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j u j 北卿他人学坝l :学位论文 中文摘要 通过高能轻子一核予( 原子核) 深度非弹性散射可以使我们了 解核内夸克一胶子相互作辟j 和它们在核内动量分布的信息,进而 可以更好地理解和解释未来大型对撞机上获得的实验数据。e m c 效应的发现反映了束缚核子结构函数与自由核子结构函数的差 异,说明束缚核予内部的夸克一胶子分布明显不同。在e m c 效 应发现后,大量的实验揭示出核子的部分子分布函数有不可忽视 的核效应。人们提出了许多模型从不同的观点出发,研究和探 寻核子结构函数核效应的物理本质。1 9 9 6 年薛大力、厉光烈等入 提出了一个解释核子结构函数的核效应的模型,即核内核子部分 子的逸出及共用模型。该模型在考虑了部分子逸出与共用的因素 后,用有效核子质量一个参数就可以计算出束缚核子的结构函 数。该模型对实验数据的解释令人满意。 为了研究自由核子和束缚核子的结构函数的差异,通常引入 结构函数比r a o ( x ,q 2 ) = 口( x ,q 2 ) g ( x ,q 2 ) ,其中的秽( x ,q 2 ) 表示 氘核的平均结构函数。由于氘核的结合能很小,因此近似认为氘 核与自由核子的结构函数相同。实际上氘核的核效应也是不容忽 视的,已有实验结果证实氘核的结构函数与自由核子的明显不 同。因此有必要单独对氘核的结构函数进行研究。深入地理解氚 核的结构函数的核效应,可以使我们更好地理解束缚核子结构函 数的核效应,从而得到较为准确地束缚核子的部分子分布。本文 利用核内核子部分子的逸 h 及共用模型计算了氘核的结构函数。 所得结果与n m c 的实验数就! :符合甚好。 关键词:核效应部分予分白结构函数 河北帅池人学硕i 学位论文 a b s t r a c t t h ei n t e r a c t i o na n dm o m e n t u md i s t r i b u t i o no fq u a r k - - g l u o ni nt h en u c l e o n a r el e a r n e dt h r o u g ht h eh i g he n e r g yl e p t o n n u c l e o n ( n u c l e i ) d e 印i n e l a s t i cs c a t t e r i n g p r o c e s s s ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc a nb eb e t t e re x p l a i n e df r o mt h ef u t u r ec o l l i d e r s me m ce f f e c tr e f l e c t st h a tt h eb o u n dn u c l e o ns t r u c t u r ef u n c t i o ni sd i f f e r e n tf r o m t h a ti nf r e en u c l e o n ,i et h en u c l e a rp a r t o nd i s t r i b u t i o n sa r ed i f f e r e n tf r o mt h o s ei n p r o t o n a f t e rt h ed i s c o v e r yo ft h ee m ce f f e c t ,m a n ym o d e l sa r eu s e dt os t u d yt h e n u c l e a re f f e c t sf o rt h es t r u c t u r ef u n c t i o n s i n19 9 6 ,x u ed a l ia n dl ig u a n g l i ee ta 1 p r o p o s e dt h el e a k a g ea n do v e r l a po ft h ep a r t o n si n s i d en u c l e o nm o d e lt oe x p l a i nt h e n u c l e a re f f e c t so f t h es t r u c t u r ef u n c t i o n i nt h i sm o d e l ,t h en u c l e o ne f f e c t i v em a s sc a l l b es u c c e s s f u l l yu s e da st h eo n l yf r e ep a r a m e t e rt oc a l c u l a t et h ep a t t o nd i s t r i b u t i o n f u n c t i o n so fb o u n dn u c l e o n t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sf r o mt h em o d e la r ew e l li n a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a i no r d e rt os t u d yt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es t r u c t u r ef u n c t i o n so ff r e en u c l e o n a n db o u n d n u c l e o n ,t h e n u c l e a r s t r u c t u r e f u n c t i o nr a t i o s r a w ( x ,扩) = 掣( q 2 ) 芹( x , q 2 ) i s o f t e n u s e d ,w h e r e 掣( x ,q 2 ) r e p r e s e n t t h ed e u t e r o ns t r u c t u r ef u n c t i o n b e c a u s et h eb i n de n e r g yo fd e u t e r o ni sv e r ys m a l l , t h ed e u t e r o ns t r u c t u r ef u n c t i o ni so f t e na s s u m e dt h es a m ea st h a ti nt h ef r e en u c l e o n , i nf a c t , t h en u c l e a re f f e c ti nt h ed e u t e r o ns t r u c t u r ef u n c t i o ni sn o tn e g l i g i b l e t h e r e f o r e ,i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ed e u t e r o ns t r u c t u r ef u n c t i o n b yu s i n gt h el e a k a g ea n do v e r l a po ft h ep a r t o n si n s i d en u c l e o nm o d e l ,t h e d e u t e r o ns t r u c t u r ef u n c t i o n sa r ec a l c u l a t e d t h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa r cc o n f i s t e n tw i t h n m c e x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s :n u c l e a re f f e c t ,p a r o nd i s t r i b u t i o n ;s t r u c t u r ef u n c t i o n 河北帅弛大学顾t 学位论文 第一章引言 通过高能轻子一核子( 原子核) 深度非弹性散射可以使我们了 解核内夸克一胶子相互作用和它们在核内动量分布的信息,进而 可以更好地理解和解释未来大型对撞机如:r e l a t i v i s t i ch e a v yi o n c o l l i d e r ( r h i c ) ,l a r g eh a r d r o nc o l l i d e r ( l h c ) 和 e l e c t r o ni o n c o l l i d e r ( e i c ) 上获褥的实验数据。 由于核子一核子相互作用与核子内的夸克一胶子相互作用 是不同尺度的作用,所以,一个直观的想法便是“总体来说,核 子夸克胶子动量分布函数与核环境没有关系”。但出乎意料的是, 欧洲j 子合作组( e m c ) 实验发现,束缚在原子核内的核子的结 构函数与自由核子的结构函数明显不同,即使扣除了实验测量的 统计误差和系统误差后,差别仍不能由遮蔽效应和核内核子的费 米运动来解释,这就是e m c 效应【l 】。e m c 效应反应了束缚核子 结构函数与自由核子结构函数的差异,说明束缚核子内部的夸克 一胶子分布与自由核子内的明显不同。 在e m c 效应发现后,大量的实验揭示出束缚核子的部分子 分布函数有不可忽视的核效应 2 一 1 0 。人们提出了许多模型 从不同的观点出发,研究和探寻核子结构函数核效应的物理本 质,例如:x 重新标度模型【1 0 】【1 1 】,石介子模型f 1 2 【1 7 】,q 2 重 新标度模型,夸克集团模型【l8 】【1 9 】等。这些模型对有关束缚核 子结构函数核效应实验数据的解释取得了相当的成功,但也存在 很大的局限性。它们都没有从第一原理出发,带有需要根据与 实验数据拟和进行调整的参数,对带电轻子深度非弹性散射、j 光生、d r e l l y a n 等过程中的核效应不能统一的描述。许多模型 对带电轻子深度非弹性散射的部分x 区域的实验数据解释的不 河北帅弛人学坝i 学位论文 错,但是用它们解释光生或d r e l l - y a n 过程中的核效应则需 重新调整参数,缺少一致的解释,往往是一个模型只能解释部分 的x 区域,对其他的实验区域则偏离很远。1 9 9 6 年薛大力、厉光 烈等人提出了一个解释核子结构函数的核效应的模型,即核内核 子部分子的逸出及共用模型 2 0 。玖模型认为在核介质中,可能 存在非核子自由度。这些非核子自由度是核内核子中逸出的部分 子组成的色单态集团。另外,由于核内部分子在核子运动方向上 的不确定性,致使较小x 的部分子的运动范围进入邻近核子,成 为几个核子的共用部分子。在考虑了部分子逸出与共用的因素 后,用有效核予质量一个参数就可以计算出束缚核子的结构函 数。该模型对整个x 区域实验数据的解释令人满意。 为了研究自由核子和束缚核子的结构函数的差异,即核环境 对核子结构函数的影响,通常引入结构函数比 r 们( 工,q 2 ) = 露( 五9 2 ) 掣( x ,) ,式中的秽( 五q 2 ) 表示氘核的平均 结构函数。由于氘核的结合能很小,因此,人们通常认为芹( x ,q 2 ) 与自由核子的结构函数近似相同。实际上氘核的核效应是不容忽 视的,已有实验结果证实氘核的结构函数与自由核子的明显不 同。因此有必要单独对氘核的结构函数进行研究。深入地理解氘 核的结构函数的核效应,可以使我们更好地理解束缚核子的结构 函数的核效应,从而得到较为准确地束缚核子的部分子分布。 本文将薛大力、厉光烈等人提出的核内核予部分子的逸出及 共用模型 2 0 应用于氘核,用g r v 9 8 的部分子动量分布函数计算 了氘核的结构函数,并与n m c ( 新d 子实验合作组n e wm u o n c o i l a b o r a t i o n ) 的实验数据进行了比较。 扣j 北帅扎人学r 晚上学位论文 本文在第二章介绍轻子一核子( 原子核) 的深度非弹性散射 与氘核结构函数的实验测量。第三章介绍核内核子部分子的逸出 及共用模型,给出了利用陔模型对氘核结构函数的计算结果,第 四章是总结与展望。 河北帅他人学碘l 学位论义 第二章轻子一原子核的深度非弹性散射 2 1轻子一核子的深度非弹性散射 核子原来被视为点粒子,但实验研究发现核子由部分子组 成,更明确的说,核子是由夸克和胶子组成的。质子和中子又是 组成原子核的要素。质子和中子各自包含三个价夸克和大量豹夸 克一一反夸克对儿( 即所谓的海夸克) 。质子和中子通过在夸克 之间传递胶予而结合在一起。用于研究核子内夸克和胶子分布的 实验工具就是深度非弹性散射,即通过轻子与核子的深度非弹性 散射,测定核子的结构函数。图2 1 表示入射轻子与核子的深度 非弹性散射过程。 l a c o m s n zo m g m t l 岫咖4 i h 由瞳 嗣m 图2 1入射轻予与核子的深度非弹性散射过程 如果入射轻子为带电粒子( 如p 或1 ) ,那么在单光子交换近 似下,单举微分截面可表示为: 丽d 2 0 - = 等艘k 炒) + ( ,于堕2 ej 1 e ( 醇y ) ,( 2 - 1 ) 河北帅池大学坝i 。学位论文 其中a 是精细结构常数,m 是靶核子的静止质量,辱和e 为靶核 子的结构函数,它们是q 2 和l ,的函数。 q 2 = 1 2 , y = e - e , ( 2 - 2 ) g 和r 分别为四动量和能量的转移,工和y 是对靶核子静止的参照 系引入的b j o r k e n 无标度性变量: 矿 工= = 一, 2 m y i , y 。i ( 2 - 3 ) 根据b j o r k e n 标度无关性的假设,在深度非弹性极限q 2 - - ) o o 。 v - - - o o , 但工:善二有限下,巧:仅与工有关: z r r w 点,:( q 2 ,y ) 斗鼻:( 工) , ( 2 - 4 ) e ( x ) 的具体形式与部分子模型有关a 部分子模型认为核子是由一 些点粒子( 部分子) 组成。在上述过程中,因碰撞发生的时间很 短,部分子之间的相互作用可被略去,即认为深度非弹性散射过 程中,核子中的部分子是自由的( 脉冲近似) 。按部分子模型, 核子中部分子的横向动量很小,般可忽略,而轻子与核子的深 度非弹性散射可以分为两个阶段:首先是轻子与核子中的部分子 作弹性散射。被碰的部分子获得很大的横动量,它近似的满足质 壳关系,这是一个时间很短的过程;然后,末态部分子又经过相 互作用重新组合成一些强子,即所谓强子化过程。并且,轻子与 核子内不同部分子散射的波函数很少重叠,在各个部分子上的弹 性散射可以认为是非相干的。这样,在深度非弹性散射中单举截 河北帅扎人学觋l 学位论文 面为轻子与各个部分子弹性散射截面之和。用e ( x ) 表示靶核子内 夸克组分的动量分布,对于带电轻予与核子的深度非弹性散射, 部分子模型给出: e ( x ) = e ,2 x 叮小) + q 小) , , ( 2 5 ) 其中吁是味为,的夸克的电荷数( 以g 为单位) x 表示核子内夸 克动量与核子动量之比,即夸克动量分数。根据动量能量守恒可 以证明,此动量分数与( 2 - 3 ) 式中的工相等。x q i ( x 1 为核子内味 为厂的夸克动量分布函数。利用c a l l a n - g r o s s 关系 2 珥( x ) = 疋( x ) , 可以得到结构函数e ( x ) 的夸克分布的表达式a 2 2轻子与原子核的深度非弹性散射 ( 2 6 ) 类似于荷电轻子一核子深度非弹性散射,如果以原子核为 靶,通过荷电轻子一原子核深度非弹性散射过程,可以得到原子 核的结构函数e 。( 丘q 2 ) 和五。x ,q 2 ) 。此时x 为核内核子夸克所携 带动量与核子平均动量的比值,其变化范围由原来的 0 茎x s l 哼0 x s a 。冲量近似下,定义原予核内核子的平均结构函 数【2 1 】为: f ( 硼2 ) = 三忙( 堋2 ) 一j 1 ( 一z ) h 堋2 ) 一彤( 堋2 ) ,( 2 - 7 ) 其中霹( 一q 2 ) 和彤( t q 2 ) 分别是自由中子和质子的结构函数,引 入第二项的目的在于消除因质子和中子数不同而导致的同位旋 河北囊i l 范大学硕 :学位论文 效应。 为研究核环境对核子结构函数的影响,通常引入结构函数比 r , 4 1 0 ( x ,q 2 ) = 露( 工,q 2 ) 掣( _ q 2 ) 。 ( 2 8 ) 上式中的r , o ( 工,驴) 表示氘核的平均结构函数。氘核的结合能很 小,近似认为掣( t 9 2 ) 与自由核子的结构函数相同。 最初人们认为由于深度非弹性散射相互作用的能量量级 ( g e v ) 要比核过程的能量的量级( m e v ) 大得多,若认为核内 核子与自由核予完全相同,并且轻子在原子核内的平均自由程足 够长,使它能与每个核子以同等的机会相互碰撞,则靶核的结构 函数可以表示为; e 。( ,q 2 ) = | :譬( 墨q 2 ) + z 攀( x ,q 2 ) , ( 2 - 9 ) 这时显然有: 月卯( x ,q 2 ) = f , ( 2 l o ) 所以当时人们认为做深度非弹性散射实验时,用哪种原子核作靶 是无关紧要的。 实际上,核内尚存在核子费米运动和遮蔽效应。核子在核内 缓慢的费米运动使核内核子夸克动量分布变为自由核子的夸克 动量分布与核子在原子核内费米运动所引起的动量分布的叠加。 这个效应在x 0 6 5 区域表现的很明显,使得r , q o ( 五q 2 ) 的值急剧上 升。此外,轻子在原子核内的平均自由程并非足够长,在小q 2 ( 一 般与小工相对应) 条件下,虚光子会表现出类点性和强子态性, 可与核物质发生作用并被吸收,导致平均自由程变短,这就是遮 蔽效应。表现在结构函数上为: 河北帅地人学颧 学位论文 x j 0 r 删 l 。 ( 2 1 1 ) 这一点已为过去的实验所证实。但实验结果同时表明,旦离开 小x 区域,核遮蔽效应就不再存在。显然,按照这种理论只要不 是在小x 区域,再除去费米运动修正,就应该有g , e o ( 工,q 2 ) = l 。 2 3e m c 效应 e m c 的实验结果否定了上述看法。1 9 8 2 年,欧洲子合作 组( e m c ) 用子在氢、氘和铁靶上做深度非弹性散射实验,测 量了铁核结构函数与氘核结构函数的比,发现束缚在原子核内韵 核子的结构函数与自由核子的结构函数明显不同,这就是e m c 效应【1 】。e m c 的实验结果如图2 - 2 所示。从图中可以看出,与 自由核子相比,核内核子的夸克动量分布明显向低动量端移动。 因此,除了遮蔽效应和核内的费米运动以外,核内必定存在其他 效应, 随后不久,斯坦福直线加速器实验中心( s l a c ) 的 r o c h e s t e r s l a c 。m 1 t 实验组,就七十年代用高能电子在液氢和 液氘靶上对核子结构函数测量的结果进行数学分析所得的数据, 肯定了e m c 的实验结果【2 2 】( 见图2 3 ) 。从图中可以看出,除 了在小x 区域s l a c 的e 9 8 b 组与e m c 组存在较大分歧外,两组 的实验结果基本一致。后来e m c组和b c d m s ( b o l o g n a c e r n d u b n a s a c a l y ) 在f e ,c u 等靶上又进行了深度 非弹性散射实验【2 3 ,图2 - 4 给出了它们新的实验结果。在小x 区 域,新的实验数据修正了e m c 组最仞得到的结果,从而消除了 s l a c 的e 4 9 b 与e m c 的分歧,证实了e m c 效应的存在。后来, e m c 组改进了实验测量方法直接测得了r “o ( x ,q 2 ) ,r c , , ox ,q 2 ) ,和 扣j 北帅把大学硕l 学位论文 r c d ( 工,q 2 ) ,确认了核遮蔽效应的存在,并指出在小工区域r ( 工) 偏 离1 的程度随着原子核质量数a 的增加而增大。 1 4 1 3 1 2 五刖i 1 耐 i o 0 9 0 8 黔d t lj 9 国y 1 ( 矿 u o 0 2 0 4 0 b0 8 图2 2e m c 组测量的铁核结构函数与氘核 结构函数比的实验结果 lt l3 i2 劣11 1 o 09 08 纛-slagy。ll,eiso办t+ ,l 滤。l 。 她圳( i ) : 图2 - 3r o c h e n t e r s l a c m i t 实验组的实验结果 河北帅乜人学坝i 学位论文 警:; k r1 o 0 9 o ,8 o ,7 r 1 2 1 1 1 o 0 9 o 8 0 7 。一( t ) :掣s : r : : l m l o :7 + 。i 。 。;t ( b ) 。b c d m s l i t 。+emc ! 。 i 雾;:1 i : o0 20 40 6o 8o 9 鬟 图2 4e m c 组和b c d m s 组的实验结果 在此之后已经有大量的荷电轻子一原子核深度非弹性散射 的实验,通过测量质量数为a 的原子核的平均结构函数与氘核平 均结构函数的比值,揭示出结构函数的核效应具有如下特征,如 图2 5 所示: 蕾 、 奄 il lo o9 08 f e r m i 口1 。 “= :f - 。夕 图2 5 r a ( x , q 2 ) 的值随x 的变化 根据x 的范围,作为x 函数的r ( 形d ) 值在整个j 区域可分为四 河北帅旭大学烦上学位论文 个部分:工 o 0 5 一o 1 ,为核遮蔽区;x 。0 1 一o 2 ,在这一区域中 r ( a d ) 稍大于1 ,这种效应称为反遮蔽效应:x z o 2 - 0 3 ,置( d ) 开始下降趋势,在x 。0 6 附近达到一个最低点,然后又上升,在 区间o 1 - 0 2 x 0 8 内比值r ( a d ) 的行为被称为e m c 效应;在 0 8 x 4 这一区域内月( a d ) 大于1 ,称为费米运动区。 2 4 氘核结构函数的实验测量 ( 1 ) s l a c - e 1 3 9 实验 1 9 9 4 年,s l a c e 1 3 9 实验 2 4 分别在液氘,气氦和固态的 b e ,c ,a l ,c a ,f e ,a g 核靶上测量了电子深度非弹性散射截面,电子 的能量范围从8 到2 4 5g e v 。实验数据覆盖的运动学区域为 0 0 8 9 _ x 0 8 ,2 q 2 _ o o o lg e v 2 范围内测量了氘与质子的结构函数比碍芹。 发现从测量数据中提取的比值巧e 在x 0 0 1 时是一个常量,其 值为0 9 3 5 o 0 0 8 o 0 3 4 。这一结果意味着在氘核中有遮蔽效应的 出现。 冬”。, :一一。气 : ”- ,。:,。气;,c 札t r 9 0 一 08 s tf u t t 加 ,; 1 f a w ji c 0 畸t 川o ,t 佃n 一c7 :h 一 j * ,扛 ,t - t 蜥,! 二 p:,i ! 。善:姥1 ? 了_ 了丁一。 霭2 - 1 r | f :帑翳| 醚= 1 f ;| f :- 、褪x 镪蓑 ) ( 1 。 淼尝裟泓嚣蛳激激躲l l 戮 姗耋;瞅啪晰蝴耄|蛳 ,;,o 9 o e 睡 河北帅犯人学硕士学位论文 在图2 - 7 中给出了掣g 和f f 随x 的变化情况。图中给出 的曲线分别是氘核中有遮蔽效应和没有遮蔽效应时从【2 6 】 2 7 】中 得出的预言。 ( 3 ) n m c n a 3 7 实验 1 9 9 7 年新t 子实验合作组( n e wm u o nc o l l a b o r a t i o n 。简称 n m c ) 【2 8 报告了他们在入射子能量分别为9 0 ,1 2 0 ,2 0 0 和 2 8 0g e v 时测量的u 子一质子,p 子一氘,的深度非弹性散射单 举截面并从中提取结构函数芹和掣的实验结果。其数据覆盖的 运动学范围是:0 0 0 2 工 0 6 0 ;0 5 q 2 7 5g e v 2 ,该实验的统计 精度非常高,系统误差在1 - 5 。提取的结构函数f 和譬的值 与其他实验得到的结果符合得很好。这里我们仅给出有关砰的 结果( 见图2 8 2 1 1 ) 。 埘i 吐公 。 ,。:1 二。 l 止 图2 - 8 矽( 墨q 2 ) 的六套数掘,对应于四种不同的入射能量, 其中的误差棒是统计误差和系统误差之和。 o口 。 _ o 矗 - 。 , f t l r 口+ 一专一c , 塑些塑丝叁兰竺! 竺丝丝塞 表2 - 2 :对应于图2 - 9 的实验数据 10 2 ( g c v :j t ,f 千j s 。士j ; r j e ,o 0 0 0 4 5 0 ,0 0 4 5 d 0 0 4 5 0 删5 & 0 0 8 0 o ,o i ) 8 0 0 j 0 0 8 0 o j 0 0 s o o o 嘴o o d l 2 5 o 0 1 2 5 o r 0 1 2 5 o - 0 1 2 5 0 _ 0 1 2 5 0 0 1 2 5 0 0 1 2 5 o 0 1 7 5 o 岛1 7 5 o 0 1 7 5 o 0 1 7 5 o 0 i 7 5 o 0 【7 5 0 0 1 7 5 0 0 2 5 0 o 0 2 0 【1 2 如 o0 2 0 0 2 5 0 n 0 2 5 0 o n 2 5 0 0 0 2 5 0 0 ( ) 2 s o 0 0 3 5 0 0 d 3 5 1 1 0 0 3 5 0 o 5 0 0 0 3 5 0 0 0 3 5 0 0 0 3 5 0 0 0 3 5 0 0 j 0 3 5 0 0 0 3 5 0 o 0 5 0 0 0 0 5 0 0 07 5 l2 5 l7 , 2 5 0 0 7 5 i2 5 1 7 5 2 ,o 3 5 0 o t 7 5 1 2 5 i 7 5 2 鼬 3 + s o 4 5 0 ,5 0 1 2 5 1 j 5 2 5 0 ,期 4 5 0 5 朋 7 瑚 l ,2 5 l , 7 5 2 5 0 3 5 0 4 ,铂 5 如 7 0 0 9 0 0 i 爿】 i 2 5 l7 s 2 5 0 3 5 0 4 5 0 s 加 7 , 0 0 9 0 0 i 5 0 5 埘) i 2 5 i7 5 ,l7 5 7 6 in m 7 3 0 0 i i j j l l 3 _ l :f 心i 上0 0 i ,6 ”i q ,上00 i ) 5 4 o o i j 5 ui 】1 6 上p 0 i | 9 三0 0 1 5 7 u2 5 9 5 上f 甜1 2 上0 t 1 0 7 2 i ;2 9 1 1 3l :) 0 0 慵t0 0 0 8 9 n 3 3 5 4j ij i ,9 4 7 :0 0 n 4 n t 6 7 3j0 m ,g 二n o j3 i 4 0 s 6 o 饼确l :o o i ” t l ? ,li ) r 们5 工l i f l i 】7 1 n2 9 4 7 :t - 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