核子的奇异半径与电荷分布的唯象研究

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核子的内部结构一直是强子物理中的一个重要的研究课题。从上个世纪开始,这几十年来随着实验工具的不断完善,理论方法的不断进步,人们利用量子色动力学(QCD)理论在高能量区域微扰解决了诸多问题,对核子的内部结构也有了一定程度上的了解,但在低能量区域,微扰QCD失效,当前,我们仍需要建立一些唯象模型。美国Jefferson实验室宣布,他们凭借世界上最准确的电弱相干实验,测量得到:质子的奇异磁矩为正,奇异电形状因子为负。后者代表着质子的奇异半径为正,那么综合来看,质子中反奇异夸克s比奇异夸克s更加的靠近质子的质心运动。这与绝大部分理论的预测值是相矛盾的。在经典的理论图像中:质子由两部分组成,一部分由三个夸克(uud)束缚在一起并拉开一定的距离,而另一部分是奇异夸克以及反奇异夸克组成的奇异夸克对(ss)并以胶子微扰涨落的形式出现的,这就意味着奇异夸克对质子的磁矩和奇异半径都不做贡献。质子中可能有非微扰的奇异夸克对存在。现有的理论分析显示,质子中的uudss五夸克成分可能是以五夸克对有色团体的存在形式。2007年,G.A.Miller发现,中子的中心电荷密度是负的,这与理论预测的结果完全相反。如从介子云模型来看,中子中心的电荷密度可能是正的。但实际上中子的中心电荷密度为负这个结果是支持最近几年提出的关于核子中含有五夸克成分这一结论。在新的图像中,中子应该有一个很大的udduu成分,四夸克子系统uddu处于轨道激发态,u处于基态,具有[4]F S[2 2]F[2 2]S对称性的味道-自旋构型可能是能量最低的构型,处于基态的反夸克u自然而然地给出了中心的负电荷密度。本文将对基本粒子的发现过程以及四种基本相互作用力做一个简要的回顾,并对基本粒子物理的经典三夸克模型做简要介绍。然后再进行具体内容的研究,研究内容部分包括:在重子结构中除了考虑三夸克组分以外,还要考虑五夸克组分,利用群论及相关知识分别构造出三夸克体系和五夸克体系的颜色、味道、自旋以及空间波函数。在波函数的基础上,对质子的奇异半径,质子和中子的电荷分布情况,分别进行了计算,分析和讨论。在只考虑对角矩阵元的基础上,奇异半径的计算结果显示,空间波函数具有[3 1]X对称性的奇异半径为正,空间波函数具有[4]X对称的结果为负。理论预言了质子的奇异半径为负,理论结果与实验相比,实验表明质子中有uudss五夸克成分,并且满足宇称为正。重子中的主要成分不再只是三夸克组成的形式,而是在三夸克组分的基础上再加上以色夸克团的形式出现的五夸克组分,三夸克组分和五夸克组分混合的机制才切实可行。本文对质子的奇异半径分析与讨论,以及质子和中子的电荷密度的分析与讨论表明了在核子中切实存在五夸克组分,计算结果使得我们对核子内部结构的研究有了进一步的深入了解,这为分析核子的其他性质奠定坚实的基础,为强子物理实验提供一定的理论支撑。
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