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Hadronic physics ( 强子物理）

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 dhlu@zju.edu.cn. 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。

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Hadronic physics ( 强子物理）

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Presentation Transcript

  1. 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 dhlu@zju.edu.cn

  2. The Smallest and Largest nuclei dense star N, delta, N*, pi, etc

  3. 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) 标准模型(微扰论)：

  4. “Direct” evidence of quarks 实验巧妙地确定其质量,电荷及三种颜色

  5. 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 • 高能电子碰撞， 相对论重离子碰撞, 中子星等

  6. 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、p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

  7. 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 • 提出新(唯象)理论, 解释和指导实验 • 探索未知领域， 如N*，missing states

  8. 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

  9. 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?

  10. 高能电子散射

  11. The evolving proton

  12. 夸克的色香味丰富多彩的粒子世界 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

  13. Baryon Summary

  14. 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。

  15. 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

  16. 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）

  17. 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！

  18. 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） • 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

  19. 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

  20. 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 ？？？

  21. 预言一个新粒子！ Predict Omega B=1, I=0, S= -3, Q= -1 质量由同一多重态 粒子估算

  22. 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

  23. Experiment (BNL)

  24. 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！

  25. 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）

  26. Multiplets (figures)

  27. Colored quark • 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）。 • Every naturally occurring particle is a color singlet!（自然选择？） • 重子

  28. 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

  29. 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

  30. 磁矩实验值 (ratio n/p=-2/3)

  31. 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,

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

  33. 强子谱 mp=938.27MeV (uud) mn=939.56563MeV (udd) mp=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

  34. 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。

  35. 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

  36. 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）

  37. 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)

  38. 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

  39. 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=153MeV I=1 G’=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。

  40. 核子结构

  41. 重视实验，但不可盲信！ SPring-8 自旋,宇称, 同位旋未定 据 Spires database: 有318 篇with keyword PENTAQUARK • 1.Nakano(LEPS)PRL91,012002(2003) • 2.Stepanyan(CLAS),hep-ex/0307018

  42. 核子电形状因子 • Dipole? • Exponential？ • Scaling law?

  43. Neutron charge distribution

  44. 质子电和磁分布不同

  45. New data New data

  46. E2/M1 (spherical？) • In % • sn.yang

  47. GDH sum rule

  48. Other topics • Polarizability • N* physics • Hybrid states (qqqg) • Axial charge gA • Timelike form factor

  49. Deep-inelastic scattering, pQCD • Exclusive reaction  inclusive reaction • 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)

  50. Parton model • Only 54% momenta carried by quarks • 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

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