Rozszyfrowywanie struktury protonu

Transkrypt

1 Rozszyfrowywanie struktury protonu Metody pomiaru struktury obiektów złożonych v Rozpraszanie elektronów na nukleonie czy na jego składnikach v Składniki punktowe wewnątrz nukleonu to kwarki v Definicja funkcji struktury v Rozpraszanie głęboko-nieelastyczne v Wnioski z pomiarów v Rozpraszanie neutrin i porównanie uzyskanych rozkładów kwarków w nukleonieà uniwersalność v opis łamania skalowania, QCD v spin kawarków i spin protonu Ewa Rondio, 31 marca 2009

2 Metoda: badany obiekt jest tarczą, obserwujemy rozpraszanie na nim obiektów punktowych Dokładność zależy od tego jak duże obiekty rozpraszamy (tak jak w mikroskopie à od długości fali) doświadczenie typu Rutherforda

3 Czy z obserwacji toru pocisków można się dowiedzieć o strukturze (kształcie) Pierwszy obiekt Drugi obiekt

4 Badania struktury przez obserwacje zderzeń Struktura atomu odkryta w doświadczeniu Rutherforda WNIOSEK w folii mamy dużo pustego miejsca mamy też obiekty na tyle ciężkie, że cząstki mogą się od nich odbić JĄDRO ATOMOWE Folia złota

5 Rozpraszanie elastyczne kinematyka Rozdzielcześć wzrasta ze wzrostem przekazu czteropędu Q 2 = q 2 = 2Mν (niezmiennik transf. Lorenza) à odpowiada to zmniejszaniu się długości fali wymienianego fotonu Związek z kątem rozpraszania: dla E m E! = Tarcza P=(M,0) Przekaz : Energii czteropędu ν = E E# q µ = k µ k " µ m -masa pocisku E 1+ E M (1 cosθ) E θ Q 2 = 2E E!(1 cosθ) = 4E E! sin 2 2 jedna zmienna (np. Q 2 lub kąt) wystarcza do pełnego opisu procesu

6 Pomiar rozkładu ładunku Jądro atomu - w dośw. Rutherforda à Punktowe Przy większych przekazach pędu à Widoczne rozmycie rozkładu ładunku

7 Formfaktory a rozkład ładunku

8 Formfaktor Struktura cząstki tarczy jest opisywana przez form-faktor Kryje on cała naszą niewiedzę o tym obiekcie na którym rozpraszamy pociski (tutaj elektrony) Formfktory wyznacza się przez dopasowanie do danych doświadczalnych

9 Wyniki pomiarów formfaktora nukleonu Dla cząstek nierelatywistycznych formfaktor jest transformatą Furiera rozkładu ładunku ( ) 2 G D 1+ Q 2 / 0.71 dane dobrze dają się opisać przez formfaktor dipolowy (G D ) G E (! q ) = ρ ( ch r)exp( i q! r! )d 3 r Dla cząstek o spinie ½ mamy 2 formfaktory: elektryczny i magnetyczny albo Diraca i Pauliego G Mn µ n G D

10 Zmiana Q 2 zmienia powiększenie λ 2π = h 2π / q = h 2π / Q2 Małe Q 2 à widzimy jako całość pojedyńczy obiekt w tarczy (atom, jądro..) rozmiar tego obiektu zależy od Q 2 w procesie rozpraszania, a więc od długości fali fotonu, który jest wykorzystywany do próbkowania struktury tarczy Większe Q 2 à w tej samej tarczy zaczynamy widzieć mniejsze struktury

11 Pomiary rozpraszania elektronów na nukleonach w SLAC-u Wynik był całkowitym zaskoczeniem tego się spodziewano zaobserwowano dużo słabszą zależność od Q2, a więc od kąta rozpraszania!! jak dla rozpraszania na obiekcie punktowym zmienna W opsuje masę hadronowego stanu końcoewgo Rysunek z pracy M.Breidebach et.al., Phys.Rev.Lett.23,935(1969)

12 Skalowanie à rozpraszanie na punktowych składnikach Rozpraszanie odbywa się na punktowych obiektach wewnątrz nukleonu à partonach Przekrój czynny będzie sumą rozpraszań na poszczególnych partonach Dla każdego mamy rozpraszanie elestyczne dσ dq = 4πα 2 Q 4 2 e q 2 % i & ' E$ E ( ) * i, θ. - cos / 1 0 F 2 (x,q 2 ) A dla całego nukleonu pojawia się czynnik opisujący jakie są w nim partony à tzw. Funkcja struktury

13 Skalowanie zależność od jednej zmiennej 1 x Interpretacja zmiennej skalowania X à ułamek pędu nukleonu niesiony przez parton który brał udział w oddziaływaniu Obserwacja skalowania doprowadziła do powstania Modelu Partonowego

14 taki proces to rozpraszanie nieelastyczne

15 zmiana powiększenia patrzymy na budowę tarczy w coraz mniejszej skali wzbudzenie jądra Pik elastyczny à zmiana skali: x=q 2 /2M P ν Zmienna x: zawsze definiuje ułamek pędu całego obiektu,jaki niesie ten jego składnik na którym nastąpiło rozproszenie Dlatego zawsze dla rozpraszania elestycznego mamy x=1 a obserwacja w mniejszej skali powoduje zmianę definicji x

16 Funkcja struktury Czago się spodziewamy? zastanówmy się jakiego kształtu funkcji struktury spodziewamy się przy różnych założeniach o tym jak zbudowany jest nukleon jeśli nukleon jest: Pamiętamy, że jest to funkcja określająca: à szanse znalezienia partonu o określonym pędzie wg. książki Martin@Holzen

17

18 Pomiary funkcji struktury nukleonu Pomiary rozpraszania elektornów i mionów na swobodnych, quasi-swobodnych (deutron) i związanych w jądrach atomowych nukleonach Pomiary rozpraszania neutrin, głównie na tarczach jądrowych à w obu przypadkach wiązka kierowana jest na tarcze w spoczynku maksymalne dostępne Q 2 kilkaset GeV 2 tzw pomiary na tarczy stacjonarnej Pomiary dla wiązek przeciwbieżnych elektron-proton w akceleratorze HERA à Energia znacznie większa, dlatego szerszy obszar dostępnych zmiennych kinematycznych zakres Q 2 do 10 4 GeV 2 a zmienna x bardzo mała do 10-4 mierzymy w funkcji x i Q 2

19 struktura protonu (nukleonu)

20 l F ± N 2 = 2 e i xq(x) F 2 ν N = dla xq(x) proton = uud neutron = ddu różne,bo prawdopodobieństwo oddziaływania dla naładowanych leptonów proporcjonalne do ładunku 2 protonu i neutronu, przy założeniu symetrii izospinowej F 2 p = 4 9 xu(x) xd(x) xu(x) xd(x) x(s(x) + s(x)) F 2 n = 4 9 xd(x) xu(x) xd(x) xu(x) x(s(x) + s(x)) dla tarczy izoskalarnej (A=Z/2) F N 2 = F p n + F = 5 18 x(u(x) + d(x)) x(u(x) + d(x)) + f (s(x)) F 2 N = 5 18 xq i (x) = 5 18 F ν N 2 = q 2 i F 2 ν N

21 Porównanie funkcji F2 nukleonu mierzonej w rozpraszaniu naładowanych leptonów i w rozpraszaniu neutrin Punkty pomiary dla neutrin (komora pęcherzykowa Gargamelle) Linia wynik dopasowania do punktów uzyskanych dla rozpraszania elektronów w eksperymatach w SLAC * 18/5 Wniosek: ładunki obiektów punktowych w nukleonie wynoszą 1/3 i 2/3 à są takie same jak ładunki kwarków postulowanych przez Gelmana do wyjaśnienia multipletów hadronów

22 Więcej o strukturze protonu z pomiarów funkcji struktury

23 Czy tylko kwarki są składnikami nukleonu? F 2 mierzy rozkład pędu wyniki pomiarów 1 ν N dxf 2 (x) = dxf 2 l ± N jeśli cały pęd niesiony 1 przez kwarki to F 2 (x)dx = 1 0 Pomiary wskazują, że kwarki niosą tylko około połowy pędu, à jest jeszcze jakiś składnik, który nie bierze udziału w oddziaływaniach z leptonami są to GLUONY

24 Jak wygląda nukleon w świetle pomiarów w rozpraszaniu głęboko nieelestycznym? kwarki walencyjne q q pary kwark-antykwark mogą się pojawiać i znikać niosą kolor i anty-kolor Gluony przenoszą oddziaływania między kwarkami niosą 2 kolory, opis w QDC

25 Współczesne wyniki pomiarów F 2 obserwacja łamania skalowania à efekty QCD

26 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 d 2 σ dxdy = α 2 Q 4 y 2 L µν (k,q)w µν (P,q)

27 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

28 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

29 Łamanie skalowania F 2 (x) dla dwóch (bardzo różnych) wartości Q 2 Linia ciągła parametryzacja i ważny test QCD à rozkłady partonów opisujemy funkcjami typu wyraźnie widoczne łamanie skalowania i jego ilościowy opis f (x) = x α (1 x) β (1+ γ x +...) Q0 2 przy wybranej wartości następnie obliczamy wartości F 2 (x) dla innych wartości i porównujemy z pomiarem Q 2

30 Wyniki pomiarów i ich opis w ramach QCD

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

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

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

34 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 Spin protonu wymaga czegoś więcej niż wkład od kwarków, pomiary