Scattering anelastico elettrone- protone: sezione d’urto · Spettrometro per la ... frazione x...
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Scattering Scattering anelasticoanelastico elettroneelettrone--protoneprotone sezionesezione drsquourtodrsquourto
bull Nello scattering elastico elettrone-muone si ha la formula seguente per la sezione drsquourto differenziale
2 2 2 2 22 2
4 2 d 4 cos sind dE 2 2 2 2
E q qq M M
σ α θ θ δ ν⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= minus +⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥Ω ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Integrando rispetto allrsquoenergia dellrsquoelettrone diffuso si ottiene
2 22 2
22 4 2
d 1 cos sin2d 2 2 24 sin 1 sin
2 2
qE ME
M
σ α θ θθ θ
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= minus⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥Ω ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦+⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
bull Introducendo i fattori di forma elettrico GE e magne-tico GM si ottiene la formula di Rosenbluth per la se-zione drsquourto dello scattering elastico elettrone-protone
22 2
2E M2 2 2M2 2
2
qG G q4M - G tanq 2M 21-
4MMott
dd dd σ θσ
⎡ ⎤minus⎢ ⎥⎛ ⎞= sdot sdot⎢ ⎥⎜ ⎟
⎝ ⎠⎢ ⎥⎢ ⎥⎣
⎛ ⎞⎜ ⎟Ω
⎦
⎛ ⎞Ω ⎝ ⎠
⎜ ⎟⎝ ⎠
bull In analogia con queste formule la sezione drsquourtoanelastica differenziale si puograve scrivere come
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
bull Dato che lo scattering egrave anelastico non vi egrave piugrave una relazione tra ν e Q2 per cui le due funzioni W1 e W2 che rimpiazzano i fattori di forma sono funzioni di due variabili indipendenti W1 e W2 vengono comunemente chiamate funzioni di struttura
2
ScalingScaling di di BjorkenBjorkenbull La sezione drsquourto del processo di diffusione puograve essere
scritta come2 2 2
4
d σ 4α E= Sd
ΩdE Q
sdot
Dove S rappresenta la struttura del bersaglio
bull Nel caso dello scattering elastico e-micro dove sia e che microsono senza struttura si ha
2 22 2
emicro emicro 2
Q QS cos si n2 2 2
2
θ θ δ νrarr
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + minus⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠M M
dove M egrave la massa del muone La δ esprime il fatto che ν e Q2 non sono variabili indipendenti
bull Nel caso della diffusione anelastica ep mdashgt eX ν e Q2
sono variabili indipendenti ed abbiamo pertanto
2 2 2 2ep eX 2 1
θ θ S = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sin2 2rarr
⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
bull La struttura complessa del protone egrave riflessa dalla presenza di due funzioni di struttura W1 e W2 che per valori di Q2 inferiori a circa 1 (GeVc)2 sono funzioni sia di Q2 che di ν
bull Bjorken ipotizzograve che se il protone fosse composto da particelle puntiformi lo scattering quasi elastico dellrsquoelettrone con queste particelle doveva esibire unrsquoinvarianza di scala cioegrave la sezione drsquourto doveva essere indipendente da Q2 e dipendere solo dal rapporto x=Q22Mν
3
ScalingScaling di di BjorkenBjorkenbull In altri termini secondo lo scaling di Bjorken le
funzioni di struttura W1 e W2 devono ridursi a quelle puntiformi
2 2 2
1 22
Q Q Q2W = δ ν- W = δ ν- 2m 2m
2m
⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
m egrave la massa della particella costituente
bull Ricordando che possiamo riscrivere le relazioni come
( ) ( )1δ ax = δ xa
( ) ( )2 2
21
Q Q2mW Q ν = δ 1- = 2mν 2m
x δ 1- x ν
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝
sdot⎠
( ) ( )2
22 Q νW Q ν = δ 1- =
2mν δ -x 1
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
Come si vede queste funzioni di struttura sono funzioni solo di x (scaling di Bjorken)
bull Possiamo dire che con lrsquoaumentare di Q2 e quindi con il diminuire della lunghezza drsquoonda del fotone la diffusione elastica dal protone che puograve essere considerata come lrsquoazione coerente di tutti i quark allrsquointerno del protone viene sostituita dalla sovrapposizione incoerente della diffusione elastica dei singoli quark puntiformi
bull Riassumendo nel limite2
2 QQ x = 2
dove si ha νν
rarr infin rarr infinm
( ) ( )2 21 1 2 2 mW Q ν F (x) W Q ν F (x )νrarr rarr
int magnetica int elettrica
bull I dati sperimentali supportano questa ipotesi perQ2 gt (1 GeVc)2
4
LinacLinac eeplusmnplusmn a SLACa SLACA SLAC un laboratorio vicino San Francisco entra in funzione nel 1967 il ldquomostrordquo un acceleratore linearedi elettroni da 20 GeV lungo 2 miglia
Spettrometro per la misura dellrsquoangolo e dellrsquoenergia dellrsquoelettrone diffuso
5
ApparatoApparato sperimentalesperimentale
Vi erano tre spettrometri per misurare lrsquoangolo e lrsquoenergia dellrsquoelettrone diffuso
Nel lavoro di Friedman Kendal Taylor etal del 1969 si riporta la misura della sezione drsquourto differenziale anelastica misurata a θ=6deg e 10deg e lrsquoenergia dellrsquoelettrone incidente variava da 7 a 17 GeV Il momento trasferito Q2 arrivava fino a 74 GeV2
6
SezioneSezione drsquourtodrsquourto doppiodoppio differenzialedifferenziale
θ=4deg E(GeV)2d σdΩdE
W(GeV)
Q2(GeV)2
Risonanze
σ varia poco al variare di Q2
7
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )21 1mW Q ν F ( x) rarr
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Si vede sperimentalmente che F1 e F2 sono delle funzioni monotone di una sola variabile
(int magnetica)
(int elettrica)
2Qx = 2 νM
2
2 = Q
νω M
8
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Q2
x = 025
F2 non varia
9
InterpretazioneInterpretazione dellodello scalingscaling
bull La prima interpretazione ldquofisicardquo dello scaling di Bjorken fu data da Feynman nel 1969 Feynmanipotizzograve che il protone fosse formato da particelle puntiformi chiamate PARTONI
bull Feynman postulograve che ciascun partone trasportasse una frazione x dellrsquoenergia e della quantitagrave di moto del protone
bull Ci sono diversi tipi di partoni Un partone di tipo i ha il quadrimpulso
ip=x psdot (P egrave il quadrimpulso del protone)
im=x Msdot (M egrave la massa del protone)
bull Si puograve dimostrare che la frazione ldquoxrdquo del momento del partone egrave proprio uguale alla variabile ldquoxrdquo di Bjorken
2Qx = 2
νM
(Ricordiamo che ν egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio)
bull Da questa formula discende immediatamente che mettendo m=xM abbiamo
2 2Q Qν = = 2xM
2m
che egrave la relazione che lega ν e Q2 per uno scattering elastico su una particella puntiforme di massa m
10
Dimostrazione Dimostrazione bull Consideriamo un sistema di riferimento in cui il
protone ha una quantitagrave di moto cosigrave grande che tutte le masse in gioco e tutti i momenti trasversi possono essere trascurati (infinite momentum frame)
bull In questo SR il quadrimpulso del protone egrave
p (Ep) = (p00p)equiv
bull Il protone egrave visto come uno sciame di partoni tutti con impulso trasverso nullo rispetto alla direzione di volo del protone ed ognuno di essi avente una frazione x della quantitagrave di moto della massa e dellrsquoenergia del protone
(xp+q) Quadrimpulso acquistato da partone dopo lrsquourto
2 2 (xp+q) m 0asymp asymp (massa del partone) 2 2 2 x p + 2xp q + q = 0sdotrArr2 2 p =M 0asymp (massa del protone che puograve essere trascurata)
2q x2p q
=minussdot
rArr pmiddotq egrave un invariante relativistico e puograve essere calcolato in qualsiasi sistema di riferimento ad esempio nel sistema del laboratorio dove il protone egrave fermo p = (M000)
Mentre per il fotone si ha dove egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio
q = ( q) ν E-E ν =
p q p q = M M
ν ν sdot⎡ ⎤sdot =⎢ ⎥⎣rArr
⎦rArr
2 2q Q x2M 2Mν ν
=rArr minus = cvd
NB egrave rigorosamente valida solo nellrsquoinfinite momentum frame
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Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
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Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
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Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
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Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
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Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
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Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
2
ScalingScaling di di BjorkenBjorkenbull La sezione drsquourto del processo di diffusione puograve essere
scritta come2 2 2
4
d σ 4α E= Sd
ΩdE Q
sdot
Dove S rappresenta la struttura del bersaglio
bull Nel caso dello scattering elastico e-micro dove sia e che microsono senza struttura si ha
2 22 2
emicro emicro 2
Q QS cos si n2 2 2
2
θ θ δ νrarr
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞= + minus⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠M M
dove M egrave la massa del muone La δ esprime il fatto che ν e Q2 non sono variabili indipendenti
bull Nel caso della diffusione anelastica ep mdashgt eX ν e Q2
sono variabili indipendenti ed abbiamo pertanto
2 2 2 2ep eX 2 1
θ θ S = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sin2 2rarr
⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
bull La struttura complessa del protone egrave riflessa dalla presenza di due funzioni di struttura W1 e W2 che per valori di Q2 inferiori a circa 1 (GeVc)2 sono funzioni sia di Q2 che di ν
bull Bjorken ipotizzograve che se il protone fosse composto da particelle puntiformi lo scattering quasi elastico dellrsquoelettrone con queste particelle doveva esibire unrsquoinvarianza di scala cioegrave la sezione drsquourto doveva essere indipendente da Q2 e dipendere solo dal rapporto x=Q22Mν
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ScalingScaling di di BjorkenBjorkenbull In altri termini secondo lo scaling di Bjorken le
funzioni di struttura W1 e W2 devono ridursi a quelle puntiformi
2 2 2
1 22
Q Q Q2W = δ ν- W = δ ν- 2m 2m
2m
⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
m egrave la massa della particella costituente
bull Ricordando che possiamo riscrivere le relazioni come
( ) ( )1δ ax = δ xa
( ) ( )2 2
21
Q Q2mW Q ν = δ 1- = 2mν 2m
x δ 1- x ν
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝
sdot⎠
( ) ( )2
22 Q νW Q ν = δ 1- =
2mν δ -x 1
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
Come si vede queste funzioni di struttura sono funzioni solo di x (scaling di Bjorken)
bull Possiamo dire che con lrsquoaumentare di Q2 e quindi con il diminuire della lunghezza drsquoonda del fotone la diffusione elastica dal protone che puograve essere considerata come lrsquoazione coerente di tutti i quark allrsquointerno del protone viene sostituita dalla sovrapposizione incoerente della diffusione elastica dei singoli quark puntiformi
bull Riassumendo nel limite2
2 QQ x = 2
dove si ha νν
rarr infin rarr infinm
( ) ( )2 21 1 2 2 mW Q ν F (x) W Q ν F (x )νrarr rarr
int magnetica int elettrica
bull I dati sperimentali supportano questa ipotesi perQ2 gt (1 GeVc)2
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LinacLinac eeplusmnplusmn a SLACa SLACA SLAC un laboratorio vicino San Francisco entra in funzione nel 1967 il ldquomostrordquo un acceleratore linearedi elettroni da 20 GeV lungo 2 miglia
Spettrometro per la misura dellrsquoangolo e dellrsquoenergia dellrsquoelettrone diffuso
5
ApparatoApparato sperimentalesperimentale
Vi erano tre spettrometri per misurare lrsquoangolo e lrsquoenergia dellrsquoelettrone diffuso
Nel lavoro di Friedman Kendal Taylor etal del 1969 si riporta la misura della sezione drsquourto differenziale anelastica misurata a θ=6deg e 10deg e lrsquoenergia dellrsquoelettrone incidente variava da 7 a 17 GeV Il momento trasferito Q2 arrivava fino a 74 GeV2
6
SezioneSezione drsquourtodrsquourto doppiodoppio differenzialedifferenziale
θ=4deg E(GeV)2d σdΩdE
W(GeV)
Q2(GeV)2
Risonanze
σ varia poco al variare di Q2
7
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )21 1mW Q ν F ( x) rarr
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Si vede sperimentalmente che F1 e F2 sono delle funzioni monotone di una sola variabile
(int magnetica)
(int elettrica)
2Qx = 2 νM
2
2 = Q
νω M
8
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Q2
x = 025
F2 non varia
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InterpretazioneInterpretazione dellodello scalingscaling
bull La prima interpretazione ldquofisicardquo dello scaling di Bjorken fu data da Feynman nel 1969 Feynmanipotizzograve che il protone fosse formato da particelle puntiformi chiamate PARTONI
bull Feynman postulograve che ciascun partone trasportasse una frazione x dellrsquoenergia e della quantitagrave di moto del protone
bull Ci sono diversi tipi di partoni Un partone di tipo i ha il quadrimpulso
ip=x psdot (P egrave il quadrimpulso del protone)
im=x Msdot (M egrave la massa del protone)
bull Si puograve dimostrare che la frazione ldquoxrdquo del momento del partone egrave proprio uguale alla variabile ldquoxrdquo di Bjorken
2Qx = 2
νM
(Ricordiamo che ν egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio)
bull Da questa formula discende immediatamente che mettendo m=xM abbiamo
2 2Q Qν = = 2xM
2m
che egrave la relazione che lega ν e Q2 per uno scattering elastico su una particella puntiforme di massa m
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Dimostrazione Dimostrazione bull Consideriamo un sistema di riferimento in cui il
protone ha una quantitagrave di moto cosigrave grande che tutte le masse in gioco e tutti i momenti trasversi possono essere trascurati (infinite momentum frame)
bull In questo SR il quadrimpulso del protone egrave
p (Ep) = (p00p)equiv
bull Il protone egrave visto come uno sciame di partoni tutti con impulso trasverso nullo rispetto alla direzione di volo del protone ed ognuno di essi avente una frazione x della quantitagrave di moto della massa e dellrsquoenergia del protone
(xp+q) Quadrimpulso acquistato da partone dopo lrsquourto
2 2 (xp+q) m 0asymp asymp (massa del partone) 2 2 2 x p + 2xp q + q = 0sdotrArr2 2 p =M 0asymp (massa del protone che puograve essere trascurata)
2q x2p q
=minussdot
rArr pmiddotq egrave un invariante relativistico e puograve essere calcolato in qualsiasi sistema di riferimento ad esempio nel sistema del laboratorio dove il protone egrave fermo p = (M000)
Mentre per il fotone si ha dove egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio
q = ( q) ν E-E ν =
p q p q = M M
ν ν sdot⎡ ⎤sdot =⎢ ⎥⎣rArr
⎦rArr
2 2q Q x2M 2Mν ν
=rArr minus = cvd
NB egrave rigorosamente valida solo nellrsquoinfinite momentum frame
11
Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
3
ScalingScaling di di BjorkenBjorkenbull In altri termini secondo lo scaling di Bjorken le
funzioni di struttura W1 e W2 devono ridursi a quelle puntiformi
2 2 2
1 22
Q Q Q2W = δ ν- W = δ ν- 2m 2m
2m
⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠
m egrave la massa della particella costituente
bull Ricordando che possiamo riscrivere le relazioni come
( ) ( )1δ ax = δ xa
( ) ( )2 2
21
Q Q2mW Q ν = δ 1- = 2mν 2m
x δ 1- x ν
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝
sdot⎠
( ) ( )2
22 Q νW Q ν = δ 1- =
2mν δ -x 1
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
Come si vede queste funzioni di struttura sono funzioni solo di x (scaling di Bjorken)
bull Possiamo dire che con lrsquoaumentare di Q2 e quindi con il diminuire della lunghezza drsquoonda del fotone la diffusione elastica dal protone che puograve essere considerata come lrsquoazione coerente di tutti i quark allrsquointerno del protone viene sostituita dalla sovrapposizione incoerente della diffusione elastica dei singoli quark puntiformi
bull Riassumendo nel limite2
2 QQ x = 2
dove si ha νν
rarr infin rarr infinm
( ) ( )2 21 1 2 2 mW Q ν F (x) W Q ν F (x )νrarr rarr
int magnetica int elettrica
bull I dati sperimentali supportano questa ipotesi perQ2 gt (1 GeVc)2
4
LinacLinac eeplusmnplusmn a SLACa SLACA SLAC un laboratorio vicino San Francisco entra in funzione nel 1967 il ldquomostrordquo un acceleratore linearedi elettroni da 20 GeV lungo 2 miglia
Spettrometro per la misura dellrsquoangolo e dellrsquoenergia dellrsquoelettrone diffuso
5
ApparatoApparato sperimentalesperimentale
Vi erano tre spettrometri per misurare lrsquoangolo e lrsquoenergia dellrsquoelettrone diffuso
Nel lavoro di Friedman Kendal Taylor etal del 1969 si riporta la misura della sezione drsquourto differenziale anelastica misurata a θ=6deg e 10deg e lrsquoenergia dellrsquoelettrone incidente variava da 7 a 17 GeV Il momento trasferito Q2 arrivava fino a 74 GeV2
6
SezioneSezione drsquourtodrsquourto doppiodoppio differenzialedifferenziale
θ=4deg E(GeV)2d σdΩdE
W(GeV)
Q2(GeV)2
Risonanze
σ varia poco al variare di Q2
7
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )21 1mW Q ν F ( x) rarr
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Si vede sperimentalmente che F1 e F2 sono delle funzioni monotone di una sola variabile
(int magnetica)
(int elettrica)
2Qx = 2 νM
2
2 = Q
νω M
8
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Q2
x = 025
F2 non varia
9
InterpretazioneInterpretazione dellodello scalingscaling
bull La prima interpretazione ldquofisicardquo dello scaling di Bjorken fu data da Feynman nel 1969 Feynmanipotizzograve che il protone fosse formato da particelle puntiformi chiamate PARTONI
bull Feynman postulograve che ciascun partone trasportasse una frazione x dellrsquoenergia e della quantitagrave di moto del protone
bull Ci sono diversi tipi di partoni Un partone di tipo i ha il quadrimpulso
ip=x psdot (P egrave il quadrimpulso del protone)
im=x Msdot (M egrave la massa del protone)
bull Si puograve dimostrare che la frazione ldquoxrdquo del momento del partone egrave proprio uguale alla variabile ldquoxrdquo di Bjorken
2Qx = 2
νM
(Ricordiamo che ν egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio)
bull Da questa formula discende immediatamente che mettendo m=xM abbiamo
2 2Q Qν = = 2xM
2m
che egrave la relazione che lega ν e Q2 per uno scattering elastico su una particella puntiforme di massa m
10
Dimostrazione Dimostrazione bull Consideriamo un sistema di riferimento in cui il
protone ha una quantitagrave di moto cosigrave grande che tutte le masse in gioco e tutti i momenti trasversi possono essere trascurati (infinite momentum frame)
bull In questo SR il quadrimpulso del protone egrave
p (Ep) = (p00p)equiv
bull Il protone egrave visto come uno sciame di partoni tutti con impulso trasverso nullo rispetto alla direzione di volo del protone ed ognuno di essi avente una frazione x della quantitagrave di moto della massa e dellrsquoenergia del protone
(xp+q) Quadrimpulso acquistato da partone dopo lrsquourto
2 2 (xp+q) m 0asymp asymp (massa del partone) 2 2 2 x p + 2xp q + q = 0sdotrArr2 2 p =M 0asymp (massa del protone che puograve essere trascurata)
2q x2p q
=minussdot
rArr pmiddotq egrave un invariante relativistico e puograve essere calcolato in qualsiasi sistema di riferimento ad esempio nel sistema del laboratorio dove il protone egrave fermo p = (M000)
Mentre per il fotone si ha dove egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio
q = ( q) ν E-E ν =
p q p q = M M
ν ν sdot⎡ ⎤sdot =⎢ ⎥⎣rArr
⎦rArr
2 2q Q x2M 2Mν ν
=rArr minus = cvd
NB egrave rigorosamente valida solo nellrsquoinfinite momentum frame
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Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
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Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
4
LinacLinac eeplusmnplusmn a SLACa SLACA SLAC un laboratorio vicino San Francisco entra in funzione nel 1967 il ldquomostrordquo un acceleratore linearedi elettroni da 20 GeV lungo 2 miglia
Spettrometro per la misura dellrsquoangolo e dellrsquoenergia dellrsquoelettrone diffuso
5
ApparatoApparato sperimentalesperimentale
Vi erano tre spettrometri per misurare lrsquoangolo e lrsquoenergia dellrsquoelettrone diffuso
Nel lavoro di Friedman Kendal Taylor etal del 1969 si riporta la misura della sezione drsquourto differenziale anelastica misurata a θ=6deg e 10deg e lrsquoenergia dellrsquoelettrone incidente variava da 7 a 17 GeV Il momento trasferito Q2 arrivava fino a 74 GeV2
6
SezioneSezione drsquourtodrsquourto doppiodoppio differenzialedifferenziale
θ=4deg E(GeV)2d σdΩdE
W(GeV)
Q2(GeV)2
Risonanze
σ varia poco al variare di Q2
7
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )21 1mW Q ν F ( x) rarr
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Si vede sperimentalmente che F1 e F2 sono delle funzioni monotone di una sola variabile
(int magnetica)
(int elettrica)
2Qx = 2 νM
2
2 = Q
νω M
8
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Q2
x = 025
F2 non varia
9
InterpretazioneInterpretazione dellodello scalingscaling
bull La prima interpretazione ldquofisicardquo dello scaling di Bjorken fu data da Feynman nel 1969 Feynmanipotizzograve che il protone fosse formato da particelle puntiformi chiamate PARTONI
bull Feynman postulograve che ciascun partone trasportasse una frazione x dellrsquoenergia e della quantitagrave di moto del protone
bull Ci sono diversi tipi di partoni Un partone di tipo i ha il quadrimpulso
ip=x psdot (P egrave il quadrimpulso del protone)
im=x Msdot (M egrave la massa del protone)
bull Si puograve dimostrare che la frazione ldquoxrdquo del momento del partone egrave proprio uguale alla variabile ldquoxrdquo di Bjorken
2Qx = 2
νM
(Ricordiamo che ν egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio)
bull Da questa formula discende immediatamente che mettendo m=xM abbiamo
2 2Q Qν = = 2xM
2m
che egrave la relazione che lega ν e Q2 per uno scattering elastico su una particella puntiforme di massa m
10
Dimostrazione Dimostrazione bull Consideriamo un sistema di riferimento in cui il
protone ha una quantitagrave di moto cosigrave grande che tutte le masse in gioco e tutti i momenti trasversi possono essere trascurati (infinite momentum frame)
bull In questo SR il quadrimpulso del protone egrave
p (Ep) = (p00p)equiv
bull Il protone egrave visto come uno sciame di partoni tutti con impulso trasverso nullo rispetto alla direzione di volo del protone ed ognuno di essi avente una frazione x della quantitagrave di moto della massa e dellrsquoenergia del protone
(xp+q) Quadrimpulso acquistato da partone dopo lrsquourto
2 2 (xp+q) m 0asymp asymp (massa del partone) 2 2 2 x p + 2xp q + q = 0sdotrArr2 2 p =M 0asymp (massa del protone che puograve essere trascurata)
2q x2p q
=minussdot
rArr pmiddotq egrave un invariante relativistico e puograve essere calcolato in qualsiasi sistema di riferimento ad esempio nel sistema del laboratorio dove il protone egrave fermo p = (M000)
Mentre per il fotone si ha dove egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio
q = ( q) ν E-E ν =
p q p q = M M
ν ν sdot⎡ ⎤sdot =⎢ ⎥⎣rArr
⎦rArr
2 2q Q x2M 2Mν ν
=rArr minus = cvd
NB egrave rigorosamente valida solo nellrsquoinfinite momentum frame
11
Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
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Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
5
ApparatoApparato sperimentalesperimentale
Vi erano tre spettrometri per misurare lrsquoangolo e lrsquoenergia dellrsquoelettrone diffuso
Nel lavoro di Friedman Kendal Taylor etal del 1969 si riporta la misura della sezione drsquourto differenziale anelastica misurata a θ=6deg e 10deg e lrsquoenergia dellrsquoelettrone incidente variava da 7 a 17 GeV Il momento trasferito Q2 arrivava fino a 74 GeV2
6
SezioneSezione drsquourtodrsquourto doppiodoppio differenzialedifferenziale
θ=4deg E(GeV)2d σdΩdE
W(GeV)
Q2(GeV)2
Risonanze
σ varia poco al variare di Q2
7
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )21 1mW Q ν F ( x) rarr
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Si vede sperimentalmente che F1 e F2 sono delle funzioni monotone di una sola variabile
(int magnetica)
(int elettrica)
2Qx = 2 νM
2
2 = Q
νω M
8
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Q2
x = 025
F2 non varia
9
InterpretazioneInterpretazione dellodello scalingscaling
bull La prima interpretazione ldquofisicardquo dello scaling di Bjorken fu data da Feynman nel 1969 Feynmanipotizzograve che il protone fosse formato da particelle puntiformi chiamate PARTONI
bull Feynman postulograve che ciascun partone trasportasse una frazione x dellrsquoenergia e della quantitagrave di moto del protone
bull Ci sono diversi tipi di partoni Un partone di tipo i ha il quadrimpulso
ip=x psdot (P egrave il quadrimpulso del protone)
im=x Msdot (M egrave la massa del protone)
bull Si puograve dimostrare che la frazione ldquoxrdquo del momento del partone egrave proprio uguale alla variabile ldquoxrdquo di Bjorken
2Qx = 2
νM
(Ricordiamo che ν egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio)
bull Da questa formula discende immediatamente che mettendo m=xM abbiamo
2 2Q Qν = = 2xM
2m
che egrave la relazione che lega ν e Q2 per uno scattering elastico su una particella puntiforme di massa m
10
Dimostrazione Dimostrazione bull Consideriamo un sistema di riferimento in cui il
protone ha una quantitagrave di moto cosigrave grande che tutte le masse in gioco e tutti i momenti trasversi possono essere trascurati (infinite momentum frame)
bull In questo SR il quadrimpulso del protone egrave
p (Ep) = (p00p)equiv
bull Il protone egrave visto come uno sciame di partoni tutti con impulso trasverso nullo rispetto alla direzione di volo del protone ed ognuno di essi avente una frazione x della quantitagrave di moto della massa e dellrsquoenergia del protone
(xp+q) Quadrimpulso acquistato da partone dopo lrsquourto
2 2 (xp+q) m 0asymp asymp (massa del partone) 2 2 2 x p + 2xp q + q = 0sdotrArr2 2 p =M 0asymp (massa del protone che puograve essere trascurata)
2q x2p q
=minussdot
rArr pmiddotq egrave un invariante relativistico e puograve essere calcolato in qualsiasi sistema di riferimento ad esempio nel sistema del laboratorio dove il protone egrave fermo p = (M000)
Mentre per il fotone si ha dove egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio
q = ( q) ν E-E ν =
p q p q = M M
ν ν sdot⎡ ⎤sdot =⎢ ⎥⎣rArr
⎦rArr
2 2q Q x2M 2Mν ν
=rArr minus = cvd
NB egrave rigorosamente valida solo nellrsquoinfinite momentum frame
11
Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
6
SezioneSezione drsquourtodrsquourto doppiodoppio differenzialedifferenziale
θ=4deg E(GeV)2d σdΩdE
W(GeV)
Q2(GeV)2
Risonanze
σ varia poco al variare di Q2
7
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )21 1mW Q ν F ( x) rarr
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Si vede sperimentalmente che F1 e F2 sono delle funzioni monotone di una sola variabile
(int magnetica)
(int elettrica)
2Qx = 2 νM
2
2 = Q
νω M
8
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Q2
x = 025
F2 non varia
9
InterpretazioneInterpretazione dellodello scalingscaling
bull La prima interpretazione ldquofisicardquo dello scaling di Bjorken fu data da Feynman nel 1969 Feynmanipotizzograve che il protone fosse formato da particelle puntiformi chiamate PARTONI
bull Feynman postulograve che ciascun partone trasportasse una frazione x dellrsquoenergia e della quantitagrave di moto del protone
bull Ci sono diversi tipi di partoni Un partone di tipo i ha il quadrimpulso
ip=x psdot (P egrave il quadrimpulso del protone)
im=x Msdot (M egrave la massa del protone)
bull Si puograve dimostrare che la frazione ldquoxrdquo del momento del partone egrave proprio uguale alla variabile ldquoxrdquo di Bjorken
2Qx = 2
νM
(Ricordiamo che ν egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio)
bull Da questa formula discende immediatamente che mettendo m=xM abbiamo
2 2Q Qν = = 2xM
2m
che egrave la relazione che lega ν e Q2 per uno scattering elastico su una particella puntiforme di massa m
10
Dimostrazione Dimostrazione bull Consideriamo un sistema di riferimento in cui il
protone ha una quantitagrave di moto cosigrave grande che tutte le masse in gioco e tutti i momenti trasversi possono essere trascurati (infinite momentum frame)
bull In questo SR il quadrimpulso del protone egrave
p (Ep) = (p00p)equiv
bull Il protone egrave visto come uno sciame di partoni tutti con impulso trasverso nullo rispetto alla direzione di volo del protone ed ognuno di essi avente una frazione x della quantitagrave di moto della massa e dellrsquoenergia del protone
(xp+q) Quadrimpulso acquistato da partone dopo lrsquourto
2 2 (xp+q) m 0asymp asymp (massa del partone) 2 2 2 x p + 2xp q + q = 0sdotrArr2 2 p =M 0asymp (massa del protone che puograve essere trascurata)
2q x2p q
=minussdot
rArr pmiddotq egrave un invariante relativistico e puograve essere calcolato in qualsiasi sistema di riferimento ad esempio nel sistema del laboratorio dove il protone egrave fermo p = (M000)
Mentre per il fotone si ha dove egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio
q = ( q) ν E-E ν =
p q p q = M M
ν ν sdot⎡ ⎤sdot =⎢ ⎥⎣rArr
⎦rArr
2 2q Q x2M 2Mν ν
=rArr minus = cvd
NB egrave rigorosamente valida solo nellrsquoinfinite momentum frame
11
Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
7
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )21 1mW Q ν F ( x) rarr
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Si vede sperimentalmente che F1 e F2 sono delle funzioni monotone di una sola variabile
(int magnetica)
(int elettrica)
2Qx = 2 νM
2
2 = Q
νω M
8
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Q2
x = 025
F2 non varia
9
InterpretazioneInterpretazione dellodello scalingscaling
bull La prima interpretazione ldquofisicardquo dello scaling di Bjorken fu data da Feynman nel 1969 Feynmanipotizzograve che il protone fosse formato da particelle puntiformi chiamate PARTONI
bull Feynman postulograve che ciascun partone trasportasse una frazione x dellrsquoenergia e della quantitagrave di moto del protone
bull Ci sono diversi tipi di partoni Un partone di tipo i ha il quadrimpulso
ip=x psdot (P egrave il quadrimpulso del protone)
im=x Msdot (M egrave la massa del protone)
bull Si puograve dimostrare che la frazione ldquoxrdquo del momento del partone egrave proprio uguale alla variabile ldquoxrdquo di Bjorken
2Qx = 2
νM
(Ricordiamo che ν egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio)
bull Da questa formula discende immediatamente che mettendo m=xM abbiamo
2 2Q Qν = = 2xM
2m
che egrave la relazione che lega ν e Q2 per uno scattering elastico su una particella puntiforme di massa m
10
Dimostrazione Dimostrazione bull Consideriamo un sistema di riferimento in cui il
protone ha una quantitagrave di moto cosigrave grande che tutte le masse in gioco e tutti i momenti trasversi possono essere trascurati (infinite momentum frame)
bull In questo SR il quadrimpulso del protone egrave
p (Ep) = (p00p)equiv
bull Il protone egrave visto come uno sciame di partoni tutti con impulso trasverso nullo rispetto alla direzione di volo del protone ed ognuno di essi avente una frazione x della quantitagrave di moto della massa e dellrsquoenergia del protone
(xp+q) Quadrimpulso acquistato da partone dopo lrsquourto
2 2 (xp+q) m 0asymp asymp (massa del partone) 2 2 2 x p + 2xp q + q = 0sdotrArr2 2 p =M 0asymp (massa del protone che puograve essere trascurata)
2q x2p q
=minussdot
rArr pmiddotq egrave un invariante relativistico e puograve essere calcolato in qualsiasi sistema di riferimento ad esempio nel sistema del laboratorio dove il protone egrave fermo p = (M000)
Mentre per il fotone si ha dove egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio
q = ( q) ν E-E ν =
p q p q = M M
ν ν sdot⎡ ⎤sdot =⎢ ⎥⎣rArr
⎦rArr
2 2q Q x2M 2Mν ν
=rArr minus = cvd
NB egrave rigorosamente valida solo nellrsquoinfinite momentum frame
11
Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
8
Evidenza dello Evidenza dello scalingscaling
( )22 2 W Q ν F (x) ν rarr
Q2
x = 025
F2 non varia
9
InterpretazioneInterpretazione dellodello scalingscaling
bull La prima interpretazione ldquofisicardquo dello scaling di Bjorken fu data da Feynman nel 1969 Feynmanipotizzograve che il protone fosse formato da particelle puntiformi chiamate PARTONI
bull Feynman postulograve che ciascun partone trasportasse una frazione x dellrsquoenergia e della quantitagrave di moto del protone
bull Ci sono diversi tipi di partoni Un partone di tipo i ha il quadrimpulso
ip=x psdot (P egrave il quadrimpulso del protone)
im=x Msdot (M egrave la massa del protone)
bull Si puograve dimostrare che la frazione ldquoxrdquo del momento del partone egrave proprio uguale alla variabile ldquoxrdquo di Bjorken
2Qx = 2
νM
(Ricordiamo che ν egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio)
bull Da questa formula discende immediatamente che mettendo m=xM abbiamo
2 2Q Qν = = 2xM
2m
che egrave la relazione che lega ν e Q2 per uno scattering elastico su una particella puntiforme di massa m
10
Dimostrazione Dimostrazione bull Consideriamo un sistema di riferimento in cui il
protone ha una quantitagrave di moto cosigrave grande che tutte le masse in gioco e tutti i momenti trasversi possono essere trascurati (infinite momentum frame)
bull In questo SR il quadrimpulso del protone egrave
p (Ep) = (p00p)equiv
bull Il protone egrave visto come uno sciame di partoni tutti con impulso trasverso nullo rispetto alla direzione di volo del protone ed ognuno di essi avente una frazione x della quantitagrave di moto della massa e dellrsquoenergia del protone
(xp+q) Quadrimpulso acquistato da partone dopo lrsquourto
2 2 (xp+q) m 0asymp asymp (massa del partone) 2 2 2 x p + 2xp q + q = 0sdotrArr2 2 p =M 0asymp (massa del protone che puograve essere trascurata)
2q x2p q
=minussdot
rArr pmiddotq egrave un invariante relativistico e puograve essere calcolato in qualsiasi sistema di riferimento ad esempio nel sistema del laboratorio dove il protone egrave fermo p = (M000)
Mentre per il fotone si ha dove egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio
q = ( q) ν E-E ν =
p q p q = M M
ν ν sdot⎡ ⎤sdot =⎢ ⎥⎣rArr
⎦rArr
2 2q Q x2M 2Mν ν
=rArr minus = cvd
NB egrave rigorosamente valida solo nellrsquoinfinite momentum frame
11
Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
9
InterpretazioneInterpretazione dellodello scalingscaling
bull La prima interpretazione ldquofisicardquo dello scaling di Bjorken fu data da Feynman nel 1969 Feynmanipotizzograve che il protone fosse formato da particelle puntiformi chiamate PARTONI
bull Feynman postulograve che ciascun partone trasportasse una frazione x dellrsquoenergia e della quantitagrave di moto del protone
bull Ci sono diversi tipi di partoni Un partone di tipo i ha il quadrimpulso
ip=x psdot (P egrave il quadrimpulso del protone)
im=x Msdot (M egrave la massa del protone)
bull Si puograve dimostrare che la frazione ldquoxrdquo del momento del partone egrave proprio uguale alla variabile ldquoxrdquo di Bjorken
2Qx = 2
νM
(Ricordiamo che ν egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio)
bull Da questa formula discende immediatamente che mettendo m=xM abbiamo
2 2Q Qν = = 2xM
2m
che egrave la relazione che lega ν e Q2 per uno scattering elastico su una particella puntiforme di massa m
10
Dimostrazione Dimostrazione bull Consideriamo un sistema di riferimento in cui il
protone ha una quantitagrave di moto cosigrave grande che tutte le masse in gioco e tutti i momenti trasversi possono essere trascurati (infinite momentum frame)
bull In questo SR il quadrimpulso del protone egrave
p (Ep) = (p00p)equiv
bull Il protone egrave visto come uno sciame di partoni tutti con impulso trasverso nullo rispetto alla direzione di volo del protone ed ognuno di essi avente una frazione x della quantitagrave di moto della massa e dellrsquoenergia del protone
(xp+q) Quadrimpulso acquistato da partone dopo lrsquourto
2 2 (xp+q) m 0asymp asymp (massa del partone) 2 2 2 x p + 2xp q + q = 0sdotrArr2 2 p =M 0asymp (massa del protone che puograve essere trascurata)
2q x2p q
=minussdot
rArr pmiddotq egrave un invariante relativistico e puograve essere calcolato in qualsiasi sistema di riferimento ad esempio nel sistema del laboratorio dove il protone egrave fermo p = (M000)
Mentre per il fotone si ha dove egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio
q = ( q) ν E-E ν =
p q p q = M M
ν ν sdot⎡ ⎤sdot =⎢ ⎥⎣rArr
⎦rArr
2 2q Q x2M 2Mν ν
=rArr minus = cvd
NB egrave rigorosamente valida solo nellrsquoinfinite momentum frame
11
Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
10
Dimostrazione Dimostrazione bull Consideriamo un sistema di riferimento in cui il
protone ha una quantitagrave di moto cosigrave grande che tutte le masse in gioco e tutti i momenti trasversi possono essere trascurati (infinite momentum frame)
bull In questo SR il quadrimpulso del protone egrave
p (Ep) = (p00p)equiv
bull Il protone egrave visto come uno sciame di partoni tutti con impulso trasverso nullo rispetto alla direzione di volo del protone ed ognuno di essi avente una frazione x della quantitagrave di moto della massa e dellrsquoenergia del protone
(xp+q) Quadrimpulso acquistato da partone dopo lrsquourto
2 2 (xp+q) m 0asymp asymp (massa del partone) 2 2 2 x p + 2xp q + q = 0sdotrArr2 2 p =M 0asymp (massa del protone che puograve essere trascurata)
2q x2p q
=minussdot
rArr pmiddotq egrave un invariante relativistico e puograve essere calcolato in qualsiasi sistema di riferimento ad esempio nel sistema del laboratorio dove il protone egrave fermo p = (M000)
Mentre per il fotone si ha dove egrave lrsquoenergia trasferita dallrsquoelettrone al protone nel sistema del laboratorio
q = ( q) ν E-E ν =
p q p q = M M
ν ν sdot⎡ ⎤sdot =⎢ ⎥⎣rArr
⎦rArr
2 2q Q x2M 2Mν ν
=rArr minus = cvd
NB egrave rigorosamente valida solo nellrsquoinfinite momentum frame
11
Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
11
Scattering Scattering elettroneelettrone--partonepartone
Partonispettatori
bull Assumendo che i partoni siano particelle puntiformi di spin frac12 possiamo scrivere la sezione drsquourto differenzia-le dello scattering elastico elettrone-partone partendo dalla formula dello scattering elettrone-muone
bull Nella formula dobbiamo rimpiazzare α con αei dove ei egrave la carica frazionaria del partone
2 2 2 2 22 2 2 2i i4 2
i i
d σ 4α E θ Q θ Q= e cos + e sin δ ν-dΩdE Q 2 2m
2 2m
⎡ ⎤ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
⎜ ⎟⎢ ⎥⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎝ ⎠
bull Se confrontiamo questa formula con quella della sezione drsquourto anelastica elettrone-protone
2 2 22 2 2 2
2 14
d σ 4α E θ θ = W (Q ν)cos +2W (Q ν)sindΩdE Q 2 2
⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦
abbiamo ricordando che mi=xM
2 2i 2
1 i 2 2i
Q QW = e δ ν-4x M 2
m
⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
2i 22 i
i
QW = e δ ν-2m
⎛ ⎞
sdot ⎜ ⎟⎝ ⎠
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
12
Relazione di Relazione di CallanCallan--GrossGrossbull I partoni che non partecipano allo scattering si
comportano da ldquospettatorirdquobull I contributi dei singoli quark alla sezione drsquourto
differenziale dello scattering inelastico si sommano incoerentemente (non crsquoersquo interferenza si sommano le sezioni drsquourto e non le ampiezze)
bull Ogni partone trasporta una frazione x dellrsquoimpulso del protone dove la frazione x puograve essere diversa da partone a partone Indichiamo con fi(x) la probabilitagrave che un partone di tipo i abbia la frazione x dellrsquoimpulso del protone
2 22
1 2 i i2 2i
Q QW (Q ) = e f (x)δ ν- dx4M x 2M
x
ν⎛ ⎞
⎟⎠
rArr ⎜⎝
sum int2i
1 22
i 1i
eMW (Q ) = f (x) F ( ) x= Q 2M2
x νν ⎡ ⎤⎣ ⎦rArr equivsum2
22 2 i ii
QW (Q ) = e f (x )δ ν- dx2 x
M
ν⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠
sum intbull analogamente
22 2 i i 2i
W (Q ) = e xf (x) F ( )xν νrArr equivsumbull Confrontando le due relazioni si ha
1 22xF (x) = F ( ) x
Questa si chiama relazione di Callan-Gross ed egrave valida solo per partoni di spin frac12
Dalla sua verifica sperimentale si ricava che i partoni hanno spin frac12
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
13
Verifica sperimentale della Verifica sperimentale della relazione di relazione di CallanCallan--GrossGross
Derived from Table XV ofABodek et al Phys Rev D20 (1979) 1471
S=12
S=0
1 22xF (x) = F ( ) x
bull I dati supportano la presenza allrsquointerno del protone di particelle puntiformi cariche di spin frac12
bull Si ricordi che la funzione di struttura F1 egrave legata allrsquointerazione magnetica ed una particella di spin zero non interagisce magneticamente
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
14
Struttura a quark del nucleoneStruttura a quark del nucleonebull Lo scaling di Bjorken puograve essere riassunto nelle relazioni
2i
1 2 1 ii
eMW (Q ) F ( ) = f (x) 2
xν rarr sum2
1 2 2 i ii W (Q ) F ( ) = e xf (x) xν ν rarr sum
bull I numeri quantici degli adroni derivano dalla loro composizione in quark tuttavia se aggiungiamo coppie quark-antiquark i numeri quantici non cambiano Distinguiamo quindi i quark di valenza dai quark del mare
bull Utilizzando i numeri quantici dei quark u d e s possiamo scrivere per F2 nello scattering elettrone-protone
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
up(x) egrave la pdf (probability density function) del quark u nel protone cioegrave la probabilitagrave che il partone abbia la frazione di impulso del protone compresa tra x e x+dx
bull Per lo scattering elettrone-neutrone si puograve scrivere
en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭bull I quark u e d formano un doppietto di isospin quindi per lrsquoinvarianza delle interazioni forti per rotazioni nello spazio SU(2) di isospin ci aspettiamo che
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
Piugrave vincoli simili per le altre coppie qq piugrave pesanti
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
15
Quark Quark didi valenzavalenza e quark del maree quark del mare
bull Per ogni quark possiamo scrivere in generale
v s q(x) = q (x) + q (x) valenza
sea (mare)
bull Dato che i quark di valenza del protone sono u e d dobbiamo avere
v per s s q (x) u = 0 d
quindi nel protone i quark s (e gli altri quark piugrave pesanti) e gli antiquark devono appartenere al mare mentre per i quark u e d si ha
sv s v d(x) = u(x) = u ( d (x) + x) + u (x d (x ) )
bull Se facciamo la semplificazione che i tre quark leggeri compaiono nel mare con la stessa frequenza e la stessa distribuzione in impulso abbiamo
s s s s su (x) = d (x) = s (x) = u (x) = d (x) s(x) equiv
bull Con queste parametrizzazioni le funzioni di struttura del protone e del neutrone diventano
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
NB i quark del mare derivano dal fatto che questi interagiscono tra loro mediante lo scambio di gluoni i quali a loro volta possono formare delle coppie virtuali quark-antiquark
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
16
Verifica dellrsquoesistenza dei Verifica dellrsquoesistenza dei quark del marequark del mare
bull Valutiamo il rapporto tra le funzioni di struttura del neutrone e del protone in funzioni di x
bull Consideriamo due casi estremi
a) Quark del mare dominanti ci aspettiamo che questo avvenga a piccolo x
en2ep2
F (x) 1 F ( )
x
rarr
b) Consideriamo il caso in cui domini uv (ricordiamo che u indica la pdf di u nel protone e di d nel neut)
env v2
ep2 v v
u +4dF (x) 1 F (x) 4u +d
4
rarr rarr
domina il mare
Dominano i quark u
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
17
FF22 per diverse per diverse composizioni del protonecomposizioni del protone
Lrsquointerazione tra i quark ridistribuisce lrsquoimpulso tra di loro
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
18
Verifica della forma di FVerifica della forma di F22bull Ricordiamo che
[ ]ep2 v v
x 4F = 4 u (x)+d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
[ ]en2 v v
x 4F = u (x)+4 d (x) x s(x) 9 3
sdot + sdot
bull Sottraendo le due espressioni togliamo il contributo dei quark del mare
[ ]ep en2 2 v v
xF (x) F (x) = u (x) d ( 3
x)minus minus
ep en2 2 F (x) F ( x) minus
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
19
Integrali delle funzioni di Integrali delle funzioni di struttura contributo del struttura contributo del gluonegluone
bull Ricordiamo la forma di F2
ep p p p p p p2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭en n n n n n n2
4 1 1F = x u (x)+u (x) + d (x)+d (x) + s (x)+s (x) 9 9 9
⎧ ⎫⎡ ⎤⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎨ ⎬⎣ ⎦ ⎣ ⎦⎣ ⎦⎩ ⎭
bull Essa egrave del tipo xf(x) quindi dal suo integrale possiamo ricavare la frazione di impulso del protone trasportata dalle particelle cariche al suo interno in questa valutazione si puograve trascurare il contributo della frazione di impulso trasportata dai quark s
1 1 1ep2 u d0 0 0
1 1 1en2 d u0 0 0
4 1 4 1F dx = x(u+u)dx + x(d+d)dx f + f9 9 9 94 1 4 1F dx = x(d+d)dx + x(u+u)dx f + f9 9 9 9
⎧ equiv⎪⎪⎨⎪ equiv⎪⎩
int int int
int int int
(protone)
(neutrone)
1
u 0
1
d 0
f = x(u+u)dx
f = x(d+d)dx
⎧⎪⎨⎪⎩
intint
fu = Frazione dellrsquoimpulso del protonetrasportata da tutti i quark u e u ed analogamente per fd
bull Le misure sperimentali danno
1 ep2 u d0
1 en2 d u0
4 1F dx = f + f 0189 94 1F dx = f + f 0
129 9
⎫asymp ⎪⎪⎬⎪asymp⎪⎭
int
int
u
d
f 036f 018
asymp
asymp
Solo il 50 dellrsquoimpulso del protone egrave trasportato dai quark e antiquark il resto egrave trasportato dai gluoni
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
20
Sum rulesSum rulesbull Le funzioni di distribuzione di probabilitagrave (pdf) dei
quark devono soddisfare alcune regole di somma bull Ad esempio per il protone abbiamo
[ ]
[ ]
1
0
1
01
0
u(x)-u(x) dx = 2
d(x)-d(x) dx = 1
s(x)-s(x) dx = 0
⎧⎪⎪
⎡ ⎤⎨ ⎣ ⎦⎪⎪⎩
intintint
2 quark u di valenza
1 quark d di valenza
stranezza 0
bull Per confermare queste regole di somma occorre analizzare lo scattering dei neutrini e degli antineutrini che avviene per interazione debole tramite lo scambio di uno Z Questo permette di descrivere i quark dagli antiquark
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
21
Interazioni neutrinoInterazioni neutrino--nucleonenucleonebull A questo punto del corso diamo soltanto alcune
formule che riguardano lo scattering neutrino (antineutrino) con il nucleone
bull Consideriamo soltanto le reazioni di corrente carica (scambio di un W) allora la conservazione della carica e del numero leptonico fa si che si hanno le reazioni
p n
p n
p n
u (x) = d (x) u(x)d (x) = u (x) d(x)s (x) = s (x) s(x)
⎧ equiv⎪
equiv⎨⎪ equiv⎩
bull Ricordiamo come abbiamo identificato le funzioni di distribuzioni di probabilitagrave dei quark allrsquointerno del protone e del neutrone
d
d
u
micro micro
micro micro
ν micro ν micro
ν micro ν micro
minus minus
+ +
⎧ rarr rarr⎪⎨
rarr rarr⎪⎩
d u u
u d
bull Per semplicitagrave si usano bersagli isoscalari ovvero con lo stesso numero di neutroni e di protoni Si tenga presente che il neutrino misura d e u mentre lrsquoantineutrino misura u e d
p n
p n
d (x) + d (x) = d(x) + u(x) Q(x)u (x) + u (x) = u(x) + d(x) Q(x)
⎧ equiv⎪⎨
equiv⎪⎩
bull Nellrsquointerazione del neutrino (antineutrino) compare una terza funzione di struttura F3 dovuta allrsquointerferenza tra le correnti vettoriali e assiali
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone
22
Violazione dello Violazione dello scalingscaling F F22(xQ(xQ22))
La violazione NON egrave dovuta ad una dimensione finita dei quark Essa egrave dovuta alla continua interazione tra i partoni allrsquointerno del protone