Upload
others
View
37
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
1
Kvarkovi i fizika sub-atomskih čestica
Veljko Dmitrašinović
Laboratorija za fiziku (010), Institut za Nuklearne Nauke Vinča
2
Sadržaj
Zašto je važna fizika sub-atomskih čestica?Uvod u standardnu spektroskopijuhadrona (mezona i bariona)Kretanje tri kvarka vezanih Y-strunom-pantljikom-elastišomOtkriće tetrakvarkova?
Zašto je važna fizika sub-atomskih čestica?
Nuklearna i fizika čestica spadaju u istraživanje strukture materije koje jevažan deo ljudske intelektualnognasleđa i radoznalosti. Astrofizika kolapsiranih zvezda je usko vezana za fiziku hadrona navisokim gustinama. Jedini način da se to ispita na Zemlji je kroz nuklearnu i subnuklearnu fiziku.
Supernove i hadronska fizika
Tip (dužina i “snaga”) supernove zavise od jednačine stanja “neutronske materije”, misterioznog agregatnog stanja koje postoji samo na astronomski visokim gustinama.Jedini način da se naZemlji odredi ta jednačina stanja jekroz nuklearnu i subnuklearnu fiziku.
Kako se to radi?
Grade se akceleratori čestica, kao onaj u CERN-u i Fermi-labu, ili manji na Stanfordu i u Cukubi, ili jošmanji u Aioi-u (Spring8)
Eksperimenti
Belle detektor @ KEK (Tsukuba, Japan)BaBar detektor @ SLAC (Stanford, USA)SELEX @ Fermilab (Chicago, USA)CLEO @ Cornell U. (Utica, USA)Detektuju nove (i stare) čestice; sada ih ima već celi zološki vrt: kako da ih klasifikujemo?
3
Uvod u hadronsku spektroskopiju
Svi poznati hadroni su ili mezoni (bozoni) ili barioni (fermioni)Flavour (”aromatska”) SU(3) simetrija klasifikuje hadrona u singlete, oktete i decimeteDinamičko “objašnjenje” SU(3) simetrije je da se svi standardni mezoni i barioni sastoje od dvaodnosno tri kvarka
4
MezoniMezoni postoje u oktetima i singletimaDevet vrsta(“aromatskih stanja”) mezona se mogu objasnitiprekopostojanja kvarkova sa 3 osnovne arome (u,d,s)
��plet
I3
Y
� ����
� ����
�����
ududs
�����
Y
I3 �����
�plet
5
Kvarkovi i mezoni
Mezon se sastojiod 1 kvarka i 1 antikvarkaAko se kvarkovipojavljuju u 3 lake arome (u,d,s) onda mezoni postoje u obliku okteta i singleta (3x3=1+8)
� �
Tabela mezona
6
Barionipostoje u singletu, oktetu i decimetu
���plet
��plet
Barioni
I3
Y
� ������
� �������
� �������
� ��������
� �������
� �������
� �������
� �������
7
Kvarkovi i barioni
Barioni se sastojeod tri kvarkaKvarkovi imaju 3 (lake) arome (u,d,s)i zato (laki) barionipostoje u oblikusingleta, okteta i decimeta3x3x3=1+8+8+10
� �
Tabela bariona
8
Kvarkovi imaju frakcionalne (“razlomljene”) električne naboje: (u,d,s)=(2/3,-1/3,-1/3)ePojedinačno kvarkovi nisu nikada “viđeni”. Zato njihove mase ne možemo direktno izmeriti.Kvarkovi imaju spin ½ i zato bi trebalo da budu fermioni, ali se u barionima ponašaju kao bozoni (ne poštuju Paulijev princip)
Osobine kvarkova
Tabela kvarkova
9
Potreban je još neki stepen slobode (3“boje”) da bi se pomirili sa Paulijevim principomOsnovna interakcija koja vezuje kvarkove u nedeljive celine (“konfajnment”) zavisiod boje ali ne i od spina Ako bi to bilo sve, onda bi vodilo do degenerisanih hadrona sa različitim spinovima; zato je uvedena “hiperfina”interakcija koja zavisi i od spina (i boje, ili arome)
Interakcije među kvarkovima
Konfajnment ili večno zarobljeni kvarkovi
Postoje različite ideje o poreklu konfajnmentaJedna je da on potiče od sužavanja “fluksa gluona” u uske cevi koje se pod mehaničkim podsticajima ponašaju kao da su elastične strune Možemo li to da proverimo? U saradnji sa Toruom Sato-om i Milovanom Šuvakovim
Toru Sato Milovan Šuvakov
Raspodela fluksa u barionima
Profili raspodele fluksa boje - izTakahashi, Ichie and Suganuma,“Wako 2003, Color confinement and hadrons in quantum chromodynamics”p. 470-474
Y-struna I
Definisana kao najkraća suma dužina 3 strune; ovo znači da strune čineuglove od 120 stepeni u tački spoja (Fermat-Toricelli-Steiner-ovatačka) Ima podršku od lattice QCD, vid. Takahashi,Matsufuru, Nemoto and Suganuma, PRL86,18(’01); PRD65, 11409 (’02)
x0
x3
Y
x0
3x-
|
|
x2
x1
2p
3
Y-struna II
Klasična geometrijskakonstrukcija minimalne strune, komplikovana i ne-analitičkaNe određuje eksplicitno Fermat-Toricelli-Steiner-ovu tačku
Potencijal Y-strune
Dužina minimalnestrune = potencijal Sadrži dva korena: clasične jednačine kretanja OKAli šta da se radi sa kvantnom mehanikom?
Potencijal Y-strune II
Prepisati u Jacobi-ijevim koordinatama
Tri “slučaja”:Ispočetka aproksimirati prvim članom (“pravi”potencijal Y-strune)
),( λρ
Sažetak kvantnih rezultata
Razlike između energija stanja sesmanjuju kako popravljamo aproksimacijuTotalna konvergencijaaproksimacija
umerical) result, for the various low lying K 0,1,2 states (with all allowed orbital w
K NK [SU(6), LP] E(0)NK,K E
(1)NK,K,L E
(2)NK,K,L E
(3)NK,K,L E
(4)NK,K,L
0 0 [56, 0+] 3.8175 4.0000 4.6658 4.5182 4.53011 1 [70, 1−] 4.6582 5.3333 5.6934 5.5132 5.53940 1 [56, 0+] 5.2630 6.6667 6.4326 6.2290 6.24542 2 [70, 0+] 5.4290 6.3333 6.3942 6.2493 6.29452 2 [56, 2+] 5.4290 6.4667 6.4907 6.3199 6.34572 2 [70, 2+] 5.4290 6.7333 6.6837 6.4604 6.46912 2 [20, 1+] 5.4290 7.0000 6.8767 6.5993 6.6019
2D
2D
D
[20,1 ]+
[70,2 ]+
[56,2 ]+
[70,0 ]+
[56,0 ]+
(a)
2.5D
(b) (c)
Klasično kretanje u potencijaluY-strune
Samo sumaugaonih momenata jeočuvana: razlika nije.Ovo rezultira u neobičnomklasičnom kretanju(kuplovanje rotacionog iradijalnog kretanja; videti film)Moguće novekonfiguracije: tetrakvarkovi
26
x3
x1
2x
r2
l
H
),( λρ
Mezoni sa četvrtom “aromom”
U prisustvu četvrte (teške) arome, tzv. šarma (c), klasifikaciona simetrija se širi na SU(4). Odgovarajući SU(4) multiplet je 15-plet, koji sadrži sledeće SU(3) pod-multiplete:Triplet, antitriplet i oktet
Spektroskopija šarmantnih mezonapre 2003.g.
D*0K+ threshold
D0K+ threshold
BABAR/CLEO may have foundthese – but below threshold.
16
Revolucija u spektroskopiji šarmantnih mezona 2003.
Marta 2003. Kolaboracija BaBar(Stanford) objavila otkriće Ds
+(2317) mezona Aprila 2003. Kolaboracija CLEO (Cornell) objavila otkriće Ds
+(2460) mezona
sss
Novi šarmirano-strani mezoni
Očekivani spektar u potencijalnom modeluPreviše stranih skalarnih (0+) stanja: Ds
+(2317)(Belle) i Ds
+(2632)(SELEX);
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
3.2
Mas
s (G
eV/c
2 )
L=0 L=1jq 1/2 1/2 3/2
JP 0- 1- 0+ 1+ 1+ 2+
Ds
Ds*
Ds0
Ds1
Ds1
Ds2
D0K
D*K
Novi (nestrani) šarmirani mezoni
U poređenju sa očekivanim spektrom u potencijalnom modeluPreviše nestranih skalarnih (0+) stanja: D+(2308) (Belle), D+(2405) (FOCUS)Ova stanja su prelaka da bi bila obični mezoni!
17
Šta znače ova otkrića? Tetrakvarkovi?
Ova stanja su prelaka da bi bila obični mezoni!Preveliki broj stanja! Neki strani (2317) i nestrani (2308) mezoni su (skoro) degenerisani!Ovo bi mogli biti tetra-kvarkovi sa aromatskim sastavom csqq!?!
SU(3) multipleti za tetrakvarkove sa jediničnim šarmom
Moramo klasifikovati stanja 4 kvarka po lakim aromama Nove vrste SU(3) multipletaTetrakvarkovska SU(3) Klebš-Gordanova serija: dva 3-pleta, i po jedan 6-, 15-plet. Dva 3-pleta i “unutrašnji” triplet u 15-pletu se mešaju!Mase zavise od hiperfine interakcije. Dva modela:1) bojeno-spinska Fermi-Breit 2) aromatsko-spinska ‘t Hooft
→
156333*3*3 +++= SA
�
�
�
�
���
Y YY
I3
Hiperfina interakcija
Hiperfina interakcija “cepa” aroma-spin SU(6) multiplete po spinuDva modela (boja-spin CS i aroma-spin FS) daju slične rezultate za barione
10
1.25
1.75
mas
s(G
eV)
56
70
��
���
��
� ��������
���
Expt
� ��������
� ��������
� ���������
� ���������
� ��������
� ��������
� ������
� ��������
� ��������
K = 0 K > 0
�� �
�
����
���
� �������
Instantonski-indukovana ‘t Hooftinterakcija u KHD
Instantoni u KHD-u indukuju novu (1976, tHooft) tro-čestičnu interakciju, koja zavisi od aromata “Zatvaranjem” jednog para “nogu” vodi do dvo-čestičnu HF interakciju koja zavisi od arome i spina.
uL
dR
sR
� dL
sL
uR
NF=3
I
uL
dR
sR
dL
sL
uR
I
�
NF=3
I q2L
< qq3R 3L>
I
q1R
q2L
q1L q1L
q2R
q1R
q2R
< qq3R 3L>
Spektar osnovnih stanja lakih mezonasa tHooft-ovom interakcijom
Vektori i pseudoskalariSamo pseudoskalarnimezoni se menjajuVektorski mezoni su idealno mešaniSamo je još pion pretežak (zato što nije relativistički) 0.25
0.5
mass
(GeV
)
SU(3)K = 0
�c > 0
�����
�����
Expt
����
S.break.
����
1.0
0.75 ����
��
��
� �����
K > 0
�������
�������
!���
�����
� �����
��
��
�c = 0 �c = 0
K > 0
V.D. & H. Toki, Ann.Phys.321, 355 (06)
Mase tetrakvarkova sa tHooft-ovominterakcijom
HFI interakcija “ruši” degeneraciju stanjaNarušenje SU(3) simetrije (kroz razliku masa u i s kvarkova) doprinosi ovom cepanju.Ovde se vidi zašto nisu (i verovatno skorije neće biti) pronađeni egzotični tetrakvarkovi: svi su iznad pragova proizvodnje parova i zato su jako široki.Videti PRD 70, 096011 (04); PRL94,162002 (05); Mod. Phys. Lett. A21, 533 (06)
2.25
2.75
mas
s(G
eV)
6
K = 0 K > 0
D+K
DS+h
Expt
DS+p
2.50
3.00
S3
15
A3
m ms u,d¹
D (2632)S
D (2317)S
Predikcija masa egzotičnihtetrakvarkova
2317 2317 - - - -
2724 2724 2724 2724 - -2632 2561 2520 2520 2657 23833437 3224 - - - -
3A
+sJD +
JD
6
3S
0*JsD ++
sJD +ssJD ++
JD
15
•Mnoga egzotična stanja, mnoga od kojih su dostižna za Belle i BaBar
Zaključak
Renesansa hadronske spektroskopije!Mnogo pitanja, malo ruku (ima posla za sve koji hoće da rade)Za 5-10 godina ova oblast će cvetati.