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Abstract
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 observables, 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 in the low energy regime it is in a strong coupled and confining regime and perturbation theory is not applicable. The EFT then actually serves as a substitute of QCD in this low energy region, the degrees of freedom of which are hadrons, i.e., mesons and baryons, instead of quarks and gluons. With the chiral symmetry and its spontaneous breaking fully taken into account, chiral perturbation theory and its unitary version make it possible to treat the interactions order by order according to a certain power counting rule. One can thus improve the description systematically and evaluate the uncertainties. Applications to hadron- hadron interactions, including meson-meson, meson-baryon and baryon-baryon interaction have turned out to be very successful.
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 furthermore, its power for predicting the unmeasured ones.
Étude des interactions hadron-hadron en théorie effective des champs
Résumé
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 πN 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 to πη et γγ to KS KS de haute statistique effectuées récemment par la collaboration Belle nous permettent de contraindre les paramètres de notre modèle d’amplitude mśon-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.
Membres du jury :
President:
Qing Wang
Professeur, Tsinghua University
Member:
Fengkun, Guo
Directeur de Recherche, Institute of Theoretical Physics, Chinese Academy of Sciences
Norbert Kaiser
Professeur, Technical University of Munich
Congfeng Qiao
Professeur, University of Chinese Academy of Sciences
Qiang Zhao
Directeur de Recherche, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences
Hanqing Zheng
Professeur, Peking Univeristy
Lihua Zhu
Professeur, Beihang Univeristy