Hadronic physics (强子物理）

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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

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

3 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)

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 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 ½  n ½ 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
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
主要表现为粒子质量与寿命不完全相同！ 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

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！ B=1, I=0, S= -3, Q= -1 质量由同一多重态 粒子估算 Predict Omega

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 Every naturally occurring particle is a color singlet!（自然选择？）
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， 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) baryon moment calc expt p 2.79 2.793 n -1.86
-1.913 -0.58 -0.61 2.68 0.82 -1.05 -1.40 -0.47

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 Baryon Calc
Expt N 939 Lambda 1116 1114 Sigma 1179 1193 Xi 1327 1318 Delta 1239 1232 Sigma* 1381 1384 Xi* 1529 1533 Omega 1682 1672

33 强子谱 这些质量曾被认为是自然界基本常数！ Lattice QCD精度达10%以内 mp=938.27MeV (uud)
mn= MeV (udd) mp= MeV (ud, ud) mK= MeV (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：
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/

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

51 谢谢各位!