核子结构与轻子-强子深度非弹性散射过程中超子的极化

摘要

量子场论的非微扰求解困难使人们对强子结构及高能强子化机制的认识受到极大的局限，尤其是其中与自旋相关的部分了解甚少；随着近几年实验的发展，一系列求和规则的破坏以及意外自旋效应的出现，使核子结构以及碎裂过程自旋效应的研究成为人们普遍关注的课题。轻子-强子的半单举深度非弹散射过程的超子极化实验是研究以上问题的一个理想场所。因为当能量足够高，四动量转移很大时，因子化定理适用于该高能反应，此时该过程的截面可以分离成两部分：一部分是部分子反应截面，属于硬过程，可以通过电弱相互作用的标准模型严格求解；另一部分是核子内部的部分子分布函数以及部分子的强子化过程截面，属于软过程，不能用微扰理论严格计算，也是我们关注的问题。对于末态超子的极化，实验上可以很方便的利用其弱衰变产物的角分布进行测量，因此对高能反应末态超子极化的研究(文献[23-30，32-40，42-52])成为研究核子结构及强相互作用的重要途径。
　　 近几年来对“轻子-强子的半单举深度非弹散射过程中超子及反超子的纵向极化”的研究，理论与实验上相互推动，为强子结构与强子化机制的研究提供了重要信息。位于CERN的NOMAD实验组和DESY的HERMES实验组关于Λ极化的测量结果[26，27]不仅为极化的碎裂提供了一定的限制，而且还揭示出该能量区域内，靶剩余部分碎裂的巨大贡献。最近，CERN的COMPASS合作组[29]分别对该过程流碎裂区Λ和A的极化进行了测量，发现二者之间存在较大差异，与以往理论计算结果很不一致，似乎显示着核子中海夸克与其反夸克之间有较大差别，也引起了人们的关注。由于决定超子极化度的因素涉及到核子结构及强子化机制等，所以末态产生的超子与反超子的极化差异，即可以被认为是奇异海夸克分布不对称[73-80]的信号，也可以认为是夸克与反夸克碎裂过程的极化转移不对称的信号。另外，价夸克的存在以及其它因素也可能导致超子与其反超子极化度的不对称。因此对该过程末态极化的细致研究，将为我们研究极化的碎裂函数以及核子海的结构提供有利信息。
　　 本文的工作[41]就是在以上工作的基础上展开，对该过程中超子与反超子的极化进行了系统研究，在因子化定理的框架下，给出超子极化的计算公式，清楚的显示出决定超子极化的三部分：碎裂夸克的极化度、不同味道的夸克对末态产生的贡献以及夸克碎裂过程的极化转移。然后系统分析了不同情况下决定末态超子极化特别是引起超子与反超子极化差别的关键因素。借助于对非极化过程描述较好的蒙特卡罗事例产生器对夸克碎裂过程极化转移进行了模型计算，并对极化碎裂函数的对称性等性质进行了细致的讨论。
　　 对极化的碎裂函数，实验上可以在e+e-湮灭[23]、极化的轻子深度非弹散射[25-27]以及极化的pp反应大pT事例中进行研究，目前在这些过程中都有一些测量，但是实验数据还不十分丰实，精度也有待提高，还不能较好的利用这些数据来对极化的碎裂函数进行参数化，因此模型计算是目前十分方便的手段。我们详细的分析了极化碎裂函数的各种来源，利用模型将它们与非极化情形下的物理量联系起来，借助于蒙特卡罗事例产生器给出了极化碎裂函数的数值计算结果，可以作为不同情况下超子及其反超子极化度计算的基础。在以上工作的基础上，我们对轻子-强子半单举深度非弹散射过程中八重态JP=(1/2)+超子及其反超子的极化进行了计算，并对影响极化的各个因素产生的效应做了系统分析，将计算结果与已有的COMPASS实验数据[28，29]进行对照，并对将要进行的eRHIC实验[31]进行了预言，主要工作及结论总结如下：
　　 1、对轻子极化、质子非极化的半单举深度非弹散射过程末态超子与反超子的极化进行了计算，指出对该过程超子与其反超子极化度差异的研究，是获得核子中海夸克与反海夸克不对称信息的有效途径。
　　 对于轻子极化、质子非极化的半单举深度非弹散射过程，参加硬散射的碎裂夸克的极化只来源于轻子的极化，它的极化度可以由QED理论严格计算得到；单光子近似下，得到的结果与夸克味道无关，而且对夸克与其反夸克也是相等的，结合我们对极化碎裂函数的计算结果，可以很容易的计算末态超子及其反超子的极化度。由于碎裂过程的极化转移与夸克味道有较强的依赖，末态超子的极化与不同味道夸克贡献所占的比例有较强依赖，从而也就使超子与反超子极化的测量成为研究夸克与反夸克分布的手段之一。
　　 首先，我们使用了奇异海夸克对称的部分子分布函数，对COMPASS实验能量下超子及其反超子的极化进行了计算，发现该能量下碎裂产生超子与反超子的夸克携带的质子的动量分数x比较大，在质子中该x区域内存在大量价夸克，这是造成COMPASS实验能量下超子与其反超子极化度不相等的一个重要原因；但是由价夸克的影响而造成的Λ与A极化度的差异还远小于实验上的测量结果[29]。我们将该计算推广到更高的eRHIC实验能量[31]下，发现在较高的能量下，价夸克对超子与反超子产生的贡献消失，该能量下计算得到的超子与其反超子的极化度是相同的。
　　 另外，在计算过程中我们分别使用不同的非极化的部分子分布函数以及极化的碎裂函数，我们发现使用不同的极化的碎裂函数会引起超子及反超子极化度的较大改变，因此对该过程超子极化的研究可以为我们提供极化的碎裂函数的信息；同时，研究表明，虽然不同的部分子分布函数以及不同的极化碎裂函数都会引起超子及反超子极化度的改变，但是对二者的极化差值并没有产生影响。为我们后面研究奇异不对称对超子及其反超子极化差异的影响奠定基础。
　　 由于PΛ与P(-Λ)主要受奇异海夸克的影响，在上面工作的基础上我们计算了在奇异不对称的部分子分布函数下超子与其反超子的极化。我们在保证奇异组分之和不变的前提下，引入了奇异夸克与其反夸克分布的不对称；计算发现，在引入奇异不对称后，Λ和A的极化差值有所改变，尤其是奇异不对称的极限值结果，能较好拟合实验结果[29]，为我们在该条件下研究奇异海夸克的不对称提供了有利条件。在此基础上，我们将该工作推广到将要进行的eRHIC实验能量下，计算发现，在eRHIC能量[31]下引入奇异不对称以后，对奇异夸克敏感的超子及其反超子的极化将会存在较大差异。因此，如果在该实验条件下能测得超子与反超子的极化度上的较大差异，将会是核子中海夸克不对称分布的信号。分析结果同时指出，由于半单举深度非弹散射过程末态超子与反超子的极化受多方面因素的共同影响，对该过程的研究不可能提取有关核子结构的精确信息，但是随着实验精度及能量的不断提高，将有助于我们更加深入的研究核子中海夸克，尤其是奇异海夸克不对称的相关信息。
　　 2、对质子极化、轻子非极化的半单举深度非弹散射过程末态超子与反超子的极化进行了计算，指出对该过程超子与反超子极化的测量，可以为我们研究核子自旋结构，尤其是海的极化提供信息。
　　 对于质子极化、轻子非极化的半单举深度非弹散射过程，螺旋度守恒使碎裂夸克的极化度与该夸克在核子中的极化相等，所以对该条件下超子与反超子极化的研究会为我们提供核子自旋结构的相关信息。在该工作中，我们使用了几组不同的极化的部分子分布函数，它们在海夸克的极化分布上存在较大差异，碎裂过程中依然采用两种不同的极化转移图像，计算结果表明，超子与反超子的极化受极化的部分子分布函数的影响要远大于碎裂过程极化转移图像的影响，即该过程超子和反超子的极化对极化的部分子分布函数比较敏感。我们发现Λ、([1])0/-及其反超子对质子中奇异海夸克的极化分布非常敏感，而反超子(-∑)-及(-∑)+对轻味海夸克的极化分布非常敏感，所以通过对该过程末态超子及反超子极化的进一步测量，将为我们提供更多核子自旋结构的信息。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1核子结构与高能反应过程的自旋效应

1.2高能反应末态超子的极化

1.3本文主要内容和安排

第二章极化的碎裂函数与高能反应过程中超子的极化

2.1 强子自旋结构图像与碎裂过程中的极化转移

2.1.1 SU(6)图像下不同味道夸克对强子自旋的贡献

2.1.2 DIS图像下不同味道夸克对强子自旋的贡献

2.2因子化定理与高能反应过程中超子的极化

2.2.1 因子化定理与极化碎裂函数的测量

2.2.2 不同高能反应中超子极化的测量情况

2.3极化的碎裂函数△DHf(z)的模型计算

2.3.1 ADHf(z)的模型介绍

2.3.2 极化碎裂函数的性质

2.3.3计算结果

2.4本章小结

第三章轻子-强子深度非弹散射中超子与反超子的极化与核子结构

3.1 高能e-+N→e-+H(H-)+X过程中PH(H-)的计算公式

3.2轻子极化的深度非弹散射中PH(H-)与核子结构

3.2.1 影响PH(H-)的因素

3.2.2 引起PH与PH-极化差异的因素

3.3质子极化的深度非弹散射中PH(H-)与核子结构

3.4有关靶碎裂的影响

3.5本章小结

第四章轻子极化的深度非弹散射中超子与反超子的极化

4.1 利用产生器实现对超子与反超子极化的计算

4.2奇异海夸克对称分布下超子与反超子的极化

4.2.1 奇异海夸克对称分布下超子与反超子的极化结果

4.2.2 影响超子极化的因素对超子与其反超子极化差异的影响

4.3奇异海夸克不对称分布下超子与反超子的极化

4.3.1 海夸克的不对称分布

4.3.2 奇异不对称下超子与反超子的极化

4.4PH(H-)对x、y的依赖

4.5本章小结

第五章质子极化的深度非弹散射中超子与反超子的极化

5.1核子自旋结构研究概况

5.1.1 自旋依赖的部分子分布函数及参数化

5.1.2 味道分离与海夸克的分布

5.2核子自旋结构与超子的极化

5.3核子自旋结构与反超子的极化

5.4本章小结

第六章总结与展望

附录Monte-Carlo产生器与LUND弦碎裂模型简介

参考文献

致谢

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