NTNU Institutt for fysikk
Fakultet for fysikk, informatikk og matematikk
Løsningsforslag til eksamen i FY3403 PARTIKKELFYSIKK
Tirsdag 14. desember 2004 Dette løsningsforslaget er p˚ a 6 sider.
Oppgave 1. ∆–resonansene
a)
Beskriv de laveste spinn–32 tilstandene man kan lage av tre kvarker fra første generasjon (dvs. avu– og d–kvarker). Angi kvarkinnhold, navn og ladning for hver tilstand.Se tabellen i neste punkt.
b)
Tilstandene i forrige punkt kan klassifiseres som en isospinn multiplett. Angi isospinn klassifiseringen,|I Izi, for hver tilstand.
Navn Kvarkinnhold Ladning | I I
zi
∆
++uuu 2 |
32 32i
∆
+uud 1 |
32 12i
∆
0udd 0 |
32−
12i
∆
−ddd − 1 |
32−
32i c)
Disse tilstandene er ganske ustabile, de viktigste henfallsmodene for f.eks. ∆+ er∆+→π0+p og ∆+→π++n.
Angi for de to tilfellene isospinn klassifiseringen|I1I1zi |I2I2ziav tilstanden p˚a høyresiden, der 1 refererer til pionet og 2 til nukleonet.
| π
0p i = | 1 0 i |
12 12i (1)
| π
+n i = | 1 1 i |
12−
12i (2) d)
P˚a grunn av isospinn symmetri vil amplituden for henfallsraten være proporsjonal med overlappet mellom |I Izi til starttilstanden og |I1I1zi |I2I2zi til sluttilstanden. Bruk tabellene vedlagt sist i opp- gavesettet til ˚a finne dette overlappet i de to tilfellene.Vi leser ut av tabellen for 1 ×
12
at
|
32 12i = q
1
3
| 1 1 i |
12−
12i + q
2
3
| 1 0 i |
12 12i . (3) Overlappet er alts˚ a q
2
3
for | π
0p i og q
1
3
for | π
+n i .
e)
Hva er den relative hyppigheten av de to henfallsmodene?Henfall til π
0+ p vil skje dobbelt s˚ a ofte som til π + n.
f )
En forenklet modell for disse to henfallene er gitt ved Feynmanreglene nedenfor∆
+ig
1m
∆π
0p ∆
+ig
2m
∆π
+n
der alts˚a den numeriske verdien tilordnet henfallsknutene er henholdsvis ig1m∆og ig2m∆.
Hva m˚a forholdet mellomg1 ogg2 være for at Feynmanreglene skal gi henfallsrater som er konsistent med isospinn symmetri? Vi settermπ+=mπ0 ogmp=mn.
Siden Γ
i∝ |M
i|
2∝ g
i2m˚ a g
1/g
2= √
2. Vi kan derfor skrive g
1= q
2
3
g og g
2= q
1 3
g.
g)
Hva blir bevegelsesmengden|pπ|til pionet n˚ar et ∆+i ro henfaller? Regn med “naturlige enheter”, dvs.enheter der~=c= 1.
Oppgitt:m∆= 1232 MeV,mp= 939 MeV,mπ= 139 MeV (i naturlige enheter).
Vi bruker konservering av firerimpuls, p
∆= p
π+ p
p. I massesentersystemet har vi, siden p
p= − p
π,
m
2∆= p
2∆= p
2π+ p
2p+ 2p
πp
p= m
2π+ m
2p+ 2(E
pE
π+ p
2π), eller
m
2∆− m
2π− m
2p− 2p
2π2= 4(m
2π+ p
2π) (m
2p+ p
2π).
Dvs.
| p
π| = 1 2m
∆q
m
4∆+ m
4π+ m
4p− 2m
2∆m
2p− 2m
2∆m
2π− 2m
2pm
2π= 226.8 MeV. (4) h)
Det er eksperimentelt kjent at den totale vidden til ∆-resonansene er Γ∆ = 120 MeV. Bruk detteresultatet til ˚a bestemmeg1ogg2. (Du kan anta at begge parametrene er reelle og positive.)
Oppgitt: For henfall til to partikler er sammenhengen mellom partiell henfallsrate Γf i og amplitude Mf i gitt som
Γf i= |pf|
8πMi2|Mf i|2, (5)
derMier massen til den partikkelen (i ro) som henfaller, ogpf er bevegelsesmengden til en av partiklene i sluttilstanden.
Vi finner
Γ
∆= Γ
1+ Γ
2= 1
8π | p
π| (g
12+ g
22) = 1
8π | p
π| g
2. Dvs. at
g = s
8π Γ
∆| p
π| = 3.65, g
1= r 2
3 g = 2.98, g
2= r 1
3 g = 2.11. (6)
Oppgave 2. Nedbremsing av kosmiske protoner med veldig høy energi
I kosmisk str˚aling er det observert protoner med energi opptil 1020eV. Det er samtidig kjent at protoner med veldighøy energi vil bli bremset ned p˚a grunn av kollisjoner med fotoner fra “3-graders str˚alingen” i universet.
De viktigste prosessene for denne nedbremsingen erπ-produksjon, spesielt prosessene
γ+p→∆+→π0+p og γ+p→∆+→π++n. (7) der ∆+ partikkelen er virtuell (dvs. representert ved sin propagator).
a)
Anta at “3-graders str˚alingen” best˚ar av fotonerγ med energiω = 7×10−4 eV og isotrop retnings- fordeling.Hvor stor m˚a energien til et høyenergetisk proton være for at prosessenγ+p→π0+pskal være mulig?
I massesentersytemet m˚ a vi minst ha tilstrekkelig energi til ˚ a produsere et proton og et pion i ro. Dette kan uttrykkes p˚ a invariant form,
s = (p
γ+ p
p)
2= m
2p+ 2p
γp
p≥ (m
p+ m
π)
2.
Det beste er at fotonet kolliderer “front mot front” med protonet, dvs. p
γ= (ω, 0, 0, − ω), p
p≈ (E
p, 0, 0, E
p), og
s ≈ m
2p+ (ω + E
p)
2− (ω − E
p)
2= m
2p+ 4ωE
p≥ m
2p+ m
π(m
π+ 2m
p).
Alts˚ a m˚ a
E
p≥ m
π(m
π+ 2m
p)
4ω = 1.0 · 10
20eV. (8)
Kommentar: Merk at tilnærmingenpp≈(Ep,0,0, Ep), som man kanskje ville tro er svært god n˚ar Ep≈1011mp, ikke m˚a gjøres for tidlig! Hvis vi setterpp+pγ≈(Ep+ω,0,0, Ep−ω) f˚as
s≈(Ep+ω)2−(Ep−ω)2= 4Epω, som avviker fra det riktige med leddetm2p.
b)
Hvor stor m˚a energien være for at prosessenγ+p→∆+ skal være mulig?Vi finner ved tilsvarende regning som over at vi m˚ a ha E
p≥ m
2∆− m
2p4ω = 2.27 · 10
20eV. (9)
Kommentar: P˚a grunn av denne nedbremsingseffekten burde man observere svært f˚a partikler med energi over ca. 1020 eV. Det interessante og litt mystiske er at dette ikke ser ut til ˚a gjenspeile seg i observert kosmisk str˚aling!
c)
Vi antar n˚a at Feynmanreglene forγp∆+–knutepunktet og ∆+–propagatoren er som nedenforp iem
∆γ
∆
+i q2−(m∆+iΓ∆)2
Her erepositronladningen, ogm∆og Γ∆henholdsvis massen og vidden til ∆, som oppgitt i punkt1g).
Tegn Feynmandiagrammene for prosessene (7).
Vi bruker overst˚ aende Feynmanreglene, og de fra oppgave 1f ).
p p
π
0iem
∆ig
1m
∆γ ∆
+(a)
p n
π
+iem
∆ig
2m
∆γ ∆
+(b)
d)
Anta at protonet har en firervektorp=E(1,0,0,1) (energien er s˚a stor at vi kan neglisjere protonets masse) og fotonet en firervektork=ω(1,−sinϑ,0,−cosϑ).Skriv ned amplitudeneMf i for prosessene (7).
Vi f˚ ar etter kansellering av i’er (og n˚ ar vi tar i betraktning at Feynmanreglene gir oss det algebraiske uttrykket for − i M
f i).
M
(a)f i= eg
1m
2∆q
2− (m
∆+ iΓ
∆)
2, M
(b)f i= eg
2m
2∆q
2− (m
∆+ iΓ
∆)
2, (10) der
q
2= (p
p+ p
γ)
2= p
2p+ p
2γ+ 2p
pp
γ= m
2p+ 2p
pp
γ= m
2p+ 2ωE
p+ 2ωE
pcos ϑ
= m
2p+ 4ωE
pcos
2ϑ/2.
e)
For ˚a beregne tverrsnittene til disse prosessene er det best ˚a g˚a til massesentersystemet. Skisser hvordan du vil g˚a fram for ˚a finne energieneωcogEctil henholdsvis foton og proton i massesentersystemet (n˚ar ω,E, og cosϑer kjent).I massesentersystemet m˚ a vi ha
p
cγ= (ω
c, 0, 0, − ω
c), p
cp= (E
c, 0, 0, ω
c), med E
c= q
ω
c2+ m
2p. Dette gir oss to uttrykk for den Lorentz invariante størrelsen q
2q
2= m
2p+ 4ωE
pcos
2ϑ/2 =
ω
c+ q
ω
c2+ m
2p2, (11)
som kan løses med hensyn p˚ a ω
c.
Kommentar: Denne løsningen blir ωc2=
`q2−m2p
´2
4q2 = 4ω2Ep2cos4ϑ/2 m2p+ 4ωEpcos2ϑ/2, men husk at dette er utledet under forutsetning om atEpmp.
Oppgave 3.
Den normerte spinn-flavor bølgefunksjonen for ∆++med spinnSz= 32 er gitt som
|∆++ 32i=|u↑i|u↑i|u↑i. (12)
a)
Finn den normerte spinn-flavor bølgefunksjonen for ∆+ med spinnSz =32.Vi anvender isospinn stigeoperatoren I
−= I
1−+ I
2−+ I
3−p˚ a ligning (12), og normerer for h˚ and. Dette gir
| ∆
+ 32i = q
1
3
( | d ↑i | u ↑i | u ↑i + | u ↑i | d ↑i | u ↑i + | u ↑i | u ↑i | d ↑i ) . (13) b)
Finn den normerte spinn-flavor bølgefunksjonen for ∆+ med spinnSz =12.Vi anvender spinn stigeoperatoren S
−= S
1−+ S
2−+ S
−3p˚ a ligning (13), og normerer for h˚ and. Dette gir
| ∆
+ 12i = 1
3 ( | d ↓i | u ↑i | u ↑i + | d ↑i | u ↓i | u ↑i + | d ↑i | u ↑i | u ↓i ) + 1
3 ( | u ↓i | d ↑i | u ↑i + | u ↑i | d ↓i | u ↑i + | u ↑i | d ↑i | u ↓i ) (14) + 1
3 ( | u ↓i | u ↑i | d ↑i + | u ↑i | u ↓i | d ↑i + | u ↑i | u ↑i | d ↓i ) . c)
Det magnetiske momentet til et baryon med spinn-flavor bølgefunksjon|Ψier definert somµz=hΨ|X
i
eQi
2mi
Siz|Ψi, (15)
der summen er over de tre posisjonene i bølgefunksjonen. (Merk atQi, mi ogSiz eroperatorer som tar forskjellige verdier avhengig av hvilke tilstander de virker p˚a.)
Finn det magnetiske momentet til ∆++med spinnSz= 32. Angi svaret i enheter av kjernemagnetonen, µkm=2me
p.
Oppgitt:Du kan anta atmu=md= 336 MeV.
µ
z= 2
3 × 1 2 + 2
3 × 1 2 + 2
3 × 1 2
e 2m
u= m
pm
ue 2m
p= 2.795 µ
km. (16) d)
Finn det magnetiske momentet til ∆+med spinnSz=12.µ
z=
19−
13× −
12+
23×
12+
23×
13× 3 + −
13×
12+
23× −
12+
23×
12× 6
e 2mu
= 1 6
m
pm
ue 2m
p= 0.466 µ
km. (17)
Tips til punkt a–b):Bruk stigeoperatorene.
! "$#%'&
()+*-,/.021435,4687"9;:8<8=4>;?@,A:B02CDCFEG,HEG0I?KJA35LM3ON6P0I<BEG,Q>K.R6S>;<8TU:B?SE,43VL
>K?;=UWACDXK?P,QJQEG:B?P3
YZ\[]\^_2`a\bdce]%feZZ\[`gh\ig`[Zj]$bkil]me`[ZZklZno]me$prq!prsmtMu%Z]%vu%g]mio[!wpmxy!xwozZ\eM{|o}k~re]rcol5{$ |o}k~r
$
F I
o
u%Z\`
{
|\
`gim
$
o
u%Z\`
M{
~
d
{
~r
|\
`giGu%Z\`Gr
~
~r
`gi
G
+d
I
{~!
M
rok
o" 2¡
2
{$~r¢
d£¤d£¥ 2¡
¦
-§
o
!¨G©
~
¦£
ª§
«
{$~r
$ ª
¦G£
$§ª
¦£
$§dMª
¦ §
umZ\`d ¦
m¬m
m¬m
§
m¬m
u%Z\`
¦
m¬m
m¬m
§
m¬r
{`gi ¦
§
~ © u%Z\`d
¦
§ { `gi
¦
§
~{u%Z\`
¦G®
¬r
®
¬r
§®
¬m
~ © u%Zo`d
u%Z\`
¦ ®
¬r
®
¬r
§
m¬m
{ ~ © u%Z\`
`gi
¦ ®
¬r
®
¬r
§
m¬m
~{u%Z\`
u%Zo`
¦ ®
¬r
®
¬r
§®
¬m
{
~{u%Z\`
`gi
¦ ®
¬r
m¬r
§
m¬m
/
umZ\`M{F~
u%Z\`
¦ ®
¬r
m¬r
§
m¬m
{ u%Z\`
© ~
`gi ¦ § ~ ©
u%Z\`d
'
¦ § { ~ © u%Z\`
`gi
¦
§
¯
`gi
¦ § {
~{°u%Zo`d
`gi
¦ §
~{u%Z\`
¦
§ ~ © u%Z\`
±
u%Z\`d{²~r
¦
§ { `giu%Z\`d
¦
§
~{u%Z\`
u%Z\`
©
~r
¦ §
umZ\`
{
~
+1
5/2 5/2 +3/2
3/2 +3/2 1/5 4/5
4/5
−1/5 5/2
5/2
−1/2 3/5 2/5
−1
−2 3/2
−1/2 2/5 5/2 3/2
−3/2
−3/2 4/5 1/5−4/5
1/5
−1/2
−2 1
−5/2 5/2
−3/5
−1/2 +1/2 +1−1/2 2/5 3/5
−2/5
−1/2 2 +2 +3/2 +3/2
5/2 +5/2 5/2
5/2 3/2 1/2
−1/21/3
−1 +1 0 1/6 +1/2
+1/2
−1/2
−3/2 +1/2
2/5 1/15
−8/15 +1/2 1/10 3/10
3/5 5/2 3/2 1/2
−1/2 1/6
−1/3 5/2
−5/25/2 1 3/2
−3/2
−3/5 2/5
−3/2
−3/2 3/5 2/5 1/2
−1
−1 0
−1/2 8/15
−1/15
−2/5
−1/2
−3/2
−1/2 3/10 3/5 1/10 +3/2
+3/2 +1/2
−1/2 +3/2 +1/2 +2+1
+2 +1
0 +1
2/5 3/5
3/2 3/5
−2/5
−1 +1 0 +3/2 +1 1
+3
+1 1 0
3 1/3 +2
2/3 2 3/2
3/2 1/3 2/3 +1/2
−01 1/2 +1/2 2/3
−1/3
−1/2 +1/2 1 +1 1
0 1/2 1/2
−1/2 0 0 1/2
−1/2 1 1
−1
−1/2 1 1
−1/2 +1/2 +1/2+1/2
+1/2
−1/2
−1/2
+1/2 −1/2
−1 3/2
2/3 3/2
−3/2 1 1/3
−1/2
−1/2 1/2
−1/32/3 +1+1/2
+1 0
+3/2
2/3 3
3
3
3 3
−1 1
−2
−3 2/3 1/3
−2 2 1/3
−2/3
−2 0
−1
−2
−1 0 +1
−1 2/5 8/15 1/15
2
−1
−1
−2
−1 0 1/2
−1/6
−1/3 1
−1 1/10
−3/10 3/5 0
2 0
1 0 3/10
−2/5 3/10 0 1/2
−1/2 1/5 1/5 3/5 +1
+1
−1 0 0
−1 +1 1/15 8/15 2/5
2
+2 2 +1 1/2 1/2
1 1/2 2
0 1/6 1/6 2/3
1
1/2
−1/2 0
0 2
2
−2
−1 1
−1 1
−1 1/2
−1/2
−1 1/2 1/2 0 0
0
−1 1/3 1/3
−1/3
−1/2 +1
−1
−1 0 +1
0 0
+1
−1 2 1 0 0+1 +1 +1
+1 1/3 1/6
−1/2 1 +1 3/5
−3/10 1/10
−1/3
−1 +1 0
0 +2 +1 +2 3
+3/2
+1/2 +1
1/4 2
2
−1 1
2
−2 1
−1 1/4
−1/2 1/2
1/2
−1/2−1/2 +1/2
−3/2
−3/2 1/2
1 0 0 3/4 +1/2
−1/2 −1/2 2
+1 3/4
3/4
−3/4 1/4
−1/2 +1/2
−1/4 1
+1/2−1/2 +1/2 1
+1/2 3/5
0
−1 +1/2 0
+1/2 3/2 +1/2 +5/2
+2 −1/2 +1/2 +2
+1 +1/2 1
2×1/2
3/ 2×1/2
3/ 2×1 2×1
1×1/2 1/ 2×1/2
1×1
Notation: MJ MJ ...
...
.. . .. . m1 m2
m1 m2 Coefficients
−1/5 2
2/7 2/7
−3/7 3 1/2
−1/2
−1
−2
−2
−1
0 4
1/2 1/2
−3 3
−1/21/2
−2 1
−4 4
−2 1/5
−27/70 +1/2 +7/27/2 7/2
+5/2 3/7 4/7 +2 +1 0 1 +2 +1
+4 1
4 4 +2 3/14 3/14 4/7
+2 1/2
−1/2 0
+2
−1 0 +1 +2 +2 +1
−01
3 2
4 1/14
1/14 3/7 3/7 +1
3
1/5
−1/5 3/10
−3/10 +1
2
+2 +1 0
−1
−2
−2
−1 0 +1 +2 3/7
3/7
−1/14
−1/14 +1
1
4 3 2
2/7
2/7
−2/7 1/14
1/14 4
1/14
1/14 3/7 3/7
3 3/10
−3/10
−1/51/5
−1
−2
−2
−1 0
−01
−2
−1 0 +1 +1
−01
−2
−1 2
4 3/14 3/14 4/7
−2 −2 −2 3/7
3/7
−1/14
−1/14
−1 1 1/5
−3/10 3/10
−1
1 0
0 1/70
1/70 8/35 18/35 8/35
0 1/10
−1/10 2/5
−2/5 0
0 0
0 2/5
−2/5
−1/10 1/10
0 1/5 1/5
−1/5
−1/5 1/5
−1/5
−3/10 3/10 +1 2/7
2/7
−3/7 +3
1/2 +2 +1 0 1/2 +2+2
+2 +1+2
+1 +3 1/2
−1/2 0 +1 +2 3 4
+1/2 +3/2 +3/2
+2 +5/2
4/7 7/2 +3/2 1/7 4/7 2/7
5/2 +3/2
+2 +1
−1 0 16/35
−18/35 1/35
1/35 12/35 18/35 4/35 3/2
+3/2 +3/2
−3/2
−1/2 +1/2
−2/52/5 7/2
7/2 4/35 18/35 12/35 1/35
−1/2 5/2 27/70 3/35
−5/14
−6/35
−1/2 3/2
7/2
7/2
−5/2 4/7 3/7
5/2
−5/2 3/7
−4/7
−3/2
−2 2/7
4/7 1/7
−5/23/2
−1
−2 18/35
−1/35
−16/35
−3/2 1/5
−2/5 2/5
−3/2
−1/2
−3/2 3/2
7/2 1
−7/2
−1/2
−2/51/5 0 0
−1
−2 2/5
−1/21/2 1/10 3/10
−1/5
−2/5
−3/2
−1/2 +1/2 5/2 3/2 1/2
+1/2 2/5 1/5
−3/2
−1/2 +1/2 +3/2
−1/10
−3/10 +1/2
2/5
2/5 +1
−01
−2 0 +3
3 +32
2 +2 +3/2 1
+3/2
+1/2+1/2 1/2
−1/2
−1/2 +1/2 +3/2
1/2 3 2
3 0 1/20
1/20 9/20 9/20
2 1
3
−1 1/5 1/5 3/5
2
3 3 1
−3
−2 1/2 1/2
−3/2 2 1/2
−1/2
−3/2
−2
−1 1/2
−1/2
−1/2
−3/2 0
1
−1 3/10 3/10
−2/5
−3/2
−1/2 0
0 1/4
−1/41/4
−1/4 0 9/20
9/20 +1/2
−1/2
−3/2
−1/20
−1/20 0 1/4 1/4
−1/4
−1/4
−3/2
−1/2 +1/2 1/2
−1/2 0
1 3/10 3/10
−3/2
−1/2 +1/2 +3/2 +3/2 +1/2
−1/2
−3/2
−2/5 +1 +1 +1 1/5 3/5 1/5 1/2 +3/2 +1/2
−1/2 +3/2 +3/2
−1/5 +1/2 6/35 5/14
−3/35 1/5
−3/7
−1/2 +1/2 +3/2
2×3/2 5/2
2×2
3/ 2×3/2
−3
³´µd¶·¸+¹º»¼d^½¾k]`gh\i5u%Z\in\]mi[gZ\ig`[¾c[Z\z¿Dghoik]me
rÀ
sÁ\ÂrÃÄÅp%Ásmtw_Mumc\l]rÆguMÇe]m``!wdY]mÈÊÉZ\eËw~rÌ\oÌ\mwkcÍ`Zbk`]rlOjÎ+ÏZoilZ\icilOоkZ\e[Í]mÎ
ÄÅp
ÄÅp%ÁsmtÁÑÒMÓÁ\Ô-ÕÖM×\ÃkpÖmÓsØ\wkÏc\Æjkeglkh\]ÙikgndÇe]m``!wdY]mÈDÉZ\eËdw~rÌo
mwÚZ\`] ÛÜ
pmÔ+pmÝÓØsmtÄÅp%Ásmt+ÁÑÒÝyÂ
Ü
ØsMÞ5ÁÔ+pmÝÓÂoÔwk¿DgÍ]mÎwoY]mÈDÉZ\eËdw~rÌo\ß\mw
cilOÏZ\¾k]mi
ÄØ\à
Ü
p%áMÁÑMÓÅkp$â
Ü
p!à%árÖ%Åoã
À
Ás%ä\ØÝ°âÁrpåDÖrÕpmÝÓá%wkYZoe[¾O_Æ]megumc\iÚZkuËÈ]mÍÍ"Ðku%g]miu%]-Ï]mi[]merwk½¾kZobk`cilOæMc\Ëo`!wÏcÍgzwk~rÌoßor½¾k]$u%Zo]%vu%g]mi[`