude d'interaction d'une paire méson- méson dans l'isospin I=1 via le processus de production par des collisions photon-photon. Nous construisons les amplitudes de production en résolvant les équations d'Omnès-Muskhelishvili qui sont basées sur les propriétés générales d'analyticité et d'unitarité. Les mesures expérimentales de sections efficaces γγ→πη; et γγ→KS KS de haute statistique effectuées récemment par la collaboration Belle nous permettent de contraindre les paramètres de notre modèle d’amplitude méson-méson (deux solutions sont trouvées) et d’en déduire les propriétés des résonances a₀(980) et a₀(1450) d’après leur position dans le plan complexe en énergie.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03187168 , version 1 (31-03-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03187168 , version 1

Citer

Junxu Lu. Effective field theory studies of hadron-hadron interactions. High Energy Physics - Phenomenology [hep-ph]. Université Paris-Saclay; Beihang university (Pékin), 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASP095⟩. ⟨tel-03187168⟩
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