（理论物理专业论文）在有qcd特征的模型中质子质子和反质子质子相互作用.pdf

在有q c d 特征的模型中质子一质子和反质子一质子 相互作用 摘要 强子一强子相互作用的研究是强相互作用物理的重要问题之一，长期 以来人们试图用不同模型研究这个问题。研究强子一强子散射有利于了 解强子的夸克胶子结构，探寻新的物理和新的粒子等。本文首先简要地介 绍了强相互作用的基本理论q c d 和有q c d 特征的模型。接着定义一个碰 撞参数表象中的散射振幅，这个散射振幅可以决定截面、其它可测量的 物理性质。最后基于核子的夸克胶子组成和核子相互作用的o d d e r o n 交 换的可能性，我们研究了高能质子一质子和反质子一质子弹性散射，成 功地预言了实验结果。同时讨论了夸克一夸克、胶子一胶子、夸克一胶子 及o d d e r o n 交换对总截面巩疵，散射振幅的虚实比p 及斜率参数卢的贡献。 结果表明：除了夸克一夸克的重要贡献外，胶子一胶子和o d d e r o n 交换的贡 献也是很重要的。因此，在以后研究高能强子强子相互作用时，应当很 好地考虑到它们的贡献。同时，因为o d d e r o n 交换对符合实验数据起了 重要的作用，因此我们认为：高能印和印弹性散射或许是寻找三个雷 奇化胶子组成的束缚态，o d d e r o n ，和验h j ! q c d 正确性的一个很好的工 具。 关键字：p p 和却弹性散射，有q c d 特征的模型，o d d e r o n 分类号：2 5 4 0 c m ，2 4 8 5 + p ，1 2 4 0 g g p r o t o n - p r o t o na n da n t i p r o t o n p r o t o n i n t e r a c t i o ni nq c d i n s p i r e dm o d e l a b s t r a c t h a d r o n - h a d r o ni n t e r a c t i o ni so n eo fi m d o r t a n ti s s u e so fs t r o n gi n t e r - a c t i o n sp h y s i c s ，v 盯i o n sm o d e l sh a v eb e e np r o p o s e dt od e s c r i b et h ei s s u e f o ral o n gt i m e am i c r o s c o p i cu n d e r s t a n d i n go fh a d r o n - h a d r o ns c a t t e r i n g r e m a i n sa ne l u s i v eg o a lo fq u a r kg l u o ns t r u c t u r eo fh a d r o n a n do f f e r sa n o p p o r t u n i t yt os e a r c hf o rn e wp h y s i c sa n dn e wp a r t i c l e s w bb e g i nw i t ha b r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h es t r o n gi n t e r a c t i o n - q c da n dq c d i n s p i r e dm o d e l a n dt h e nd e f i n e st h es c a t t e r i n ga m p l i t u d e si nt h ef r a m e w o r ko fi m p a c tp a - r a m e t e rr e p r e s e n t a t i o no fs c a t t e r i n ga m p l i t u d ew h i c hd e t e r m i n et h ec r o s s s e c t i o n ，a n da 1 1o t h e rm e a s u r e dp h y s i c a lq u a n t i t i e s a tl a s t b a s e do n t h eq u a r k - g l u o nc o n t e n t so fn u c l e o na n dt h ep o s s i b l ee x c h a n g eo fo d d e r o n i nn u c l e o ni n t e r a c t i o n ，t h ep pa n dp pe l a s t i cs c a t t e r i n ga th i g he n e r g i e s a r es t u d i e di nt h eq c di n s p i r e dm o d e l o u rt h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n sr e - p r o d u c ee x p e r i m e n t a ld a t ap e r f e c t l y t h ec o n t r i b u t i o n sf r o mi n d i v i d u a l t e r m so fq u a r g q u 盯k ，g l u o n - g l u o ni n t e r a c t i o n s ，q u a r k - g l u o ni n t e r f e r e n c e a n dt h eo d d e r o nt e r m st ot o t a lc r o s ss e c t i o no t o t t h er a t i oo ft h er e a lt o t h ei m a g i n a r yp a r to ff o r w a r ds c a t t e r i n ga m p l i t u d ep ，a n dt h en u c l e a rs l o p e p a r a m e t e r 臼a r ea n a l y z e d 0 u rr e s u l t ss h o wt h a ti na d d i t i o nt ot h el e a d i n g q u a r k - q u a r kc o n t r i b u t i o n ，t h eg l u o n - g l u o ni n t e r a c t i o na n do d d e r o nt e r m m a k ea ni m p o r t a n tc o n t r i b u t i o nt ot h ep pa n d 励e l a s t i cs c a t t e r i n g t h e r e - f o r e ，t h et w ot e r m sm u s tb ec o n s i d e r e di na n yt h e o r e t i c a lu n d e r s t a n d i n go f h a d r o n - h a d r o ni n t e r a c t i n gp r o c e s s e sa th i g he n e r g yr e g i o n s i n c et h er e - s u i t sa l s os h o wt h a tt h e0 d d e r o np l a y sa l le s s e n t i a lr o l ei nf i t t i n gt od a t a w ec l a i mt h a tt h eh i g he n e r g y 卯a n dp pe l a s t i cs c a t t e r i n gc a nb eag o o d t o o lt os e a r c hf o rt h ee x i s t e n c eo ft h eo d d e r o n t h et h r e er e g g e i z e dg l u o n c o l c i r l e s sb o u n ds t a t e ，a n dc a nb eu s e dt ot e s tt h eq c d k e yw o r d s ：p pa n dp pe l a s t i cs c a t t e r i n g ，q c di n s p i r e dm o d e l ，o d d e r o n p a c sn u m b e r ( s ) ：2 5 4 0 c m ，2 4 8 5 + p ，1 2 4 0 g g 广西大学硕士学位论文 在有q c d 特征的模型中质子一质子和反质子质子相互作用 1i n t r o d u c t i o n am i c r o s c o p i cu n d e r s t a n d i n go fh a d r o n - h a d r o ns c a t t e r i n gr e m a i n sa n e l u s i v eg o a lo fh a d r o n i cp h y s i c s ，a n dq u a r kg l u o ns t r u c t u r eo fh e d r o n t h i s i su n f o r t u n a t eb e c a u s et h ei n t e r a c t i o no fh a d r o n si so fp a r a m o u n ti m p o v t a n c ef r o mav a r i e t yo fp e r s p e c t i v e s a tt h eh a d r o n i cl e v e l ，i tp r o v i d e s v i t a li n s i g h ti n t ot h ed y n a m i c so fq u a r k sa n dg l u o n s ，a n do f f e r sa no p - p o r t u n i t yt os e a r c hf o rn e wp h y s i c sa n dn e wp a r t i c l e ss u c ha sq u e s tf o r h p a r t i c l e ，h i g g s ，t h et e n s o rg l u e b a l la n do d d e r o n i ti sa l s or e l e v a n tt o t h es t u d yo ft h eq u a r k - g l u o np l a s m a ，s i n c eh a d r o n i ci n t e r a c t i o n sc a nm a s k p u t a t i v es i g n a l sf o rt h eq u a n t u mc h r o m o d y n a m i c s ( q c d ) p h a s et r a n s i - t i o n a p p l i c a t i o ne x t e n d sb e y o n dh a d r o n i cp h y s i c s ：f o re x a m p l e ，s e a r c h f o rc p - v i o l a t i n gp h a s e si nt h ef i n a ls t a t e so fdi nbm e s o n d e c a yw i l lr e - q u i r ec o r r e c t l ya c c o u n t i n gf o rs t r o n gi n t e r a c t i o n sf i n a ls t a t e sp h a s e s 上i o f c o u r s e ，h a d r o n - h a d r o ni n t e r a c t i o n sa r ed i r e c t l yr e l e v a n tt oal o n g s t a n d i n g g o a lo fn u c l e a rp h y s i c s ，d e r i v i n gt h en u c l e a rf o r c ef r o mq c d t h i si s s u ei s n o tj u s to fi n t e l l e c t u a lc o n c e r ns i n c ei ti si m p o r t a n tt ob ea b l et oe x t e n d o u ru n d e r s t a n d i n go fi n t e r n u c l e o nf o r c e st oe x t r e m ec o n d i t i o n so ft e m p e r a - t u r ea n dp r e s s u r es ot h a tav a r i e t yo fa s t r o p h 3 r s i c a la n dc o s m o l o g i c a li s s u e s m a yb er e l i a b l ye x a m i n e d h i g he n e r g yp pa n dp pe l a s t i cs c a t t e r i n gh a v eb e e nm e a s u r e da tc e r n i n t e r s e c t i n gs t o r a g er i n g s ( i s r ) z ja n ds u p e rp r o t o ns y n c h r o t r o n ( s p s ) c o l l i d e r 3 ，4 1 ，a n da tf e r m i l a bf i x e dt a r g e te x p e r i m e n t 8 5 1a n dt e v a t r o n e x p e r i m e n t s l 6 ，7 1 t h e s ee x p e r i m e n t a ls t u d i e sc o v e r i n gt h ec e n t e ro fm 鹪s ( c m ) e n e r g yr a n g e2 3 6 2 g e va ti s rt o2 t e va tt e v a t r o nw i l ls o o n r e a c han e wm i l e s t o n ew h e nt h el a r g eh a d r o nc o l l i d e r ( l h c ) a tc e r n c o m e si n t oo p e r a t i o ni nt h i sy e a r al h c p pe l a s t i ct o t a lc r o s ss e c t i o ni s p l a n n e dt ob em e a s u r e da tt h eu n p r e c e d e n t e dc m e n e r g yo f1 4 t e vb yt h e 1 西大学硕士学位论文在有q c d 特征的模型中质子质子和反质子质子相互作用 e x p e r i m e n t a lg r o u pt o t e m 8 1 o n ec a ng e tr i c hi n f o r m a t i o no n 即a n d p pi n t e r a c t i o na n dt h e ns t u d yt h ed y n a m i c so fh a d r o n - h a d r o ni n t e r a c t i o n b yu s i n gt h e s ei n f o r m a t i o n t h ef o r w a r dh a d r o n i ea m p l i t u d eo fp pa n dp pe l a s t i cs c a t t e r i n gi s 静 f l e c t e di nt h r e ee x p e r i m e n t a l l yd e t e r m i n e dp a r a m e t e r s ：t h et o t a lc r o s ss e a - t i o n 吼耐，t h er a t i oo ft h er e a lt ot h ei m a g i n a r yp a r to ff o r w a r ds c a t t e r i n g a m p l i t u d ep ，a n dt h en u c l e a rs l o p ep a r a m e t e rp t h e s et h r e ee x p e r i m e n - t a ld a t an e e dt ob eu n d e r s t o o dt h e o r e t i c a l l yf r o mq c d ，i nt h eo n eh a n d ， s i n c eh a d r o n - h a d r o np r o c e s si sg o v e r n e db yq c d - t h ef u n d a m e n t a lt h e o r y o fs t r o n gi n t e r a c t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h e ys h o u l db ep r e d i c t e dw h e n t h e r ea r en od a t ae x i s t e d g i v e ni m p o r t a n c eo ft h i sf i e l da n dm e a s u r e m e n t so ft h ep r e c e s s e s ，i t i sn o ts u r p r i s i n gt h a tan u m b e ro fm o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e dt oa d d r e s st h ed y n a m i c so fh a d r o n - h a d r o ni n t e r a c t i o n sa th i g he n e r g i e s a m o n g t h e m t h er e g g et h e o r y 9 i so n eo ft h em o s ts u c c e s s f u ld e s c r i p t i o n so ft h e h i g he n e r g yh a d r o n i cd y n a m i c s ，w h i c hi n v e s t i g a t e sh a d r o n i ci n t e r a c t i o n b ys t u d y i n gg e n e r a lp r o p e r t i e so fs m a t r i xf o rt w oh a d r o nc o l l i d i n gp r o - c e s sa + b _ c + d t h er e g g et h e o r yr e l a t e st h es p i nja n dm a s sm o f p a r t i c l e sw i t ht h es a m ei n t e r n a lq u a n t u mn u m b e r s ( s t r a n g e n e s s ，i s o s p i n ， b a r y o nn u m b e r ，e t c ) 1 0 】b ya n ( t = 巧) = jw i t ha r ( ) = n 丑( o ) + o 二 b e i n gr e g g et r a j e c t o r y r e g g e o ne x c h a n g em o d e ls u c c e s s f u l l yr e p r o d u c e s l o we n e r g ye l a s t i cs c a t t e r i n gd a t ab u ti tf a i l st od e s c r i b ee x p e r i m e n t a ld a t a w h e nt h ee n e r g yb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e rw h e r en e we x p e r i m e n t a ld a t a e x i s t e d t h i sf a i l u r eg a v eab i r t ho fp o m e r o n t h e o r y w ek n o wt h ei n t e r c e p to fr e g g et r a j e c t o r yi sl e s st h a n1f o ra l le x i s t i n g p a r t i c l ei nn a t u r e i nt h er e g g et h e o r y , t o t a lc r o s ss e c t i o ni sp r o p o r t i o n a l t oe n e r g y8i n v e r s e l y 吼北( s ) 8 s ot h a ti ts h o u l dv a n i s ha s8i n c r e a s e s 2 广西大学硕士学位论文 在有q c d 特征的模型中质子一质子和反质子- 质子相互作用 h o w e v e r ，i th a sb e e no b s e r v e de x p e r i m e n t a l l yt h a tt h et o t a lc r o s ss e c t i o n d o e sn o tv a n i s ha s y m p t o t i c a l l y i nf a c t t h e yr i s es l o w l ya ssi n c r e a s i n g i n o r d e rt os o l v et h i sd i f f i c u l t yr u s s i a np h y s i c i s t ，i p o m e r a n c h u k ，a s s u m e d t h a tt h e r ei san e wp a r t i c l ew h o s ei n t e r c e p tm u s tb eg r e a t e rt h a n1 ，a n d c a r r i e st h eq u a n t u mn u m b e ro fv a c u u m t h en e wo b j e c tl a t e ri sn a m e d a sp o m e r o n 1 1 p o m e r o ne x c h a n g em o d e li nt h er e g g et h e o r yf r a m e w o r k r e p r o d u c e sd a t aa th i g h e re n e r g yr e g i o nq u i t ew e l l ，b u ti t f a i l st of i tt h e l o w e re n e r g yd a t aw h i c ha r ed e s c r i b e ds u c c e s s f u l l yb yr e g g et h e o r y t ou n d e r s t a n dt h ep pa n dp pd i f f r a c t i v ed a t aa tw h o l ee n e r g yr e g i o n ， r e f 1 2 p r o p o s e dar e g g e o n - p o m e r o n m o d e lt od e s c r i b ep r o t o na n da n - t i p r o t o ne l a s t i cs c a t t e r i n g t h em o d e lc o m b i n e st h er e g g e o ne x c h a n g e w i t hp o m e r o ne x c h a n g et o g e t h e ra n da s c r i b e st h er i s eo ft h et o t a lc r o s s s e c t i o na th i g h e re n e r g i e sa sd u et op o m e r o np o w e ro f8 0 0 8w i t h8b e i n g e n e r g y t h er e g g e o n - p o m e r o ne x c h a n g em o d e ls u c c e s s f u l l ye x p l a i n st h e s t r i k i n gf e a t u r e so ft h et o t a lc r o s ss e c t i o no ft h ee l a s t i cs c a t t e r i n ga tw h o l e e n e r g yr e g i o n t h em o d e li sa l s ou s e df o rm a n yd i f f r a c t i v ep r o c e s s e sa n d p r o d u c e sas u c c e s s f u lu n d e r s t a n d i n go ft h ed a t ae x i s t e d f o re x a m p l e ，v e c - t o rm e s o n e l e c t r o - p r o d u c t i o no ft h ep r o t o n h o w e v e r ，t h eo r i g i na n dn a t u r e o ft h ep o m e r o nh a sn o tb e e nk n o w ns of a ra n dt h ep o m e r o nc o u p l i n gt o t h ep r o t o nh a sav e c t o rf o r m 矿，s i m i l a rt ot h a to fc = 一1i s o s c a l a rp h o t o n ， w h i c hi si nc o n t r a d i c t i o nt ot h ev a c u u mp r o p e r t yo ft h ep o m e r o n ，c = + 1 a tt h es a m et i m e ，t h ep o m e r o ni sj u s tap h e n o m e n o l o g i c a lo b j e c tt o d e s c r i b et h ed i f f r a c t i v ep r o c e s s e s w em u s te x p l o r ei t sd y n a m i c a lo r i g i n a n dn a t u r ef r o mq c d q c d h a db e e nd i s c o v e r e di nt h ee a r l y1 9 7 0 s ，w h i c hi saf u n d a m e n t a l t h e o r yo fs t r o n gi n t e r a c t i o n1 13 1 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fq c d p e o p l e t r yt ou n d e r s t a n dt h eh i g he n e r g yd i f f r a c t i o np h e n o m e n a o fp pa n dp pe l a s - 3 西大学硬士学位论文在有q c d 特征的模型中质子质子和反质子质子相互作用 t i cs c a t t e r i n gf r o mq c d t h es t u d yo fd i f f r a c t i v ep r o c e s s e so f f e r sa u n i q u e o p p o r t u n i t y t ou n d e r s t a n dt h ef u n d a m e n t a ld e g r e eo ff r e e d o m ，q u a r k s ，g l u - o n sa n dc o l o r b a l l si nh a d r o n - h a d r o ni n t e r a c t i n gp r o c e s s e s ，a n dq u a r kg l u o n c o n t e n t so ft h en u c l e o n v a r i o u sm o d e l sh a v eb e e np r o p o s e dt od e s c r i b ep pa n dp pe l a s t i cs c a t t e r i n g ，( a ) i m p a c tp i c t u r em o d e l 【1 4 b a s e do nt h ec h e n g - w uc a l c u l a t i o n o fq e dt o w e rd i a g r a m s 1 5 ，( b ) e i k o n a l i z e dp o m e r o n - r e g g e o nm o d e l 盼 i n gc o n v e n t i o n mr e g g ea p p r o a c h ，b u tw i t hm u l t i p l ep o m e r o n - r e g g e o ne x - c h a n g e si n c l u d e d 【1 6 ，1 7 ( e ) e f f e c t i v ef i e l dt h e o r ym o d e lt h a td e s c r i b e s t h en u c l e o na 8ac h i r a lb a gw i t ha q u a r k - a n t i q u a r kc l o u dt ob et a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o n 1 8 ，1 9 t h i sw i d ea r r a yo fm o d e l sa t t e m p t i n gt od e s c r i b e p pa n dp pe l a s t i cs c a t t e r i n ga tl h cr e f l e c t st h ev i e wt h a tq u a n t i t a t i v e u n d e r s t a n d i n go ft h e s ep r o c e s sw i l lp r o v i d ef u n d a m e n t a li n s i g h ti n t ot h e n o n p e r t u r b a t i v ea n dt h ep e r t u r b a t i v eq c dd y n a m i c s q c d i saf u n d a m e n t a lt h e o r yo fs t r o n gi n t e r a c t i o n ，t h eh a d r o ni sm a d e u po fq u a r k sa n dg l u o n ss ot h a tt h eh a d r o n - h a d r o ns c a t t e r i n ga th i g he n - e r g i e ss h o u l db ed e s c r i b e db yq u a r kg l u o nm u l t i p l es c a t t e r i n g t h a ti s ，t h e v a l e n c eq u a r k sa n dg l u o n sa sw e l la sq u a r k - g l u o ni n t e r f e r e n c et e r m sm u s t c o n t r i b u t et ot h ec r o s ss e c t i o n a tt h es a m et i m e ，s i n c et h eg l u o n si na h a d r o nc a ni n t e r a c tt h e m s e l v e s8 0t h a tt h e yc a nf o r mac o l o r l e s sb o u n d s t a t e so ft w oi n t e r a c t i n gg l u o n sn a m e dg l u e b a l la n d o rac o l o r l e s sb o u n d s t a t ec o n s i s t i n go ft h r e ei n t e r a c t i n gg l u o n sc a l l e do d d e r o n t h e r e f o r eo n e m u s ti n c l u d et h eg l u e b a l la n do d d e r o nc o n t r i b u t i o n s o u rm a i ng o a lo ft h i sw o r ki st oi n v e s t i g a t eh a d r o n - h a d r o ne l a s t i cs c a t - t e r i n gf r o mt h ep o i n to fv i e wo fq c d a n db a s e do nq u a r kg l u o ns t r u c t u r e o fh a d r o nw i t hg l u e b a l l ，o d d e r o nc o n t r i b u t i o n si n c l u d i n g w ec a l c u l a t e t h ep pa n d 励e l a s t i cs c a t t e r i n gt o t a lc r o s ss e c t i o n ( s ) ，t h er a t i oo ft h e 4 广西大学硬士学位论文 在有q c d 特征的模型中质子- 质子和反质子- 质子相互作用 r e a lt ot h ei m a g i n a r yp a r to ff o r w a r ds c a t t e r i n ga m p l i t u d epa n dt h ea n c l e a rs l o p ep a r a m e t e rp a n dr e v e a lt h ei n d i v i d u a lc o n t r i b u t i o n so fq u a r k s ， g l u o n s ，o d d e r o nw h i c hi sr e l a t e dt ot h es c a t t e r i n ga m p l i t u d ew i t hc r o s s - i n go d dp a r i t yc = - 1 u n d e rc h a r g ec o n j u g a t i o n w ec a l lt h et h e o r e t i c a l m o d e lu s e di nt h ep r e s e n tc a l c u l a t i o n sa sq c di n s p i r e dm o d e l t h ep r i n c i p l e so fa n a l y t i c i t y , u n i t a r i t ya n dc r o s s i n gs y m m e t r ya r et r u l y f u n d a m e n t a lt oo u ru n d e r s t a n d i n go fp a r t i c l ep h y s i c s ar e q u i r e m e n to f a n a l y t i c i t yi st h a tt h ef o r w a r ds c a t t e r i n ga m p l i t u d e sf o rp pa n dp pe l a s - t i cs c a t t e r i n gc o m ef r o mt h es a m ea n a l y t i cf u n c t i o n 。f u r t h e r ，u n i t a r i t y p r o v i d e sar e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et o t a lc r o s ss e c t i o na n dt h ei m a g i n a r y p a r to ft h ef o r w a r ds c a t t e r i n ga m p l i t u d e t h eo p t i c a lt h e o r e m i no r d e rt o e n s u r eu n i t a r i t y , t h ec h o u - y a n gm o d e l 2 0 p o s t u l a t e st h a tt h ee l a s t i cs c a t - t e r i n gi st h es h a d o wo ft h ea b s o r p t i o nr e s u l t i n gf r o mt h ep a s s a g eo fo n e h a d r o n i cm a t t e rd i s t r i b u t i o nt h r o u g ha n o t h e r t h et r a n s v e r s ed i s t r i b u t i o n o ft h em a t t e ri sa s s u m e dt oh a v et h es a m es h a p ea st h ec h a r g ed i s t i l - b u t i o n 。a sm e a s u r e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r mf a c t o r m m b l o c k 【2 1 】 p r o p o s e di n i t i a l l yt h a t e i k o n a lf o r m u l i s mi nt h et w o d i m e n s i o n a lt r a n s v e r s e i m p a c tp a r a m e t e rs p a c e ，i ts h o u l dh a v eaq c d - i n s p i r e d t h ea m p l i t u d e c a np a r a m e t e r i z et h ea n a l y t i c i t y ，u n i t a r i t ya n ds a t i s f i e sc r o s s i n gs y m m e - t r yr e l a t i o n s h i p t h ed a t ab o t hf o rp pa n d 却a r ef i t t e du s i n gt h et o t a l c o m p l e xa n a l y t i ce i k o n a lp r o f i l ef u n c t i o n s ，i e p h a s et r a n s i t i o n ，i nt e r m s o ft h ee v e na n do d df o r w a r ds c a t t e r i n ga m p l i t u d e sf la n df w h i c ha r e e v e na n do d du n d e