Spin and relativistic motion of bound states

The wave functions of moving bound states may be expected to contract in the direction of motion, in analogy to a rigid rod in classical special relativity, when the constituents are at equal (ordinary) time. Indeed, the Lorentz contraction of wave functions is often appealed to in qualitative discussions. However, only few field theory studies exist of equal-time wave functions in motion. In this thesis I use the Bethe-Salpeter formalism to study the wave function of a weakly bound state such as a hydrogen atom or positronium in a general frame. The wave function of the e^-e^+ component of positronium indeed turns out to Lorentz contract both in 1+1 and in 3+1 dimensional quantum electrodynamics, whereas the next-to-leading e^-e^+\gamma Fock component of the 3+1 dimensional theory deviates from classical contraction. The second topic of this thesis concerns single spin asymmetries measured in scattering on polarized bound states. Such spin asymmetries have so far mainly been analyzed using the twist expansion of perturbative QCD. I note that QCD vacuum effects may give rise to a helicity flip in the soft rescattering of the struck quark, and that this would cause a nonvanishing spin asymmetry in \ell p^\uparrow -> \ell' + \pi + X in the Bjorken limit. An analogous asymmetry may arise in p p^\uparrow -> \pi + X from Pomeron-Odderon interference, if the Odderon has a helicity-flip coupling. Finally, I study the possibility that the large single spin asymmetry observed in p p^\uparrow -> \pi(x_F,k_\perp) + X when the pion carries a high momentum fraction x_F of the polarized proton momentum arises from coherent effects involving the entire polarized bound state.

Fysiikka palautuu neljään vuorovaikutusmekanismiin, jotka kuvaavat kaikkia luonnon perushiukkasten välisiä vuorovaikutuksia. Nämä vuorovaikutukset ovat painovoima, sähkömagneettinen vuorovaikutus sekä heikko ja vahva vuorovaikutus. Näistä muut kuin painovoima kuuluvat hiukkasfysiikan standardimallin piiriin, ja niitä voidaan täsmällisesti kuvata kvanttikenttäteorialla. Sähkömagnetismin perusta on kvanttielektrodynamiikka, joka kehitettiin jo viime vuosisadan alkupuolella. Se on kvanttikenttäteoria, joka kuvaa varattujen hiukkasten sähköisiä vuorovaikutuksia fotonien vaihtona. Kvanttielektrodynamiikka on tarkimmin testattu perusteoria: sen antamat ennusteet vastaavat kokeellisia tuloksia joissakin tapauksissa yhdentoista merkitsevän numeron tarkkuudella. Yksi teorian sovelluskohteista ovat sen sidotut tilat, esimerkiksi vetyatomi, jonka pitää koossa ytimen (protonin) ja elektronin välinen sähköinen vuorovaikutus. Tässä väitöskirjassa ratkaistaan lähtien kvanttielektrodynamiikasta lähes valon nopeudella liikkuvan vetyatomin rakenne. Ratkaisusta nähdään, että atomi on kutistunut liikkeen suunnassa samalla tavalla kuin kiinteät kappaleet (klassisessa) erityisessä suhteellisuusteoriassa. Vahvan vuorovaikutuksen kvanttikenttäteoria on kvanttiväridynamiikka, jonka hiukkasia ovat kvarkit ja gluonit. Atomien ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, jotka ovat kvanttiväridynamiikan sidottuja tiloja. Vaikka teoria määrää kvarkkien ja gluonien väliset yksittäiset vuorovaikutukset, niiden yhteisvaikutuksesta muodostuvan sidotun tilan, kuten protonin, rakennetta ei vielä osata laskea. Protonin rakennetta pyritään ymmärtämään tutkimalla kokeellisesti, kuinka se käyttäytyy suuren energian sirontatörmäyksissä hiukkaskiihdyttimissä. Väitöskirjan loppuosan pääaiheena on, miten protonin sisäinen impulssimomentti, spin, vaikuttaa sironnassa. Spinriippuvuuden tutkiminen tuo uutta tietoa protonin rakenteesta ja kvanttikenttäteorian soveltamisesta suuren energian törmäyksiin.