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核子结构研究与新进展. 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班. 梁作堂. 山东大学物理学院. 2011 年 8 月 25 日,合肥,中国科技大学. 引言 单举轻子 核子深度非弹性散射 (DIS) 实验,部分子模型与部分子分布函数 --------------- A short overview 半单举轻子核子深度非弹性散射 (SIDIS) 与部分子关联函数 总结与展望. Contents. 引言 核子结构研究的核心问题、特点、意义. Contents. Why parton distribution function is defined as. 物质结构. - PowerPoint PPT Presentation
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12011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
核子结构研究与新进展
梁作堂山东大学物理学院
2011 年 8 月 25 日,合肥,中国科技大学
22011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
ContentsContents
引言 单举轻子核子深度非弹性散射 (DIS) 实验,部分
子模型与部分子分布函数
--------------- A short overview
半单举轻子核子深度非弹性散射 (SIDIS) 与部分子关联函数
总结与展望
32011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
ContentsContents
引言
核子结构研究的核心问题、特点、意义
( ) | (0) ( ) |2 2
ixp zq
dzf x e p ψ ψ z p
pzψzψpedz
xf zixpq |)(),0(
2)0(|
2)( L
Why parton distribution function is defined as
42011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
引言:物质结构图象
物质结构
物质
原子(atom)
电子(electron)
原子核(nucleus, A)
质子 (p) 、中子 (n) :统称为核子 (Nucleon, N)
夸克 (quark)
电子、夸克: <10-3fm
原子 : 10-10 m=1
核子: 1fm=10-15m
o
A
52011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
强子结构的夸克模型
强子由夸克构成
夸克有三种:
flavor (味道) charge (电荷) spin (自旋)
u (up) 2/3 1/2
d (down) -1/3 1/2
s (strange) -1/3 1/2
1964 年, Gell-Mann, Zweig
)(uudp
)(uddn
)( du),( du
)(2
10 dduu
Nobel prize in 1969.
62011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
高速运动的核子的结构?
量子场论的基本性质
真空涨落与真空激发vacuum excitation
A dynamical picture for a high energy nucleon that participates in high energy reaction.
核子结构研究的基本问题
72011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Introduction
核子结构是粒子物理重要前沿
高能反应实验强相互作用性质、核子结构、强子化机制、 … …
粒子物理标准模型
微扰部分
电
弱
强量子色动力学 (QCD) 非微扰部分
弱电统一理论 实 验充分检验尚未解决的重大难题
Quark has color degree of freedom, strong interaction is color interaction
82011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Introduction
关于核子结构的研究
核子结构的研究与原子分子结构的研究有很大的差别。
目前通常的做法
非微扰 QCD 求解困难与色禁闭
对高能反应理论描述的需要
合适的物理参量
核子结构定量描述与普适性
高能反应的预言
92011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Introduction: DIS and Nucleon Structure
Inclusive deep-inelastic lepton-nucleon scattering (DIS) XeNe
)()2(|)0(||)0(|),( 44X
X
pqppJXXJppqW
),()2)(2(4
1),()(),( 2
222
12 QxFxpqxpqqpx
QxFq
qqgpqW
核子结构理想的探针
电磁相互作用 点结构电子: 完全确定
)',( llL
)(le )'(le
)( pN X
)(* q 22 Qq
'2
'),(
3
4
2
E
ldpqW
sQd em
)',( llL
leptonic tensor
的定义式:
一般形式:
质子波函数
W
structure function of nucleon
),()()( xxexJ 电磁流: :| p
The differential cross section :
hadronic tensor
222 ,2/ qQpqQx
102011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Introduction: DIS and Nucleon Structure
几十年实验与理论研究,取得了巨大成就:质子由更小的点粒子构成Bjorken Scaling
Gottfried 求和规则
Callen-Gross 关系
构成质子的点粒子带分数电荷构成质子的点粒子自旋为 1/2
)(),( 2 xFQxF ii
)(2)( 12 xxFxF
)]()([ 22 xFxFx
dx np 3/122 du ee
Nobel Prize 1990
Jerome I. Friedman Henry W. Kendall Richard E. Taylor
“We see quarks through deeply inelastic lepton-nucleon scattering.”
部分子模型:目前核子结构最成功的描述。
112011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
ContentsContents
单举轻子核子深度非弹性散射 (DIS) 实验,部分子模型与部分子分布函数
--------------- A short overview
单举 DIS 过程与 ( 传统的 ) 部分子模型、
部分子分布函数
Higher twist 贡献
122011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
ee
q q
DIS and Parton Model (部分子模型)
Parton model:
qfA fast moving proton A beam of free partons
Lots of virtual processes such as
In a fast moving frame, because of time dilatation, they exist for quite long time.
In the infinite momentum frame (IMF), they exist forever.
electron scatters with free parton
number density of parton q in nucleon.
known as parton distribution functions (PDF)
(部分子分布函数)
:)(xfq
2 2ˆ| ) | ( ) | ) |qq
(eN eX dx f x (eq eq M M
R.P. Feynman,Bjorken and Paschos
XeNe E.g.: for
qeqe
the elementary scattering process
scattering amplitude
qf
ee
NX
132011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
DIS and Parton Model (部分子模型)
Parton model:
Impulse Approximation( 冲量近似 ):
During the interaction of the lepton with the nucleon
(1) interaction between the partons can be neglected;
( 自由的夸克 )
(2) the lepton interacts only with one single parton;
( 无多重散射 )
(3) interaction of the lepton with different partons can
be added incoherently. ( 传统、经典 )
qfA fast moving proton A beam of free partons
Lots of Virtual processes such as
In a fast moving frame, because of time dilatation, they exist for quite long time.
In the infinite momentum frame, they exist forever.
qf
142011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
DIS and Parton Model (部分子模型)
Parton model: direct consequences
质子由更小的自由的点粒子构成
Bjorken Scaling:
Gottfried 求和规则
Callen-Gross 关系
构成质子的自由的点粒子带分数电荷
构成质子的自由的点粒子自旋为 1/2
)(),( 2 xFQxF ii
)(2)( 12 xxFxF
)]()([ 22 xFxFx
dx np 3/122 du ee
“We see quarks through deeply inelastic lepton-nucleon scattering.”
Nobel prize in 1990 for Friedman, Kendall and Taylor.
Q/1
不依赖 Q
22 1( ) 2 ( ) [ ( ) ( )]q q q
q
F x xF x e xf x xf x
152011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Parton Model and Other High Energy Reactions
Parton model: A fast moving proton A beam of free partons
p
p
l
l
Xllpp Drell-Yan process: High transverse momentum jet production: Xjetpp
ˆ )( dxfd q
parton distributionfunctions
cross sections for elementary scattering process
The factorized form for the differential cross section:
jet
jet
The parton distribution functions have to rely on parameterizations.
162011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Global QCD analysis and PDFLIB
Experimental data for the cross sections of, e.g.:
parameterizations of the parton distribution functions
Empirical forms of the PDF’s ),,( ),,( ),,( QxsQxdQxu
),( ),,( ),,( ),,( QxgQxsQxdQxu ;XeNe ;Xllpp ;Xjetpp
ˆ )( dxfd q
parton distributionfunctions
cross sections for elementary scattering process
... ...
Parton model
172011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Global QCD analysis and PDFLIB
Parton distribution function library: many different sets
E.g.: CTEQ collaboration and CTEQ parameterizations
Home page at: http://www.phys.psu.edu/~cteq
The CTEQ Collaboration is founded by Wu-Ki Tung in Michgan State University
and colleagues in the early 1990s and now consists of 31 theorists and
experimentalists at 18 universities.
Early parameterizations:
Duke-Owens: D. Duke and J. Owens, Phys. Rev. D30, 49 (1984);
Morfin-Tung: J.G. Morfin and W.K. Tung, Z. Phys. C52, 13(1991).
Different versions of parameterizations: from CTEQ1 to CTEQ10.
182011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Global QCD analysis and PDFLIB
192011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Global QCD analysis and PDFLIB
Parton distribution functions: Some of the salient features:
Bjorken scaling violation:
Gluon contribution:
Symmetry breaking in the sea distributions:
QCD evolutions
5.0)( xxqdx ii
)()( xdxu
)()( xsxs
Quarks and anti-quarks carry only half of the momentum of proton
Gottfried sum rule violation
Brodsky, Ma; NuTev, ...
a
aaa xfxfxexxFxF )()()(2)( 212
202011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
qf
Polarized DIS and spin structure of nuleon
with polarized beams and targets
)]()([1
0
xqxqdxQ iii SDU
)]()([2
1)(
1
21 xqxqexg jj
N
jj
f
Integrated over x:
contribution of spins of quarks to that of proton
)()()( xqxqxq jjj ± means: helicity of qj = ± helicity of p
polarized photon make selection of polarization of quark/anti-quark
1)( * zs2/1),( inqsz
2/1),( finalqsz
Spin dependent structure function
c.m. frame of p**
p
ee
X
z
212011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Extracting from Inclusive DIS data
DIS & Parton Model:
,3
22)(
6
1)( 01
1
0
1 83QQQxgdx pppp
),(2
13 DUQ ).2(
6
38 SDUQ ,
3
2
12
1)(
3
2
12
10 SDUQ
,||2 pApQSM apap )(
2)()( 5 zzzA
aa Operator expression:
SUf(3) Symmetry in Hyperon Decay
Wigner-Eckart Theorem: )(2|| DdFifMSA abcabcca
b
:)8,...2,1}({ aa the 8-dimensional representation of the SUf(3) group.
),(2
1| 54 ip E.g.: ),(
2
12||2 3
3 DFSMpApQSM pp
p
),3(32
12||2 8
8 DFSMpApQSM pp
p
... ...3
2
12
10 Q
)],()([2
1)(
1
21 xqxqexg p
jpj
N
jj
pf
Integrated over x:
222011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Extracting from Inclusive DIS data
Earliest experiments:
138.0094.0120.0 1989: EMC+E130+E80: “proton’s spin crisis”
SLAC E80, E130, in 1970s-80s.
Since then, intensive studies have been performed.
232011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Extracting from Inclusive DIS data
Collection of data available
242011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Extracting from Inclusive DIS data
Results:
138.0094.0120.0 1989: EMC+E130+E80: “proton’s spin crisis”
1990s: SLAC, SMC (CERN), HERMES (DESY)
2000s: COMPASS (CERN), HERMES, RHIC-Spin, JLab, … :
large contribution from gluon ?)%30~20(
G
orbital angular momentum important?%30~ G probably small?
Still puzzling situation for the origin of proton spin1
( ) ???2p q gJ L G L
252011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
The “QCD Analysis” and the x-Dependence
Parton Model with QCD corrections
)],(),(),(),(),(),(1
[2
1),(
1
1
21
f
Gf
NSqf
NSj
f
Sqf
fx
N
jj
p QzC
z
xgzC
z
xq
QzC
z
x
Nz
dzeQxg
f
)],,(),([),(1
fifi
N
if xqxqx
f
),(1
),(),(),( ff
fififNSi x
Nxqxqxq
:),( ),,( ),,(f
G
f
NSq
f
Sq
QzC
QzC
QzC
Wilson coefficients, calculable in
pQCD
Inclusive DIS data on g1 Empirical forms of q and g
Spin-dependent parton distribution functions ),( ),,( ),,( ),,( ),,( QxGQxsQxqQxdQxu
262011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Early example of the results of “QCD Analysis”
NLO Results at Q2=4GeV2
Blümlein & Böttcher, NPB636(2002)225.
272011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Other Measurements
Flavor tagging in semi-inclusive DIS
To the leading order:
)()(
)()(1 )()(
)()(
)(xdxd
xdxdehXepehXpeehXpe
ehXpeehXpe
xA
�
�
)()(
)()(
2
2
zDdzxqe
zDdzxqe
hfff f
hfff f
)(
)()(
)(
)()()(
)()(
'''
2'
2
xq
xqxP
xq
xq
f
f
f
hf
f
f
fzDdzxqe
zDdzxqe
hfff f
hfff
:)(xP hf purity, spin independent, calculable using e.g. LEPTO.
),,()( 111XeeDXeKepXeep AAAxA
),,,,()(d
d
u
u
s
s
d
d
u
uxQ
)()]([)( xQxPxA h
f
XtagheNe )(
282011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Other Measurements
RHIC Spin program
Xpp 0
polarized pp collisions at 200, 500GeV
292011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Global QCD analysis for polarized parton distributions
DSSV parameterization
well constraineddu ,
sdu ,, non-zero, with large uncertainties.
s with a node for sign changeg very large uncertainties.
de Florian, Sassot, Stratmann, Vogelsang, Phys.Rev.D(2009).
302011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
ContentsContents
单举轻子核子深度非弹性散射 (DIS) 实验,部分子模型与部分子分布函数
--------------- A short overview
单举 DIS 过程与部分子模型、
部分子分布函数
部分子分布函数的定义与 Higher twist 贡献
312011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Collinear approximation & operator expressions of PDF’s
Need for a proper theoretical framework:
Approximations:
What is neglected?
Are they indeed small so that we can neglect them?
Can we improve the accuracy (order by order)?
Parton distribution functions:
A proper definition (in terms of operators and wave functions) ?
Physical interpretations? Universality?
Calculable using models, QCD theory?
322011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Collinear approximation & operator expressions of PDF’s
Towards an accurate theoretical frameworkXeNe
)()2(|)0(||)0(|),( 44X
X
pqppJXXJppqW
The differential cross section : )(le )'(le
)( pN X
)(* q 22 Qq
'2
'),(
3
4
2
E
ldpqW
sQd em
)',( llL
leptonic tensor hadronic tensor
2| | 2| |
The hadronic tensor:
332011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Collinear approximation & operator expressions of PDF’s
Parton model:
The hadronic tensor:
)()2(|)0(||)0(|),( 44X
X
pqppJXXJppqW
)'()2(|)0()0(|','','|)0()0(|2)2(
''
44
''3
3
kpqppkXkXpE
kdX
X k
,'|'|| kXX
'
)'('3
34 |)0(|'''|)0(|
2)2(
' '
X
zkpqpi
k
pXkXpeE
kdzd X
'
)'('3
34 |)(|'''|)0(|
2)2(
' X
zkqi
k
pzXkXpeE
kdzd
24
44 )()2(|)()()0(|
)2( qkpzkqpekd
zd zik
'|)'('|'|)( ' XekukXx xik
342011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Collinear approximation & operator expressions of PDF’s
Parton model: )],(ˆ)(ˆTr[)2(
),( 4
4
qkHk,pφkd
pqW
pzψψpezdk,pφ ikz |)()0(|)(ˆ 4
2)()2()(),(ˆ qkqkqkH The hard part:
The matrix element:
Collinear approximation: )(ˆ)|,(ˆ),(ˆ xHqkHqkH xpk
)],(ˆ);(ˆTr[),( xHpxφdxpqW
)()2()2(2
1)()(])(Tr[
4
1),( 2 xfxpqxpq
pxqq
qqgxfpxqp
pqpqW
Leading twist (neglecting 1/Q suppressed terms):
);(ˆ )()2(
);(ˆ4
4
pkφp
kx
kdpxφ
...)(2
1);(ˆ xfppxφ
pzψψpedz
xf zixp |)(2
)0(|2
)(
parton distribution function
352011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Collinear approximation & operator expressions of PDF’s
Parton distribution function:
pzψψpedz
xf zixp |)(2
)0(|2
)(
])()()()([)( ikzikz
k
ekvkbekukaz
However, the expression is not (local color) gauge invariant!
pxpbxpbxpaxpapxf |)()()()(|)(
the number density of quark and anti-quark.
362011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Inclusive DIS with QCD interaction
SpzψψSpezdk,p,S ikz ,|)()0(|,)(ˆ 4)0(
),(ˆ)(ˆTr)2(
),,( )0()0(4
4)0( qkHk,p,S
kdSpqW
SpzψygAψSpyedzdp,S,kk ρyzikyik
ρ ,|)()()0(|,),(ˆ )(4421
)1( 21
),,(ˆ),(ˆTr)2()2(
),,( 21)1(
21)1(
42
4
41
4)1( qkkHp,S,kk
kdkdSpqW ρ
μνρμν
Not gauge invariant!
Parton density matrix:
…
We take the “multiple gluon scattering” into account
; )()2()(),(ˆ 2)0( qkqkqkH 212
2
21);,1( )()2()(
)()(),(ˆ qk
iqk
qkqkqkH siL
( , , )W q p S
(0) (1) (2)( , , ) ( , , ) ( , , ) ( , , )W q p S W q p S W q p S W q p S
372011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Inclusive DIS with QCD interaction
Collinear approximation:
(1) (1) (1)1 2 1 1 2 2 1 2
ˆ ˆ ˆ( , , ) ( , , ) ( , )ρ ρ ρμν μν μνH k k q H k x p k x p q H x x
(0) (0) (0)ˆ ˆ ˆ( , ) ( , ) ( )μν μν μνH k q H k xp q H x
Keep only the longitudinal component of the gluon field:( ) ( ) ρρ
pA y n A y
n p
pkx /
Approximate k in the hard parts as k =xp:
Using the Ward identities such as, ixx
xHxxHp μνρ
μν
12
1(0)
21L)(1, )(ˆ
),(ˆ
)(2
130 kkk
)0,1,0(
n
)0,0,1(
n
4(0 ))
4(0ˆˆ( , , ) Tr ( )
(2 )( )μν
d kW q p S k, p, HS x
(0) 4ˆ ( ) , | (0) ( ) |) ,(0,ikzk, p,S d ze p S ψ ψ zz p S L
0
(0, ,0 )2
0 0 0
(0, ) 1 (0, ,0 ) ( ) (0, ,0 ) ' (0, ' , 0 ) ...
z
ig dy A y yz z
z Pe ig dy A y ig dy A y dy A y
L
the leading twist contributions can be obtained
gauge invariant!gauge link
382011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Inclusive DIS with QCD interaction
Collinear expansion:
......),(ˆ
),(ˆ),(ˆ'1
'
1
21(1)
21(1)(1)
kk
xxHxxHqkH σ
ρμνρ
μνρ
μν
......)(ˆ
)(ˆ),(ˆ'
')0(
)0()0(
ρρ
μνμνμν k
k
xHxHqkH
Decomposition of the gluon field:
)()()( yAωpn
pyAnyA ρ'
ρ'ρ
ρρ
ρ'ρ
ρ'ρ
ρ'ρ nngω
pkx /
Ellis, Furmanski, Petronzio, (82) Qiu, Sterman (90,91)
Expanding the hard parts around k =xp:
Using the Ward identities such as,
to replace the derivatives etc.
(0)1(1,L)
1 22 1
ˆ ( )ˆ ( , ) μνρμν
H xp H x x
x x i
)(' xpkkω ρ'ρ
)(2
130 kkk
)0,1,0(
n
)0,0,1(
n
(0)(1)
ˆ ( ) ˆ ( , ),μν ρμνρ
H xH x x
k
392011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Inclusive DIS with QCD interaction
SpzψzψSpezdk,p,S ikz ,|)(),0()0(|,)(ˆ 4)0( L
)(ˆTr)2(
),,(~ )0(
4
4)0( k,p,S
kdSpqWμν
...),,(~
),,(~
),,(~
),,( )2()1()0( SpqWSpqWSpqWSpqW μνμνμνμν
SpzψzyyDyψSpyedzdp,S,kk ρyzikyik
ρ ,|)(),()(),0()0(|,),(ˆ )(4421
)1( 21 LL
),(ˆTr)2()2(
),,(~
21)1(
42
4
41
4)1( p,S,kk
kdkdSpqW ρ'μν
Contain QCD interactions.(Color) gauge invariant !
...)0,',0(')0,,0()()0,,0(1),0(00
2
0
)0,,0(0
yzzyAdyig
yAdyyAdyigyAdyigPez
z
L
)()( ygAiyD ρρρ
)(ˆ )0( xH μν
),(ˆ21
)1( xxH ρμν
ρ'ρω
A consistent theoretical framework for inclusive DIS.
Inclusive DIS: Summary
…
collinear approximation
pzψψpedz
xf zixp |)(2
)0(|2
)(
collinear approximation
( ) | (0) (0, ) ( ) |2 2
ixp zdzf x e p ψ z ψ z p
L
collinear expansion
1( , ) Tr[ ( ) ] ( )
4W q p p q xp f x
q p
1( , ) Tr[ ( ) ] ( )
4W q p p q xp f x
q p
(0) 4ˆ ( ) | (0) (0, ) ( ) |ikzk, p d ze p ψ z ψ z p L
4(0) (0)
4ˆ( , ) Tr ( )
(2 )μν
d kW q p k, p
(0) (1) (2)( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ...μν μν μν μνW q p W q p W q p W q p
4 4(1) (1)1 2
1 24 4ˆ( , ) Tr ( , )
(2 ) (2 )μν ρ'
d k d kW q p k ,k p
)(ˆ )0( xH μν
),(ˆ21
)1( xxH ρμν
ρ'ρω
402011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
1 2 ( )(1) 4 41 2
ˆ ( , ) | (0) (0, ) ( ) ( , ) ( ) |ik y ik z yρ ρk ,k p d zd ye p ψ y D y y z ψ z p L L
leading twist contribution, no gauge invariance.
leading twist contribution, with gauge invariance.
consistent framework for leading and higher twist, with gauge invariance.
…
412011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Inclusive DIS with QCD interaction
Lesson (I): Quark distribution is not merely
…i.e., it contains “intrinsic motion” and “multiple gluon scattering”.
but
Intrinsic transverse momentum and multiple gluon scattering effects always mix up to give us the finally observed effects.
Multiple gluon scattering effects are contained in the gauge link.Collinear expansion is the necessary procedure to obtain the correct form of gauge invariant parton distributions.
Lesson (II):
422011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
ContentsContents
半单举轻子核子深度非弹性散射 (SIDIS) 与部分子关联函数
432011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Inclusive DIS with QCD interaction
pzψzψpedz
xf zixpq |)(),0(
2)0(|
2)( L
What can we learn through inclusive DIS about the structure of nucleon?
Quark distribution function:
pzψzψpedz
xf zixpq |)(),0(
2)0(|
2)( 5 L
Quark helicity distribution:
描述核子结构的矩阵元: pzψψp |)()0(|
有 8 个独立的分量 (“ 广义结构函数” ) ,研究了其中的两个。
目前有大量实验,如 HERMES, COMPASS, JLab, FAIR, ........., 未来 eRHIC?
半单举深度非弹性散射过程
pzψyDψp |)()()0(|
的其它分量
更复杂的矩阵元,如)()( zigAzD
pzψψp |)()0(|
All concentrate on
(semi-inclusive DIS)
442011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Semi-inclusive DIS and Parton Correlation Functions
Semi-inclusive DIS: XheNe e
e
N
DMuch more to learn!
In inclusive DIS, only longitudinal distributions are studied, e.g.
pzψzψpedz
xf zixpq |)(),0(
2)0(|
2)( L
pzψzψpedz
xf zixpq |)(),0(
2)0(|
2)( 5 L
In semi-inclusive DIS, longitudinal and transverse (transverse momentum dependent, TMD) distributions are studied, e.g.
pzψzψpezddz
kxf zkizixpq |)(),0(
2)0(|
)2(),( 3
2
L
pzψzψpezddz
kxf zkizixpq |)(),0(
2)0(|
)2(),( 5
3
2
L
Furthermore
452011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Quark distribution/correlation functions at leading twist
The 8 independent TMD quark distribution/correlation functions at leading twist
Quark
NucleonUn-polarized Longitudinally
polarizedTransversely polarized
momentum distribution
helicity distribution
transversity
Un-polarized
Longitudinal polarization
Transverse polarization
Boer-Mulders function
Sivers function),( kxq
),( kxq
),( kxq
Pretzelocity
462011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
x
y
zk
k
s
proton spin, up
proton momentum forward
right
left
xp
S
Quark distribution/correlation functions at leading twist
Sivers function2
3( , ) , | (0) (0, ) ( ) | ,(2 ) 2
ixp z ik zdz d zf x k ,S e p S ψ z ψ z p S
L
represents the correlation between the transverse momentum of quark and the spin of proton.
1 1
1 1
1 ˆ( , ) ( ) ( , )
1( , ) | | | | sin ( , )
T
s T
f x k S k p f x kM
f x k S k f x kM
single-spin left-right asymmetry.
xeSS
||
:s azimuthal angle
472011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Quark distribution/correlation functions at leading twist
Sivers function
Single-spin left-right asymmetry AN has been clearly observed in pp collision experiments, e.g. by E704 at FNAL in 1990s.
Xπpp )(RL
RLN NN
NNA
up
forward
left
right
spin
482011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Quark distribution/correlation functions at leading twist
Sivers function
1991, Sivers function was first proposed by D. Sivers to account for AN in pp;
1993, Boros, ZTL, Meng: AN can be obtained from quark orbital angular momentum & “surface effect” in pp collisions;
1993, proof by J. Collins that Sivers function = 0;
2001, HERMES: first measurement of single spin asymmetry in Semi-inclusive DIS which shows that Sivers effect is non-zero;
2002, Brodsky, Hwang, Schmidt: explicit calculations show that, if quark orbital angular momentum & “final state interaction” are taken into account, Sivers effect is non-zero;
2002, Collins: 1993’s proof is wrong because forgot gauge link which represents the “final state QCD interactions”.
492011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Quark distribution/correlation functions at leading twist
HERMES results on azimuthal asymmetry in SIDIS
Xp)(p
HERMES, PRD (2001)
502011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Quark distribution/correlation functions at leading twist
Lessons:
(I) Quark distributions are not merely
but include
…
(II) Azimuthal asymmetries should be studied in Semi-inclusive DIS.
universality nuclear effects spin effects higher twist effects
are important issues.
不是孤立的核子内的部分子的动量分布,而是包含了“末态相互作用”的贡献
512011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
e
e
N
D
Quark distribution/correlation functions at leading twist
Sivers function in Drell-Yan process
);,();,( 11 DYkxfDISkxf TT
Xllpp )(
Collins, 2002
p
p
l
l
Xllpp Drell-Yan process:
v.s. that in DIS Xhepe
Xhepe DIS
“final state interaction” “initial state interaction”
522011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Quark distribution/correlation functions at leading twist
Replace N by A, gluons can connect to different nucleons in A.
Nuclear dependence:
Nuclear enhancement; transverse momentum broadening
),(
),( 22 /)(2
2
lxfeldΔ
Akxf N
qlk
F
Aq
F
ZTL, Wang, Zhou, 2008.
AzψzψAezddz
kxf zkizixpAq |)(),0(
2)0(|
)2(),( 3
2
L
+ +…+ … +…
532011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Azimuthal asymmetry in unpolarized SIDIS
In 1978: R. Cahn studied intrinsic momentum effects
Although no final state interaction is considered, the results already show clearly that higher twist effects should be taken into account.
2)1(1
1)2(2||cos
y
yy
Q
k
Generalize parton model to include an intrinsic transverse momentum :k
22
2
)1(1
)1(2||2cos
y
y
Q
k
(twist 3)
(twist 4)
hp
*
ee
lepton plane
hp
sNSz x
production plane
Higher twist contribution:
542011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
需要解决的关键问题核心问题:
(一)找出合适的可测量,并确定它们与描述核子结构的物理参量(即部分子分布函数)之间的关系
(二)部分子分布函数的物理意义及其唯像学研究。
从单举过程学到的
(三)利用已有的实验数据确定部分子分布函数的形式
)(),( 221 xfeQxF qq
部分子分布函数库 (PDFLIB) 中的各种参数化
部分子分布函数的几率解释、求和规则、核依赖性、模型计算,等等。
共线展开
pzψzψpedz
xf zixpq |)(),0(
2)0(|
2)( L
规范不变的
),,()2
1(4 2
1
2
4
2
2 QxFy
yQdxdQ
d em
552011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
需要解决的关键问题核心问题: 半单举过程 XheNe
(一)找出合适的可测量,并确定它们与描述核子结构的物理量之间的关系灵敏的可测量:各种方位角不对称描述核子结构:各种关联函数
e
e
N
D
各种情形:非极化、极化纵向极化(沿运动方向)横向极化(垂直于运动方向)单极化(电子或质子极化)双极化(电子与质子都极化)
高扭度贡献规范联结
半单举过程中共线展开
方位角不对称与关联函数的关系?
方位角极化
半单举横向
单举纵向
hp
*
ee
lepton planhp
sNSz x
562011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
需要解决的关键问题核心问题: 其它半单举反应过程
Xllpp 例如,半单举 Drell-Yan 过程 :
Xhhee 21
例如,半单举 湮灭过程 :ee
p
p
l
l
e
e
1h
2h
D
D
特点:结构函数的二次方, 无碎裂函数
特点:碎裂函数的二次方, 无结构函数
572011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
需要解决的关键问题核心问题:
(一)找出合适的可测量,并确定它们与描述核子结构的物理参量(即部分子分布函数)之间的关系
(二)部分子分布函数的物理意义及其唯像学研究。
从单举过程学到的
(三)利用已有的实验数据确定部分子分布函数的形式
)(),( 221 xfeQxF qq
部分子分布函数库 (PDFLIB) 中的各种参数化
部分子分布函数的几率解释、求和规则、核依赖性、模型计算,等等。
共线展开
pzψzψpedz
xf zixpq |)(),0(
2)0(|
2)( L
规范不变的
),,()2
1(4 2
1
2
4
2
2 QxFy
yQdxdQ
d em
582011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
e
e
N
D
Semi-Inclusive DIS with QCD final state interaction
Leading twist, collinear approximation, better studied theoretically.
Brodsky, Schimdt, Collins, Ji, Yuan, J. Ma, Boer, Mulders, Anselmino, B. Ma, ... ...
Higher twist, collinear expansion? higher twist calculations?
Relations between parton distributions and the azimuthal asymmetries established;
Physical significances of the parton distributions are studied;
Preliminary parameterizations obtained.
Collinear expansion is shown to be applicable to SIDIS e+Ne+q(jet)+X (Liang & Wang, 2007);
Calculations up to twist-4 have been done for unpolarized case (Boer, Mulders; Mentz; Gao, ZTL, Song, Wang);
Much more to do, ..................
592011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
SIDIS with : differential cross-section to 1/Q2k
A complete twist-4 result for
cos),(||
1)2(4),()1(12 2
2
22
2 kxxfQ
kyykxfy
yQ
e
kdxdyd
dqq
qem
2cos),(~),(||
)1(4 )1(2
)1(22
2
kxkxxQ
ky
),(2
),(~),(||
)1(8 )(2
22)1(
2)1(
22
2
kxfQ
Mxkxkxx
Q
ky q
),(
||)1(12 ),2(
22
22 kxxQ
ky L
XqeNe
pzψzψpezddz
kxf zkizixpq |)(
2),0()0(|
)2(),( 3
2
L
pzψk
kzψpe
zddzkxf zkizixp
q |)(2
),0()0(|)2(
),( 23
2
L
TMD quark distribution:
Higher twist quark correlations:
pzψzDzψpezddz
dkkkxk zkizixp |)()(2
),0()0(|)2(
)ˆˆ2(),( 3
2)1(
22
L
602011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
SIDIS with : Azimuthal asymmetriesk
Up to twist-4),(
),(||
)1(1
1)2(2cos 2
kxf
kxxf
Q
k
y
yy
q
q
),(
)],(~),([||
)1(1
)1(22cos
)1(2
)1(2
2
2
2
kxf
kxkxx
Q
k
y
y
q
If g=0, i.e., no “final state interaction” (results by Cahn):
,||
)1(1
)1(2|2cos 2
2
20 Q
k
y
yg
,||
)1(1
1)2(2|cos 20 Q
k
y
yyg
proportional to ,
||
Q
k
proportional to ,||
2
2
Q
k
A good place to study such correlation functions and the effects of “final state interaction”.
612011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Higher twist parton correlation functions
At leading twist (twist-2), there are 8 independent quark distribution functions, they are all from
pzψψp |)()0(|
Twist-3 quark correlation functions are from
pzψψp |)()0(| pzψyDψp |)()()0(|
Questions: How many needed to describe semi-inclusive DIS?
their physical interpretations?
parameterizations?
...........
and all have clear physical interpretations.
and
622011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Summary and Outlook
对单举 DIS 过程的研究,使我们对核子结构有了很深的认识,对部分子分布函数有了系统细致的研究,对 QCD提供了很好的检验,如:
也揭示出许多问题,如:
高速运动的核子由部分子构成, 部分子包括夸克和胶子, 部分子分布函数的形式由 PDFlib给出, Bjorken scaling 的破坏与部分子分布函数 QCD演化,
海夸克分布的不对称, 质子自旋的来源, 胶子的极化、夸克轨道角动量, ............
632011 年 8 月 中国科技大学粒子物理与核物理讨论班
Summary and Outlook
目前对半单举 DIS 过程的研究,使我们对核子结构的研究进入了一个新的时代,由部分子分布函数深入到关联函数,将对一系列重要问题做出回答,并对 QCD 做进一步检验,如:
谢谢!
质子自旋、部分子自旋、部分子横向运动的关联? “ 末态 QCD 相互作用”的效应与普适性? 核子内夸克的轨道角动量? 部分子关联函数的 QCD演化? 核效应? .....................