kwarki są uwięzione w hadronie

Transkrypt

1

2

3

4 kwarki są uwięzione w hadronie

5 gluony są uwięzione w hadronie

6

7 QED - potencjał - QCD VQED α = r 1 potencjał coulombowski r nośniki (małe odległości) brak uwięzienia Precyzyjne przewidywania poziomów energetycznych VQCD 4α s = + kr 3r MODEL bezmasowe +kr uwięzienie k 0.85GeV / fm Przewidywania stanów wzbudzonych N*, Δ...

8 Chromodynamika kwantowa teoria oddziaływań silnych SU (3) c - 3 kolory ścisła symetria biegnąca stała sprzężenia α s ( µ ) zależna od skali μ µ swoboda asymptotyczna α s ( µ ) 0 µ 0 uwięzienie α s ( µ ) cząstki: kwarki, gluony

9 Silna stała sprzężenia α s (Q ) = α s (µ ) 7 [1 + α s ( µ ) ln(q / µ )] 4π Biegnąca stała sprzężenia running coupling constant 4π = 7 ln(q / Λ ) Λ 0. GeV

10 nieperturbacyjna QCD α s (Q ) >> Λ... perturbacyjna QCD

11 Porównanie QED i QCD ścisła symetria U(1) biegnąca stała sprzężenia 1 ładunek elektryczny 1 bezmasowy neutralny foton brak sprzężeń γγγ ścisła symetria SU (3) c biegnąca stała sprzężenia 3 ładunki kolorowe 8 bezmasowych kolorowych gluonów sprzężenie ggg

12 Biegnące stałe sprzężenia Uwaga: 1/α Wielka Unifikacja Grand Unification GUT rozpad protonu??? (patrz niżej)

13

14 Jak badać proton... p: uud naive n: udd QPM...gdy gluons valence q strong vacuum partony uwięzione? strong coupling sea q q PROTON 1 fm

15 Masy partonów 3 gluon u d s c b t zapach (flavour) bezmasowy MeV 4-8 MeV MeV GeV GeV 175 GeV Rq < 10 fm } walencyjne WIELKA TAJEMNICA PRZYRODY!!! masa protonu = 938 MeV

16 Układ nieskończonego pędu xp (axis z ) Pprotonu widzimy prawie swobodne partony x ułamek pędu protonu niesiony przez dany parton infinite momentum frame 0 < x <1

17 Czyli... obrazek pędowy tylko wzdłuż osi z brak obrazka przestrzennego (x,y,z lub r) zaniedbujemy pędy poprzeczne

18 Jak badamy? Rozpraszanie głębokonieelastyczne: (k k ' ) = q = Q (q + xp) = m 0 x P q+ xp Q x= qp q 0 < x <1

19 Jaki obszar protonu badamy? λ 1 Q 0. GeV 1 fm = 1... to zależy od λ: 0. GeV 1 fm cały proton (rozkład ładunku) GeV 0.1 fm 1/10 protonu kwarki 0 GeV 0.01 fm 1/100 protonu gluony

20 Więc aby badać wnętrze protonu... J.C potrzebny akcelerator DESY, Hamburg

21 Funkcje gęstości partonów (PDF) u uv q f : u ( x), d ( x), s ( x)... u ( x), d ( x), s ( x)... 1 Liczba partonów na jednostkę x q( x)dx = N 0 q

22 Od przekroju czynnego... d σ 4πα ep = F ( x, Q ) czynnik kinem. 4 dxdq xq ep w modelu partonowym: nf F ( x, Q ) = x e ep f [q f ( x, Q ) + q f ( x, Q )] f e f ładunek kwarku f

23 ep...poprzez funkcje struktury... F1 ( x, Q ) F ( x, Q ) F3 ( x, Q ) ν p, ν p, µ ± p, e ± p

24 ...do rozkładów partonów 0 < x <1 log x

25 x> 0.3 (około) nie ma już kwarków morza ani gluonów tylko kwarki walencyjne x

26 x x1 x g = x1 x λ = 0.05 fm λ = 0.1 fm Funkcje struktury i rozkłady partonów zależą od Q λ = fm valence sea Wraz ze zwiększaniem rozdzielczości fotonu widzimy coraz więcej kwarków morza

27 Nasycenie??? Gdy gęstości partonów w stałej objętości protonu (uwięzienie) rosną oczekiwałoby się x 0 nasycenia gęstości partonowych rekombinacji partonów czyli procesów 1 Dotychczas nie zaobserwowano

28 Ewolucja QCD oddziałujący kwark pochodzi z pary wyemitowanej przez gluon podstawowe oddziaływanie procesy 1 q q g g qq przed oddziaływaniem kwark wyemitował gluon g g g

29 Przewidywania QCD dla kwarków d q ( x, Q ) = d ln Q α s (Q ) = [ π q q g x dξ q ( ξ, Q ) P ( ) qq x ξ ξ g qq 1 x dξ + G (ξ, Q )Pgq ( ) x ξ ξ 1 ]

30 Przewidywania QCD dla gluonów d G ( x, Q ) = d ln Q α s (Q ) = [ π g g g x dξ G ( ξ, Q ) P ( ) gg x ξ ξ q gq 1 x dξ + q (ξ, Q )Pqg ( ) ] x ξ ξ 1

31 g q q ( g gg ) małe x Ewolucja QCD funkcji struktury F Doskonała zgodność QCD z pomiarami!!! q q g duże x

32 Reguła sum Gottfrieda [ 1 0 ] dx F ( x) F ( x) = x ep en 1 [ ] 1 + u ( x) d ( x) dx = 0.4 ± w protonie : d >u

33 Reguła sum Gross a i Llewellyn-Smith a 1 1 dx [ ] xf ( x ) = u ( x ) + d ( x ) dx = 3 V V 0 x 0 νn 3 (uv = u u, dv = d d ) N średni nukleon czyli 1 ( p + n)

34 Pęd protonu niesiony przez... 1 xq( x)dx = { 0 kwarki walencyjne 0.3 kwarki morza 0. gluony Zależy od Q 1.0

35

36 duże Q - mała stała sprzężenia małe Q - duża stała sprzężenia uwięzienie swoboda asymptotyczna kwarki, gluony hadron: modele perturbacyjna QCD mała rozdzielczość duża rozdzielczość

37 F = C (Q ) x Q > 1 GeV λ (Q ) λ ln Q, C = const ( x<0.01) Q < 1 GeV : gdy Q 0 λ 0.08 kwarki hadron przy Q 0.3 fm granica Regge foton zachowuje się jak hadron dynamika hadronowa α s (Q ) >> 1 dynamika partonowa α s (Q ) < 1

38 Dualizm kwarkowo hadronowy obszar rezonansów x=1 elastic

39 Nukleon w jądrze atomowym antia B F ( x) / F ( x) shadowing shadowing J.C Stosunki funkcji struktury nukleonu w jądrach A i B (na nukleon) 0< x< A

40 Gdy x > 1... x >1 oznacza że kwark (walencyjny) niesie pęd > 1 nukleonu!!! Korelacje jądrowe widziane w obrazie kwarkowym Jefferson Laboratory Fe

41

42 Nowe spojrzenie nadzieja... Na uderzony kwark (DIS γ ) popatrzmy jednocześnie poprzecznie rozkłady pędu (transf. Fouriera) struktura przestrzenna Jak? Przy pomocy drugiego (swobodnego tzn. rzeczywistego) fotonu ponieważ nie jest uwięziony w protonie

43 Głęboko virtualne rozpraszanie Comptona Deeply Virtual Compton Scattering - DVCS stąd więcej informacji o kwarku q DIS γ GPD Generalised Parton Distributions γ q q γ GPD zmienne proton proton

44

45 Jak ważny jest spin w QCD? 1 uud J = proton masa 938 MeV 3 + uud J = masa 13 MeV L=0 stan wzbudzony o czasie życia 10 3 s Różnica mas pochodzi od różnicy konfiguracji spinów kwarków walencyjnych (por. QED)

46 np. u d mezon π + u d mezon ρ + masa 139 MeV masa 770 MeV L=0 stan wzbudzony o czasie życia 10^-3 s Różnica mas pochodzi od różnicy konfiguracji spinów walencyjnego kwarka i antykwarka: m > m π! (por. QED)

47 Wkład do spinu protonu Naive QPM: tylko kwarki walencyjne, spin kwarku 1/ qv QCD: + morze i gluony, spin gluonu 1 qs, G Orbitalny moment pędu Lq, Lg

48 + q = q q kwarki i antykwarki ze spinem równoległym (+) i antyrównoległym (-) do spinu protonu Σ = u + d + s +... Gdzie jest spin protonu? 1 1 = Σ + G + Lz kwarki gluony orbitalny

49 Spinowa funkcja struktury { } 1 + g1 ( x) = e f q f ( x) q f ( x) = f 1 e f q f ( x) f ± f Uwaga : q kwarki i antykwarki

50 Jak zmierzyć g1? Spolaryzowana wiązka i tarcza Asymetria: σ 1/ σ 3 / g1 ( x) A1 ( x) = = σ 1/ + σ 3 / F1 ( x) gdzie x F1 ( x) = F ( x)

51 Pierwszy moment funkcji g1 1 Γ1 = g1 ( x)dx 0 Niepodważalne przewidywanie teoretyczne Kryzys spinowy 1987 European Muon Collaboration J.C

52 Skąd bierze się spin? Σ = 0.4 ± 0.03 (...)dx 1 1 = Σ + G + Lz Scenariusze u ( x) > 0 d ( x) < 0 u, d, s, s 0?

53 Wkład do spinu od gluonów

54

55 Czy proton jest trwały? teorie GUT (Grand Unification) : różne schematy unifikacji oddziaływań skala energii 1016 GeV przewidywany rozpad protonu τ / B lat kanały rozpadu: p e π, µ π, e η, K ν

56 Przykładowy experyment: Super Kamiokande

57 Przykładowy rozpad: Rejestracja promieniowania Czerenkova rekonstrukcja pierścieni

58 Pomiary τ/b protonu wykluczanie schematów teoretycznych Wiele aktywności!!!

59

60 Stan wiedzy i niewiedzy proton składa się z kwarków, antykwarków i gluonów wiadomo od >30 lat dość dobrze znany obrazek pędowy (zmienna x) kwarki i gluony niosą po ok. połowie masy (pędu) protonu morze szybko rośnie gdy x 0 mimo tego nie obserwuje się nasycenia gęstości 5 partonowych do x 10 doskonała zgodność pomiarów z przewidywaniami perturbacyjnej QCD

61 badane przejście od obrazka partonowego do hadronu (od perturbacyjnej do nieperturbacyjnej QCD) pierwsze próby pomiaru procesów w kierunku uogólnionych rozkładów partonowych - DVCS obrazek przestrzenny wnętrza protonu? kwarki niosą tylko część spinu protonu pomiary wkładu gluonów do spinu trwają (na razie mała dokładność) poszukiwanie rozpadu protonu nowej fizyki metodami nieakceleratorowymi

62 Udział Polski European Muon Collaboration UW, IPJ, IFJ New Muon Collaboration UW, IPJ, IFJ Spin Muon Collaboration UW, IPJ, IFJ ZEUS, H1 (DESY/HERA) UŁ, UW, IPJ, IFJ, UJ, AGH

63 Atom vs. punktowe elektrony e.m. pole fotonowe e słabo związane niewielka polaryzacja próżni jest równanie ścisły potencjał proton punktowe kwarki silne pole gluonowe partony uwięzione silna polaryzacja próżni dużo par q q nie ma równania efektywny potencjał

64 stany wzbudzone przestrzenna struktura rezonanse jeszcze nieznana perturbacyjna QED QCD perturbacyjna i nieperturbacyjna spinowe efekty bardzo duże mało wiadomo o wkładzie do spinu ψ nlm ( r,θ, ϕ ) spinowe efekty bardzo małe wszystko wiadomo o spinie

65