Wstęp do oddziaływań hadronów

Wstęp do oddziaływań hadronów Mariusz Przybycień Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademia GórniczoHutnicza Wykład 3 M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 1 / 16

Diaramy Feynmana Po wysumowaniu po wszystkich możliwych uporządkowaniach w czasie otrzymujemy lorentzowsko niezmienniczy element macierzowy: space a b c d time space a b c d time Uporządkowana czasowo MK : pęd zachowany w wierzchołkach, eneria niezachowana w wierzchołkach, wymieniana cząstka na powłoce masy: tchannel a c b E 2 X p X 2 = m 2 X d a b time c d M fi = a b 2 m 2 X Diaram Feynmana: pęd i eneria zachowane w wierzchołkach wymieniana cząstka wirtualna: E 2 X p X 2 m 2 X Mamy: 2 = (p 1 p 3 ) 2 = (p 2 p 4 ) 2 = t Dla rozpraszania elastyczneo: p 1 = (E, p 1 ), p 3 = (E, p 3 ) Mamy: 2 = (p 1 p 2 ) 2 = (p 3 p 4 ) 2 = s W układzie CMS: p 1 = (E, p), p 2 = (E, p) 2 = (E E) 2 ( p p) 2 = 4E 2 > 0 2 = (E E) 2 ( p 1 p 3 ) 2 < 0 schannel M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 2 / 16

Fizyka w diaramach Feynmana Wielkość 1/( 2 m 2 X) nazywamy propaatorem. Jest on odwrotnie proporcjonalny do teo jak bardzo cząstka jest poza powłoką masy. Im bardziej poza powłoką masy tym mniejsze jest ptwo produkcji takieo stanu wirtualneo. Podstawowe elementy składowe diaramów Feynmana w QED: elektron radiacja pozyton anihilacja foton produkcja pary Siła oddziaływania pomiędzy wirtualnym fotonem i fermionem nazywana jest sprzężeniem i jest proporcjonalna do ładunku fermionu. p e 1 2 e p Element macierzowy dla rozpraszania elastyczneo ep: im = ū e ie µ u e iµν 2 ū p ie µ u p Wielkości µ oraz µν to macierze 4 4 uwzledniające strukturę spinową oddziaływania, natomiast ū oraz u to tzw. spinory. Wielkości Ôµ te oraz postacie prądów fermionowych wynikają z równania Diraca. Ôµ M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 3 / 16

Przykłady procesów elektromanetycznych Å ¾ Rozpraszanie Comptona: propaator Åe Å ¾ M Å e 2 σ ¾ (4π) 2 α 2 µ ¾ «Rozpraszanie ep: Anihilacja e Å e : M e É e Ù É Ù Å ¾ Å ¾ É Ù µ ¾ 1 σ Å M 2 ¾ e 4 ¾ É Ù 2 σ (4π) µ «¾ 2 α 2 µ ¾ «¾ ¾ «¼ Å µ Å µ ¾ «¾ Bremsstrahlun: M Å ¾ ÅZe e e σ M 2 e ¾4 e σ Å M ¾ ¾ 2 Z ¾2 e ¾ 6 µ ¾ «¾ σ (4π) 3 Z 2 µ µ α 3 ¾ nucleus Produkcja pary e : ¼ Pair Production Rozpad π 0 : M e e Ze u Å M Q u e Å Å QÉ u e Å ¾ ¾ Ù É Ù Å σ ¾ M 2 ¾ Z 2 e 6 ¾ µ ¾ π u Å 0 σ M ¾ 2 Å QÉ Ù ¾ σ (4π) µ 3 Z µ 2 α 3¾ «¾ «4 ue 4 ¾ µ σ (4π) 2 Q 4 ¾ É uα µ 2 ¾ «¾ nucleus u ¼ p p ¼ Â Å É Ù É Ù MÅ ¾ e Q É Ù Å u e É µ ¾ É «Ù Ù σ M 2 Q 2 É ue 4 ¾ Ù σ (4π) 2 µ Q 2 uα ¾ É 2 ¾ Ù «¾ Å ¾ M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 4 / 16

Wyższe rzędy w rachunku zaburzeń Aby obliczyć przekrój czynny należy dodać do siebie elementy macierzowe odpowiadające kolejnym rzędom w rachunku zaburzeń: M fi = M 1 M 2 M 3... Lowest Order: najniższy rząd: M 2 α 2 1 137 2 drui rząd: M 2 α 4 1 137 4 trzeci rząd: M 2 α 6 1 137 6 µ Å ¾» «¾ ½ µ Å ¾» «¾ ½ µ Third Order: Å ¾» «¾ ½ ½ ¾ Å ¾» «½ ½ Å ¾» «½ ½ Å ¾» ««¾ ½ M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów ¾ Wykład 3 5 / 16 µ µ ½ ¾ ½ ¾ µ... Å ¾» «½ ½ Å ¾» «½ ½... Wkład od każdeo kolejneo rzędu jest oraniczony czynnikiem α 2. Zakładając, że α jest małe, w sumie dominuje najniższy rząd. ½ «Sumowanie amplitud, a więc różnych diaramów, może prowadzić Å ¾» ½ «¾ do interferencji pozytywnych lub neatywnych. «½

Bienąca stała sprzężenia α «¾ ««¾ Stała sprzężenia «α = e2 «określa siłę oddziaływania pomiędzy elektronem i 4π fotonem. W rzeczywistości α nie jest stałe, ale zależy od wirtulaności «fotonu! Fluktuacje kwantowe prowadzą do powstania chmury«õ ¾ µ e e wirtualnych cząstek w otoczeniu elektronu (nieskończona liczba podobnych diaramów). Pary e uleają e polaryzacji i ekranują ładunek ołeo elektronu. Wartość α rośnie wraz ze wzrostem 2 (tzn. kiedy jesteśmy bliżej ołeo elektronu). At lare R test chare 155 sees screened TOPAZ µµ/eeµµ: : chare 150 145 Test Chare 140 α 1 (0) At small R test chare sees bare chare Test Chare α( 2 = 0) = 1/137, α( 2 = 100 GeV 2 ) = 1/128 α 1 (Q) 135 130 125 120 115 110 105 e e α 1 SM (Q) e e Fits to leptonic data from: DORIS, PEP, PETRA, TRISTAN 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Q / GeV M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 6 / 16 OPAL

Chromodynamika kwantowa QCD Elektrodynamika kwantowa (QED): kwantowa teoria oddziaływań elektromanetycznych przenoszonych przez bezmasowe fotony, sprzęające się do ¾ ładunku elektryczneo. Siła oddziaływania ψ f Ĥ ψ i α, α = e 2 /4π. Chromodynamika kwantowa (QCD): kwantowa teoria oddziaływań silnych przenoszonych przez bezmasowe luony sprzęające się do ładunku À silneo.» Ô ««¾ W QCD ładunkiem jest kolor liczba kwantowa zachowana w oddziaływaniach silnych i przyjmująca trzy wartości: red, reen oraz blue. Kwarki niosą kolor : r, oraz b Antykwarki niosą antykolor : r, ḡ oraz b QED ½Õ ¾ «Ë «Å Leptony oraz, W ±, Z 0 Q nie niosą koloru ( kolor = 0) i nie uczestniczą w oddziaływaniach silnych. α = e Gluony są bezmasowymi cząstkami o spinie 1 i /4π ~ 1/137 «przenoszą ładunek kolorowy. Oczekujemy 9 luonów: Ë «Å r b, rḡ, r, b, bḡ, b r, r r, ḡ, b b QCD «Ë Rzeczywiste luony są ortoonalnymi kombinacjami S liniowymi powyższych ( stanów. Kombinacja 1 3 r r ḡ b b) ma wypadkowy kolor α S = S 2/4π ~ 1 równy 0 i nie przenosi oddziaływań silnych. α s α em«ñ M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów «Ë Wykład 3 7 / 16

Oddziaływania kolorowe Przykład: Rozpraszanie oraz anihilacja. Dla małych odlełości potencjały w QED i QCD wylądają podobnie: r V QED = α V QCD = 4 α s ÕÕ r r 3 r Podobieństwo to wynika z faktu, że oba oddziaływania przenoszone są za pomocą bezmasowych cząstek o spinie 1. Gluony niosą jednak ładunek kolorowy. Oznacza, to żeö moą Ö Ö między sobą Ö ÖÖ silnie oddziaływać. Moą występować wierzchołki luonowe: Przykład: Rozpraszanie luon É «Ö ½Ô ÖÖ µ r r É «Ë Ö np. e.. rḡ r b r r r b b r r r b r M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 8 / 16

Uwięzienie (confinement) Nie obserwujemy swobodnych kwarków ani luonów. Uwięzienie kwarków w hadronach jest konsekwencją samooddziaływania lunów. Samoodziaływanie luonów prowadzi do ich wzajemneo przyciąania, co powoduje że linie pola koloroweo układają się w wąską strunę, w przybliżeniu mającą stałą ęstość enerii V (r) = kr dzie k 1 GeV/fm Do odseparowania kwarków potrzebna jest nieskończona eneria! uwięzienie. Przykład: Jak silne są oddziaływania silne? V QCD = 4 α s 3 F = dv dr = 4 3 r kr α s r 2 k Dla dużych r mamy: 1.6 10 10 F = k = 10 15 [N] = 160000 N V QCD (GeV) 1 0 1 2 3 Ö V = 4α s 3r kr V = 4α s 3r α s =0.2 k=1 GeV/fm 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 r(fm) M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 9 / 16 «Ë Ö

Hadronizacja i dżety Rozważmy parę wyprodukowaną w anihilacji e, tzn. e : początkowo kwarki oddalają się od siebie z dużą prędkością, tworzy się struna kolorowa pomiędzy nimi, eneria struny staje się wystarczająca do wyprodukowania pary, proces ten jest kontynuowany aż kwarki utworzą dżety hadronów ÕÕ (hadronizacja). SPACE TIME ÕÕ ÕÕ π (ud) etc... π π 0 π K π π 0 π 0 π p π 0 e ÕÕ ÕÕ M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 10 / 16

Bienąca silna stała sprzężenia α s «Ë Stała sprzężenia α s podobnie jak α QED zależy od 2 (bienie): Fluktuacje kwantowe w QCD prowadzą do powstania wokół kwarku chmury wirtualnych par oraz chmury wirtualnych luonów (brak analoii w QED ze wzlędu na brak samooddziaływania fotonu). Goły kolor kwarku jest ÕÕekranowany zarówno przez kwarki jak i luony. «Ë «Ë Chmura wirtualnych luonów niesie kolor i efektywny ładunek kolorowy rośnie z odlełością! Przy niskich eneriach (duże odlełości) α s staje się duże i nie można stosować rachunku zaburzeń. Przy wysokich eneriach (małe odlełości) α s jest małe, kwarki zachowują się jak swobodne cząstki (asymptotic freedom) i można stosować rachunek zaburzeń. ÕÕ 1 1 α s M Z α s «Ë 0 M p 00 22 44 66 lo 10 ( 2 /GeV 2 ) 0 20 18 16 lo 10 (r/m) M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 11 / 16

QCD w anihilacji e Ê ÖÓÒ µ Anihilacja e µ dostarcza bezpośrednieo dowodu na istnienie koloru. Porównajmy przekroje czynne na procesy e µ µ oraz e R µ = σ(e e hadrons) σ( e µ µ ) Zaniedbując masy cząstek w stanie końcowym (muon, kwark) jedyną róznicą pomiędzy nimi jest ładunek elektryczny. Obliczymy przekrój czynny na process e f f, dzie f f oznacza µ µ lub. p µ 2 ÕÕ 1 2 ¾ ½ 1 p µ 1 2 µ µ f Q f 1 2 Q θ É ½ É Õ f f Þ Mamy: p µ 1 = (E, 0, 0, E), pµ 2 = (E, 0, 0 E), µ = p µ µ Ô 1 pµ 2 = (2E, 0, 0, 0) ½ Ô Ü Ô Ý Ô Þ µ Obliczamy element macierzowy i rózniczkowy przekrój czynny: ÕÕ Ô ½ ¼ ¼ µ ÒÐØÒ Ñ M = v Ô ¾ ¼ ¼ µ Q e e u e 1 2 v f Q f e u f = 4παQ eq f 2 Õ Ô ½ Ô ¾ dσ ¾ ¼ ¼ ¼µ dω = dρ(e 2π M 2 f ) dω = 2π ( 4παQ eq f ) 2 E 2 1 4 (2π) Õ 2¾ 4 (1 cos2 θ) = α2 Q 2 f ¾ 4s (1 cos2 θ) µ ¾ Czynnik (1 cos 2 θ) wynika z rówania Diraca i opisuje rozpad fotonu o spinie 1 na dwa fermiony o spinie 1/2. ¾ µ M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 12 / 16 f

dzie suma przebiea po zapachach kwarków kinematycznie dostępnych w danym eksperymencie ( s > 2m ). W obszarze s < 11 GeV duży wpływ rezonasów. Pomiar R µ wyklucza hipotezę braku koloru. M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 13 / 16 QCD w anihilacji e Całkowity przekrój czynny na proces e f f: dσ 2π π σ = dω dω = α 2 Q 2 f 4s (1 cos2 θ) sin θ dθ dφ = πα2 Q 2 f 2s 1 1 0 0 (1 y 2 ) dy = 4πα2 Q 2 f 3s W szczeólności otrzymujemy: σ( e µ µ ) = 4πα2 3s Dla pojedynczeo kwarku wielkość R = Q 2. W rzeczywistości obserwujemy e jets, musimy więc sumować po kwarkach i kolorach: R = 3 i Q 2 i

Eksperymentalne dowody na istnieniekoloru i luonów Konieczność wprowadzenia koloru wynika m. in. z: Rozkład wielkości R µ istnienie barionu Ω (sss) o spinie 3/2 złożoneo z trzech kwarków dziwnych s. Funkcja falowa jest symetryczna wzlędem przestawień µ ÓÐÓÙÖ kwarków (ψ = s s s ). Jednak kwarki ÕÕ jako fermiony wymaają ÓÐÓÙÖ Ô ½ Ö Ö Ö Ö Ö Ö antysymetrycznej funkcji falowej, tzn. konieczny jest dodatkowy stopień swobody kolor: ψ = (s s s )ψ kolor = (s s s ) 1 ¼ (rbbrbr ¼ rb rb br) 6 częstość rozpadu π 0 u Γ(π 0 ) Nkolor 2 u u Exp: N kolor = 2.99 ± 0.12 ¼ µ» Æ ¾ ÓÐÓÙÖ Eksperymentalne potwierdzenie istnienia luonów: Æ ÓÐÓÙÖ ¾ ¼½¾ przypadki ÕÕ trójdżetowe e S Q 1 2 Ô ivin an extra factor of «Ë in the matrix π 0 Ô «Ë «Ë M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 14 / 16

Eksperymentalne potwierdzenie istnienia luonów Rozkład kątowy dżetów luonowych zależy od spinu luonu. Rysunek przedstawia rozkład kąta φ pomiędzy dżetem o największej enerii (zakładamy, że jest to dżet kwarkowy) oraz kierunkiem lotu pozostałych dwóch dżetów (w układzie ich środka masy). Zmierzony rozkład kąta φ jest zodny z przewidywaniami dla spinu luonu równeo 1 (linia przerywana spin 0). OPAL at LEP (19892000) przypadki czterodżetowe e ( ) Rozkład kąta χ BZ pomiędzy płaszczyznami zawierającymi dżety kwarkowe i luonowe wymaa istnienia samoodziaływania luonów. χ BZ χ BZ ÕÕ µ ½ ¾ M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 15 / 16

Pomiary silnej stałej sprzężenia α s Pomiar w oparciu o stosunek R µ. W praktyce sumujemy diaramy, co oznacza, że nie rozróżniamy przypadki 2/3 dżetowe: R µ = σ(e e ) σ( e µ µ ) = 3 R µ = σ(e e hadrons) σ( e µ µ ) Pomiar: ( 1 α ) s π 3.9 3.66 = 3 Q 2 Q 2 ( 1 α s π α s ( 2 = 25 2 ) 0.20 Inne metody pomiaru α s, np. stosunek liczby przypadków 3 i 2 dżetowych: σ(3 dżety) σ(2 dżety) = σ( ) σ( ) α s Podsumowanie aktualnych pomiarów α s przedstawia rysunek obok α s bienie! ) «Ë Ê Ë Ê ÒÓØ Ê... Ê Ê É ¾ Õ ½ «Ë ÕÕ ÒÓØ Ê È Ê É ¾ Õ ½ «Ë ½ «Ë µ «Ë Õ ¾ ¾ ¾ µ ¼¾¼ ½ «Ë µ «Ë Õ ¾ ¾ ¾ µ ¼¾¼ Õ È Õ É M. Przybycień (WFiIS AGH) Wstęp do oddziaływań hadronów Wykład 3 16 / 16