Struttura 3D di nucleoni e nuclei

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1 Struttura 3D di nucleoni e nuclei Sergio Scopetta Perugia, Dipartimento di Fisica e Geologia, Offerta Tesi AA Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.1/23

2 Indice Studi della struttura in 3D di protoni e nuclei in 5 minuti: nel mondo, in Italia, a Perugia Una tesi in fisica nucleare teorica: cosa vuol dire? TRE argomenti per una tesi magistrale Conclusioni Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.2/23

3 I nucleoni (protoni & neutroni), in 3D Come è fatto un nucleone? 2 A. Bacchetta/INFN12 Tuesday, 13 November 12 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.3/23

4 I nucleoni in 3D Obiettivo a lungo termine: Capire la QCD e il con namento 3 A. Bacchetta/INFN12 Tuesday, 13 November 12 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.4/23

5 I nucleoni in 3D Il nostro approccio: ottenere immagini 5 della struttura del nucleone A. Bacchetta/INFN12 Tuesday, 13 November 12 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.5/23

6 Il contesto: DIS k γ* q k Parliamo di diffusione profondamente anelastica (DIS); A(e, e )X, P Se il bersaglio A ha J A = 1/2, nel sistema del laboratorio (LAB) dove q = (ν, 0,0, q) nel limite di Bjorken, Q 2 = q 2, ν, Q 2 /ν finito, d 2 σ dωde F 2(x) F 2 (x) = funzione di struttura f q (x) = distribuzione partonica (PDF) q e 2 qxf q (x) x = Q2 2P A q è un invariante: x = Q2 2M A ν (LAB); x = frazione di momento del bersaglio portata dal quark. nell Infinite Momentum Frame (IMF) (p z ) In generale, F 2 dipende da Q 2. Nel limite di Bjorken, F 2 scala in x: diffusione incoerente su costituenti puntiformi, i partoni (Al LO in QCD, solo i quark contribuiscono ad F 2 ). Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.6/23

7 Cosa conosciamo? I nucleoni in 1D Impulso longitudinale k + = xp + partoni 8 A. Bacchetta/INFN12 Tuesday, 13 November 12 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.7/23

8 I nucleoni in 1D Parton Distribution Functions (PDFs): descrivono la struttura dei nucleoni in una dimensione (impulso longitudinale) 2 ) 0 (x, Q x NNPDF2.0 CTEQ6.6 MSTW 2008 q (q + q) 2 ) 0 xv (x, Q NNPDF2.0 CTEQ6.6 MSTW 2008 q (q q) x x 4 3 NNPDF2.0 CTEQ6.6 MSTW NNPDF2.0 CTEQ6.6 MSTW ) 0 xg (x, Q gluon 2 ) 0 (x, Q xs s s x x 9 A. Bacchetta/INFN12 NNPDF Coll., NPB838 (10) Tuesday, 13 November 12 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.8/23

9 Alcuni problemi aperti: 1 - effetto EMC k k Misure inclusive, A(e, e )X, (EMC Coll., CERN, 1983) del rapporto tra sezioni d urto su un nucleone legato in un nucleo e su un nucleone libero γ* P q Se il rapporto fosse 1, nucleone libero e legato sarebbero uguali Il rapporto non è 1 F 2 A F 2 d Diciamolo: nessuno sa perchè Risposta con nuovi esperimenti, NON inclusivi misure più difficili, descrizioni teoriche più complicate > importante per LHC (Alice) Ca, SLAC Ca, NMC Fe, SLAC Fe, BCDMS x Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.9/23

10 effetto EMC: come se ne esce? Quali di questi spaccati somiglia di più alla sezione di un nucleo? Per saperlo, dovremmo fargli una Si può fare! tomografia... Deeply Virtual Compton Scattering & Generalized Parton Distributions (GPDs) Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.10/23

11 Alcuni problemi aperti: 2 - Spin crisis La cosiddetta Spin crisis (EMC, CERN, 88): la maggior parte dello spin del protone NON risiede nelle elicità dei quark: Σ = 0.1 ± 0.1 Spin Sum Rule: 1 2 Σ + L q + J g = 1 2 OAM (L q ) misurato in esperimenti NON inclusivi: γ (q) γ(q ) l l P h P P P X DVCS > GPDs SiDIS > TMDs Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.11/23

12 Esempio: il cuore in 1D ECG: informazione monodimensionale sull attività del cuore 10 A. Bacchetta/INFN12 Tuesday, 13 November 12 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.12/23

13 Il cuore in 3D Risonanza magnetica funzionale: tomogra a del cuore e della sua attività 12 A. Bacchetta/INFN12 Tuesday, 13 November 12 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.13/23

14 I nucleoni in 3D kt Impulso trasversale Posizione trasversale Impulso longitudinale k + = xp + bt partoni Piano trasversale 15 A. Bacchetta/INFN12 Tuesday, 13 November 12 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.14/23

15 I nucleoni in 3D Tanti esperimenti coinvolti 7 [e-p] Hermes [p-p] 12 Spascharm [p-p] 25 Nica E906 [p-p] 15 [p-p] 1000 Star, Phenix, Brahms, AnDY [p-p] 9 18 [ -p] Compass [p-p] - Panda 5 Pax 15 KEK 10 [e+-e-] Belle, Belle-II 10 [e+-e-] SuperB [e+-e-] Babar 10 [e-p] 5 Hall-A,B,C si veda il talk di Marco Mirazita 23 A. Bacchetta/INFN12 Tuesday, 13 November 12 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.15/23

16 I nucleoni in 3D Chi lavora nel campo in Italia Teoria (AD31 e TO31) Alessandria Cagliari Genova Milano Bic Pavia Perugia Roma I e II Torino Trento Esperimenti (Compass e JLab12) Bari Catania Ferrara Frascati ISS Roma I e II Torino Trieste 24 A. Bacchetta/INFN12 Tuesday, 13 November 12 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.16/23

17 solo UN aspetto di un lavoro teorico vasto... Iniziativa Specifica NINPHA, CS IV INFN: Pavia: Bacchetta (ERC), Bianconi, Guagnelli, Pasquini, Radici, Xiong, Bozzi, Pisano Genova: Blasi, Santopinto, Yamaguchi Perugia: (Ceccopieri), Rinaldi, Scopetta, Traini (TN), Treleani (TS) Roma1: Salmè Roma2: Pace Torino: Anselmino, Barone, Boglione, Gonzalez, Melis Cagliari: D Alesio, Murgia Milano Bicocca: Ratcliffe Valutazione INFN eccellente (AAA) Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.17/23

18 Il protone in 3D: anche ad LHC! Ad LHC, si possono avere collisioni partoniche multiple: b x 2 x 2 x 1 x 1 b p i k j l a b c d p Per collisione doppia (DPS) (N. Paver, D. Treleani, Nuovo Cimento 70A, 215 (1982)): dσ = 1 S i,j,k,l d 2 b, Fik (x 1, x 2, b)f jl (x 1, x 2, b)ˆσ ij (x 1 x 1 s)ˆσkl (x 2 x 2 s) DPS: un background per studi fondamentali; da un punto di vista nucleare, nostro : la distribuzione partonica doppia, dpdf, F ik (x 1, x 2, b), in uno dei protoni è molto interessante! (Livio e collaboratori... Esperti di analisi) dpdf: proprietà a due corpi! (PDFs, TMDs (diagonali) e GPDs (non diagonali) sono quantità ad un corpo...) Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.18/23

19 Possibile sinergia con sperimentali qui a PG Nell analisi sperimentale, F ij viene fattorizzata prima in ((x 1, x 2 ) b) e poi in (x 1, x 2 ) F ij (x 1, x 2, b) = F ij (x 1, x 2 ) T( b) = PDF {}}{ q i (x 1 ) q j (x 2 ) }{{} θ(1 x 1 x 2 )(1 x 1 x 2 ) n T( b) NO CORRELATION ANSATZ Si può fare? Calcoli di modello sembrano escluderlo... M. Rinaldi, S.S., V. Vento PRD 87, (2013); M. Rinaldi, S.S., M. Traini, V. Vento, JHEP 1412 (2014); M. Rinaldi, S.S., M. Traini, V. Vento, PLB 752 (2016) 40 Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.19/23

20 Una tesi in Fisica Nucleare teorica Quali argomenti? Struttura 3D di nucleoni e nuclei leggeri studiata con sonde di alta energia. Pochi corpi! Quanto dura? 6 mesi (a tempo pieno), per regolamento Cosa devo sapere? QM, RQM, QFT elementare, cose che ormai fate tutti. Rispetto ai corsi frequentati, bisogna studiare un pò di fenomenologia e di tecnica (1-2 mesi) Cosa farò? Calcolo di osservabili, funzioni di struttura o sezioni d urto, prima analitici e poi numerici (3-4 mesi). Poi c è da scrivere (1-2 mesi) Con chi lavorerò? Con Sergio Scopetta (e collaboratori esterni a Perugia) Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.20/23

21 Alcuni argomenti di massima Tre argomenti, sulla struttura partonica (cioè, in termini di costituenti elementari) di nucleoni e nuclei, indagata con una nuova generazione di esperimenti di scattering ad alta energia, presso il CERN, JLab (USA), FAIR (Germania): 1. Trattazione relativistica di sistemi legati di 3 corpi (collaborazione con Pisa, Roma 1 e 2, Valencia (Spagna), Buenos Aires (Argentina), San Paolo (Brasile)); 2. Struttura tridimensionale del nucleone legato da esperimenti su nuclei di 2 H, 3 He, 4 He (collaborazione con Pisa, Roma 1 e 2, JLab (VA, USA), Parigi (Francia), Dubna (Russia)); 3. Calcolo di distribuzioni partoniche multiple misurate ad LHC (collaborazione con Trento, Trieste, Valencia (Spagna) e colleghi locali di CMS). Per dettagli, cercatemi! Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.21/23

22 C è dell altro... I molti corpi? Li insegno. Chi sa fare fa, chi non sa fare insegna (Chi l ha detto? Oscar Wilde? Woody Allen? Lao-Tse?) Ma insegnando si impara... Mi piace molto e, con un po di fortuna, ho ancora tempo per studiare... E ho tanti amici che sono esperti mondiali di many-body nucleare Esempi: Francesco Pederiva (Trento) per stelle di neutroni; Enrico Vigezzi (Milano) per BCS nucleare... Possibili tesi in co-tutela I molti corpi: tecniche universali, ad ogni scala di energia. Io sono a mio agio con i GeV ma ho fatto escursioni verso i MeV e i TeV... Mi piacerebbe fare qualcosa verso i KeV... O anche i mev... Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.22/23

23 Una tesi: un piccolo contributo originale Io stimo più il trovare un vero, benchè di cosa leggiera, che l disputar lungamente delle massime questioni senza conseguir verità nissuna G. Galilei, Scritti letterari Struttura 3D di nucleoni e nuclei p.23/23