고강도 자기장 내 가속 양성자에서 중성 피온 방출 연구

고전 전자기장 F ab 존재 하에서의 입자 생성 과정은 반고전적 근사(semi-classical approximation)의 맥락에서 고려될 수 있습니다. 이 근사에서는 원본 입자는 고전 전류와 지정된 궤적을 가진 입자로 묘사되고, 방출되는 입자들은 완전히 양자화된 필드로 간주됩니다. 가속 양성자의 경우, 인자 금지된 강입자 상호작용 채널을 통한 붕괴, 예를 들어 p + a → p + π0 및 p + a → nπ+ 와 같은 과정, 그리고 약한 상호작용 채널을 통한 p + a → ne + ν 등이 반고전적 근사 하에서 상세히 연구되었습니다.

자기장 내에서 움직이는 경우, 반고전적 근사의 유효성은 [1][2][3]과 같은 조건이 충족될 때 보장됩니다:

여기서 B ⋆ = γB는 즉각적인 참조 프레임에서의 자기장의 크기이고, γ는 일반적인 로렌츠 계수이며, B cr = m²p/e ≈ 1.5 × 10²⁰ G는 전하가 양자화된 분석이 필수적인 임계 값입니다. 조건 (1)이 준수된다면, 반고전적 계산은 정확하며, 방출되는 출력 에너지는 원본 입자의 적분 가속도에만 의존합니다 [4]. 예를 들어 자기장 B 하에서, (상대론적) 양성자의 적분 가속도는 a ≈ γeB/mp이며, 따라서 식 (1)는 다음과 같이 재작성될 수 있습니다:

매개변수 χ는 프레임 독립적으로 정의될 수 있으며, χ = (eF ab p a)² / m³p로 표현됩니다. 인자 금지된 입자 생성에 있어서, 위에서 명시한 것들처럼, 근사적으로 인자적 (χ ≈ 0) 양성자는 억제될 것으로 예상됩니다.

본문에서는 원본 입자의 적분 가속도 a가 중성 입자 생성, 특히 중성 입자 방출 채널이 우세한 범위에 미치는 역할을 살펴봅니다. 또한, 강자기장 내에서 가속된 양성자에서 곡선 피온 복사 신호가 관측될 가능성에 대해 논의합니다. 본문에서 사용되는 자연 단위에서는 c = h = 1이며 시공 간 인자는 (+, -, -, -)로 설정됩니다.

본 연구에서는 다음과 같은 유형의 붕괴 과정을 고려합니다:

여기서 p₁과 p₂는 고전 전류에 해당하는 원본 입자로, 적분 가속도 a를 가진 두 수준 시스템의 상태를 따르는 고전 궤적을 가지고 묘사되며, qᵢ는 방출되는 입자로, 양자화된 필드로 묘사됩니다. (자세한 내용은 [5, 6]을 참조하세요.) 우리는 방출된 입자 qᵢ의 질량 mₗ이 원본 입자 p₁, 2의 질량보다 작음을 가정합니다. 만약 mₗ < m₁, 2 + i mₗ라면, 인자 금지된 궤적 (a = 0)에 대해서는 과정이 알려져 있습니다. 원본 입자가 지정된 궤적을 따른다면, 방출 입자 qᵢ의 운동량 kᵢ (원본 입자의 휴식 프레임에서 측정)는 [5, 6]에 명시된 제약 조건을 가져야 합니다. 또한, 방출 입자의 평균 에너지 ωᵢ (원본 양성자의 참조 프레임에서도 측정)는 원본 입자의 적분 가속도와 비례합니다 [5]:

즉, ωᵢ ∼ a입니다.

따라서, mₗ ≪ m₁, 2와 ω₂q₁의 조건에서 a ≪ m₁, 2를 얻을 수 있습니다. 이러한 점을 명확히 하기 위해, 균일하게 가속된 양성자가 방출하는 중성 피온을 고려해 봅시다:

무손실성을 가정하고 z 방향의 균일한 가속 궤적을 생각해 봅시다:

x⊂ = a -1 (sinh(aτ), 0, 0, cosh(aτ)).

[5, 6]에서 사용한 절차를 따라, 방출 입자 피온의 에너지 함수에 대한 미분 붕괴율을 얻습니다:

여기서 K₀는 제로 순서 수정 베셀 함수이고, mπ ≈ 140 MeV는 피온 질량이며, Gᵢ는 효과적인 결합 상수입니다. 방출된 총 출력 에너지는 다음과 같습니다:

Gpqmn은 메이어 G-함수 [7]를 나타냅니다. 정규화된 에너지 분포는 그림 (1)에 표시되어 있으며, 이를 통해 가속 입자의 적분 가속도가 피온의 평균 에너지와 밀접한 관련이 있음을 알 수 있습니다.

…(본문이 길어 생략되었습니다. 전체 내용은 원문 PDF를 참고하세요.)…