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

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

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

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

Rozpraszanie elastyczne kinematyka 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

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

Formfaktory a rozkład ładunku

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

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)

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

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)

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

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

taki proces to rozpraszanie nieelastyczne

zmiana powiększenia patrzymy 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

wg. książki Martin@Holzen 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

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

struktura protonu (nukleonu)

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

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  są takie same jak ładunki kwarków postulowanych przez Gelmana do wyjaśnienia multipletów hadronów

Więcej o strukturze protonu z pomiarów funkcji struktury

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

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

Współczesne wyniki pomiarów F2 obserwacja łamania skalowania  efekty QCD

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

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

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

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

Wyniki pomiarów i ich opis w ramach QCD

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

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

„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

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