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十三届全国中高能核物理大会暨第七届全国中高能核物理专题研讨会 2009 年 11 月 5-7 日中国科学技术大学 ( 安徽合肥 )

十三届全国中高能核物理大会暨第七届全国中高能核物理专题研讨会 2009 年 11 月 5-7 日中国科学技术大学 ( 安徽合肥 ). 中高能轻子与原子核散射 的几个问题. 宁平治 李磊 罗延安 南开大学 物理学院 天津 300071. 提 纲. 电子 - 核子弹性散射： 形状因子问题 : 矛盾似仍尖锐！ 电子 - 核子深度非弹性散射： 质子自旋危机似进一步加深！ 电子 - 原子核深度非弹性散射： EMC效应 本质 尚需理解！ 电子-离子对撞机？ 由 RHIC 到 eRHIC？ 关注中微子 -原子 核散射。 新一轮中微子振荡实验急需！.

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十三届全国中高能核物理大会暨第七届全国中高能核物理专题研讨会 2009 年 11 月 5-7 日中国科学技术大学 ( 安徽合肥 )

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Presentation Transcript

  1. 十三届全国中高能核物理大会暨第七届全国中高能核物理专题研讨会 2009年11月5-7日中国科学技术大学(安徽合肥) 中高能轻子与原子核散射 的几个问题 宁平治 李磊 罗延安 南开大学 物理学院 天津300071

  2. 提 纲 • 电子-核子弹性散射： 形状因子问题:矛盾似仍尖锐！ • 电子-核子深度非弹性散射： 质子自旋危机似进一步加深！ • 电子-原子核深度非弹性散射： EMC效应本质尚需理解！ • 电子-离子对撞机？ 由 RHIC 到 eRHIC？ • 关注中微子-原子核散射。 新一轮中微子振荡实验急需！ (2008出版)

  3. (1)电子-核子弹性散射：形状因子问题:矛盾似仍尖锐！(1)电子-核子弹性散射：形状因子问题:矛盾似仍尖锐！

  4. 核子电磁形状因子回顾 ep弹性散射电磁形状因子可反映质子内部的电磁结构，分为电形状因子GE（反映电荷分布）和磁形状因子Gm（反映磁矩分布），它们与ep弹性散射微分截面的关系由Rosenbluth公式表示： 于是电子探针通过ep弹性散射可以探知质子内部的电磁结构。在1998年以前的数十年中，Rosenbluth公式的正确性，以及由截面数据提取质子和中子的形状因子GE和Gm的可靠性是公认的，从未受到任何怀疑。然而1998年开始，主要由于CEBAF的高精度新ep极化实验数据提出了一系列挑战，对质子弹性形状因子进行的严格的Rosenbluth测量，促使这个领域的研究出现新的重要进展，

  5. 已确认不是实验技术问题

  6. 形状因子：两种方法测量结果不一致 ? • 用极化转移法，可精确测量核子的电形状因子。 • 但由极化转移法测得的质子电/磁形状因子比值和SLAC及其他实验室由Rosenbluth分离法测得的电/磁形状因子比值（己沿用数十年）差别很大（见右图）。 • 以上两种方法测量结果的不一致，可能存在着更深的原因，如双光子交换或其它原因。理论上需要更精确的实验数据。

  7. 关于核子形状因子的近期文献 Recent reviews of nucleon form factors: C.F. Perdrisat, V. Punjabi, and M. Vanderhaeghen, Nucleon Electromagnetic Form Factors, Progr. Nucl. Part. Phys., in press; arXiv:hep-ph/0612014v1; C.E. Hyde-Wright and C.W. de Jager, Electromagnetic Form Factors of the Nucleon and Compton Scattering, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 54, 217 (2004); H. Gao, Nucleon Electromagnetic Form Factors, Int. J. of Mod. Phys. E12, 1 (2003); Erratum-ibid. E12, 567 (2003). Two-photon physics.M. Vanderhaeghen, (William-Mary Coll. & Jefferson Lab) . 2007. 13pp. Published in Few Body Syst.41:103-115,2007 P. A. M. Guichon and M. Vanderhaeghen, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 142303. P. G. Blunden, W. Melnitchouk and J. A. Tjon, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 142304. Y. C. Chen, A. Afanasev, S. J. Brodsky, C. E. Carlson and M. Vanderhaeghen, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 122301. A. V. Afanasev, S. J. Brodsky, C. E. Carlson, Y. C. Chen and M. Vanderhaeghen, Phys. Rev. D 72 (2005) 013008. I. A. Qattan et al., Phys. Rev. Lett. 94 (2005) 142301. J. Arrington, W. Melnitchouk and J. A. Tjon, Phys. Rev. C 76 (2007) 035205. C. E. Carlson and M. Vanderhaeghen, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 57 (2007) 171. W. M. Alberico et al., Phys.Rev.C79-065204,2009 G. A. Miller, Phys.Rev.C80-045210,2009

  8. 电子-质子散射过程中的双光子交换 Modern quantitative calculations either treat the hadronic intermediate state in Fig. (a) as a proton plus a set of resonances, or else treat it in a constituent picture using generalized parton distributions. 电子-质子散射过程 中的双光子交换 电子-质子散射过程 中的单光子交换

  9. 关于双光子交换的贡献 In the earliest of the modern calculations, Blunden, Melnitchouk, and Tjon [1] evaluated the two-photon exchange amplitude keeping just the elastic nucleon intermediate state. They found that the two-photon exchange correction with an intermediate nucleon has the proper sign and magnitude to partially resolve the discrepancy between the two experimental techniques. Later, the same group, joined by Kondratyuk [2], included contributions of the (1232) in the intermediate state, which partly canceled the elastic terms. Most recently, Kondratyuk and Blunden [3] included five more baryon resonances in the intermediate state. While finding that the overall contribution of the additional resonances was not large, the totality of their corrections with their choices for the -nucleon-resonance vertices leads to good agreement with the Rosenbluth data using the form factors obtained from polarization data. [0] Yu Bing Dong et al., Phys. Rev. C 74, 064006(2006). [1] P. G. Blunden, W. Melnitchouk and J. A. Tjon, Phys. Rev. Lett. 91, 142304 (2003). [2] S. Kondratyuk et al., Phys. Rev. Lett. 95, 172503 (2005). [3] S. Kondratyuk and P. G. Blunden, Phys.Rev.C75:038201,2007 We calculate contributions of hadron resonances to two-photon exchange effects in electron-proton scattering. In addition to the nucleon and P33 resonance, the following heavier resonances are included as intermediate states in the two-photon exchange diagrams: D13, D33, P11, S11 and S31. We show that the corrections due to the heavier resonances are smaller that the dominant nucleon and P33 contributions. We also find that there is a partial cancellation between the contributions from the spin 1/2 and spin 3/2 resonances, which results in a further suppression of their aggregate two-photon exchange effect.

  10. 拟议进行的有关双光子交换的实验 [1] Jefferson Lab experiment E-04-116; contact person, W. Brooks. [2] JLab experiment E-04-019, spokespersons R. Gilman, L. Pentchev, C. Perdrisat,and R. Suleiman. [3] J. Arrington et al., Proposal for experiment at VEPP-3, nucl-ex/0408020.

  11. 近期理论工作 由电子探针研究核子电磁形状因子近年较全面总结可参见文献[1,6,7] 。在利用纵向极化电子束和液氘靶精确测量中子电形状因子方面[2]，在确定核子N至Δ轴跃迁形状因子方面[3]，在解释由极化转移法测得的质子电/磁形状因子比和由Rosenbluth分离法测得的电/磁形状因子比的明显差别方面，在电子弹性散射中双光子交换修正的作用方面[4]，在低Q区和高Q区电子弹性散射中夸克-强子的定域二重性（Duality）和整体二重性方面[5]都有不少工作。 [1] C.F. Perdrisat et al.,, Prog. in Part. and Nucl. Phys. 59 (2007) 694; J. Arrington and I. Sick, Phys.Rev. C76(2007)035201 [2] R. Madey et al., Phys. Rev. Lett. 91, 122002 (2003);J.J. Kelly, Phys.Rev.C70, 068202 (2004);B. Plaster et al., Phys.Rev.C73, 025205 (2006) [3] S. Kondratyuk and P. Blunden, Nucl.Phys.A778 (2006);V. Pasculutsa, C. Carlson, M. Vanderhaeghen, Phys. Rev. Lett.96, 012301 (2006); C. Alexandrou et al., Phys. Rev. Lett. 98, 052003 (2007). [4] J.Arrington and I.Sick, Phys.Rev.C76, 035201 (2007) ;J.A.Tjon and W.Melnitchouk,Phys.Rev.Lett.100,082003(2008) [5] A. Bodek et al., Eur.Phys.J.C53:349-354,2008. [6]C.E. Hyde-Wright and C.W. de Jager, Electromagnetic Form Factors of the Nucleon and Compton Scattering, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 54, 217 (2004); [7]H. Gao, Nucleon Electromagnetic Form Factors, Int. J. of Mod. Phys. E12, 1 (2003); Erratum-ibid. E12, 567 (2003).

  12. 近期实验工作 形状因子最新数据M. Kohl / Nucl. Phys. A 805 (2008) 361c 黑色：非极化，彩色：极化 世界数据，确认偏离

  13. (2)电子-核子深度非弹性散射质子自旋“危机”似进一步“加深”(2)电子-核子深度非弹性散射质子自旋“危机”似进一步“加深”

  14. 早期电子质子深度非弹实验结果给出：质子内部夸克仅携带质子自旋的30%,远小于相对论组分夸克模型的理论预言（60%），称为“质子自旋危机”[1]早期电子质子深度非弹实验结果给出：质子内部夸克仅携带质子自旋的30%,远小于相对论组分夸克模型的理论预言（60%），称为“质子自旋危机”[1] • 这一发现激起理论家和实验家的不懈关注，因为这关系到人们对强子内部结构的认识是否正确[2] • 据统计，自那时以来的理论性论文早已超过1000篇，实验工作涉及欧洲的CERN 、DESY 和美国的 BNL、JLab 和SLAC 等著名实验中心。 [1]王凡，原子核物理评论，2000，17：10；2001，18：316 [2]马伯強，J.Phys.,1991,G17：L53；Phys.Lett.1998,B441：461

  15. 近期探测质子自旋结构进展 • 长期以来，各有关实验室进行了不同极化探针（极化入射束、极化靶）的 单举（inclusive）和半单举（semi-inclusive）测量，这些测量结果表明，质子内全部夸克自旋仅贡献质子自旋的一部分，其余部分贡献应来自胶子自旋，以及在质子内高速运动的夸克和胶子的角动量。 • 最近几年探测质子自旋结构的进展不算乐观。Jlab和DESY实验观测结果表明，（1）u夸克自旋平行于质子极化方向，d夸克自旋与质子极化方向反平行，（2）海夸克对质子自旋贡献极小。（3）RHIC实验指出，胶子极化相当小。三种贡献的总和趋于零。 • 总之，实验结果比理论预期相差更大了。促进了关于质子内部结构对质子自旋贡献的各种理论设想，要得到实验确认，尚需更多工作，迄今测量数据仍不完备。

  16. Jaffe在国际会议的报告（2008） So, what remains of the quark model? And, where is the proton’s spin?

  17. Jaffe在国际会议的报告（续）：40年研究，第二次“质子自旋危机”Jaffe在国际会议的报告（续）：40年研究，第二次“质子自旋危机”

  18. (3)电子-原子核深度非弹性散射：EMC效应本质尚需理解！(3)电子-原子核深度非弹性散射：EMC效应本质尚需理解！

  19. EMC 效应 e- ≠ e- + Z N γ∗ γ∗ γ∗ p n Nucleus at rest (A nucleons = Z protons +Nneutrons) σA/σD EMC效应曾在CERN, SLAC, DESY等几个实验中心发现。 EMC (Cu)BCDMS (Fe) E139 (Fe) x 23

  20. 概 述 • 对轻子-原子核所完成的大量DIS实验发现，束缚在原子核内的核子, 其DIS结构函数并不等于自由质子和自由中子结构函数的加权平均。, 这一现象称为EMC效应, 是1983年以最早发现这一效应的欧洲μ子实验组(European Muon Collaboration) 命名的。 • 后来的一系列实验对EMC效应进一步证实和深化了。 用不同轻子对 Cu 核和 Fe 核（ ）实验结果的一般趋势是，当x很小时, 比值R(x)明显小于1; 时,比值R(x) 略大于1; 时,比值R(x) 又小于1; 时,比值R(x)呈上升趋势。 • 如何对这些新现象给出合理的物理解释, 特别是小区物理(海夸克贡献重要), 成为很活跃的研究领域。在中大x区，核效应主要被解释为束缚和费米运动机制，加上可能的核子内部修正[1,2]。在小x区，观测到结构函数的重叠，这现象称为核遮蔽，它可被理解为源于虚光子的类夸克-反夸克态的多次散射[3]。 文献[3,4]系统评述了EMC效应发现后迄今的20余年里，实验上和理论上的进展及问题。 [1] K. Saito and A.W. Thomas, Nucl. Phys. A 574, 659 (1994); [2]I. C. Cloet, W. Bentz, and A. W. Thomas,Phys. Lett. B 642, 210 (2006). [3] D. F. Geesaman, K. Saito, and A. W. Thomas, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 45, 337 (1995). [4]P R Norton, Rep. Prog. Phys. 66 1253-1297（2003）

  21. 基本的动力学变量 e- 4动量转移平方 e- γ∗ 不变质量平方 Bjorken 变量 25

  22. 核结构函数与 EMC 效应 核散射截面: A Z.p + N.n CERN, SLAC, DESY先后发现此效应(1983-1995) 所有核， 随x变化规律相同 x<0.1 遮蔽 (Shadowing) 0.1<x<0.3 反遮蔽 (Anti-shadowing) x>0.3 EMC 效应 效应大小与A有关。 EMC (Cu)BCDMS (Fe) E139 (Fe) 26

  23. EMC效应：早期理论解释？ F2A/F2D比值测量结果解释为核内夸克分布的修正。 起伏幅度与A有关，但形状多少相同。 已有几种理论模型, 但只对一定x区域成立。

  24. An experimental proposal for Jefferson Lab's (2005) “It has been more than two decades since the discovery of the EMC effect. However, its origin still remains a mystery.…”

  25. The polarized EMC effect [AIP Conference Proceedings 892, 248 (2007)] W. Bentz, I. C. Cloet ,A. W. Thomas , treated in the mean field approximation. predicted a sizable polarized EMC effect, which could be confirmed in future experiments. Spin-dependent structure functions in nuclear matter and the polarized EMC effect. Cloët, I C / Bentz, W / Thomas, A W , Physical review letters, 95 (5), p.052302, Jul 2005 reproduce both nuclear matter saturation and the experimental F2N(A)/F2N ratio, that is, the European Muon Collaboration (EMC) effect. Applying this framework to determine g1p(A), we find that the ratio g1p(A)/g1p differs significantly from unity, Chiral solitons in nuclei: saturation, EMC effect, and Drell-Yan experiments. Smith, Jason R / Miller, Gerald A , Physical review letters, 91 (21), p.212301, Nov 2003 ...nuclear matter. This provides a new way to assess the effects of the nuclear medium on a nucleon that includes valence and sea quarks. We show that the model simultaneously describes the nuclear EMC effect and the related Drell-Yan experiments. Change of MIT Bag Constant in Nuclear Medium and Implication for the EMC Effect Xuemin Jin, B.K. Jennings, Phys.Rev.C55:1567,1997 How the nuclear Fermi motion plus a simple statistical model explains the EMC effect zynek, J. Ro\. / Wilk, G., Contribution to PANIC 2002 conference, Sept. 30 - October 4, 2002, Osaka, Japan., ...direction and therefore should be considered seriously in all attempts devoted to explain the experimentally observed EMC effect for x_{Bj} > 0.1 . Nuclear EMC Effect in a Statistical Model Zhang, Yunhua / Shao, Lijing / Ma, Bo-Qiang, Nucl. Phys. A 828 (2009) 390-400 A simple statistical model in terms of light-front kinematic variables is used to explain the nuclear EMC effect in the range x ∈ [0.2,~0.7] , which was constructed by us previously to calculate the parton distribution functions... Isovector EMC Effect and the NuTeV Anomaly Cloët, I. C. / Bentz, W. / Thomas, A. W. , Phys.Rev.Lett.102.252301, 2009 EMC效应：近期理论工作

  26. 极化EMC效应：核介质对束缚核子内夸克结构的影响极化EMC效应：核介质对束缚核子内夸克结构的影响 • 理论预言 • 核内标量和矢量平均场修正核子内的夸克运动 • W. Bentz,. C. Clo¨et, T. ItoA. W. Thomas, K. Yazaki， Prog.Part.Nucl.Phys.61,238 (2008) • 热力学袋模型(可给出核内的部分子动量分布函数， 适于描述海夸克和胶子， 适用小x区) •   K. Ganesamurthy et al., Turk. J. Phys. 32, 175 (2008).       • 实验探测 JLIB升级后 EMC效应夸克结构函数比值： 非极化EMC效应 极化EMC效应 对 11B的EMC 比值. 借用12C实验数据

  27. EMC效应理论解释存在的问题 许多微观理论模型可以解释大x区行为，但不能解释其它x区行为，或不能解释其它实验数据(Drell-Yan) ，或不能包含常规效应: • conventional effects: • Fermi motion and binding dominate at high x • Binding also affects quark distribution at all x 31

  28. Jlab 新实验E03-103 E03-103 will improve with Higher precision data for 4He Addition of 3He data Precision data at large x and on heavy nuclei Lowering Q2 to reach high x region EMC效应近期实验任务 32

  29. E03-103: Preliminary 3He EMC ratio Large proton excess correction Preliminary 考察非对称核物质中EMC效应的表现 33

  30. How to correct for Coulomb distortion ? 库仑扭曲修正 ➫ DWBA • -Focusing of the electron wave function • Change of the electron momentum Effective Momentum Approximation (EMA) Aste and Trautmann, Eur, Phys. J. A26, 167-178(2005) 34

  31. 库仑扭曲和双光子交换 (两个光子与一个核子交换) TPE OPE Coulomb distortion (除单光子与一个核子交换外， 还有—个或多个光子与整个核的交换) e’ n p 入射电子在核库仑场中被加速 e Opposite effect with positrons 35

  32. EMC: World data re-analysis 2007

  33. (4)电子-离子对撞机？由 RHIC 到 eRHIC？

  34. 概 述 • 拟议中的电子-离子对撞机(Electron Ion Collider ,EIC) 是JLab12GeV升级和RHICⅡ升级的综合和自然发展。 • EIC的研究目标主要是核子与核内的胶子。胶子作为强相互作用的传播媒介起着主导作用。然而，强子物质内胶子的性质迄今仍很不了解。可以说，EIC的高能电子探针的功能将像高性能的胶子显微镜。 • 因为人们已非常清楚了解高能电子与夸克的电磁相互作用，在此基础上可以研究核内胶子分布，可以用来以很高精度分辨核内夸克分布随动量转移的微小变化。 • EIC有不同的设计方案，倾向性的是eRHIC方案，就是在原来的离子对撞机RHIC设备旁边再建一个电子对撞机，使电子贮存环与离子贮存环相交叉，并使电子束与离子束在交叉点相遇发生eA碰撞。

  35. 电子-离子对撞机二种设计方案 电子-离子对撞机Electron-Ion-Collider (EIC)设计技术指标 质心系能量： 20 至 100 GeV, 极化电子， 极化质子与轻核， 亮度：可达 第一种方案：(eRHIC). 对现有RHIC加以改造，附加10GeV极化电子贮存环。 第二种方案： Jeerson Lab提出， 利用现有的 CEBAF直线电子加速器， 新建30至225GeV离子贮存环。

  36. 电子-离子对撞机与其它轻子散射装置的比较 横坐标表示质心系能量， 纵坐标表示亮度。

  37. (5)关注中微子-原子核散射新一轮中微子振荡实验急需(5)关注中微子-原子核散射新一轮中微子振荡实验急需

  38. 左图是中微子振荡的音乐模拟假定只有二种中微子：电子型中微子 （B调，黄色）μ子型中微子 （G调，蓝色）时空起点： 几率为零 几率为100%二种中微子质量不同，音调不同中微子随时间传播，将由G最大到B最大，到G最大…到达检测器是某种中微子混合态这种“音调转换” 特征由“中微子混合参数”决定。

  39. 国际上中微子-核散射实验研究中心 典型实例：中国大亚湾反应堆中微子实验将在山腹内建设三个实验厅，分别设置近端和远端探测器。利用中微子近端和远端距离的变化进行中微子振荡的相对测量，抵消实验的系统误差，大大提高实验的精度。探测器将设计成可移动的，能进一步减小探测器间差别带来的误差，提高测量精度。同样需要研究νA散射核效应。

  40. 中微子深度非弹性散射结构函数的核效应 类似eA深度非弹性散射（DIS）结构函数的EMC效应，人们对中微子深度非弹性散射结构函数的核效应也日益关注。这主要由于（1）重核靶（如铁核及更重的核）已用于中微子深度非弹性散射实验。已经知道，宇称破坏F3结构函数可以直接探知核子内的价夸克分布。然而从中微子散射实验数据中适当减除核效应才能提取出核子内的部分子分布函数的信息[*4]。（2）关于弱混合角sin2的NuTeV反常问题[*5]可与铁核的介质效应相联系[*6]。（3）在中微子振荡实验测量中，需要了解中微子-氧核反应的核效应[*7]。虽然这些实验能量不很高，但仍含有一定数量的DIS事件[*8]。由实验数据确定核内的部分子分布函数见文献[*11-14]。 *4. A. D. Martin,W. J. Stirling, R. S. Thorne, and G. Watt, arXiv: 0901.0002 (Eur. Phys. J. in press). *5. G. P. Zeller et al. (NuTeV Collaboration), Phys. Rev. Lett. 88, 091802 (2002); 90, 239902 (2003). 6. S. Kumano, Phys. Rev. D 66, 111301 (2002);M. Hirai, S. Kumano, and T.-H. Nagai, Phys. Rev. D 71,113007 (2005); I. C. Cloet, W. Bentz, and A.W. Thomas, Phys. Rev. Lett. 102, 252301 (2009). 7. O. Benhar, N. Farina, H. Nakamura, M. Sakuda, and R. Seki, Nucl. Phys. B 155, 254 (2006). 8. W. Melnitchouk, R. Ent, and C. Keppel, Phys. Rept. 406, 127 (2005). 11. D. de Florian and R. Sassot, Phys. Rev. D 69, 074028 (2004). 12. M. Hirai, S. Kumano, and T.-H. Nagai, Phys. Rev. C 76, 065207 (2007). *13. I. Schienbein et al., Phys. Rev. D 77, 054013 (2008). 14. K. J. Eskola, H. Paukkunen, and C. A. Salgado, JHEP 0904, 065 (2009).

  41. GeV 能区中微子-核散射研究新进展 最近召开的国际会议上对GeV 能区中微子-核相互作用研究新进展有许多介绍[Sixth International Workshop on Neutrino-Nucleus Interactions in the Few-GeV Region, May 18th - 22nd, 2009, Sitges, Barcelona (Spain) ]。进一步明确提出，新一轮中微子振荡实验将在1GeV能区进行。其中主要相互作用过程是（1）荷电流中微子准弹性散射（2）荷电流中微子π产生。这些过程对中微子振荡实验影响最大。因而尽量准确测定这两种过程的中微子-核散射截面十分重要[1,2,3]。 [1] A. A. Aguilar-Arevalo et al.,Phys.Rev.Lett.102,101802(2009). [2] P. Adamson et al.,Phys.Rev.Lett.102,211801(2009). [3] A. A. Aguilar-Arevalo et al.,Phys.Rev.Lett.103,081801(2009). (完)

  42. 大气中微子振荡测量结果实例Data from the SuperKamiokande detector showing evidence for neutrino oscillations in atmospheric neutrinos.

  43. 中微子-核准弹性散射实验数据汇编 A compilation of º¹ Charged Current Quasi-Elastic cross-section measurements.Plot taken from [1] G. Zeller, Contributed to the 2nd International Workshop on Neutrino-Nucleus Interactions in the Few GeV Region (NuInt02), Irvine, CA, December 2002, arXiv:hep-ex/0312061v1

  44. Neutrino flavour transformation in supernovaeH Duanand J P KnellerJ. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 36 (2009) 113201 (43pp)

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