Struktura porotonu cd.

Transkrypt

1 Struktura porotonu cd. Funkcje struktury Łamanie skalowania QCD Spinowa struktura protonu Ewa Rondio, 2 kwietnia 2007 wykład 7

2 informacja Termin egzaminu 21 czerwca, godz.9.00

3 Wiemy już jak wygląda nukleon??? teraz kilka informacji o tym co mierzymy i skąd pochodzą Dane doświadczalne

4 Oddziaływanie głęboko- nieelastyczne ( z ang.dis) Kinematyka : θ ν=e -E Q 2 =-q 2 =4EE sin θ/2 x Bj =Q 2 / 2Mν y= ν / E Proces podstawowy: γ * q q σ dxdy α (, ) (, ) 4 Q d y L k q W µν = µν P q

5 Funkcje struktury F F Funkcje struktury mierzą rozkłady pędów kwarków poszczególnych zapachów ± l N 2 = 2 i exqx ( ) ν N = xq( x) 2 naładowane leptony neutrina Te funkcje wyznaczamy z pomiaru (przekroju czynnego) Dzieki znajomości funkcji struktury możemy poznać tensor hadronowy W µν L µν można obliczyć mamy opis przekroju czynnego, najczęściej w zmiennych x, Q 2 poprawki δ: L-druga funkcja struktury Z -wymiana bozonu Z0 rad -efekty radiacyjne

6 Gdzie są dostępne akceleratory w których przyspieszane są leptony Rozpraszanie głęboko-nieelastyczne jest/było badane w Europie: Hera DESY, Hamburg SPS CERN, Genewa i w USA: SLAC FNAL JLAB GSI Akceleratory w Europie

7 Dwa typy eksperymentów 1. Eksperyment na tarczy stacjonarnej (pociski tworzą wiązke, tarcza jest w spoczynku) wiązki elektronów do 50 GeV (SLAC), mionów do 500 GeV (CERN,FNAL) wiązki neutrin od kilkunastu do kilkuset GeV (CERN, FNAL) elektron 2. Eksperymenty na zderzających się wiązkach tu wiązki są różne: jedna to elektrony, druga protony (obiekty których strukturę badamy) Jedyny dotąd - zderzacz HERA: elektrony i protony, energie różne, elektronów znacznie niższa

8 Detektory w eksperymentach na stacjonarnej tarczy Magnes Historyczny detektor w SLAC Tu stwierdzono istnienie kwarków w nukleonie Schemat współczesnego eksperymentu COMPASS w CERN nadal bada strukturę nukleonu (m.in. spin)

9 Rozpraszanie neutrin ν µ W + Pomiar polega na liczeniu oddziaływań w przedziałach zmiennych x i Q Do wyznaczenia tych zmiennych wystarczy pomiar leptonu (jego energii i kąta) Znamy strumień neutrin i gęstość tarczy wyznaczamy przekrój czynny a stąd rozkłady kwarków 2 w takim oddziaływaniu tylko kwark d może pochłonąć bozon W + + d + W u możliwość pomiaru rozkładu d(x) Analogicznie w rozpraszaniu (gdy powstaje mion dodatni) mamy wymianę bozonu W i pomiar rozkładu u(x) w nukleonie ν

10 Detektory dla wiązek przeciwbieżnych Szczelnie obudowują punkt oddziaływania

11 Obrazy oddziaływań ep w dwóch detektorach przy akceleratorze HERA w Hamburgu Elektron lub elektron

12 Obszar kinematyczny w którym wykonano pomiary funkcji F 2 pomiary w zderzaczu HERA pomiary z rozpraszania elektronów (w tym pionierski pomiar skalowania Bjorkena) pomiary z rozpraszania mionów i neutrin (CERN,FNAL) 5 rzędów wielkości w obydwu zmiennych

13 popotrzmy z bliska na oddzaiływanie DIS nukleon = qqq qq gluony Struktura kolorowa: γ 3 kwarki w różnych kolorach (dopełniających) suma biały pary kwark-antykwark : kolor-antykolor suma biały gluony (niosą dwa kolory i zamieniają kolor kwarków międzu którymi są wymieniane nie zmieniają koloru nukleonu } kwark który brał udział w oddzaiaływaniu pozastałości nukleonu pędy tych dwóch części protonu są bardzo różne nie mogą dalej poruszać się razem jeśli te dwie części się oddalają pojawiają się obiekty niosące kolpr oddalanie się powoduje napinanie struny kolorowej, im większaodległość tym więcej w niej energii

14 produkcja cząstek q q q q q q barion Powstał i q kwark i reszta nukleonu oddalają się.. rośnie energia pola kolorowego kolorowa struna pęka, powstaje para kwark-antykwark q mezon

15 I najnowsze dane gdzie używamy coraz lepszego mikroskopu czyli widzimy mniejsze pędy i odległości Kolejne rysunki to coraz lepsze powiększenie Widać wzrost liczby kwarków z małymi pędami Obraz zgodny z przewidywaniami dla kwarków + par kwark-anty kwark + gluonów

16 Inna prezentacja tych samych danych: teraz na osi x powiększenie przy którym dokonujemy obserwacji. Zestawienie wszystkich wyników pomiarów struktury nukleonu z wykorzystaniem naładowanych pocisków: elektronów mionów

17 QED elektrodynamika kwantowa QCD chromodynamika kwantowa α stała sprzężenia elektro-magnetycznego α S stała sprzężenia oddz. silnego Najważniejsza różnica między QED i QCD: w QED fotony nie sprzęgają się same ze sobą w QCD istnieje sprzężenie gluon-gluon

18 Zdolność rozdzielcza mikroskopu DIS R 1 Q 2 im głębiej zaglądamy tym więcej widzimy par kwark-antykwark Mechanizm: kwarki emitują gluony, gluony tworzą pary P qg P gq P gg prawdopodobieństwo emisji zależy od Q 2, można je obliczyć w QCD wyznaczono funkcje opisujące podział pędu P ij (splitting functions) w tych procesach Skala µ zamieniona z Q 2

19 Ewolucja rozkładów kwarków możemy przewidywać jak zmienią się rozkłady partonów ze zmianą skali Q 2

20 Łamanie skalowania F 2 (x) dla dwóch (bardzo różnych) wartości Q 2 wyraźnie widoczne łamanie skalowania i jego ilościowy opis Linia ciągła parametryzacja i ważny test QCD rozkłady partonów opisujemy funkcjami typu α β f( x) = x (1 x) (1 + γ x+...) przy wybranej wartości następnie obliczamy wartości 2 F 2 (x) dla innych wartości Q i porównujemy z pomiarem 2 Q 0

21 Przykładowe rozkłady pędu dla różnych zapachów kwarków - wynik globalnych analiz danych

22

23 Wyniki pomiarów i ich opis w ramach QCD

24 Spin kwarku Spin partonu (kwarku) = 1/2

25 Spin nukleonu wiemy, że spin nukleonu jest ½ spin kwarku też jest ½ jak spiny kwarków budują spin nukleonu? Pierwsze najprostsze założenie: mamy 3 kwarki walencyjne które mają spiny ustawione tak, że dwa się znoszą, a trzeci definiuje spin nukleonu pary kwark-antykwark i gluony nic nie wnoszą Jak sprawdzić czy to założenie jest słuszne???

26 Pomiar polaryzacji kwarków wewnątrz protonu Spin fotonu = 1 Spin kwarku = 1/2 } foton może być pochłonięty tylko przez kwark o przeciwnej polaryzacji

27 Dodatkowa informacja w przekroju czynnym zależność od spinu Pomiary rozpraszania spolaryzowanych leptonów na spolaryzowanej tarczy (spolaryzowanych nukleonach) Asymetria A1 pozwala wyznaczyć funkcję struktury zależną od spinu

28 Funkcja g 1 (x) Równania ewolucji jak dla niezależnych od spinu rozkładów

29 Wkład kwarków do spinu nukleonu Z funkcji g 1 (x) wyznaczamy pierwszy moment Γ 1,, uzyskany wynik znacznie mniejszy niż wartość oczekiwana przy założeniu, że morze dziwne jest nie spolaryzowane s 0 Zależność między elementami macierzowymi a 0, a 3 i a 8 i możliwość wyznaczenia a 3 i a 8 z rozpadu neutronu i rozpadów hiperonów daje pomiar wkładu kwarków: naiwne oczekiwania - kwarki niosą cały spin Σ.=1

30 kryzys spinowy Orbitalny moment pędu - możliwy wkład od kwarkó - i od gluonów Nic o tym w tej chwili nie wiemy Cel experymentów następnej generacji wkład kwarków nie wystarcza brakujący wkład może być niesiony przez gluony zadanie obecnie prowadzonych eksperymentów

31 Pomiary polaryzacji gluonów pomiar w procesie fuzji foton-gluon (wyższy rząd) Pomiary nie są jeszcze precyzyjne ale obecne wyniki raczej dają małą (zerową?) polaryzację gluonów wybór procesu przez produkcję kwarków c przypadki z dwoma hadronami z dużym pędem poprzecznym

32 Spin protonu wymaga czegoś więcej niż wkład od kwarków, pomiary Podsumowanie: Wiemy z pomiarów co jest wewnątrz nukleonu Obiekty na których zachodzi rozpraszanie to KWARKI (sprawdzono ich ładunki i spin) Badania obecne dotyczą dużych powiększeń i opisu rozkładów pędu kwarków w nukleonie i ich ewolucji ze zmianą Q 2 Rozkłady partonów są uniwersalne tzn. wyznaczone w jednym procesie opisują też inne