Rozszyfrowywanie struktury protonu

1. Rozszyfrowywanie struktury protonu • Metody pomiaru struktury obiektów złożonych • Rozpraszanie elektronów na nukleonie czy na jego składnikach • Składniki punktowe wewnątrz nukleonu to kwarki • Definicja funkcji struktury • Rozpraszanie głęboko-nieelastyczne • Wnioski z pomiarów • Rozpraszanie neutrin i porównanie uzyskanych rozkładów kwarków w nukleonieuniwersalność • opis łamania skalowania, QCD • 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  od długości fali) doświadczenie typu Rutherforda

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

4. 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 Badania struktury przez obserwacje zderzeń Folia złota

5. Rozpraszanie elastycznekinematyka • Rozdzielcześć wzrasta ze wzrostem przekazu czteropędu (niezmiennik transf. Lorenza) odpowiada to zmniejszaniu się długości fali wymienianego fotonu Związek z kątem rozpraszania: dla m -masa pocisku Tarcza P=(M,0) Przekaz : Energii czteropędu jedna zmienna (np. Q2 lub kąt) wystarcza do pełnego opisu procesu

6. Pomiar rozkładu ładunku • Jądro atomu • w dośw. • Rutherforda • Punktowe Przy większych przekazach pędu • 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 • Dla cząstek o spinie ½ mamy 2 formfaktory: elektryczny i magnetyczny albo Diraca i Pauliego dane dobrze dają się opisać przez formfaktor dipolowy (GD)

10. Zmiana Q2 zmienia „powiększenie” • Małe Q2 • widzimy jako • całość pojedyńczy • obiekt w tarczy • (atom, jądro..) • rozmiar tego obiektu • zależy od Q2 w procesie • rozpraszania, • a więc od długości fali • fotonu, który jest • wykorzystywany do • próbkowania struktury • tarczy • Większe Q2 • 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 rozpraszanie na punktowych składnikach Rozpraszanie odbywa się na punktowych obiektach wewnątrz nukleonu  partonach Przekrój czynny będzie sumą rozpraszań na poszczególnych partonach Dla każdego mamy rozpraszanie elestyczne F2(x,Q2) A dla całego nukleonu pojawia się czynnik opisujący jakie są w nim partony  tzw. Funkcja struktury

13. Skalowanie – zależność od jednej zmiennej Interpretacja zmiennej skalowania X  ułamek pędu nukleonu niesiony przez parton który brał udział w oddziaływaniu Obserwacja skalowania doprowadziła do powstaniaModelu Partonowego

14. taki proces to rozpraszanie nieelastyczne

15. zmiana powiększeniapatrzymy na budowę tarczy w coraz mniejszej skali Pik elastyczny wzbudzenie jądra  zmiana skali:x=Q2/2MPn 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 jeśli nukleon jest: • Czago się spodziewamy? zastanówmy się jakiego kształtu funkcji struktury spodziewamy się przy różnych założeniach o tym jak zbudowany jest nukleon Pamiętamy, że jest to • funkcja określająca: • szanse znalezienia partonu o określonym pędzie wg. książki Martin@Holzen

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 w obu przypadkach wiązka kierowana jest na tarcze w spoczynku maksymalne dostępne Q2 kilkaset GeV2 tzw pomiary na tarczy stacjonarnej • Pomiary dla wiązek przeciwbieżnych elektron-proton w akceleratorze HERA • Energia znacznie większa, dlatego szerszy obszar dostępnych zmiennych kinematycznych zakres Q2 do 104GeV2 a zmienna x bardzo mała do 10-4 mierzymy w funkcji x i Q2

19. struktura protonu (nukleonu)

20. różne,bo prawdopodobieństwo oddziaływania dla naładowanych leptonów proporcjonalne do ładunku2 protonu i neutronu, przy założeniu symetrii izospinowej dla tarczy izoskalarnej (A=Z/2)

21. Porównanie funkcji F2 nukleonu mierzonejw 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  są takie same jak ładunki kwarków postulowanych przez Gelmana do wyjaśnienia multipletów hadronów

22. Więcej o strukturze protonuz pomiarów funkcji struktury

23. Czy tylko kwarki są składnikami nukleonu? wyniki pomiarów F2 mierzy rozkład pędu jeśli cały pęd niesiony przez kwarki to • Pomiary wskazują, że kwarki niosą tylko około połowy pędu, • 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 pary kwark-antykwark mogą się pojawiać i znikać niosą kolor i anty-kolor q Gluony przenoszą oddziaływania między kwarkami niosą 2 kolory, opis w QDC

25. Współczesne wyniki pomiarów F2 obserwacja łamania skalowania  efekty QCD

26. Oddziaływanie głęboko- nieelastyczne ( z ang.DIS) Kinematyka :  =E -E’ Q2=-q2=4EE’sin /2 xBj=Q2 / 2M y=  / E Proces podstawowy: *qq

27. QED QCD chromodynamika kwantowa elektrodynamika kwantowa aS – stała sprzężenia oddz. silnego a – stała sprzężenia elektro-magnetycznego Najważniejsza różnica między QED i QCD: w QEDfotony nie sprzęgają się same ze sobą w QCDistnieje sprzężenie gluon-gluon

28. Zdolność rozdzielcza „mikroskopu DIS” im głębiej zaglądamy tym więcej widzimy par kwark-antykwark Mechanizm: kwarki emitują gluony, gluony tworzą pary … Pqg Pgq Pgg prawdopodobieństwo emisji zależy od Q2, można je obliczyć w QCD wyznaczono funkcje opisujące podział pędu Pij (splitting functions) w tych procesach Skala m zamieniona z Q2

29. Łamanie skalowania F2(x)dla dwóch (bardzo różnych) wartości Q2 Linia ciągła – parametryzacja i ważny test QCD  rozkłady partonów opisujemy funkcjami typu przy wybranej wartości następnie obliczamy wartości F2(x) dla innych wartości i porównujemy z pomiarem wyraźnie widoczne łamanie skalowania i jego ilościowy opis

30. Wyniki pomiarówi ich opis w ramach QCD

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

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

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

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 Q2 Rozkłady partonów są uniwersalne tzn. wyznaczone w jednym procesie opisują też inne Spin protonu wymaga czegoś więcej niż wkład od kwarków, pomiary