Pasquale Di Nezza. Incontri di Fisica, LNF 05/10/05

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1 Lo Spin delle particelle: un puzzle ancora da risolvere? Pasquale Di Nezza Incontri di Fisica, LNF 05/0/05

2 Affascinati dallo spin Pensate di aver capito qualcosa? Ora aggiungete lo spin -- R. Jaffe N. Bohr W. Pauli

3 Affascinati dallo spin un analogia In tale analogia il nostro pianeta ha un momento angolare orbitale (intorno al Sole / il nucleo) e, in aggiunta, un momento angolare di spin (rotorazione intorno al proprio asse).

4 Affascinati dallo spin un analogia In tale analogia il nostro pianeta ha un momento angolare orbitale (intorno al Sole / il nucleo) e, in aggiunta, un momento angolare di spin (rotorazione intorno al proprio asse).

5 Cos e lo Spin? Stern-Gerlach (9):

6 Fascio di atomi di argento: e neutro, ha elettrone nell ultimo orbitale Cos e lo Spin? Aspettazione classica Risultato sperimentale

7 Cos e lo Spin? Stern-Gerlach (9): Uhlenbeck, Goudsmit: (95) spiegazione spettro atomico numero quantistico: m s =/

8 Cos e lo Spin? Stern-Gerlach (9): Uhlenbeck, Goudsmit: (95) spiegazione spettro atomico numero quantistico: m s =/

9 Cos e lo Spin? Spin e simmetrie: [S.Hawkins: Breve storia del tempo] spin: spin: spin:? funzione d onda antisimmetrica 80 ο 360 ο x360 ο

10 E importante lo spin? Principio di Pauli Ψ = Ψ (a) Ψ (b) Ampiezza probabilita che elettrone- e in a ed elettrone- in b SBAGLIATO, gli elettroni sono identici e quindi indistinguibili Ψ = Ψ (a) Ψ (b) - Ψ (b) Ψ (a) La funzione d onda scompare se le particelle occupano lo stesso stato

11 E importante lo spin? Principio di Pauli MATERIA SPIN semi-intero Obediscono al principio di Pauli antisimmetriche nello scambio di particelle identiche Statistica di Fermi-Dirac: Fermioni FORZE Non obediscono al principio di Pauli SPIN intero simmetriche Statistica di Bose-Einstein: Bosoni

12 E importante lo spin? Principio di Pauli MATERIA SPIN semi-intero Obediscono al principio di Pauli antisimmetriche nello scambio di particelle identiche Statistica di Fermi-Dirac: Fermioni FORZE Non obediscono al principio di Pauli SPIN intero simmetriche Statistica di Bose-Einstein: Bosoni

13 Come studiare lo spin del protone? deep-inelastic scattering (DIS) Q = q x lab = EE'(-cosθ ) Q =, ν lab = E E' Mν lab deep alta risoluzione: inelastic MX M x < Q >> M

14 Sezione d urto DIS σ ( e p e X) d σ dωde ' = α MQ 4 E ' E L µν W µν Lµν Wµν parte leptonica della sezione d urto indipendente dalla struttura del protone puo essere calcolato esplicitamente parte adronica della sezione d urto contiene informazioni sulla struttura del protone+ effetti di interazioni forti

15 tensore adronico W µν parametrizzato dalle funzioni di struttura (simmetria di Lorentz, corrente conservata, parita, ecc.) µν W = g F (x,q ) + µν + iε µνλσ q λ ν S σ g (x,q ) + p µ ν p ν ν F (x,q ) ( ) p qs S qp g (x,q ) σ σ

16 tensore adronico W µν parametrizzato dalle funzioni di struttura (simmetria di Lorentz, corrente conservata, parita, ecc.) µν W = g F (x,q ) + µν + iε µνλσ q λ ν S σ QPM: ( + ) F ( x) = e + = i i qi ( x) qi ( x) e q i i ( x) µ ν distribuzione dei momenti dei quark p p ν F (x,q ) q i (x) = Funzione Distribuzione ( ) p qs S qp g (x,q ) connessa g (x,q ) + alla probabilita σ di avere un quark ν colpito con momento frazionario x σ

17 tensore adronico W µν parametrizzato dalle funzioni di struttura (simmetria di Lorentz, corrente conservata, parita, ecc.) µν W = g F (x,q ) + µν + iε µνλσ q λ ν q + i S QPM: ( + ) F ( x) = e + = i i qi ( x) qi ( x) e q i i ( x) µ ν distribuzione dei momenti dei quark p p ν F (x,q ) (x) = Funzioni Distribuzione Polarizzata ( ) p qs S qp g (x,q ) connessa g (x,q ) + σ alla probabilita σ diσavere un quark colpitoνcon momento frazionario x e spin nella stessa direzione di quello del protone

18 tensore adronico W µν parametrizzato dalle funzioni di struttura (simmetria di Lorentz, corrente conservata, parita, ecc.) µν W = g F (x,q ) + µν + iε µνλσ q λ ν S σ QPM: g (x,q ) ( + ) F ( x) = e + = i i qi ( x) qi ( x) e q i i ( x) µ ν distribuzione dei momenti dei quark + p ν p ν F (x,q ) ( ) p qs S qp g (x,q ) σ ( + ) = = g (x) e i i qi (x) qi (x) e q i i(x) distribuzione di elicita dei quark σ

19 densita di elicita q A causa della conservazione dell elicita, il fotone virtuale si puo accoppiare solo con quark con elicita opposta Sγ + SN = σ/ q + ( x) S S γ + N = 3 σ 3/ q ( x) cambiando l orientazione dello spin del nucleone bersaglio o l elicita del fascio leptonico incidente possiamo selezionare q + (x) oppure q - (x) q

20 La struttura di spin del nucleone QPM: = ( u v + d v + qs ) Σ = EMC ( 88) Σ=0.3 ±... Spin Puzzle SLAC, CERN, DESY: I gluoni sono importanti! = = Σ + G Σ + L Non dimenticate il momento angolare orbitale! + G + q L g

21 Interazione DIS polarizzata = Σ + L + G + q L g = J + J q g DIS inclusivo Fascio polarizzato e/o Bersaglio polarizzato DIS esclusivo DIS semi-inclusivo flavour separation Adroni inclusivi

22 DESY

23 DESY self-polarised electrons: e

24 DESY self-polarised electrons: e

25 DESY

26 come misurare g σ σ3 g γ g g( x,q ) A = = A ( x,q σ + σ F F ( x,q ) ( + γ ) D 3 ) param F ( x,q ) : Q : 0 5 GeV x :

27 come misurare g σ σ3 g γ g g( x,q ) A = = A ( x,q σ + σ F F ( x,q 3.5 ) ( + γ ) D 3 g p (x,q )+c(x) 4 ) phen. fit EMC SMC 3 p g ( Fx,Q param x () :,Q ) :.5 Q :Q 0 : 0 5 GeV GeV x :0.006 x : E55 prel. E43 HERMES Q (GeV ) 0 HERMES low-x prel. 0 0

28 l integrale di g g (x) = f e f ( + q (x) q (x)) f f = e q f f ( x) Distribuzioni di elicita (distribuz. di quark polarizzati)

29 DIS semi-inclusivo inclusivo polarizzato Gliadroniprodottiportano l informazione di spin dei quark (di valenza) che contengono P.es : d - ū u d - s ū - π- π+ Κ-

30 DIS semi-inclusivo inclusivo polarizzato Funzioni di distribuzione partoniche polarizzate! A h (x,q ) = σ σ h h + σ σ h 3 h 3 f f e f e f q q f f (x,q (x,q ) ) dz dz D D h f h f (z,q (z,q ) ) Simmetrie adroniche Da misurare quantita note

31 distribuzioni di elicita quark/anti-quark polarizzazione u quark largamente positiva

32 distribuzioni di elicita quark/anti-quark polarizzazione u quark largamente positiva polarizzazione d quark negativa

33 distribuzioni di elicita quark/anti-quark polarizzazione u quark largamente positiva polarizzazione d quark negativa polarizzazione quark del mare (u, d, s,s) compatibile con 0

34 A che punto siamo? la struttura (di spin) del nucleone H, ZEUS,++ HERMES, COMPASS: prime indicazioni HERMES CERN RHIC HERMES, ++?

35 non dimentichiamo il momento angolare orbitale = Σ + L + G + q L g processi esclusivi dis esclusivo γ

36 Generalized Parton Distributions (distribuzioni partoniche generalizzate)

37 Immagine Tomografica del contenuto di quark del protone (In the Infinite Momentum Frame) Impact parameter: b = T -t transversely polarized target

38 where do we stand the (spin) structure of the nucleon H, ZEUS,++ HERMES CERN RHIC JLab KEK ecc. HERMES, ++ Il puzzle del nucleone si sta completando transversity lezionea parte HERMES: prime indicazioni HERMES CERN RHIC SLAC? Futuro: HERMES? JLab

39 Ancora affascinati dallo Spin? Grazie!