强子谱研究前沿简介 邹冰松 中国科学院高能物理研究所.

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1 强子谱研究前沿简介 邹冰松 中国科学院高能物理研究所

2 内容提要 1. 强子谱研究前沿简介 2. 北京正负电子对撞机（BEPC）、北京谱仪 3. BEPC目前强子物理研究概况
重子谱（核子激发态和超子激发态）的研究 J/ 辐射衰变、寻找胶球 J/  到轻介子的强衰变、介子的夸克成分 其它璨偶素及璨介子的衰变 4. 兰州CSR强子物理展望

3 1. 强子谱研究前沿简介 1）什么是强子、强子谱 ？ 2）为什么要研究强子谱 ？ 3）强子谱物理研究的基本问题 4）强子谱研究的前沿热点

4 1）什么是强子、强子谱 ？ “基本” 粒子 u c t s d b ne nm nt e m t 电荷 +2/3 夸克 ( q ) -1/3
从轻到重 电荷 +2/3 u c t 夸克 ( q ) s -1/3 d b ne nm nt 轻子 ( l ) e -1 m t

5 物质间通过力场发生相互作用 传递力的粒子

6 强子：由夸克、胶子组成的，色中性的， 半径 < 1.5 fm 的一类复合粒子。 包括 介子、重子 两大类。 强子谱 ：强子的质量（能量）谱 及强子的分类

7 （qq）介子： 2S+1LJ Jpc P=(-1)L+1 1S0 0- 3S1 1-
K0(ds) K+(us) K*0 K*+  +(ud) + 0 0 -(u d)  I3 - I3 ’  K-(su) K0(sd) K*- K*0 uu - dd 0 = 2

8

9 质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 1672.45 0.29 MeV
重子的 SU(3) 3q-夸克模型 1/ 自旋-宇称 /2+ s I3 n(udd) p(uud) -(dds) 0 (uds) 0 + (uus) -(dss) 0(uss) (sss) △0 △- △+ △++ 0 *- *+ (ddd) (udd) (uud) (uuu) (dds) (uds) (uus) *- *0 (uss) (dss) - 空间轨道基态 相当成功！ 质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 0.29 MeV

10 2）为什么要研究强子谱 ？ 强子是目前人类能够分割出来、观测到具有 内部结构的最小单元。 强子结构 --- 物质微观结构研究的最前沿 ！ 能谱 = 探索物质微观结构极其有效的工具 原子谱 玻尔原子的量子理论 核 谱 壳模型 &集体运动模型 强子谱 ?

11 3）强子谱物理的两个最基本的问题： 夸克禁闭的根源及性质，胶子自相互作用 夸克和胶子是如何构成强子的？ 能量密度 线性势 格点QCD
能量密度 线性势 格点QCD QED 电力线

12 强子衰变对夸克禁闭的作用？ 夸克模型： 重子 = 3 夸克 介子 = 夸克-反夸克 QCD ： 新的自由度 具有自相互作用的胶子 胶球、夸克-胶子混杂态？

13 重子是如何构成的？ A. 三夸克态 C. 偶夸克-夸克态 D. 多夸克态 B. 夸克-胶子混杂态
预言的核子激发态N*数目：D>B>A>C 实验已观测到的N*数目 <A , “失踪”？

14 强子谱和强子衰变的研究是必须的 ！ 高能电磁探针探测核子内部结构遇到的问题： 光子、胶子与海夸克的相互转化，原有的、再生的？ e p
无穷大动量坐标系强子结构函数与静止系强子结构的关系？ 强子谱和强子衰变的研究是必须的 ！

15 4）强子谱研究的前沿热点 （1）奇特的 q+ “五夸克态” （2）质子中的奇异夸克成分 （3）重子激发态夸克模型的两个突出困难
（4）寻找胶球、夸克-胶子混杂态、多夸克态

16 （1）奇特的 q+ “五夸克态” Strange pentaquark q+ predicted by D.Diakonov et al.,
Z.Phys.A359 (1997)305

17 First evidence from LEPS
M = 1.540.01 MeV G < 25 MeV Gaussian significance 4.6s g nK+K-n q+ No L(1520) peak in events without a proton. T. Nakano et al., Phys.Rev.Lett. 91 (2003)

18

19 q+ : PDG2004 established particle

20

21 M. Karliner and H. Lipkin, Phys. Lett. B 597 (2004) 309
“Why the q+ is seen in some experiments and not in others - a possible explanation” 另一种可能的解释：某些实验结果不可靠。 需要高统计量重复性实验检验 ！

22 No q resonance in high statistics data from g11@CLAS
Phys. Rev. Lett. 96 (2006)

23 High Statistics CLAS(d) result
Supersedes older CLAS data Simulate Spring8 angular distribution to determine sensitivity ! preliminary M(nK+)(GeV) Model-independent uppper limit 95% CL for Q+ is < 20nb. With assumptions about the spectator, we can set a model dependent upper limit to the cross section of < 4-5 nb.

24 e-Be electroproduction at Babar
Preliminary 233 fb-1 e+ e- data HERMES (e+dKS0p + X) M=15283 MeV ~5 ZEUS (e-pe-KS0p + X) M=15223 MeV ~5 *(1480) Possible acceptance loss in low mass region: (PID requires p(p) >4.1 GeV/c; p(KS0)>3 GeV/c) Fit uses *(1480) [PDG 1star] Tetiana Berger-Hryn’ova

25 ‘The story of the pentaquark shows how poorly
we understand QCD.’ - F. Wilczek ‘…the pentaquark story will probably have come to an end for physicists but will live on as a case- history for historian and philosophers of science.’ F. Close

26 it too soon or to the first comer." Scepticism and Animal Faith (1923)
Words of wisdom Jorge Agustín Nicolás Ruiz de Santayana ( ) AB, PhD Harvard (1886,1889). Prof. of Philosophy, Harvard (to 1912). "Those who cannot remember the past are condemned to repeat it." Life of Reason, Reason in Common Sense (1905) "Scepticism is the chastity of the intellect, and it is shameful to surrender it too soon or to the first comer." Scepticism and Animal Faith (1923)

27 Classical picture of the proton
（2）质子中的奇异夸克成分 Classical picture of the proton Perturbative gluon-sea-quark fluctuation : `u(x) =`d(x) , `s(x) = s(x)

28 探测核子结构的一个主要的途径： 轻子-核子深度非弹散射 MAMI ~ 1 GeV ELSA ~ 3 GeV
CEBAF ~ 6 GeV HERA ~ 27 GeV

29 Flavor asymmetry of light quarks in the nucleon sea
Deep Inelastic Scattering (DIS) + Drell-Yan (DY) process `d –`u ~ 0.12 Meson cloud model: | p > ~ | uud > + e1 | n ( udd ) p+ (`du ) > A.Thomas, J.Speth e2 | D++ ( uuu ) p- (`ud ) > +…

30 Meson cloud model including strangeness:
| p > ~ | uud > + e1 | n ( udd ) p+ (`du ) > + e2 | D++ ( uuu ) p- (`ud ) > + e’ | L (uds) K+ (`su ) > + … Predictions for the proton: Strange spin : Ds < 0 Strange magnetic moment : ms < 0 Strange radii : rs < 0 The most recent analysis of data for strange spin  Ds = ~ -0.1 D. de Florian et al., Phys. Rev. D71 (2005)

31 The`ss component of the proton
neutrino DIS sizable charm production ,

32 The strange magnetic moment ms and radii rs from parity violating electron scattering
G0,HAPPEX/CEBAF, SAMPLE/MIT-Bates, A4/MAMI HAPPEX/CEBAF, Phys.Rev.Lett. 96 (2006) G0/CEBAF, Phys.Rev.Lett. 95 (2005) A4/MAMI, Phys.Rev.Lett. 94 (2005) SAMPLE/MIT-Bates: Phys.Lett.B583 (2004) 79

33 Theory vs experiment for ms and rs
Our results B.S.Zou, D.O.Riska, Phys. Rev. Lett. 95 (2005) D.O.Riska, B.S.Zou, Phys. Lett. B (2006) C.S.An,D.O.Riska,B.S.Zou, Phys. Rev. C (2006)

34 Pentaquark vs Meson Cloud
B.S.Zou, D.O.Riska, Phys. Rev. Lett. 95 (2005) New picture for strangeness in the proton: Penta-quark configuration`s [su][ud] instead of meson cloud L (uds) K+ (`su ) ! | p > ~ | uud > + e1 | [ud][ud]`d > + e2 | [ud][us]`s > + … `S u S u `S S u u d d Pentaquark vs Meson Cloud 有色集团 替代 无色集团

35 Multiquark components in baryons Pentaquark vs Meson Cloud
Which is the correct picture ? Re-examination of many previous studied processes is necessary ! P ~ uud + e (2/3[ud][ud]`d +1/3 [ud][us]`s ) + …  `d –`u ~ 0.12 >15% in the nucleon, ?% in N* and D*

36 （3）重子激发态夸克模型的两个突出困难 模型预言的最低的几个激发态的质量与实验严重不符
uud (L=1) ½ - ~ N*(1535) Nh > Np uud (n=1) ½ + ~ N*(1440) uds (L=1) ½ - ~ L*(1405) 谐振子势能谱 ( 2n + L + 3/2 ) hw 模型预言的激发态数目远多于实验已观测到的数目 “失踪”的重子激发态问题 : 不存在 / 暂未观测到 ？

37 }L=0 }L=1 Larger [ud][us]`s component in N*(1535) makes it
A.Zhang, Y. Liu, P. Huang, W. Deng, X.Chen, S.L. Zhu, hep-ph/ : 1/2- and 1/2+ octet N* pentaquarks have similar masses in Jaffe-Wilczek diquark model `q ½ - [ud] [us] u `q ½+ [ud] u S d `q `q }L=0 }L=1 u d u d N*(1535) ~ uud (L=1) + e [ud][us]`s + … N*(1440) ~ uud (n=1) + x [ud][ud]`d + … L*(1405) ~ uds (L=1) + e [ud][su]`u + … Larger [ud][us]`s component in N*(1535) makes it coupling stronger to Nh & KL, weaker to Np & KS, and heavier ! B.C.Liu, B.S.Zou, PRL 96(2006)042002

38 五夸克 ½ - 八重态图象预言： L* [us][ds]`s ~ 1575 MeV S* [us][du]`d ~ 1360 MeV
X* [us][ds]`u ~ MeV 可被BES数据检验 ！ MpL

39 2. 北京正负电子对撞机（BEPC）、北京谱仪（BES）

40 1972.9.11 周恩来总理对关于建设中国高能加速器实验基地报告的复信中指示：
“这件事不能再延迟了。科学院必须把基础科学和理论研究抓起来，同时又要把理论研究与科学实验结合起来。高能物理研究和高能加速器的预制研究、应该成为科学院要抓的主要项目之一。”  

41 邓小平同志为北京正负电子对撞机奠基

42 江泽民参观北京正负电子对撞机

43 三代领袖尧舜禹， 影响文化三千年。 夸克轻子皆三代， BES也需第三代。 李政道

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45 探测器基本原理

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47 数据处理： 快电子学 图象判选 大型快速计算机，PC Farm internet(网络） 工作站 数 据 采 探 集 测 处 子弹 成果 器
　　　　 图象判选 大型快速计算机，PC　Farm 　　　　 internet(网络） 　　　　 工作站 靶 探 测 器 数 据 采 集 处 理 子弹 成果

48 BEPC 工作的能区：2 ~ 5.6 GeV

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50 World J/ and (2S) Samples (106)
Largest from BES 2001 2002

51 3. BEPC目前强子物理研究概况 重子谱（核子激发态和超子激发态）的研究 J/ 辐射衰变、寻找胶球
其它璨偶素及璨介子的衰变

52 3.1 重子谱（核子激发态和超子激发态）的研究 人类对重子谱的了解还非常贫乏 重子 = QCD三种颜色合成无色体的最简单系统
重子谱的特殊性： 重子 = QCD三种颜色合成无色体的最简单系统 人类对重子谱的了解还非常贫乏

53 Information from p, Kp experiments of 20 years ago

54

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56 (ssq) - Baryon Spectroscopy
Capstick&Isgur PRD34(1986)2809 Theory is totally not challenged due to lack of data !

57 New Facilities for N*: CEBAF@JLAB, USA ELSA@Bonn, Germany
France Japan N*(1440) first radial excitation M = , = MeV Key issues: N*(1535) first L=1 excitation M = , = MeV Missing N* resonances Hybrid (qqqg), 3-quark, diquark-q

58 in USA

59 SAPHIR@ELSA (Germany)
N*(1890)

60 in France Phys. Lett. B528 (2002) 215

61 L*(1520) (1540) LEPS@Spring-8 in Japan Nakano
Phys.Rev.Lett.91 (2003)

62 Advantages: BES@BEPC: Pure isospin 1/2 and :
Missing N* with small couplings to & , but large coupling to gggN : Not only N*, but also :

63 Some results from BES H.B.Li, BES, H.C.Chiang, G.X.Peng, B.S.Zou, Nucl. Phys. A675 (2000) 189c

64 BES, H.B.Li, B.S.Zou, H.C.Chiang, G.X.Peng, J.X.Wang, J.J.Zhu,
Phys. Lett. B510 (2001) 中国在PDG重子谱的首项贡献

65 N*(1535) in J/y  p K-`L + c.c. Nx Nx Events/10MeV Nx
(Arbitrary normalization) PS, eff. corrected Nx BES, Int. J. Mod. Phys. A20 (2005)

66 From relative branching ratios of J/y  p`N*  p (K-`L) / p (`ph)
刘伯超,邹冰松, “Mass and KL coupling of N*(1535)”, Phys.Rev.Lett.96(2006) (我国第一篇N*方面PRL文章) From relative branching ratios of J/y  p`N*  p (K-`L) / p (`ph) gN*KL /gN*ph /gN*pp ~ 1.3 : 1 : 0.6 Smaller N*(1535) BW mass

67 Mass of N*(1535) (1) (2) (3)

68 相当令人惊讶，利用J/y强子衰变BEPC的BES
被用于研究N*谱。 … nucl-th/

69 Why N*(2050) peak? L=0 limits it to be 3/2+ or 1/2+
N* in BES II Preliminary N*(1440) N*(1520) N*(1535) N*(1650) N*(1675) N*(1680) ? Why N*(2050) peak? L=0 limits it to be 3/2+ or 1/2+ A new “missing” N* ?

70 N* in BES II Preliminary BES II Preliminary

71 观测到两个新的N* 共振峰 ! vs pN invariant mass / MC phase space
N*(1440): M = 1358`+ 17 G = 179`+ 56 N*(2050): M = G = 165`+ 42 pN invariant mass / MC phase space BES Collaboration, hep-ex/ 观测到两个新的N* 共振峰 !

72 J/ψ→ for * and * (BESII very preliminary)
MpS MpL

73 hep-ph/ BEPC 已被列入寻找“失踪”重子态的五大装置之一

74 y衰变提供了类时区域研究重子激发态的新 颖的视角，...,与杰弗逊实验室数据互补。 hep-ph/ Summary talk at HADRON2003

75 BEPC 与 CEBAF、ELSA、GRRAL、Spring-8在重子谱方面并驾齐驱，互相竞争、互相学习、互相补充
NSTAR（核子激发态）、MENU（介子核子）、HADRON系列 国际会议国际顾问委员会委员, 大会特邀报告。

76 3.2 J/ 辐射衰变、寻找胶球 3 GeV GeV pQCD strong QCD

77 胡敬亮 董燎原

78 0-+ puzzle

79

80 3.3 J/ 到轻介子的强衰变、介子的夸克成分

81 f0(1710) f0(1790) NO f0(1710) ?

82 ss uu + dd components f0(980) f0( ) f2’(1525) f2(1270) f0(1710) f0(1790) f0(1370) f2(2240) No significant evidence for f0(1500) glueball?

83 3.4 其它璨偶素及璨介子的衰变 Main topics: (2S) decay branching ratios, 15% rule
χc decays the simplest process for studying gluon hadronization D, Ds decays --- heavy-light quark system

84 4. 兰州CSR强子物理展望 主要研究内容 重子谱（N*、 D* 、五夸克态）及双重子态的研究
兰州CSR将于今年建成，将提供动能为0.4 GeV/u(铀离子)- 1.1 GeV/u(碳离子)的重离子束流和 2.8 GeV的质子束流。 既可以产生接近3倍正常核密度的高密物质, 又可以产生多 种强子（介子和重子）及其激发态，为我国开展强子物理和重离子物理两个前沿领域的研究均提供了很有利的实验条件。 主要研究内容 重子谱（N*、 D* 、五夸克态）及双重子态的研究 高密度下的核状态方程、强子性质、手征对称破缺部分恢复机制的研究 K介子的阈下产生和超核的研究

85 complimentary BES and CSR experiments
J/y  P K-`L vs P P  P K+ L P`L & P L the same t-channel interaction K-`L & K+L the same interaction P K- for L* P K+ for pentaquarks

86 pp  p K+ L Total cross section and theoretical results with
N*(1535), N*(1650), N*(1710), N*(1720) B.C.Liu, B.S.Zou, Phys. Rev. Lett. 96 (2006) pp  p K+ L Tsushima,Sibirtsev,Thomas, PRC59 (1999) 369, without including N*(1535)

87 I=0 1S0`pp & I=1 1S0 pp near threshold enhancement
p p  p p h J/ → `pp |M|2 BES Both arbitrary normalization BES, Phys. Rev. Lett. 91, (2003) COSY-TOF, Eur.Phys.J.A16, 127 (2003)

88 CSR 可开展的N*项目 Advantages: looking for N* with large coupling to sN
p0, h, p+, K+, K+ N* p p, p, n, L, S s a a Advantages: looking for N* with large coupling to sN pure isospin 1/2 pN, ppN, KS system 五夸克态 q+ (`suudd ) 的研究 p p -> q+ S+, q++ L , q+++ S-, p d -> q+ L p

89 通过 p + p  n K+ S+ 研究 D* ++  K+ S+
p +, r + p n Looking for “missing” D*++ resonances Study`ss component of D*++

90 CSR 可开展的双重子态项目 d* (I=0,S=3) : p + d  p- pp (p) p + n  p- pp d’ (I=0,S=0) : N*(1535) N bound state p + d  pnh (p) p + n  pnh

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92 结束语 我国的大科学工程 BEPC 和 CSR 为我国中高能核物理、强子谱物理发展提供了良好的机遇，完全可以做出国际一流的工作，有志献身科学、为国效力的青年在此是会大有作为的。