1 / 34

STRONG INTERACTIONS Introduction to QCD

STRONG INTERACTIONS Introduction to QCD. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ. Πυρηνικές Δυνάμεις Δυναμικό Yukawa Ανακάλυψη παράδοξων σωματιδίων Ταξινόμηση σε ομάδες- θεωρητική πρόβλεψη quarks Αντιστοιχία με κβαντικούς αριθμούς Βαρυόνια- Μεσόνια Οικογένειες quarks Θεωρητική πρόβλεψη χρώματος

ula
Download Presentation

STRONG INTERACTIONS Introduction to QCD

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. STRONG INTERACTIONSIntroduction to QCD

  2. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ • Πυρηνικές Δυνάμεις • Δυναμικό Yukawa • Ανακάλυψη παράδοξων σωματιδίων • Ταξινόμηση σε ομάδες- θεωρητική πρόβλεψη quarks • Αντιστοιχία με κβαντικούς αριθμούς • Βαρυόνια- Μεσόνια • Οικογένειες quarks • Θεωρητική πρόβλεψη χρώματος • Πειραματική πρόβλεψη partons, colors • Εισαγωγή στην QFT- Θεώρημα Noether • Θεωρία Διαταραχών • Ομάδα συμμετρίας χρώματος • Εγκλωβισμός χρώματος • Δυναμικό QCD • Ασυμπτωτική ελευθερία • Εγκλωβισμός των quarks • Lattice QCD • Νέες δέσμιες καταστάσεις

  3. General properties of nuclear forces • Ανεξάρτητες ηλεκτρικού φορτίου • Συμμετρικές ως προς το isospin • Συμμετρία πρωτονίου-νετρονίου • Αναλλοίωτες κάτω από μετασχηματισμούς Γαλιλαίου, στροφών, χρονική αντιστροφή, χρονική ανάκλαση • Εμβέλεια της τάξης μερικών fm • Κορεσμός δυνάμεων

  4. Yukawa-exchange theory • 1935- Αλληλεπίδραση νουκλεονίων μέσω ανταλλαγής μεσονίων • Εκπομπή-Απορρόφηση • Μεσόνιο ανταλλαγής ΠΙΟΝΙΟ • π+ , π- , π0 • Μάζα 140 MeV Πεπερασμένη εμβέλεια

  5. Proton-neutron interaction

  6. Yukawa Potential Περιοχή απωστικού δυναμικού Απαγορευτική αρχή του Pauli

  7. Αλληλεπίδραση ισχυρού φορτίου Nuclear forces Van der Waals of strong interactions • Ουδέτερα μόρια σε μικρές αποστάσεις ‘’φαίνεται’’ η κατανομή φορτίου των ατόμων • Νουκλεόνια σε αποστάσεις μερικών fm ‘’ουδέτερα’’ • Σε αποστάσεις 1 fm εμφανίζεται η κατανομή του ισχυρού φορτίου

  8. Ανακάλυψη νέων σωματιδίων • Δεκαετία 1950 κοσμική ακτινοβολία • Περίεργες ιδιότητες σωματιδίων • Παραγωγή ανά ζεύγη σε αδρονικές συγκρούσεις Ισχυρή αλληλεπίδραση • Σχετικά μεγάλοι χρόνοι ημιζωής Ασθενής αλληλεπίδραση • Εισαγωγή νέου κβαντικού αριθμού της παραδοξότητας (strange) • Διατήρησή της στις ισχυρές αλληλεπιδράσεις • Ταξινόμηση σωματιδίων το 1961 από Gell-Mann σε ομάδες • Ομαδοποίηση σε πολλαπλότητες isospin, παραδοξότητας • Βαρυονική δεκάδα, βαρυονική-μεσονική οκτάδα • Ελαφρύτερα σωμάτια με

  9. Baryon decupletMeson octet

  10. Baryon decuplet • Στον οριζόντιο άξονα πολλαπλότητες isospin, παραδοξότητας • Σωματίδια που ανήκουν στην ίδια πολλαπλότητα έχουν περίπου ίδιες μάζες • Η διαφορά τους οφείλεται στην διαφορετική αλληλεπίδραση με το ΗΜ πεδίο, αφού έχουν διαφορετικά φορτία • Οριζόντια μεταβολή isospin • Κατακόρυφη μείωση παραδοξότητας • Σταθερή διαφορά μάζας περίπου 150 MeV ανάμεσα στις πολλαπλότητες • Θεωρητική εξήγηση • 1964: Zweig &Murray Gell-Mann • Εισαγωγή 3 στοιχειωδών σωματιδίων • Up, down & strange quarks • Είναι φερμιόνια και έχουν κλασματικά φορτία • Διαφορά μάζας: • Φορτίο:

  11. Experimental evidence of partons • 1969 SLAC electron- nucleon deep inelastic scattering • Rutherford 1909 • 1. Σκέδαση e σε μη αμελητέες γωνίες • Ύπαρξη παρτονίων • Φερμιόνια • Κλασματικό φορτίο • 2. Έλλειμμα ορμής • Ύπαρξη και άλλων σωματιδίων που κουβαλούν το άλλο μισό της συνολικής ορμής της τελικής κατάστασης του νουκλεονίου • GLUONS • Γιατί λεπτόνια?

  12. Flavors • Κάθε quark αντιστοιχεί σε έναν κβαντικό αριθμό • 3 οικογένειες quarks • Κάθε οικογένεια αποτελείται από ένα quark με Q=2/3e και ένα με Q=-1/3e

  13. Properties of Flavors Ασθενείς αλληλεπιδράσεις Cabbibo-Kobayashi-Maskawa matrix beta decay transformation u , d

  14. Baryons & Mesons feel strong interactions Παρατηρήσεις Δέσμιες καταστάσεις μόνο

  15. Baryons constitutedof charm quarks

  16. Leptons-Quarks symmetryFamilies • Ανακάλυψη 1995 top quark • Συμπλήρωση συμμετρίας λεπτονίων-quarks • 3 οικογένειες σωματιδίων • Λεπτόνια δεν αισθάνονται τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις, μόνο τα quarks • Ασθενείς αλληλεπιδράσεις αλλάζουν τις γεύσεις στα quarks και στα λεπτόνια • Ισχυρές αλληλεπιδράσεις ? • Γιατί 3 οικογένειες σωματιδίων?

  17. Δ++ParadoxColor Introduction • Είναι το ελαφρύτερο σωμάτιο με Jp=3/2+ τα quarks βρίσκονται στην βασική κατάσταση • Έχουν ομόρροπα spin • Έχει φορτίο +2e αποτελείται από 3 up • 3 ταυτοτικά σωματίδια στην ίδια κβαντική κατάσταση • WHAT ABOUT PAULI’S EXCLUSION PRINCIPLE? • 1964: Greenberg Υπάρχει νέος βαθμός ελευθερίας • Μπορεί να πάρει 3 διαφορετικές τιμέςi,j,k • Red, Green, Blue

  18. Experimental evidence of color existencePart 1 • Διάσπαση ουδετέρου πιονίου αριθμός χρωμάτων decay rate σταθερά διάσπασης πιονίου • Σύγκριση με πειράματα Nc =3

  19. Experimental evidence of color existencePart 2 • Electron-positron annihilation • Παραγωγή αδρονίων (βαρυονίων & μεσονίων) και λεπτονίων • Παραγωγή quarks από κατώφλι ενέργειας

  20. Quantum Field Theory (QFT)Noether theorem • Στην QFT κάθε νόμος διατήρησης σχετίζεται με μια συμμετρία στην Λαγκραντζιανή • Η αναλλοιώτητα της Lagrangian κάτω από μετασχηματισμούς συμμετρίας και η διατήρηση των αντίστοιχων μεγεθών περιγράφεται από το θεώρημα Noether • Classical Mechanics Lagrangian invariant under rotations • Διατήρηση γωνιακής στροφορμής • Η Lagrangianγενικά αποτελείται από έναν κινηματικό όρο και έναν δυναμικό • Exact solutions impossible Perturbation theory

  21. Coupling constantPerturbative Theories • QED: • QED Perturbative theory • QCD running coupling constant • Περιοχές που μπορούμε να εφαρμόσουμε θεωρία διαταραχών και περιοχές που δεν μπορούμε • Αριθμητικές λύσεις

  22. Quantum Chromodynamics (QCD)Color Group SU(3) • Η θεωρία που περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις του χρώματος • Διαδότες της ισχυρής αλληλεπίδρασης γκλουόνια • Ομάδα συμμετρίας χρώματος SU(3) • Special & Unitary • U: unitary NxN matrix • SU(N) γεννήτορες 8 είδη γκλουονίων • Non Abelian gauge theory • Επιπλέον όροι στη Lagrangian επιπλέον όροι αλληλεπίδρασης

  23. Color PhenomenologyGluons Part 1 • Gluonsάμαζα, ηλεκτρικά ουδέτερα, έχουν ισχυρό φορτίο -χρώμα • Άρα μπορούν να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους- διαφορά από QED • Οι αναλυτικοί υπολογισμοί γίνονται δύσκολοι • 4 gluon vertex • Αλλάζουν το χρώμα των quarks είτε το αντιχρώμα των antiquarks • Antiblue, antigreen, antired • Αποτελούνται από συνδυασμό χρώματος-αντιχρώματος

  24. Color PhenomenologyColor Confinement (εγκλωβισμός) • Όλα τα δέσμια συστήματα (βαρυόνια ή μεσόνια) είναι ουδέτερα ως προς το ισχυρό φορτίο • Είναι νόμος; • Συμμετρία χρώματος κάθε χρώμα έχει την ίδια πιθανότητα να βρίσκεται στο αδρόνιο • Άχρωμα σωμάτια- color singlets • Βαρυόνια 3 γεύσεις άρα red, blue, green • Μεσόνια χρώμα-αντιχρώμα εξουδετέρωση • Ισχυρή αλληλεπίδραση εξαρτάται από το χρώμα;

  25. Vacuum Polarization • QED: θάλασσα από virtual photons, e- e+ • Free electron Cloud of positrons- screening • Electric charge is reduced • Physical electron more charge than naked electron • QCD: sea of quarks-antiquarks & gluons • Free quark Cloud of antiquarks & gluons- antiscreening • Gluons carry color so physical quark more charge than naked • Constant increase of color to infinity • So… • Only color singlets bound states

  26. Color PhenomenologyGluons Part2 • Τρία χρώματα, αντιχρώματα • Συνολικά 3x3=9 δυνατοί συνδυασμοί γκλουονίων • Όμως έχουμε μόνο 8 • 6 γκλουόνια αλλάζουν το χρώμα • 2 δεν το αλλάζουν • Ένας συνδυασμός δεν έχει χρώμα, άρα δεν μπορεί να διαδίδεται

  27. QCD Potential • Δυναμικό QCD • asσταθερά σύζευξης k=1GeV/fm • Σε μεγάλες ενέργειες- μικρές αποστάσεις επικρατεί ο 1ος όρος • Σε μικρές ενέργειες- μεγάλες αποστάσεις επικρατεί ο γραμμικός όρος • ΤΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΑΥΞΑΝΕΤΑΙ ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΜΕ ΤΗΝ ΑΠΟΣΤΑΣΗ • Asymptotic Freedom • Confinement

  28. Asymptotic freedom • Λογαριθμική μείωση σταθεράς σύζευξης • Στις μικρές αποστάσεις τα quarks συμπεριφέρονται ως ελεύθερα σωματίδια • Μη Αβελιανή φύση της Lagrangian • Σε αυτές τις αποστάσεις μπορούμε να εφαρμόσουμε θεωρία διαταραχών

  29. Confinement Part 1 • Σε μεγάλες αποστάσειςαυξάνει το δυναμικό και η σταθερά σύζευξης • Non perturbative region • Τα quarks είναι δέσμια • Όσο μεγαλύτερη είναι η απομάκρυνση τόσο δυσκολότερο είναι να αποχωριστεί το quark από το σωμάτιο

  30. Confinement Part 2String Model

  31. Lattice QCD • Αριθμητική μέθοδος • Διακριτός χώρος • Δικτυωτό πλέγμα στον 4διάστατο χωρόχρονο • Τα quarks βρίσκονται στις κορυφές του πλέγματος • Τα γκλουόνια αποτελούν τις πλευρές του πλέγματος • Μη διαταρακτική θεωρία • Μείωση της πλεγματικής σταθεράς μεγαλύτερη ακρίβεια • Μεγάλη υπολογιστική ισχύς • Μέχρι στιγμής υπολογισμοί στην διαταρακτική περιοχή

  32. Exotic bound states

  33. Ανασκόπηση • Πυρηνικές Van der Waals ισχυρών • 6 γεύσεις, 3 χρώματα & 8 γκλουόνια • Δομή βαρυονίων-μεσονίων • Διαφορά ασθενών-ισχυρών • Μακροσκοπικά άχρωμες καταστάσεις • Ανταλλαγή χρώματος • Ασυμπτωτική ελευθερία • Εγκλωβισμός

  34. Βιβλιογραφία • Donald H. Perkins, Εισαγωγή στη ΦΥΕ • Harald Fritzsch, Quarks • T. Muta, Foundations of quantum chromodynamics • Povh, Rith, Scholz, Zetche, “PARTICLES AND NUKLEI, an introduction to the Physical Concepts”, • Ulrich Mosel, “FIELDS, SYMMETRIES AND QUARKS”, McGraw-Hill Book company GmbH • Michael E. Peskin, Daniel V. Schroeder, “An introduction to Quantum Field Theory • Γ. Λαλαζήσης, Θέματα Πυρηνικής Θεωρίας • N.J. Evans, “An introduction to QED and QCD”, University of Southampton • Και φυσικά πολύ internet

More Related