Hadronic physics ( 强子物理)

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Hadronic physics ( 强强强强--- 强强强强强强强强 强强强 [email protected] 1.Hadron structure and transitions 2.Matter under extreme conditions

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Hadronic physics ( 强子物理). 1.Hadron structure and transitions 2.Matter under extreme conditions. ---浙江近代物理中心 鲁定辉 [email protected]. The Smallest and Largest nuclei. dense star. N, delta, N*, pi, etc. 相对论性量子场论: SU(3)  SU(2)  U(1) 对于强、弱、电磁相互作用的统一描述。 - PowerPoint PPT Presentation

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Hadronic physics( 强子物理)

--- 浙江近代物理中心 鲁定辉[email protected]

1.Hadron structure and transitions

2.Matter under extreme conditions

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The Smallest and Largest nuclei

N, delta, N*, pi, etc dense star

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标准模型(微扰论 ):

相对论性量子场论 :

SU(3)SU(2)U(1) 对于强、弱、电磁相互作用的统一描述。

成功地描写了早到宇宙最初( 10 - 12秒起),小到 10 - 19米(或高到1012eV) 各种物理现象。

白壁微瑕? (非微扰 )

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“Direct” evidence of quarks

qqQ

ee

hadronsqqeeR 23

)(

)(

的几率的几率

实验巧妙地确定其质量 , 电荷及三种颜色

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夸克禁闭与非微扰 本世纪最重要的物理学问题之一 --- 李政道 由于真空对气泡的压力,夸克不可能出来。

而在气泡内部,夸克可自由运动 (bag) 与超导的类比 完全抗磁体 真空是完全抗色介质?

实验手段1. 高能电子碰撞, 相对论重离子碰撞 , 中子星等

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夸克 - 反夸克禁闭格点量子色动力学( Lattice QCD )

自然界中没有自由的夸克,它们总结合成强子(质子、中子、介子, K介子等),这称为禁闭 comfinement

静止夸克 -反夸克之间有着很强的禁闭势,在大尺度上,随两者之间距离线性增加

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强子物理研究对象

与强子结构(谱)和 相互作用(跃迁)有关的物理问题1. 提出新 ( 唯象 ) 理论 , 解释和指导实验2. 探索未知领域, 如 N* , missing states

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Related Nobel Prizes

1922,Bohr, the structure of atoms 1927,Compton, the Compton effect; Wilson, paths of charged particle 1932-33 Heisenberg,Schrodinger,Dirac 1935, Chadwick, neutron 1938, Fermi, new elements by slow neutron 1949, Yukawa, mesons on nuclear force 1957, Yang and Lee 1961, Hofstadter, electron scattering (sub nuclear physics) 1963, Wigner, symmetry in nucleus and Mayer and Jensen, shell model

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Continued

1965, Tomonaga, Schwinger, Feynman, field theory 1967, Bethe, energy production in stars 1969, Gellman, quark model 1974, Hewish, pulsars 1975, Bohr, Mottelson, collective model 1976, Richter, Ting, discovery of J/psi 1979, Glashow, Salam, Weinbery 1990, Friedman,Kendall, e-p DIS 1998, t’Hooft,Veltman, renormalization 2004, Gross, Politzer, Wilczek, asymptotic freedom --- quark confinement?

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高能电子散射

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The evolving proton

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核民主 ? 对称性 六十年代初发现大量“基本”粒子 (resonances), ( 见下页) 有没有联系 ? 更高的对称性 ? 如何分类? Isospin (同位旋)一种 nucleon, pion, Sigma

同一种“粒子”的不同状态? ( 自旋 , 宇称相同 ) 推广同位旋概念 (破缺的)幺正对称性 粒子按不可约表示分类,每个粒子对应其一个分量

和,,N

夸克的色香味丰富多彩的粒子世界

Page 13: Hadronic physics ( 强子物理)

Baryon Summary

Page 14: Hadronic physics ( 强子物理)

同位旋( isospin, flavor symmetries)

Internal symmetries, conserved in all strong interactions

核子 : J Q m(MeV/c^2) I_3 p ½ 1 938.27 ½

n ½ 0 939.56 -½

在费米尺度,强作用比 EM 作用强 2-3 数量级,其强作用性质相似。

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介子 Particles J Q mass I_3

pi+ 0 1 139.56 1

pi0 0 0 134.97 0

pi- 0 –1 139.56 -1 所有强子都有确定的同位旋! 与自旋类似,是粒子内部抽象空间角动量 强相互作用过程同位旋守恒,可给出很强的理论限制

和预言

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Pi-Nucleon Scattering

(pi+,pi0,pi-) + (p,n) 共 10 个反应道(电荷守恒),互相独立?

时间反演不变 8 个独立 同位旋空间转动不变 两个独立振幅(复

数)3

)(

)(

p

pGC

T

T

系数,由

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同位旋(味)破缺 Broken symmetries

SU(2) 是 u,d 夸克对称,破坏 2--3% SU(3)SU(4)SU(5)SU(6) 同位旋破坏主要来自多重态不同分量质

量差印起的运动学效应

主要表现为粒子质量与寿命不完全相同!

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奇异数 (Strangeness) 1947 年宇宙线实验 (after pion) , 1954 年加速

器实验发现一批奇异粒子 特性一:协同产生,独立衰变 特性二:快产生,慢衰变( 10^-24,10^-10 秒)

00

00

,,

,,

,,

KKKp

KnKp

KpKp

需要新量子数 S :旧粒子 (pi, N) S=0

强和 EM 过程中守恒,弱作用可破坏

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SU(3) 理论 坂田模型: 1 。所有强子由 p, n, Lamda 和其反粒子组成 p, n, Lamda 构成 SU(3) 三维基础表示 介子由一对正反基础重子组成

重子由一个基础重子和一个介子组成

解释介子好,但对重子不好

8133 *

1563)81(3333 **

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8-fold way

1961 年, Neuman and Gell-Mann 介子和重子都是 SU(3) 群八维表示或直乘

部分解决了重子问题,但产生新问题 :(已有 8 个 1/2+ 粒子 ,9 个 3/2+ 粒子 )

预言了一个 新粒子?

如何处理 多余的 10* 和 27 ???

27101088188 *

2

3PJ

Page 21: Hadronic physics ( 强子物理)

Predict Omega

预言一个新粒子!

B=1, I=0, S= -3, Q= -1

质量由同一多重态粒子估算

bYam

1684

1533,1385,1232 *

m

mmm

Page 22: Hadronic physics ( 强子物理)

Weak Decay 新粒子不能通过强或电磁衰变

有弱衰变,故寿命 10^(-10) 秒

1964 年的发现确立了 SU(3) 对称性理论

KNKK 3,2,

00 ,, K

)()(,

,0

000

0

eeeep

KKpK

Page 23: Hadronic physics ( 强子物理)

Experiment (BNL)

)()(,

,0

000

0

eeeep

KKpK

Page 24: Hadronic physics ( 强子物理)

Quark Model

Gell-Mann and Zweig ( 1964 )

强子由深层次的粒子组成 介子 (q-qbar) ,重子

(qqq) (next page)

Note: 10* and 27 no longer appear ! 10881

)63(3333

8133*

*

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What is model?模型就是奥地利的火车时刻表。它经常晚点,乘客问列车员:“你们干吗还要时刻表?”列车员回答:“有了时刻

表你才知道火车晚点呀!”

-Weisskopf (杨福家原子物理书)

2

3,

2

1

1,0

PC

PC

Jbaryons

Jmesons

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Multiplets (figures)

Page 27: Hadronic physics ( 强子物理)

Colored quark

Every naturally occurring particle is a color singlet! (自然选择?)

重子6/)()( bgrbrggrbgbrrbgrgbcolor

SAAflavorspinspacecolorqqq ,,

与自旋统计规律的矛盾 颜色自由度假定轨道角动量为零, 此时粒子能量最低

10 重态波函数( omega) 反对称( Pauli 原理)要求引入色空间:每味夸克都有三色,重子是色 SU(3)一维表示(色空间完全反对称态)。

Page 28: Hadronic physics ( 强子物理)

重子波函数(例) 基态的空间,色部分可先不考虑

而八重态需要混合对称

如质子波函数

3 3; ,2 2

3 1; , ( ) / 3 ( ) / 32 2

uuu

uud udu duu

23231212 )()()( flavorspinoctet

))((2

1

))((2

1

))((2

1

2

1

2

1;

duuuud

uduuud

duuudu

p

Page 29: Hadronic physics ( 强子物理)

核子磁矩( 2.793 , -1.913 是自然常数?)

磁矩来自组分夸克磁矩的矢量和

其中

质子磁矩

BB zB )( 321

Scm

e

q

qq

)4(3

1dup

Page 30: Hadronic physics ( 强子物理)

磁矩实验值 (ratio n/p=-2/3)

baryon moment calc expt

p 2.79 2.793

n -1.86 -1.913

-0.58 -0.61

2.68 2.33+0.13

0.82

-1.05 -1.41+0.25

-1.40 -1.25+0.01

-0.47 -0.69+0.043/)4(

3/)4(

3/)4(

3/])(2[

3/)4(

3/)4(

3/)4(

0

0

ds

us

sd

sdu

su

s

udn

dup

Page 31: Hadronic physics ( 强子物理)

重子质量也不再是自然界基本常数!质量来自组分夸克质量与剩余相互作用

(hyperfine)

3 equal masses,

21

21321 mm

SSCmmmmB

octet

decupletSSSSSS

,4

1

,4

3

323121

Cm

mm

Cm

mm

Cm

mm

ss

uu

uuN

2

2

2

4

33

4

33

4

33

Page 32: Hadronic physics ( 强子物理)

Mass prediction (MeV)Using m_u=363,m_s=538,C=4m_u^2*50

Baryon Calc Expt

N 939 939

Lambda 1116 1114

Sigma 1179 1193

Xi 1327 1318

Delta 1239 1232

Sigma* 1381 1384

Xi* 1529 1533

Omega 1682 1672

Page 33: Hadronic physics ( 强子物理)

强子谱

mp=938.27MeV (uud)

mn=939.56563MeV (udd)

m=139.56995MeV (ud, ud)

mK=493.677MeV (us, us)

这些质量曾被认为是自然界基本常数!

Lattice QCD精度达 10%以内

Page 34: Hadronic physics ( 强子物理)

正反粒子变换 Dirac Eq(1928)Dirac’s hole theory

Positron(1932)antiproton(1955)50K antiH

反粒子对应于场的复共扼激发态 粒子 - 反粒子质量,寿命,自旋相同,所有

内部相加性量子数反号。

Page 35: Hadronic physics ( 强子物理)

电荷共扼 Charge Conjugation

C 变换性质: CC=1 若 Q 为相加性守恒量,

除 Q=0 ,一般 Q 与 C 没有共同本征态

为相因子)(',)(' ACAACAC

0

)('

)(')(')('

CQQC

ACQACAQ

AACAQAAQCAQC

Page 36: Hadronic physics ( 强子物理)

C 宇称 Only纯中性粒子才是 C的本征态,

C’(gamma) = -1 C’(pi0)=C’(gamma)C’(gamma)=1

EM 作用过程中 ,C 守恒--》正反粒子对(偶)

etc,,,,,',, 00

SLC )1('

Page 37: Hadronic physics ( 强子物理)

C 变换与 C 宇称 强作用和 EM 作用在 C 变换下不变

由 C变换联系的两个过程之规律相同 若初态是 C 变换本征态,则末态也是pi0 不能衰变成三个光子 电子偶素可以衰变到两个光子 (S=0) 或三个光子

( S=1)

Page 38: Hadronic physics ( 强子物理)

G-Parity

C 宇称适用范围太小。 对于普通介子( pi) 定义: 普通介子 G-Parity 为: 性质:所有强子都有确定的变换性质,但只有普通介子才有 G-Parity

正反粒子系统

复合系统 = 子系统宇称乘积

)(2 CIG

')1(' CG I

SLIG )1('

Page 39: Hadronic physics ( 强子物理)

G 宇称守恒与实例

强作用 G- 变换下不变,而电磁作用破坏

Invariant mass at 770MeV,width=153MeVI=1G’=1,C’(rho0)=-1 Rho 介子通过强作用衰变到三个 pi严格警戒, Rho0 通过 EM 作用到两 gamma严格警戒 自旋必为奇数。

00 ,,

Page 40: Hadronic physics ( 强子物理)

核子结构

2

1 2 1 22,

4E M

QG F F G F F

m

Page 41: Hadronic physics ( 强子物理)

重视实验,但不可盲信!

据 Spires database: 有 318 篇 with keyword PENTAQUARK

1.Nakano(LEPS)PRL91,012002(2003)

2.Stepanyan(CLAS),hep-ex/0307018

自旋 , 宇称 ,

同位旋未定

SPring-8

Page 42: Hadronic physics ( 强子物理)

核子电形状因子

1. Dipole?

2. Exponential ?3. Scaling law?

Page 43: Hadronic physics ( 强子物理)

Neutron charge distribution

Page 44: Hadronic physics ( 强子物理)

质子电和磁分布不同

Page 45: Hadronic physics ( 强子物理)

New dataNew data

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E2/M1 (spherical ? )

In % sn.yang

N

Page 47: Hadronic physics ( 强子物理)

GDH sum rule 22

2

2/12/3

2][

m

dth

)()(

Page 48: Hadronic physics ( 强子物理)

Other topics

Polarizability

N* physics Hybrid states (qqqg) Axial charge gA Timelike form factor

32

22

222

8)(

)(4

)(

'*)]()('*)([)0,(

M

eg

M

eZf

igfF

ScatteringCompton

ME

if

Page 49: Hadronic physics ( 强子物理)

Deep-inelastic scattering, pQCD

1. Exclusive reaction inclusive reaction

2. Form factor Structure functions W_i(x^2, E’-E)

Bjorken limit x= -q^2/2P.q

study quark distribution function u(x),d(x),g1(x),g2(x)

Page 50: Hadronic physics ( 强子物理)

Parton model1. Only 54% momenta

carried by quarks2. Spin crisis

Gross-Llewellyn-Smith sum rule

Adler sum rule Gottfried sum rule Bjorken sum rule (spin

dependent) Ellis-Jaffe sum rule,

proton spin crisis

Page 51: Hadronic physics ( 强子物理)

谢谢各位 !