陽子の中のSeaクォーク 柴田研究室 02M01221 渡辺 崇 [内容] １．Seaクォークとは ２．β崩壊とクォーク

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1 陽子の中のSeaクォーク 柴田研究室 02M01221 渡辺 崇 [内容] １．Seaクォークとは ２．β崩壊とクォーク
２００２年７月１６日 陽子の中のSeaクォーク 柴田研究室 02M01221　　　　渡辺 崇 [内容] １．Seaクォークとは ２．β崩壊とクォーク ３．Seaクォークのフレーバー対称性 ４．SeaクォークとGottfried Sum ５．まとめ

2 １．Seaクォークとは ２種類のクォーク 陽子内にはバレンスクォークとSeaクォーク が存在する。 バレンスクォーク：
核子の量子数を決定しているクォーク。 核子の中に３個存在している。 u u 　u：アップクォーク 　d：ダウンクォーク d u d d 陽子 中性子 1/15

3 qs gluon qs qs、qs ： Seaクォーク Seaクォーク： 核子内のグルーオンから対生成するクォーク。
核子の運動量やスピンの一部を担っている。 － qs gluon qs － 　qs、qs　：　Seaクォーク 2/15

4 ２．β崩壊とクォーク β崩壊には例えば次のようなものがある。 β＋崩壊： Na → Ne＋e＋＋νe β－崩壊： Co → Ni＋e－＋νe
22 11 22 10 － 60 27 60 28 22 11 Naの崩壊図 60 27 Coの崩壊図 3/15

5 これを核子レベルで示すと次の式で表わされる。
β＋崩壊：　p → n＋e＋＋νe β－崩壊：　n → p＋e－＋νe さらにクォークレベルで示すと次のようになる。 β＋崩壊：　u → d＋e＋＋νe β－崩壊：　d → u＋e－＋νe 一般的なβ崩壊というのは、核子内の バレンスクォークがこの反応を起こす場合である。 － － 4/15

6 Seaクォークのβ崩壊 － たとえばグルーオンからSeaクォークｄ、ｄが 対生成して、そのうちのｄがβ－崩壊したとすると、
d＋d →d＋ u＋e－＋νe　　　　　　（１） グルーオンから対生成したSeaクォークは対消滅 して再びグルーオンに戻ろうとするが、上のような β崩壊が起こると対消滅できない。 では、ここからどういう反応が起こるのか？ － － － 5/15

7 ①π中間子の生成 ｄとｕからπ＋が生成されるとすると、 d＋d →π＋＋e－＋νe だが、質量０のグルーオンから質量１４０MeV/c２ のπ＋が生成されるというのはエネルギー保存則 と矛盾する。 よって、この反応は起こらないと考えられる。 － － － 6/15

8 ②β崩壊した別のSeaクォークとの対消滅 （１）式とは別に、グルーオンからSeaクォークｕ、ｕが
対生成して、そのうちのｕがβ＋崩壊したとすると、 u＋u →u＋d＋e＋＋νe　　　　　（２） （１）式で生成したｄ、ｕが（２）式で生成したｄ、ｕと 対消滅するとすれば、結局２つのグルーオンから 生成したSeaクォークが２つのグルーオンに戻る ことになる。 よって、Seaクォークのβ崩壊は核子の外に影響を 及ぼさないと考えられる。 － － － － － しかし、電子やニュートリノは残るので、 それらが核子に影響を与えるかもしれない。 7/15

9 ３．Seaクォークのフレーバー対称性 陽子内のSeaクォーク分布ｕｓｐ、ｄｓｐについて考える。 陽子と中性子でSeaクォーク分布は同じだと
考えられているので、 陽子と中性子はｕとｄを交換すると、それぞれ 中性子と陽子に変換される（Isospin対称性）ので、 ｕｓｐ＝ｕｓｎ、ｄｓｐ＝ｄｓｎ ｕｓｐ＝ｄｓｎ、ｄｓｐ＝ｕｓｎ 8/15

10 ｕｓｐ＝ｄｓｐ ここでｕとｄの質量はそれぞれ ｕ： ２～８ MeV/c２ ｄ： ５～１５ MeV/c２
であり両者には差がある。しかしこれは陽子の質量 （９３８ MeV/c２）や中性子の質量（９４０ MeV/c２）に 比べて無視できるほど小さいので、 isospin対称性を仮定する事ができる。 したがって 　　　　陽子内のSeaクォークはフレーバー対称 　　　　になっているといえる。 ｕｓｐ＝ｄｓｐ 9/15

11 ４．SeaクォークとGottfried Sum
F2 = F2(x , Q2) ：　構造関数 x ：　Bjorkenのスケーリング変数 　核子の運動量のうち、クォークが 　どれだけの割合を担っているか ：　４次元運動量移行 　衝突の際に移行される４次元運動量 Q２ 10/15

12 陽子と中性子の構造関数は次のように表せる。
ここでisospin対称性から また、 11/15

13 ゆえに、Gottfried Sumは次のように書き直す
ことが出来る。 ここで、 （３） 12/15

14 SG＝ １ ３ ー これはバレンスクォークについて、陽子内には ｄが１個、ｕが２個、中性子内にはｕが１個、ｄが２個
存在することを表している。 よって、（３）式の右辺の第１項は１／３になる。 さらに、Seaクォークがフレーバー対称なら （３）式の右辺の第２項は０になる。 したがって、理論的には となるはずである。 SG＝ １ ３ ー 13/15

15 Gottfried Sumの理論値と実験値の不一致
理論値：　SG＝１／３　 実験値：　SG＝０．２３５±０．０２６ （１９９４年にＮＭＣによって測定された） Seaクォークにフレーバー非対称性がある ことが不一致の原因であると考えられた。 そこで、このフレーバー非対称性を測定する ことになった。 14/15

16 ５．まとめ ・陽子の中にはバレンスクォークの他に、グルーオン から対生成したSeaクォークが存在している。
及ぼさないと考えられる。 ・Seaクォークは当初、フレーバー対称だと考えられて いたが、Gottfried Sumの理論値と実験値を比較 した結果、フレーバー非対称であると考えられる ようになった。 － － 15/15

17 以下３枚は口頭発表用

18 陽子の中のSeaクォーク 柴田研究室 02M01221 渡辺 崇 [内容] １．Seaクォークとは ２．β崩壊とクォーク
２００２年７月１６日 陽子の中のSeaクォーク 柴田研究室 02M01221　　　　渡辺 崇 [内容] １．Seaクォークとは ２．β崩壊とクォーク ３．Seaクォークのフレーバー対称性 ４．SeaクォークとGottfried Sum ５．まとめ

19 qs gluon qs バレンスクォーク Seaクォーク － u：アップクォーク d：ダウンクォーク 中性子 陽子 中性子 u u d u

20 Seaクォークがβ崩壊を起こす場合に どのような反応が起こるのか？ グルーオンから対生成したSeaクォークは対消滅 して再びグルーオンに戻ろうとするが、β崩壊を 起こすと対消滅できない。 Seaクォークはフレーバー対称なのか フレーバー非対称なのか？ Seaクォークは当初、フレーバー対称だと考え られていた。しかしその後、フレーバー非対称 だと言われるようになった。

21 以下は質問回答用

22 フレーバー非対称性を調べる HERMES実験（１９９８年） 装置 H２、D２、３Heターゲットに陽電子ビームを衝突させ、
その半包括的深非弾性散乱で生成したπ±の数 を測定し、そこから陽子内のSeaクォークの フレーバー非対称性（ｄｓ－ｕｓ）を求めた。 － － 装置 加速器　：　HERA storage ring 検出装置　：　HERMES spectrometer　

23 深非弾性散乱（deep-inelastic scattering）
電子 * 仮想光子γ クォーク （４次元運動量移行：Q２） 陽子 （運動量：xP） （運動量：P） 　　　　クォーク （ハドロンとして放出される） 電子と陽子との非弾性散乱のうち、Q２が大きい 場合を特に深非弾性散乱という。

24 半包括的（semi-inclusive）とはどういうことか
衝突反応の測定方法には次の３つがある。 ・包括的（inclusive）： 散乱された電子のみを測定し、反応で生成した 他の粒子は測定しない ・半包括的（semi-inclusive）: 散乱された電子と、反応で生成された粒子のうち 特定のものだけを測定する ・排他的（exclusive）： 反応で生成した全ての粒子を測定する

25 HERA storage ring ドイツのDESY研究所にある電子－陽子衝突型 加速器。 HERMES 直径： ２．１ km
電子、陽電子ビームのエネルギー：　２７．５ GeV 陽子ビームのエネルギー：　８２０ GeV 図：HERA storage ring

26 （ HERMES spectrometer e 上 MAGNET 下 ｖ H２、D２、３Heターゲット Cerenkov Detector
＋ 下 　ｖ H２、D２、３Heターゲット Cerenkov Detector N２　７０％、C４F１０　３０％ π±の検出効率：　　９５％　 （

27 実験結果からの考察 測定領域 ： 0.02 ＜ x ＜ 0.3 、 1 ＜ Q２ ＜ 10 GeV グラフより次のことがわかった。
　・陽子内のSeaクォークはｕよりもｄの方が 　　多く存在している － － 12/15 － － 11/15

28 実験結果より、 また、グラフから外挿すると x ＞ ０．０２　の領域の寄与は約０．０５０ x ＞ ０．３　　の領域の寄与は約０．００６ であるので、 これはGottfried Sumの理論値と実験値との差を よく説明している。