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V EMFN Roelof Bijker, ICN-UNAM 1 La Estructura del Nucleón Introducción La interacción electromagnética y débil Los factores de forma del nucleón El sabor del nucleón (cuarks u, d y s) Dispersión de electrones Modelos teóricos Resultados Roelof Bijker (ICN-UNAM) [email protected]

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V EMFN Roelof Bijker, ICN-UNAM 1

La Estructura del Nucleón• Introducción• La interacción electromagnética y débil• Los factores de forma del nucleón• El sabor del nucleón (cuarks u, d y s)• Dispersión de electrones• Modelos teóricos• Resultados

Roelof Bijker (ICN-UNAM)[email protected]

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Primera Conferencia:- Introducción- Dispersión de Rutherford- Dispersión electrón-núcleo (e-A)- Dispersión electrón-protón (e-p) - Dispersión e-p con violación de paridad (PVES)

Segunda Conferencia:- Factores de forma- Modelo VMD- Los factores de forma electromagnéticos- La extrañeza del protón- Resumen y conclusiones

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Distance Scales

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La Física Nuclear

• La estructura nuclear (Hirsch, Velázquez)

• Reacciones nucleares (Aguilera, Rickards, Belmont, Chávez-Lomelí, Lizcano, Murillo)

• Aplicaciones (Andrade, Iturbe, Brandan, Cruz, Espinosa, Herrera, Policroniades)

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Aplicaciones

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El Futuro de la Física Nuclear

• El plasma de cuarks y gluones (CERN, RHIC) (Paic, Ayala, Sandoval)

• Haces radioactivos (TRIUMF, ORNL, MSU, GANIL, GSI, CERN, RIKEN) (Galindo)

• Nucleón, QCD (JLab, Mainz) (Bijker)• Neutrinos (Kamiokande, SNO) (Mondragón)• Astrofísica nuclear (Medina, Klapp)

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Nuclear Physics at the LimitsLimits of mass, stability, temperature, density,

energy, angular momentum, …

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Where the hell …?

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The Plum Pudding Model

J.J. Thomson (1856-1940)believed the electrons were embedded in a positively charged matrix-plum pudding (1898)

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The Structure of AtomsRutherford (1871-1937)showed that atoms contain a centralnucleus (1911)

Electrons orbit nucleuswith well-definedenergy and ill-definedpositions10-10 m

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Evidence for SubstructureMeasure size of struck objects(Rutherford 1911)

Substructure of protons and neutrons discovered using electrons as projectiles, MIT-SLAC collaboration (Friedman, Kendall, Taylor 1968)

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The Structure of Nuclei

Nucleus containsprotons with charge+e and unchargedneutrons

10-14

m

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Rutherford & Mott ScatteringNonrelativistic electron scatteringfrom a point-like nucleuswith Z protons and zero spin

Electron is a relativistic particle with spin 1/2

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Electron-Nucleus ScatteringFinite size of the nucleus

Form factor

Point-like charge distribution

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Differential Cross Section

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Uniform Charge Distribution

MinimaCharge radius

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Charge Distributions

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10-15 m

The Structure of NucleonsNeutrons and protons contain quarks (Friedman, Kendall, Taylor 1968)

Quark ModelProton: uudNeutron: udd

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<10-18 m

The Structure of Quarks?

There is no evidence for further structure

?

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Structure of the Nucleon• Anomalous magnetic moment (Stern, 1930’s)

• Radius (Hofstadter, 1950’s)

• Quark structure of the proton (Friedman, Kendall, Taylor, 1968)

• Spin crisis (1988)• Flavor asymmetry of the

nucleon sea (1991)• Strangeness (2000’s)

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Constituent Quark ModelsBaryons: qqq configurations

proton: uudneutron: udd

Ground state baryons: octet & decuplet

Ratio of nucleon magnetic moments

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Octet and Decuplet Baryons

Octet

Decuplet

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Quarks

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Electron-Proton ScatteringMott scattering from a point-like proton with spin 1/2

Finite size of the proton: Rosenbluth formula

Electric form factor

Magnetic form factor

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Rosenbluth SeparationResult: form factor scaling

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Polarization Transfer

Method: measure ratio of sideways (PT) tolongitudinal (PL) recoil polarization of proton

Result for form factor ratio

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Strangeness of the Proton

• Quark Model: proton = uud valence quarks• QCD : proton = uud valence + sea quarks• Sea of quark-antiquark pairs can be studied by

probing the strange quarks• Compares Quark Model to QCD

Kaufman, U. Mass.

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Strange Proton Form FactorNew data from parityviolating electron scattering

The strange (anti)quarkscome uniquely from thesea: there is no contamination from up ordown valence quarks

HAPPEX, PRL 98, 032301 (2007)

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Parity violatingParity conserving

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SAMPLE@MIT-BATESA4@MAMI-MainzHAPPEX@JlabG0@JLab

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Primera Conferencia:- Introducción- Dispersión de Rutherford- Dispersión electrón-núcleo (e-A)- Dispersión electrón-protón (e-p) - Dispersión e-p con violación de paridad (PVES)

Segunda Conferencia:- Factores de forma- Modelo VMD- Los factores de forma electromagnéticos- La extrañeza del protón- Resumen y conclusiones

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Strange Charge and Magnetism

Kaufman, U. Mass.

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Nucleon Electromagnetic andWeak Vector Currents

Dirac and Pauli form factors

Sachs form factors

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Flavor Content

• Electromagnetic current

• Neutral weak vector current

i=1 : Dirac, i=2 : Pauli

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EM and Weak Form Factors

• Charge symmetry• Nucleon electromagnetic form factors

• Proton weak form factor

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Quark Form Factors

Kaplan & Manohar, NPB 310, 527 (1988)Musolf et al, Phys. Rep. 239, 1 (1994)

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Static Properties

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Parity violatingParity conserving

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V EMFN Roelof Bijker, ICN-UNAM 44

SAMPLE@MIT-BATESA4@MAMI-MainzHAPPEX@JlabG0@JLab

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JeffersonLaboratory

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Theory• Lattice QCD• Chiral perturbation theory• Dispersion relations• Chiral quark-soliton model• Kaon loops• Quark models• Chiral bag models• Skyrme model• Vector Meson Dominance• .....

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Photon couples to nucleon via vector meson (ρ,ω,φ)

Vector Meson Dominance

Two-component model (IJL, 1973)

Intrinsic structure (valence quarks)Meson cloud (quark-antiquark pairs)

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Dirac and Pauli Form Factors

Intrinsic form factor

Bijker & Iachello, PRC 69, 068201 (2004)

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Electromagnetic form factors

Static properties

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Strangeness in the Proton• The strangeness distribution is a very

sensitive probe of the nucleon’s properties• The strange (anti)quarks come uniquely from

the sea: there is no contamination from up ordown valence quarks

• New data from SAMPLE, HAPPEX, PVA4 andG0 Collaborations

• φ meson mostly strange quarks

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Physical states

Ideally mixed states

Mixing angle

Bijker, JPG 32, L49 (2006) [arXiv:nucl-th/0607058]

Jain et al, PRD 37, 3252 (1988)

Strange Form Factors

Strange form factors

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• Meson-nucleon couplings

• Current-meson couplingsQuark in the vector mesons couples only tothe quark vector current of the same flavorwith a flavor-independent strength

Jaffe – PLB 229, 275 (1989)

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Isoscalar Couplings

Four parameters

One constraint

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Strange Couplings

One constraint: no net strangeness contributionto the electric charge

Reduction of the number of parameters!

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Isoscalar and Strange Couplings

• Couplings• Meson-nucleon couplings• Current-meson couplings: Quark in the

vector mesons couples only to the quarkvector current of the same flavor with a flavor-independent strength

• Static properties• Two independent couplings:

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Couplings

Bijker, JPG 32, L49 (2006)arXiv:nucl-th/0607058

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Summary• Two-component model for the electromagnetic

and weak vector currents

• Intrinsic structure, isoscalar and isovectormesons

• Coefficients taken from a previous study ofelectromagnetic form factors of the nucleon

• Strange form factors: parameter free !

Bijker & Iachello, PRC 69, 068201 (2004) +

Jaffe, PLB 229, 275 (1989)

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RESULTADOS

Factores de Forma Electromagnéticos

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Electromagnetic Form Factors

2004

1973

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Electric Form Factors

Andivahis (1994), Christy (2004), Qattan (2004)

Herberg (1999), Passchier (1999),Zhu (2001), Golak (2001), Schiavilla (2001), Madey (2003), Bermuth (2003), Warren (2004),

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Neutron Electric Form FactorElectric charge of the neutron (udd) is zero,

but the charge distribution is not

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Preliminary resultsfrom the CLAS collaboration (JLab)

Nucleon05: Vineyard

Neutron magneticform factor

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RESULTADOS

Factores de Forma Extraños

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Parity ViolatingElectron Scattering

Manohar & Kaplan (1988)Beck (1989)McKeown (1989)

First experiments

SAMPLE (>1997)HAPPEX (>2001)A4 (>2004)G0 (>2005)

HAPPEX Collaboration,Acha et al, PRL 98, 032301 (2007)

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V EMFN Roelof Bijker, ICN-UNAM 67

Dirac and Pauli Form Factors

JPG 32, L49 (2006)arXiv:nucl-th/0607058

Limit of ideally mixedmesons

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Limit of ideally mixed mesons

Strange EM Form Factors

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V EMFN Roelof Bijker, ICN-UNAM 69

G0 – PRL 95, 092001 (2005)

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V EMFN Roelof Bijker, ICN-UNAM 70

Static PropertiesStrange magnetic moment

Strange charge radius

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Theoretical Values

Liu et al, arXiv:0706.0226 [nucl-ex]

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V EMFN Roelof Bijker, ICN-UNAM 72

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V EMFN Roelof Bijker, ICN-UNAM 73

Summary and Conclusions• Strange form factors probe the sea quarks (Quark

Model vs. QCD)• The nucleon has a complex structure: valence quarks

and meson cloud• Electromagnetic form factors well reproduced• Strangeness contribution to form factors is small and

in agreement with the SAMPLE, HAPPEX, PVA4 andG0 data

• Future experiments to separate the strange electricand magnetic form factors

• Hyperon form factors

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