structure of nucleons

8/7/2019 structure of nucleons

1/15

NUCL-TH

-9403014

D O E / E R / 4 0 4 2 7 - 0 8 - N 9 4

M E S O N S A N D T H E S T R U C T U R E O F N U C L E O N S *

W . K O E P F

1 y z

, E . M . H E N L E Y

1 2 y

, a n d M . A L B E R G

1 3 y y

1

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , F M - 1 5 , U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n

S e a t t l e , W a s h i n g t o n 9 8 1 9 5 U S A

2

I n s t i t u t e f o r N u c l e a r T h e o r y , H N - 1 2 , U n i v e r s i t y o f W a s h i n g t o n

S e a t t l e , W a s h i n g t o n 9 8 1 9 5 U S A

3

D e p a r t m e n t o f P h y s i c s , S e a t t l e U n i v e r s i t y , S e a t t l e , W A 9 8 1 2 2 U S A

A B S T R A C T

T h e r o l e o f m e s o n s , p a r t i c u l a r l y t h e p i o n , i n t h e s t r u c t u r e o f n u c l e o n s i s r e -

v i e w e d a n d i n v e s t i g a t e d . S i n c e q u a r k - a n t i q u a r k p a i r s a r e l i k e l y t o \ t r a n s f o r m " i n t o

m e s o n s a t l a r g e d i s t a n c e s , m e s o n s a r e e x p e c t e d t o c o n t r i b u t e t o n u c l e o n s t r u c t u r e .

T h e i r e e c t s o n t h e G o t t f r i e d s u m r u l e , o n t h e s t r a n g e n e s s c o n t e n t o f t h e n u c l e o n ,

a n d o n t h e s p i n o f t h e n u c l e o n a r e d i s c u s s e d .

1 . I n t r o d u c t i o n

E v e r s i n c e t h e p o s t u l a t i o n o f m e s o n s b y Y u k a w a i n 1 9 3 4 , a n d t h e d i s c o v e r y o f

t h e p i o n i n 1 9 4 7 , i t h a s b e e n c l e a r t h a t m e s o n s p l a y a c r u c i a l r o l e i n t h e s t r u c t u r e

o f t h e n u c l e o n a n d i n h a d r o n i c f o r c e s . T h e l o n g r a n g e p a r t o f t h e n u c l e o n - n u c l e o n

i n t e r a c t i o n i s c l e a r l y d o m i n a t e d b y m e s o n e x c h a n g e s . T h e p u z z l e o f t h e s h o r t -

d i s t a n c e b e h a v i o r o f n u c l e a r f o r c e s h a s b e e n r e p l a c e d b y o u r l a c k o f k n o w l e d g e o f

t h e t r a n s i t i o n f r o m q u a r k s a n d g l u o n s t o n u c l e o n s a n d m e s o n s . A l t h o u g h i t i s n o w

a c c e p t e d t h a t Q C D i s t h e b a s i s o f h a d r o n i c f o r c e s , t h e t r a n s l a t i o n o f t h a t k n o w l e d g e

t o c a l c u l a t i o n s o f h a d r o n i c p r o p e r t i e s i s b e s e t b y d i c u l t i e s . T h u s , m o d e l s o f t h e

* I t i s a n h o n o r f o r u s t o d e d i c a t e t h i s a r t i c l e t o t h e m e m o r y o f B o b M a r s h a k ,

w h o w a s a d i r e c t i n s p i r a t i o n t o o n e o f u s a n d a m e n t o r t o m a n y y o u n g p h y s i c i s t s .

y

S u p p o r t e d i n p a r t b y t h e D e p a r t m e n t o f E n e r g y , G r a n t N o . D E - F G 0 6 - 8 8 E R 4 0 4 2 7 .

z

S u p p o r t e d i n p a r t b y t h e D e u t s c h e F o r s c h u n g s g e m e i n s c h a f t a n d b y t h e F e o d o r -

L y n e n p r o g r a m o f t h e A l e x a n d e r v o n H u m b o l d t - S t i f t u n g .

y y

S u p p o r t e d i n p a r t b y t h e N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n , G r a n t N o . P H Y - 9 2 2 3 6 1 8 .

1


2/15

s t r u c t u r e o f n u c l e o n s a b o u n d . M a n y o f t h e s e m o d e l s m a k e u s e o f c o n s t i t u e n t q u a r k s ,

w h i c h r e p r e s e n t q u a r k s \ d r e s s e d " w i t h g l u o n s a n d q u a r k - a n t i q u a r k p a i r s . S i n c e

m e s o n s a r e c o m p o s e d o f t h e s e p a i r s , i t i s n a t u r a l t o b e l i e v e t h a t a t l a r g e d i s t a n c e s

( 1 f m ) t h e q u a r k - a n t i q u a r k p a i r s b e c o m e m e s o n s . D i r e c t e v i d e n c e f o r t h e r o l e o f

t h e p i o n i n n u c l e o n s t r u c t u r e c o m e s , f o r i n s t a n c e , f r o m t h e c h a r g e f o r m f a c t o r o f

t h e n e u t r o n , G

n

E

, a t s m a l l m o m e n t u m t r a n s f e r s .

1

T h e n e g a t i v e c h a r g e o f t h e p i o n

( n ! p

) i s r e s p o n s i b l e f o r t h e l o n g r a n g e p a r t o f t h e c h a r g e d i s t r i b u t i o n a n d

a c c o u n t s f o r t h e e x p e r i m e n t a l l y o b s e r v e d n e g a t i v e c h a r g e r a d i u s o f t h e n e u t r o n .

F u r t h e r e v i d e n c e f o r t h e r o l e o f m e s o n s i n n u c l e o n s t r u c t u r e i n c l u d e s a ) t h e

s u c c e s s o f m o d e l s i n w h i c h t h e y p l a y a n e x p l i c i t r o l e , s u c h a s t h e c l o u d y b a g m o d e l ;

1

a n d b ) t h e e x p e r i m e n t a l v a l u e f o r t h e G o t t f r i e d s u m r u l e .

2

I n a d d i t i o n , t h e E M C -

i n s p i r e d \ s p i n c r i s i s " l e d t o t h e p r o p o s i t i o n t h a t s t r a n g e q u a r k s c o n t r i b u t e n o n -

n e g l i g i b l y t o t h e s p i n o f t h e n u c l e o n a n d t h a t o n l y a s m a l l f r a c t i o n o f t h e n u c l e o n ' s

s p i n i s d u e t o t h e v a l e n c e q u a r k s .

3 4

T h e s e c o n j e c t u r e s b r o u g h t a b o u t s u g g e s t i o n s

f o r f u r t h e r e x p e r i m e n t s t o m e a s u r e t h e s t r a n g e n e s s \ c o n t e n t " o f t h e n u c l e o n

5 7

a n d

t h e c o r r e s p o n d i n g u n k n o w n f o r m f a c t o r s ;

7

t h e y a l s o l e d t o c a l c u l a t i o n s o f t h e m e s o n

c o n t r i b u t i o n t o t h e s t r a n g e n e s s o f t h e n u c l e o n ,

8

a n d t o m o r e r e c e n t m e a s u r e m e n t s

i n d e e p i n e l a s t i c s c a t t e r i n g o n

3

H e a n d d e u t e r o n s .

9

I n t h i s p a p e r w e i n t e n d t o r e v i e w a n d e x p a n d o n s o m e o f t h i s w o r k .

2 . M e s o n s a n d t h e G o t t f r i e d S u m R u l e

T h e G o t t f r i e d s u m r u l e r e l a t e s t o t h e F

2

s t r u c t u r e f u n c t i o n s o f t h e p r o t o n a n d

n e u t r o n

1 0

,

S

G

=

Z

1

0

d x

[ F

p

2

( x ) F

n

2

( x )

x

; ( 1 )

w h e r e F

2

i s d e t e r m i n e d f r o m d e e p i n e l a s t i c c h a r g e d ( o r e ) l e p t o n - n u c l e o n s c a t t e r -

i n g . I n t h e q u a r k - p a r t o n m o d e l , S

G

c a n b e w r i t t e n a s

S

G

=

X

i

e

i

e

2

Z

1

0

[ q

p

i

( x ) + q

p

i

( x ) q

n

i

( x ) q

n

i

( x ) d x ; ( 2 )

w h e r e e

i

= e i s t h e c h a r g e o f q u a r k i i n u n i t s o f t h e e l e m e n t a r y c h a r g e . S i n c e c h a r g e

s y m m e t r y h a s b e e n s h o w n t o b e v a l i d f o r h a d r o n s t o


3/15

w h e r e t h e l a s t i n t e g r a l i s t h e s e a q u a r k c o n t r i b u t i o n . T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t o f t h e

N M C g r o u p ,

2

S

G

0 2 4 0 0 0 1 6 a t Q

2

= 5 G e V

2

, l e a d s t o t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e r e

a r e m o r e

d q u a r k s t h a n u q u a r k s i n t h e s e a o f t h e p r o t o n ( q = 0 2 8 0 0 0 4 8 ) ,

u n l e s s c h a r g e s y m m e t r y f a i l s . T h i s r e s u l t a p p e a r s a t r s t s i g h t t o b e a p u z z l e ,

s i n c e g l u o n s w o u l d b e e x p e c t e d t o g e n e r a t e a n e q u a l n u m b e r o f u u a n d d

d p a i r s

i f q u a r k m a s s d i e r e n c e e e c t s a r e n e g l e c t e d . H o w e v e r , a s r s t p o i n t e d o u t b y

F i e l d a n d F e y n m a n ,

1 1

t h e P a u l i e x c l u s i o n p r i n c i p l e , a l o n e , w o u l d g i v e a n e x c e s s

o f d

d p a i r s o v e r u u p a i r s i n t h e p r o t o n s e a s i n c e t h e r e a r e a l r e a d y t w o v a l e n c e u

q u a r k s a n d o n l y o n e d q u a r k i n t h e p r o t o n . H o w e v e r , i t i s d o u b t f u l t h a t t h i s e e c t

w o u l d l e a d t o a s l a r g e a r e d u c t i o n o f S

G

a s o b s e r v e d . O n t h e o t h e r h a n d , t h e

p i o n c l o u d c o n t r i b u t i o n a l s o a e c t s S

G

. A l t h o u g h t h e

0

h a s a n e q u a l n u m b e r o f

u a n d

d q u a r k s , t h e p r o t o n h a s a n e x c e s s o f

+

( u

d ) o v e r

( d u ) a n d t h u s m o r e

d

q u a r k s t h a n u q u a r k s .

1 2

O f c o u r s e , w h e n t h e

+

i s \ i n t h e a i r " , t h e v a l e n c e q u a r k

d i s t r i b u t i o n o f t h e p r o t o n i s a l t e r e d ; h o w e v e r , f o r s m a l l x , t h e d i s t i n c t i o n b e t w e e n

v a l e n c e a n d s e a q u a r k s i s d i c u l t t o m a i n t a i n . O n t h e c o n s t i t u e n t q u a r k l e v e l ,

t h e a b o v e p r o c e s s i s u ! d + ( u

d ) S i n c e t h e r e a r e m o r e u q u a r k s t h a n d q u a r k s

( d ! u + d u ) , t h e s a m e a s y m m e t r y h o l d s a t t h e c o n s t i t u e n t q u a r k l e v e l .

F i g u r e 1 . T h e p i o n c l o u d c o n t r i b u t i o n t o t h e p r o t o n s t r u c t u r e f u n c t i o n

i n d e e p i n e l a s t i c s c a t t e r i n g f r o m t h e p ! N + p r o c e s s .

T h e m e s o n c l o u d c o n t r i b u t i o n t o t h e s t r u c t u r e f u n c t i o n w a s c o n s i d e r e d b y

S u l l i v a n

1 3

o v e r 2 0 y e a r s a g o a n d h a s r e c e i v e d c o n s i d e r a b l e r e v i v e d i n t e r e s t i n t h e

p a s t f e w y e a r s .

1 2 1 4

T h e p i o n i c c o n t r i b u t i o n , F i g s . 1 a n d 2 , t o t h e p r o t o n s t r u c t u r e

f u n c t i o n i n d e e p i n e l a s t i c s c a t t e r i n g c a n b e w r i t t e n a s a c o n v o l u t i o n

1 2 1 4

o f t h e

p i o n s t r u c t u r e f u n c t i o n , F

2

, a n d i t s m o m e n t u m d i s t r i b u t i o n , f

, i n t h e i n n i t e

3


4/15

F i g u r e 2 . S a m e a s F i g . 1 , b u t f r o m t h e p ! + p r o c e s s .

m o m e n t u m f r a m e . W e n d ,

F

p

2

( x ) =

Z

1

x

d y f

( y ) F

2

x

y

; Q

2

+

Z

1 x

0

d y f

( y ) F

N

2

x

1 y

; Q

2

; ( 4 )

f

( y ) =

3 g

2

N

( 4 )

2

Z

1

M

2

y

1 y

t

( t + m

2

)

F

2

N

( t ) d t ; ( 5 )

w h e r e g

N

i s t h e p i o n - n u c l e o n c o u p l i n g c o n s t a n t , M t h e n u c l e o n m a s s , a n d F

N

i s t h e p i o n - n u c l e o n f o r m f a c t o r . T h e r s t t e r m i n E q . ( 4 ) c o m e s f r o m F i g . 1 a

a n d t h e s e c o n d o n e f r o m F i g . 1 b , w h e r e t h e p h o t o n c o u p l e s t o t h e r e c o i l n u c l e o n .

I n o u r a p p r o a c h , w h e n t h e d i e r e n c e b e t w e e n a p r o t o n a n d n e u t r o n i s t a k e n , t h e

s y m m e t r y o f a p h o t o n s t r i k i n g t h e

+

i n t h e p r o t o n a n d t h e

i n t h e n e u t r o n

c a n c e l s t h i s c o n t r i b u t i o n t o t h e G o t t f r i e d s u m r u l e a n d l e a v e s o n l y t h e c o n t r i b u t i o n

o f t h e s e c o n d t e r m i n E q . ( 4 ) , s h o w n i n F i g . 1 b .

I n a d d i t i o n t o t h e c o n t r i b u t i o n o f F i g . 1 t o t h e s t r u c t u r e f u n c t i o n , p i o n e m i s s i o n

f r o m a n u c l e o n c a n l e a d t o e x c i t e d s t a t e s . T h e m o s t i m p o r t a n t o f t h e s e i s l i k e l y

t o b e t h a t o f l o w e s t e n e r g y , t h e , w h e r e p !

+ +

;

+

0

,

0

+

a n d n !

+

;

0

0

. H e r e , t h e c o n t r i b u t i o n o f t h e p i o n c l o u d , s h o w n i n F i g s . 2 a a n d 2 b ,

t e n d s t o i n c r e a s e S

G

a b o v e 1 / 3 . T h e c o n t r i b u t i o n t o F

2

i s s i m i l a r t o E q s . ( 4 ) a n d

( 5 ) w i t h N r e p l a c e d b y . T h e s t r u c t u r e f u n c t i o n o f t h e i s l e s s w e l l k n o w n t h a n

t h a t o f t h e n u c l e o n a n d t h e p i o n a n d t h u s t h e r e i s m o r e u n c e r t a i n t y i n c a l c u l a t i n g

t h i s c o n t r i b u t i o n . H o w e v e r , i t i s e x p e c t e d t o b e s m a l l e r d u e t o t h e m a s s d i e r e n c e

o f t h e n u c l e o n a n d d e l t a s t a t e s w h i c h i n c r e a s e s t h e m i n i m u m v a l u e o f t i n E q . ( 5 ) t o

[ M

2

( 1 y ) M

2

y = ( 1 y ) . W e n e g l e c t h i g h e r m a s s r e s o n a n c e s a n d o t h e r m e s o n s .

4


5/15

I f w e i n c l u d e t h e p i o n c o n t r i b u t i o n , t h e d r e s s e d n u c l e o n s t a t e f u n c t i o n N i i s

N i =

p

N

n

N ) +

p

n

N ) +

p

)

o

; ( 6 )

w h e r e N ) i s a b a r e n u c l e o n . T h e s t r u c t u r e f u n c t i o n F

2

i s t h e n r e n o r m a l i z e d b y

t h e f a c t o r N = ( 1 + n

+

)

1

, w i t h n

=

R

1

0

d y f

( y ) d y a n d s i m i l a r l y f o r

T h e t e c h n i c a l d e t a i l s a r e d e s c r i b e d i n R e f s . 1 2 - 1 4 . W i t h t h e s e a p p r o x i m a t i o n s , t h e

G o t t f r i e d s u m r u l e b e c o m e s

S

G

= N

1

3

n

9

+

5

9

( 7 )

T h e n u m e r i c a l v a l u e o f S

G

d e p e n d s o n t h e f o r m f a c t o r F

N

; t h e h i g h e r t h e e f -

f e c t i v e m o m e n t u m c u t o , t h e l a r g e r t h e r e d u c t i o n o f S

G

f r o m 1 / 3 ; t h e e x p e r i m e n t a l

v a l u e o f 0 . 2 4 c a n b e r e a c h e d f o r a c u t o o f 1 . 5 G e V .

I n o u r o p i n i o n , t h e t w o m e c h a n i s m s , t h e P a u l i p r i n c i p l e a n d t h e p i o n c l o u d ,

o e r n a t u r a l e x p l a n a t i o n s f o r t h e m e a s u r e d r e d u c t i o n o f t h e G o t t f r i e d s u m r u l e f r o m

t h e a n t i c i p a t e d v a l u e o f 1 / 3 .

R e c e n t e x p e r i m e n t s h a v e a t t e m p t e d t o m e a s u r e t h e p i o n c o n t r i b u t i o n t o t h e

e x c e s s o f

d ( o v e r u ) q u a r k s i n a D r e l l - Y a n r e a c t i o n .

1 5

A l t h o u g h n o a s y m m e t r y f r o m

t h e p i o n s w a s o b s e r v e d , t h i s c o n c l u s i o n m a y n o t b e i n c o n s i s t e n t w i t h t h e r e s u l t s o f

t h e N M C g r o u p a n d o u r i n t e r p r e t a t i o n t h e r e o f .

1 6

3 . M e s o n s a n d S t r a n g e n e s s i n t h e N u c l e o n

T h e r e h a s b e e n c o n s i d e r a b l e i n t e r e s t i n t h e s t r a n g e n e s s m a t r i x e l e m e n t s i n t h e

n u c l e o n , s p a r k e d , o n t h e o n e h a n d , b y a d e t e r m i n a t i o n o f t h e s t r a n g e q u a r k s c a l a r

d e n s i t y , h N s s N i , f r o m t h e p i o n - n u c l e o n s i g m a t e r m . A l t h o u g h t h e i n t e r p r e t a t i o n

o f t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s h a s b e e n t h e s o u r c e o f m u c h d e b a t e ,

1 7

i t p o i n t s a t a

s i z e a b l e v a l u e o f h N s s N i , w h i c h , i n t u r n , m a y b e t h e r e a s o n b e h i n d v i o l a t i o n s

o f t h e O Z I r u l e o b s e r v e d i n t h e p p ! + X r e a c t i o n .

1 8

K n o w l e d g e o f t h e m a t r i x

e l e m e n t h N s s N i w o u l d a l s o b e o f i m p o r t a n c e i n d e t e r m i n i n g t h e c r i t i c a l d e n s i t y f o r

k a o n c o n d e n s a t i o n i n d e n s e n u c l e a r m a t t e r a n d h e n c e f o r t h e o c c u r r e n c e o f e n h a n c e d

s t r a n g e p a r t i c l e p r o d u c t i o n i n h e a v y i o n c o l l i s i o n s .

1 9

I n a d d i t i o n , t h e r e e x i s t s e x p e r i m e n t a l e v i d e n c e f o r a n o n - v a n i s h i n g s t r a n g e

q u a r k a x i a l v e c t o r m a t r i x e l e m e n t , h N s

5

s N i , t h r o u g h t h e B N L l o w - e n e r g y

e l a s t i c n e u t r i n o - p r o t o n c r o s s s e c t i o n s

2 0

a s w e l l a s f r o m t h e E M C m e a s u r e m e n t s

3

o f

t h e s p i n d e p e n d e n t s t r u c t u r e f u n c t i o n o f t h e p r o t o n i n d e e p i n e l a s t i c s c a t t e r i n g o f

p o l a r i z e d m u o n s o n p o l a r i z e d h y d r o g e n . T h e l a t t e r d e t e r m i n a t i o n o f t h e s t r a n g e

5


6/15

a x i a l v e c t o r f o r m f a c t o r r e l i e s o n S U ( 3 ) s y m m e t r y a r g u m e n t s , a n d i t h a s b e e n r e -

e x a m i n e d t h r o u g h m e a s u r e m e n t s c a r r i e d o u t r e c e n t l y b y t h e S M C

2 1

a n d t h e E 1 4 2

2 2

g r o u p s o n d e e p i n e l a s t i c s c a t t e r i n g o f p o l a r i z e d l e p t o n s o n a p o l a r i z e d d e u t e r o n a n d

3

H e t a r g e t , r e s p e c t i v e l y . S e e R e f s . 9 a n d 2 3 f o r c l e a r d i s c u s s i o n s o n t h i s t o p i c .

F u r t h e r m o r e , t h e g o a l o f t h e S A M P L E e x p e r i m e n t p r e s e n t l y u n d e r w a y a t M I T -

B a t e s

2 4

a s w e l l a s o f t h r e e o t h e r e x p e r i m e n t s e m p l o y i n g p a r i t y v i o l a t i n g e l e c t r o n

s c a t t e r i n g o n e i t h e r p r o t o n s o r

4

H e p l a n n e d f o r C E B A F

2 5

i s t o c o n s t r a i n t h e s t r a n g e

q u a r k v e c t o r m a t r i x e l e m e n t , h N s

s N i . A l s o , a n e w d e t e r m i n a t i o n o f t h e s t r a n g e

q u a r k a x i a l v e c t o r f o r m f a c t o r a t a s i g n i c a n t l y l o w e r m o m e n t u m t r a n s f e r t h a n i n t h e

o r i g i n a l B N L m e a s u r e m e n t s i s e x p e c t e d f r o m t h e L S N D e x p e r i m e n t a t L A M P F ,

2 6

a n d t h e r e a r e f u r t h e r s u g g e s t i o n s f o r e v e n m o r e e x o t i c m e a s u r e m e n t s o f t h e v a r i o u s

s t r a n g e q u a r k m a t r i x e l e m e n t s i n t h e n u c l e o n .

5

F r o m a t h e o r e t i c a l s t a n d p o i n t , t h e e x i s t e n c e o f s i g n i c a n t s t r a n g e q u a r k m a t r i x

e l e m e n t s i n t h e n u c l e o n i s r a t h e r s u r p r i s i n g , e s p e c i a l l y i n t h e l i g h t o f t h e s u c c e s s w i t h

w h i c h n a i v e c o n s t i t u e n t q u a r k m o d e l s { w h i c h i n h e r e n t l y d i s r e g a r d t h e e x i s t e n c e

o f a n y \ s t r a n g e n e s s " i n t h e n u c l e o n { a c c o u n t f o r m o s t l o w - e n e r g y p r o p e r t i e s o f

t h e b a r y o n i c o c t e t . I n a r e c e n t a r t i c l e , K a r l p o i n t e d o u t t h a t t h e r e i s a c t u a l l y

n o c o n t r a d i c t i o n b e t w e e n t h e b a r y o n m a g n e t i c m o m e n t s a n d t h e e x i s t e n c e o f n o n -

v a n i s h i n g s t r a n g e n e s s m a t r i x e l e m e n t s i n t h e n u c l e o n , e v e n i n a c o n s t i t u e n t q u a r k

p i c t u r e , i f o n e i s w i l l i n g t o a c c e p t t h a t t h e c o n s t i t u e n t q u a r k s t h e m s e l v e s h a v e a

n o n - t r i v i a l s t r u c t u r e .

2 7

S t e i n i n g e r a n d W e i s e s h o w e d t h a t s u c h a p i c t u r e a r i s e s q u i t e

n a t u r a l l y i n a c h i r a l q u a r k m o d e l ,

2 8

a n d K a p l a n a n d M a n o h a r p o i n t e d o u t t h a t a

d i e r e n t m u l t i p l i c a t i v e r e n o r m a l i z a t i o n i n d i e r e n t a v o r S U ( 3 ) r e p r e s e n t a t i o n s a s

g e n e r a t e d b y t h e U

A

( 1 ) a x i a l a n o m a l y c a n l e a d t o a n o n - t r i v i a l a v o r s t r u c t u r e o f

t h e c o n s t i t u e n t q u a r k s , a n d h e n c e t o s t r a n g e q u a r k m a t r i x e l e m e n t s i n n o n - s t r a n g e

h a d r o n s .

4

A s i d e f r o m t h o s e m o r e q u a l i t a t i v e t h a n q u a n t i t a t i v e i n v e s t i g a t i o n s , t h e r e e x i s t s ,

h o w e v e r , o n l y a h a n d f u l o f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s t h a t p r e s e n t a n e s t i m a t e o f t h e

s t r a n g e n e s s m a t r i x e l e m e n t s o f t h e n u c l e o n . T h e r e i s J a e ' s p o l e a n a l y s i s

2 9

w h e r e

t h e s t r a n g e n e s s r a d i u s a n d t h e s t r a n g e q u a r k m a g n e t i c m o m e n t w e r e o b t a i n e d u s i n g

t h r e e - p o l e d i s p e r s i o n t h e o r y t s t o t h e n u c l e o n ' s i s o s c a l a r f o r m f a c t o r , t o g e t h e r

w i t h a s t a n d a r d t r e a t m e n t o f t h e - ! m i x i n g a n d s o m e m i l d a s s u m p t i o n s o n t h e

a s y m p t o t i c b e h a v i o r o f t h e n u c l e o n f o r m f a c t o r s . S i m i l a r i d e a s w e r e u t i l i z e d i n a

c a l c u l a t i o n b y C o h e n e t a l . ,

3 0

w h e r e t h e a u t h o r s c o n s i d e r t h e s t r a n g e n e s s v e c t o r

c u r r e n t i n t h e n u c l e o n a s g e n e r a t e d t h r o u g h t h e - ! m i x i n g i n a m o d e l b a s e d o n

v e c t o r m e s o n d o m i n a n c e ( V M D ) . I n a d d i t i o n , t h e r e a r e b o t h S k y r m e

3 1

a s w e l l a s

6


7/15

k a o n l o o p m o d e l

8 3 2 3 3

e s t i m a t e s o f t h e v a r i o u s s t r a n g e q u a r k m a t r i x e l e m e n t s i n

t h e n u c l e o n .

I n t h e f o l l o w i n g , w e w i l l c o n c e n t r a t e o n t h e a m o u n t o f i n t r i n s i c s t r a n g e n e s s

w h i c h i s g e n e r a t e d i n t h e n u c l e o n t h r o u g h i t s v i r t u a l k a o n c l o u d , i . e . , b y m e a n s

o f t h e d i s s o c i a t i o n o f a n u c l e o n i n t o a s t r a n g e b a r y o n p l u s a k a o n , a s e . g . , b y t h e

p r o c e s s

p ! + K

+

! p ( 8 )

I n s u c h a p i c t u r e , o n e s h o u l d n o t a t a l l b e s u r p r i s e d t h a t s t r a n g e q u a r k m a t r i x

e l e m e n t s a r e n o n - v a n i s h i n g , s i n c e t h e r e e x i s t s u b s t a n t i a l

J

s

= s s c o u p l i n g s ( w i t h

= 1 ,

o r

5

) t o t h e k a o n a s w e l l a s t o t h e s t r a n g e h y p e r o n s o f t h e b a r y o n i c

o c t e t a n d d e c u p l e t . I n R e f s . 8 , 3 2 , a n d 3 3 , t h e n u c l e o n ' s s t r a n g e q u a r k m a t r i x e l e -

m e n t s w h i c h a r i s e f r o m i t s v i r t u a l k a o n c l o u d w e r e s t u d i e d i n o n e - l o o p c a l c u l a t i o n s ,

a n d e a c h t i m e q u i t e d i e r e n t p r e s c r i p t i o n s f o r t h e e v a l u a t i o n o f t h e r e l e v a n t l o o p

i n t e g r a l s w e r e e m p l o y e d .

I n t h e r s t p a r t o f R e f . 8 , a s i n g l e m e s o n - l o o p m o d e l w a s s t u d i e d i n c o v a r i -

a n t p e r t u r b a t i o n t h e o r y , a n d p s e u d o s c a l a r p o i n t c o u p l i n g s b e t w e e n f r e e n u c l e o n

a n d m e s o n e l d s w e r e u s e d . T h e m e s o n c l o u d c o n t r i b u t i o n t o b o t h t h e u s u a l e l e c -

t r o m a g n e t i c a s w e l l a s t o t h e s t r a n g e m a g n e t i c m o m e n t w a s c a l c u l a t e d , s i n c e t h e

c o r r e s p o n d i n g f o r m f a c t o r , F

2

, i s e x p l i c i t l y n i t e e v e n w i t h o u t a n y c u t o . T h e

m o d e l , w h i c h t r e a t s t h e b a r e h a d r o n s a s p o i n t l i k e s t r u c t u r e l e s s p a r t i c l e s , l e a d s t o

a s i g n i c a n t s t r a n g e n e s s c o n t e n t ( F

s

2

( 0 ) 1 0

N

) b u t i t g i v e s v e r y u n s a t i s f a c -

t o r y r e s u l t s f o r t h e m a g n e t i c m o m e n t s , e s p e c i a l l y i n t h e i s o s c a l a r c h a n n e l . W e n d

I S

p

+

n

= 2 4 , w h i c h i s a n o r d e r o f m a g n i t u d e l a r g e r t h a n t h e e x p e r i m e n t a l

v a l u e o f 0 1 2

T h e k a o n l o o p s i n t h i s m o d e l c o n t r i b u t e a t a s i z e a b l e l e v e l , b e c a u s e t h e r e l e v a n t

i n t e g r a l s a r e d o m i n a t e d b y t h e b a r y o n i c m a s s e s ; y e t t h e m o d e l f a i l s t o p r o v i d e a

q u a n t i t a t i v e d e s c r i p t i o n o f t h e s t a n d a r d e l e c t r o m a g n e t i c p r o p e r t i e s o f t h e n u c l e o n .

T h i s a r i s e s , i n p a r t , b e c a u s e t h e m o d e l d o e s n o t p r o p e r l y t a k e i n t o a c c o u n t t h e u n -

d e r l y i n g n u c l e o n s t r u c t u r e a n d i t s s p a t i a l e x t e n s i o n . W h e n t h e q u a r k s u b - s t r u c t u r e

i s c o n s i d e r e d , i t i s t h e s i z e o f t h e p r o t o n , r a t h e r t h a n i t s m a s s , t h a t d e t e r m i n e s t h e

e e c t i v e m o m e n t u m c u t o .

I n t h e s e c o n d p a r t o f R e f . 8 , t h e a u t h o r s t h u s s t u d y m o d e l s w h i c h i n c l u d e

s u c h a c u t o { a s s e t b y c o n n e m e n t { a n d w h i c h h a v e b e e n s h o w n t o g i v e a v e r y

g o o d d e s c r i p t i o n o f t h e s t a t i c p r o p e r t i e s o f t h e n u c l e o n , n a m e l y a n S U ( 3 ) e x t e n d e d

c l o u d y b a g m o d e l ( C B M )

3 4

a s w e l l a s a c h i r a l n o n - r e l a t i v i s t i c c o n s t i t u e n t q u a r k

m o d e l ( C N R Q M ) .

3 5

T h e o n l y f r e e p a r a m e t e r i n t h e m o d e l { t h e M I T b a g r a d i u s f o r

7


8/15

t h e C B M a n d t h e o s c i l l a t o r l e n g t h f o r t h e c h i r a l n o n - r e l a t i v i s t i c c o n s t i t u e n t q u a r k

m o d e l { w a s a d j u s t e d t o g i v e a n o p t i m a l d e s c r i p t i o n o f t h e s t a n d a r d e l e c t r o m a g n e t i c

o b s e r v a b l e s , i . e . t h e c h a r g e r a d i i a n d m a g n e t i c m o m e n t s o f b o t h t h e n e u t r o n a n d

p r o t o n . P r e d i c t i o n s w e r e t h e n m a d e f o r t h e s t r a n g e q u a r k c o n t r i b u t i o n s t o t h e w e a k

m a g n e t i c f o r m f a c t o r , F

s

2

( 0 ) , t h e s t r a n g e n e s s r a d i u s , h r

2

i

s

, a n d t h e s t r a n g e n e s s a x i a l

v e c t o r m a t r i x - e l e m e n t , g

s

A

. T h e c o r r e s p o n d i n g r e s u l t s , i n c l u d i n g s o m e \ s e a g u l l "

g a u g e i n v a r i a n c e c o r r e c t i o n s w h i c h w e r e n o t c o n s i d e r e d i n t h e o r i g i n a l w o r k i n R e f .

8 , w i l l b e p r e s e n t e d a t t h e e n d o f t h i s s e c t i o n f o r a M I T b a g r a d i u s o f R 1 1 f m

a d j u s t e d t o t t h e e l e c t r o m a g n e t i c o b s e r v a b l e s a n d w h i c h , i n t u r n , c o r r e s p o n d s t o

a n e e c t i v e t h r e e - m o m e n t u m c u t o o f a p p r o x i m a t e l y 0 . 2 G e V . F o r f u r t h e r d e t a i l s

s e e R e f . 8 a n d t h e r e f e r e n c e s t h e r e i n .

I n t h e m e s o n - l o o p c a l c u l a t i o n o f M u s o l f a n d B u r k a r d t ,

3 2

o n t h e o t h e r h a n d ,

n o a t t e m p t w a s m a d e t o r e p r o d u c e t h e e l e c t r o m a g n e t i c f o r m f a c t o r s . R a t h e r , t h e

a u t h o r s e m p l o y a n e e c t i v e m e s o n - n u c l e o n v e r t e x c h a r a c t e r i z e d b y a m o n o p o l e f o r m

f a c t o r

F ( k

2

) =

m

2

2

k

2

2

; ( 9 )

w h e r e t h e u l t r a v i o l e t c u t o p a r a m e t e r i s o b t a i n e d f r o m n u c l e o n - n u c l e o n a n d

n u c l e o n - h y p e r o n s c a t t e r i n g , a n d i s t y p i c a l l y i n t h e r a n g e o f 1 t o 2 G e V . I n a s i m i l a r

e v a l u a t i o n o f t h e k a o n l o o p c o n t r i b u t i o n , H o l s t e i n

8

e q u a t e s t h e U V c u t o p a r a m e t e r

w i t h t h e n u c l e o n m a s s , a n d h e n d s a m o d e r a t e v a l u e f o r t h e s t r a n g e a x i a l v e c t o r

f o r m f a c t o r o f g

s

A

0 1

I n T a b l e 1 , w e s u m m a r i z e t h e v a r i o u s e s t i m a t e s f o r t h e s t r a n g e q u a r k f o r m

f a c t o r s o f t h e n u c l e o n d e d u c e d b o t h f r o m e x p e r i m e n t s a s w e l l a s f r o m s o m e o f

t h e t h e o r e t i c a l m o d e l c a l c u l a t i o n s d i s c u s s e d a b o v e . R e c e n t l y , P h a t a k a n d S a h u

3 3

e v a l u a t e d t h e n u c l e o n i c s t r a n g e n e s s c o n t e n t i n a S U ( 3 ) c h i r a l c o l o r d i e l e c t r i c m o d e l

( C C D M ) , w h i c h i s i n s p i r i t v e r y s i m i l a r t o t h e e x t e n d e d c l o u d y b a g m o d e l w h i c h

w a s s t u d i e d i n R e f . 8 . N o t e , h o w e v e r , t h a t b o t h i n R e f . 3 3 a s w e l l a s i n t h e

o r i g i n a l w o r k i n R e f . 8 , t h e W a r d - T a k a h a s h i i d e n t i t y w a s n o t s a t i s e d , a n d t h a t

t h e c o r r e s p o n d i n g \ s e a g u l l " c o r r e c t i o n s h a v e a n a p p r e c i a b l e e e c t o n t h e m a t r i x

e l e m e n t s u n d e r c o n s i d e r a t i o n .

8 3 2

F o r f u r t h e r d e t a i l s o n t h e i s s u e o f g a u g e i n v a r i a n c e

i n c h i r a l h y b r i d q u a r k m o d e l s s e e R e f s . 8 a n d 3 2 , a n d r e f e r e n c e s t h e r e i n .

A s e x p e c t e d , t h e \ v i r t u a l k a o n l o o p " e s t i m a t e s a r e r a t h e r s e n s i t i v e t o t h e m o -

m e n t u m c u t o u s e d i n t h e e e c t i v e m e s o n - n u c l e o n v e r t i c e s , a n d t h e y d i m i n i s h

r a p i d l y w i t h d e c r e a s i n g c u t o p a r a m e t e r . E x c e p t f o r t h e c a l c u l a t i o n e m p l o y -

i n g p o i n t c o u p l i n g s f o r t h e s e v e r t i c e s , w h i c h , i n t u r n , l e a d s t o q u i t e u n s a t i s f a c t o r y

8


9/15

T a b l e 1 . E s t i m a t e s f o r t h e s t r a n g e q u a r k v e c t o r a n d a x i a l v e c t o r m a t r i x

e l e m e n t s i n t h e n u c l e o n , d e d u c e d b o t h f r o m e x p e r i m e n t ( t h e r s t t w o r o w s )

a s w e l l a s f r o m d i e r e n t h a d r o n i c m o d e l s . T h e l a s t f o u r r o w s c o r r e s p o n d t o

t h e \ v i r t u a l k a o n l o o p " c a l c u l a t i o n s . R e s u l t s f r o m R e f . 3 2 w e r e o b t a i n e d

w i t h a c u t o o f 1 . 3 G e V .

h N s

s N i h N s

5

s N i

F

s

2

( 0 ) [

N

h r

2

i

s

[ f m

2

g

s

A

B N L

2 0

0 1 5 0 0 9

E M C

3

0 1 9 0 0 6

P o l e s

2 9

0 3 1 0 0 9 0 1 4 0 0 7

V M D

3 0

0 0 4

S k y r m e

3 1

0 3 3 0 1 3 0 2 1 0 1 1 0 1 0

P o i n t C o u p l i n g s

8

1 0

M o n o p o l e C u t o

3 2

0 3 0 0 3 0 0 4

C l o u d y B a g

8

0 0 9 0 0 0 6 0 0 0 4

C C D M

3 3

0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 9

p r e d i c t i o n s f o r t h e s t a n d a r d e l e c t r o m a g n e t i c o b s e r v a b l e s , t h e s t r a n g e q u a r k m a -

t r i x e l e m e n t s t h a t w e r e o b t a i n e d i n t h e l o o p a n a l y s e s a r e s i g n i c a n t l y s m a l l e r t h a n

t h e o n e s f o u n d e i t h e r i n J a e ' s p o l e a n a l y s i s

2 9

o r i n t h e S U ( 3 ) S k y r m e m o d e l

c a l c u l a t i o n s .

3 1

T h i s i s n o t a t a l l s u r p r i s i n g , s i n c e i n m o s t m o d e l s d i s c u s s e d h e r e t h e m e s o n i c

l o o p s y i e l d o n l y s m a l l c o r r e c t i o n s t o h a d r o n i c m o d e l s t h a t t h e m s e l v e s w e r e d e s i g n e d

t o a l r e a d y t t h e b u l k o f t h e l o w - e n e r g y p r o p e r t i e s o f t h e b a r y o n i c o c t e t . D u e t o

t h e r e l a t i v e l y h i g h m a s s o f t h e k a o n , w h e n c o m p a r e d e . g . , w i t h a n a t u r a l e n e r g y

s c a l e s e t b y t h e s i z e o f t h e n u c l e o n o r t h e m a s s o f t h e p i o n , i t s c o n t r i b u t i o n { a n d

h e n c e t h e a m o u n t o f s t r a n g e n e s s i n t h e n u c l e o n g e n e r a t e d b y m e a n s o f v i r t u a l k a o n

l o o p s { w i l l b e r a t h e r s m a l l .

W e a r e w e l l a w a r e t h a t t h e l o o p c a l c u l a t i o n s d i s c u s s e d h e r e c a n o n l y y i e l d a

c r u d e e s t i m a t e f o r t h e s t r a n g e q u a r k m a t r i x e l e m e n t s u n d e r c o n s i d e r a t i o n . N o t

o n l y d o t h e y a t t e m p t t o u s e a p e r t u r b a t i v e e x p a n s i o n f o r i n t r i n s i c a l l y s t r o n g l y

9


10/15

c o u p l e d p h y s i c s , b u t t h e y a l s o n e g l e c t t h e c o n t r i b u t i o n f r o m t h e U

A

( 1 ) a x i a l a n o m a l y

a n d s t i l l e m p l o y t h e t r a d i t i o n a l p i c t u r e o f a n u c l e o n b u i l t f r o m t h r e e n o n - s t r a n g e

v a l e n c e q u a r k s , a n d t h u s d i s c a r d a n y i n t r i n s i c s t r a n g e n e s s i n t h e c o n s t i t u e n t q u a r k s

t h e m s e l v e s , a s s u g g e s t e d e . g . , b y K a r l

2 7

o r b y K a p l a n a n d M a n o h a r .

4

H o w e v e r ,

w e b e l i e v e t h a t t h e y p o i n t t o e v i d e n c e f o r s i g n i c a n t m e s o n c o n t r i b u t i o n s t o t h e

n u c l e o n s t r u c t u r e .

4 . M e s o n s a n d t h e S p i n o f t h e N u c l e o n

I n t h e p r e v i o u s t w o s e c t i o n s w e h a v e d i s c u s s e d h o w t h e m e s o n c l o u d c o n t r i b u t e s

t o a r e d u c t i o n o f S

G

i n t h e G o t t f r i e d s u m r u l e a n d t o t h e e x i s t e n c e o f n o n - z e r o

s t r a n g e q u a r k m a t r i x e l e m e n t s i n t h e n u c l e o n . T h e c l o u d a l s o a e c t s t h e s p i n o f t h e

n u c l e o n , s i n c e t h e d r e s s e d n u c l e o n s t a t e ( E q . ( 6 ) ) i n c l u d e s t e r m s i n w h i c h m e s o n s

c a r r y o r b i t a l a n g u l a r m o m e n t u m a n d t h e r e b y d e p o l a r i z e t h e n u c l e o n . M e s o n s p l a y

a n i m p o r t a n t r o l e i n u n d e r s t a n d i n g t h e a l l e g e d \ s p i n c r i s i s " c r e a t e d b y t h e E M C

m e a s u r e m e n t s

3

a n d f u r t h e r s t u d i e d i n t h e S M C

2 1

a n d E 1 4 2

2 2

e x p e r i m e n t s . I n t h e

f o l l o w i n g , w e r e v i e w t h e e x p e r i m e n t a l d e t e r m i n a t i o n o f t h e n u c l e o n s p i n a n d t h e

t h e o r e t i c a l i n t e r p r e t a t i o n o f t h e s e r e s u l t s .

I n t h e E M C e x p e r i m e n t , m e a s u r e m e n t s o f d e e p i n e l a s t i c s c a t t e r i n g o f p o l a r i z e d

m u o n s f r o m p o l a r i z e d h y d r o g e n t a r g e t s w e r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e a s y m m e t r y

A =

"

#

"

+

#

; ( 1 0 )

i n w h i c h

" #

i s t h e c r o s s s e c t i o n f o r m u o n s p o l a r i z e d p a r a l l e l ( a n t i p a r a l l e l ) t o t h e

s p i n o f t h e p r o t o n . F r o m t h e a s y m m e t r y A ( x ; Q

2

) a n d t h e u n p o l a r i z e d s t r u c t u r e

f u n c t i o n F

1

( x ; Q

2

) o n e c a n d e t e r m i n e t h e p o l a r i z e d s t r u c t u r e f u n c t i o n g

1

( x ; Q

2

) ,

w h e r e x i s t h e B j o r k e n s c a l i n g v a r i a b l e , t h r o u g h

g

1

( x ; Q

2

) = F

1

( x ; Q

2

) A ( x ; Q

2

) ( 1 1 )

I n t h e l i m i t o f a s y m p t o t i c m o m e n t u m t r a n s f e r , t h e p o l a r i z e d s t r u c t u r e f u n c t i o n

g

1

( x ) i s d e t e r m i n e d b y t h e d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s q

" #

i

( x ) o f a q u a r k i w i t h s p i n

p a r a l l e l ( a n t i p a r a l l e l ) t o t h a t o f t h e p r o t o n ,

g

1

( x ) =

1

2

X

i

e

2

i

h

q

"

i

( x ) q

#

i

( x )

i

( 1 2 )

T h e s p i n o f t h e p r o t o n c a n b e d e c o m p o s e d i n t o 3 t e r m s ,

1

2

=

1

2

X

i

q

i

+ G + h L

z

i ; ( 1 3 )

1 0


11/15

w h i c h c o r r e s p o n d t o t h e q u a r k , g l u o n a n d o r b i t a l a n g u l a r m o m e n t u m c o n t r i b u t i o n s ,

r e s p e c t i v e l y . T h e q u a r k c o n t r i b u t i o n s

q

i

=

Z

1

0

d x

q

"

i

+ q

"

i

q

#

i

q

#

i

+ O (

s

= ) ( 1 4 )

a r e r e l a t e d t o t h e r s t m o m e n t s

1

o f t h e e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e d p o l a r i z e d

s t r u c t u r e f u n c t i o n s . I n t h e a s y m p t o t i c l i m i t , w e h a v e e . g . ,

p

1

=

Z

1

0

g

p

1

( x ) d x =

1

2

4

9

u +

1

9

d +

1

9

s

( 1 5 )

T h e s e r s t m o m e n t s c a n b e u s e d , t o g e t h e r w i t h w e a k c o u p l i n g c o n s t a n t s e x t r a c t e d

f r o m n e u t r o n a n d h y p e r o n d e c a y s , t o d e t e r m i n e t h e i n d i v i d u a l c o n t r i b u t i o n s u , d ,

a n d s

T h e E M C e x p e r i m e n t f o u n d

p

1

= 0 1 2 6 0 0 1 1 0 0 1 4 ; ( 1 6 )

w h e r e a s t h e E l l i s - J a e s u m r u l e ,

3 6

w h i c h a s s u m e s s = 0 , g i v e s

p

1

= 0 1 7 5 0 0 0 7 ( 1 7 )

T h i s w a s t h e o r i g i n o f t h e \ s p i n c r i s i s " . T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t i n d i c a t e d t h a t

a l m o s t n o n e o f t h e p r o t o n ' s s p i n w a s c a r r i e d b y i t s v a l e n c e q u a r k s , a n d t h a t s w a s

s i g n i c a n t l y n o n - z e r o . I n t e n s e t h e o r e t i c a l a n d e x p e r i m e n t a l a c t i v i t y w a s s t i m u l a t e d .

I n p a r t i c u l a r , a m e a s u r e m e n t o f t h e n e u t r o n s t r u c t u r e f u n c t i o n g

n

1

w a s s o u g h t , s i n c e

t h e m o s t f u n d a m e n t a l s u m r u l e , d e r i v e d b y B j o r k e n

3 7

, r e l a t e s t h e d i e r e n c e o f t h e

r s t m o m e n t s o f t h e p r o t o n a n d n e u t r o n s t r u c t u r e f u n c t i o n s t o t h e i s o v e c t o r a x i a l

v e c t o r c o u p l i n g c o n s t a n t ,

p

1

n

1

=

Z

1

0

g

p

1

( x ; Q

2

) g

n

1

( x ; Q

2

)

d x =

g

A

6

1

s

( Q

2

)

+ O (

2

s

)

( 1 8 )

T h e S M C e x p e r i m e n t ( d e u t e r o n t a r g e t ) a n d E 1 4 2 e x p e r i m e n t (

3

H e t a r g e t )

w e r e d e s i g n e d t o p r o v i d e d a t a o n t h e n e u t r o n s t r u c t u r e f u n c t i o n s . T h e i r r e s u l t s

a p p e a r e d t o c o n t r a d i c t o n e a n o t h e r , w i t h S M C a g r e e i n g q u a l i t a t i v e l y w i t h t h e E M C

m e a s u r e m e n t s , b u t E 1 4 2 n d i n g t h a t t h e q u a r k s c a r r i e d a b o u t 1 = 2 o f t h e n u c l e o n

s p i n a n d s c o n s i s t e n t w i t h z e r o . H o w e v e r , t h e E M C , S M C , a n d E 1 4 2 e x p e r i m e n t s

w e r e c a r r i e d o u t a t d i e r e n t v a l u e s o f Q

2

, a n d s i n c e t h e

p n

1

a r e Q

2

d e p e n d e n t , c a r e

1 1


12/15

m u s t b e t a k e n t o e v o l v e d a t a t o t h e s a m e v a l u e o f Q

2

b e f o r e t h e r s t m o m e n t s a r e

t a k e n . C l o s e a n d R o b e r t s ,

2 3

E l l i s a n d K a r l i n e r

3 8

a n d S M C

3 9

h a v e r e a n a l y z e d a l l t h e

e x i s t i n g d a t a . T h e y t a k e i n t o a c c o u n t i m p r o v e d d e t e r m i n a t i o n s o f F

1

( x ; Q

2

) f r o m

t h e N M C g r o u p , e r r o r s i n t r o d u c e d b y e x t r a p o l a t i o n s t o l o w a n d h i g h v a l u e s o f x ,

a n d t h e y i n c l u d e l e a d i n g o r d e r Q C D c o r r e c t i o n s . T h e y c o n c l u d e t h a t t h e c o m b i n e d

e x p e r i m e n t a l d a t a i s c o n s i s t e n t w i t h t h e B j o r k e n s u m r u l e . T h e i r a n a l y s e s a l s o s h o w

t h a t t h e f r a c t i o n o f t h e n u c l e o n s p i n c a r r i e d b y q u a r k s i s Q

2

d e p e n d e n t , d e c r e a s i n g

w i t h i n c r e a s i n g Q

2

, a n d t h a t t h e s t r a n g e q u a r k c o n t r i b u t i o n i s s i g n i c a n t l y n o n - z e r o .

I f t h e q u a r k c o n t r i b u t i o n t o t h e n u c l e o n ' s s p i n ,

X

i

q

i

; ( 1 9 )

i n E q . ( 1 3 ) i s s m a l l , t h e n t h e o t h e r t e r m s , G a n d h L

z

i , m u s t c o m p e n s a t e . C o n -

t r i b u t i o n s t o h L

z

i a r e g e n e r a t e d b y r e l a t i v i s t i c e e c t s a n d t h e m e s o n c l o u d . C o n -

n e m e n t o f t h e q u a r k s i n t h e n u c l e o n l e a d s t o n o n - z e r o l o w e r c o m p o n e n t s o f t h e

s p i n o r w a v e f u n c t i o n s , w h i c h c a r r y a n g u l a r m o m e n t u m e v e n f o r q u a r k s i n a s

1 = 2

s t a t e , a n d t h e q q p a i r s i n t h e m e s o n c l o u d a l s o c a r r y o r b i t a l a n g u l a r m o m e n t u m

a n d t h u s d e p o l a r i z e t h e n u c l e o n . T h e s e e e c t s h a v e b e e n e v a l u a t e d i n t h e m o d e l

d i s c u s s e d i n R e f . 8 .

I n t h e n o n - r e l a t i v i s t i c q u a r k m o d e l , , t h e f r a c t i o n o f t h e n u c l e o n ' s s p i n

c a r r i e d b y t h e v a l e n c e q u a r k s , i s e q u a l t o o n e . I n t h e M I T b a g m o d e l , = 0 6 5

t h r o u g h t h e a f o r e m e n t i o n e d r e l a t i v i s t i c e e c t s . T h e s e v a l u e s a r e c h a n g e d i n t h e

o n e - m e s o n - l o o p c a l c u l a t i o n s o f R e f . 8 t h r o u g h c o u p l i n g s t o t h e b a r y o n i c o c t e t a n d

d e c u p l e t a n d s i m u l t a n e o u s e m i s s i o n o f a v i r t u a l p i o n o r k a o n . C o u p l i n g t o t h e o c t e t

r e d u c e s t h e a x i a l c u r r e n t o f t h e n u c l e o n , w h e r e a s c o u p l i n g t o t h e d e c u p l e t e n h a n c e s

i t . T h e l e a d i n g o r d e r c o n t r i b u t i o n i s t h a t o f t h e o c t e t , s o t h e o v e r a l l e e c t i s a

r e d u c t i o n o f t h a t d e p e n d s o n t h e s p a t i a l e x t e n t o f t h e n u c l e o n , c h a r a c t e r i z e d

e . g . , b y t h e b a g r a d i u s o r o s c i l l a t o r l e n g t h . I n F i g . 3 , w e s h o w p r e d i c t i o n s f o r

f o r t h e e x t e n d e d c l o u d y b a g m o d e l o f R e f . 3 4 a n d f o r t h e c h i r a l n o n - r e l a t i v i s t i c

c o n s t i t u e n t q u a r k m o d e l o f R e f . 3 5 . A s e x p e c t e d , i s d e c r e a s e d b y t h e o n e -

l o o p c o r r e c t i o n s , a n d t h e s i z e o f t h e e e c t d e c r e a s e s w i t h i n c r e a s i n g n u c l e o n s i z e .

T h e r e d u c t i o n i s a b o u t 1 5 % f o r n u c l e o n s i z e p a r a m e t e r s ( M I T b a g r a d i u s R 1 1

f m o r o s c i l l a t o r l e n g t h r 0 8 f m ) w h i c h g i v e a g o o d d e s c r i p t i o n o f t h e s t a n d a r d

e l e c t r o m a g n e t i c o b s e r v a b l e s . T h e d a s h e d l i n e s s h o w t h e v a l e n c e q u a r k s ' c o n t r i b u t i o n

t o t h e n u c l e o n s p i n w i t h o u t t h e d e p o l a r i z a t i o n e e c t o f t h e m e s o n i c c l o u d . I n t h i s

g u r e , w e a l s o d e p i c t t h e a v e r a g e n u m b e r o f " m e s o n s i n t h e a i r " ,

h n i = n

+ n

K

+

+

K

; ( 2 0 )

1 2


13/15

F i g u r e 3 . T h e s h a r e o f t h e n u c l e o n ' s s p i n c a r r i e d b y i t s v a l e n c e q u a r k s

( s o l i d l i n e , l e f t s c a l e ) a n d t h e a v e r a g e n u m b e r o f \ m e s o n s i n t h e a i r " ( d o t -

d a s h e d l i n e , r i g h t s c a l e ) a s a f u n c t i o n o f t h e o s c i l l a t o r l e n g t h r f o r t h e

c h i r a l n o n - r e l a t i v i s t i c c o n s t i t u e n t q u a r k m o d e l ( u p p e r g u r e ) o r t h e M I T

b a g r a d i u s R f o r t h e c l o u d y b a g m o d e l ( l o w e r g u r e ) . T h e d a s h e d l i n e s

i n d i c a t e t h e s p i n c o n t r i b u t i o n o f t h e v a l e n c e q u a r k s w h e n t h e d e p o l a r i z i n g

e e c t s o f t h e m e s o n c l o u d a r e n e g l e c t e d .

d e n e d i n a c c o r d a n c e w i t h E q . ( 6 ) .

M e s o n s t h u s c o n t r i b u t e i m p o r t a n t c o r r e c t i o n s t o o u r q u a l i t a t i v e u n d e r s t a n d i n g

o f t h e n u c l e o n s t r u c t u r e . H e r e , w e h a v e s h o w n , i n p a r t i c u l a r , t h e e e c t s o f t h e

v i r t u a l m e s o n c l o u d o n t h e r e d u c t i o n o f t h e G o t t f r i e d s u m r u l e , t h e a p p e a r a n c e

o f n o n - z e r o s t r a n g e q u a r k m a t r i x e l e m e n t s i n t h e n u c l e o n , a n d w h y t h e v a l e n c e

1 3


14/15

q u a r k s ' c o n t r i b u t i o n t o t h e n u c l e o n s p i n m a y b e s m a l l e r t h a n n a i v e l y a n t i c i p a t e d .

T h e r e f o r e , a n y c o m p l e t e , q u a n t i t a t i v e e v a l u a t i o n o f t h e n u c l e o n s t r u c t u r e s h o u l d

i n c l u d e t h e e e c t s o f t h e m e s o n c l o u d .

5 . R e f e r e n c e s

1 . S e e e . g . , G . A . M i l l e r , I n t e r n . R e v . N u c l . P h y s . 1 ( 1 9 8 4 ) 1 8 9 ; A . W . T h o m a s ,

P r o g . N u c l . P h y s . 1 3 ( 1 9 8 4 ) 1 .

2 . P . A m a u d r u z e t a l . , P h y s . R e v . L e t t . 6 6 ( 1 9 9 1 ) 2 7 1 2 .

3 . J . A s h m a n e t a l . , P h y s . L e t t . B 2 0 6 ( 1 9 8 8 ) 3 6 4 ; N u c l . P h y s . B 3 2 8 ( 1 9 8 9 ) 1 .

4 . S e e e . g . , D . B . K a p l a n a n d A . V . M a n o h a r , N u c l . P h y s . B 3 1 0 ( 1 9 8 8 ) 5 2 7 ; R . L .

J a e a n d A . V . M a n o h a r , N u c l . P h y s B 3 3 7 ( 1 9 9 0 ) 5 0 9 ; D . B . K a p l a n , P h y s .

L e t t . B 2 7 5 ( 1 9 9 2 ) 1 3 7 .

5 . W - Y . P . H w a n g a n d E . M . H e n l e y , A n n . P h y s . N Y 1 2 9 ( 1 9 8 0 ) 4 7 ; E . M . H e n l e y ,

G . K r e i n a n d A . G . W i l l i a m s , P h y s . L e t t . B 2 8 1 ( 1 9 9 2 ) 1 7 8 ; T . F r e d e r i c o e t a l . ,

P h y s . R e v . C 4 6 ( 1 9 9 2 ) 3 4 7 ; E . M . H e n l e y , G . K r e i n , S . J . P o l l o c k , a n d A . G .

W i l l i a m s , P h y s . L e t t . B 2 6 9 ( 1 9 9 1 ) 3 1 .

6 . G . T . G a r v e y e t a l . , P h y s . L e t t . B 2 8 9 ( 1 9 9 2 ) 2 4 9 ; T . S u z u k i , Y . K o h y a m a , a n d

K . Y a z a k i , P h y s . L e t t . B 2 5 2 ( 1 9 9 0 ) 3 2 3 .

7 . D . H . B e c k , P h y s . R e v . D 3 9 ( 1 9 8 9 ) 3 2 4 8 ; R . D . M c K e o w n , P h y s . L e t t . B 2 1 9

( 1 9 8 9 ) 1 4 0 ; E . J . B e i s e a n d R . D . M c K e o w n , C o m m . N u c l . P a r t . P h y s . 2 0

( 1 9 9 1 ) 1 0 5 .

8 . W . K o e p f , E . M . H e n l e y a n d S . J . P o l l o c k , P h y s . L e t t . B 2 8 8 ( 1 9 9 2 ) 1 1 ; W .

K o e p f a n d E . M . H e n l e y i n p r i n t b y P h y s . R e v . C ; B . R . H o l s t e i n , P r o c . P a r i t y

V i o l a t i o n i n E l e c t r o n S c a t t e r i n g e d s . E . J . B e i s e a n d R . D . M c K e o w n ( W o r l d

S c i e n t i c S i n g a p o r e , 1 9 9 0 ) p p . 2 7 - 4 3 .

9 . F o r a n a n a l y s i s a n d r e f e r e n c e s , s e e G . A l t a r e l l i , P . N a s o n a n d G . R i d o l , P h y s .

L e t t . B 3 2 0 ( 1 9 9 4 ) 1 5 2 .

1 0 . K . G o t t f r i e d , P h y s . R e v . L e t t . 1 8 ( 1 9 6 7 ) 1 1 7 4 .

1 1 . R . D . F i e l d a n d R . P . F e y n m a n , P h y s . R e v . D 1 5 ( 1 9 7 7 ) 2 5 9 0 , a n d N u c l . P h y s .

B 1 3 6 ( 1 9 7 8 ) 1 .

1 2 . A . W . T h o m a s , P h y s . L e t t . 1 2 6 B ( 1 9 8 3 ) 9 7 ; E . M . H e n l e y a n d G . A . M i l l e r , P h y s .

L e t t . B 2 5 1 ( 1 9 9 0 ) 4 5 3 .

1 3 . J . D . S u l l i v a n , P h y s . R e v . D 5 ( 1 9 7 2 ) 1 7 3 2 .

1 4 . A . I . S i g n a l a n d A . W . T h o m a s , P h y s . L e t t . B 2 1 1 ( 1 9 8 8 ) 4 8 1 , a n d P h y s . R e v .

D 4 0 ( 1 9 8 9 ) 2 8 3 2 ; A . I . S i g n a l , A . W . S c h r e i b e r , a n d A . W . T h o m a s , M o d . P h y s .

L e t t . A 6 ( 1 9 9 1 ) 2 7 1 , S . K u m a n o , P h y s . R e v . D 4 3 ( 1 9 9 1 ) 5 9 ; S . F o r t e , P h y s .

R e v . D 4 7 ( 1 9 9 3 ) 1 8 4 2 ; W . M e l n i t c h o u k , A . W . T h o m a s , a n d A . I . S i g n a l , Z

P h y s . A 3 4 0 ( 1 9 9 1 ) 8 5 ; S . K u m a n o a n d J . T . L o n d e r g a n , P h y s . R e v . D 4 6

( 1 9 9 2 ) 4 5 7 .

1 4


15/15

1 5 . P . L . M c G a u g h e y e t a l . , P h y s . R e v . L e t t . 6 9 ( 1 9 9 2 ) 1 7 2 6 .

1 6 . E . J . E i c h t e n , I . H i n c h l i e a n d C . Q u i g g , P h y s . R e v . D 4 7 ( 1 9 9 3 ) R 7 4 7 ; A .

S z c z u r e k a n d J . S p e t h , N u c l . P h y s . A 5 5 5 ( 1 9 9 3 ) 2 4 9 .

1 7 . T . P . C h e n g a n d R . F . D a s h e n , P h y s . R e v . L e t t . 2 6 ( 1 9 7 1 ) 5 9 4 a n d P h y s . R e v .

D 1 3 ( 1 9 7 6 ) 2 1 6 ; T . P . C h e n g , P h y s . R e v . D 1 3 ( 1 9 7 6 ) 2 1 6 1 ; C . A . D o m i n g u e z

a n d P . L a n g a c k e r , P h y s . R e v . D 2 4 ( 1 9 8 1 ) 1 9 0 ; J . F . D o n o g h u e a n d C . R . N a p p i ,

P h y s . L e t t . 1 6 8 B ( 1 9 8 6 ) 1 0 5 ; J . F . D o n o g h u e , A n n . R e v . N u c l . P a r t . S c i . 3 9

( 1 9 8 9 ) 1 ; J . G a s s e r , H . L e u t w y l e r a n d M . E . S a i n i o , P h y s . L e t t . B 2 5 3 ( 1 9 9 1 )

2 5 2 .

1 8 . H . G e n z a n d G . H o h l e r , P h y s . L e t t . 6 1 B ( 1 9 7 6 ) 3 8 9 ; J . E l l i s , E . G a b a t h u l e r a n d

M . K a r l i n e r , P h y s . L e t t . B 2 1 7 ( 1 9 8 9 ) 1 7 3 ; B . L . I o e a n d M . K a r l i n e r , P h y s .

L e t t . B 2 4 7 ( 1 9 9 0 ) 3 8 7 ; A S T E R I X C o l l a b o r a t i o n , P h y s . L e t t . B 2 6 7 ( 1 9 9 1 ) 2 9 9 .

1 9 . D . B . K a p l a n a n d A . E . N e l s o n , P h y s . L e t t . B 1 7 5 ( 1 9 8 6 ) 5 7 ; i b i d . B 1 7 9 ( 1 9 8 6 )

4 0 9 ( E ) ; i b i d . B 1 9 2 ( 1 9 8 7 ) 1 9 3 .

2 0 . L . A . A h r e n s e t a l . , P h y s . R e v . D 3 5 ( 1 9 8 7 ) 7 8 5 .

2 1 . B . A d e v a e t a l . , P h y s . L e t t . B 3 0 2 ( 1 9 9 3 ) 5 3 3 .

2 2 . P . L . A n t h o n y e t a l . , P h y s . R e v . L e t t . 7 1 ( 1 9 9 3 ) 9 5 9 .

2 3 . F . E . C l o s e a n d R . G . R o b e r t s , P h y s . L e t t . B 3 1 6 ( 1 9 9 3 ) 1 6 5 .

2 4 . B a t e s e x p e r i m e n t N o . 8 9 - 0 6 , R . D . M c K e o w n a n d D . H . B e c k s p o k e s p e r s o n s .

2 5 . C E B A F p r o p o s a l N o . P R - 9 1 - 0 0 4 , E . J . B e i s e s p o k e s p e r s o n ; C E B A F p r o p o s a l

N o . P R - 9 1 - 0 1 0 , J . M . F i n n a n d P . A . S o u d e r s p o k e s p e r s o n s ; C E B A F p r o p o s a l

N o . P R - 9 1 - 0 1 7 , D . H . B e c k s p o k e s p e r s o n .

2 6 . L A M P F p r o p o s a l N o . 1 1 7 3 , W . C . L o u i s , s p o k e s p e r s o n .

2 7 . G . K a r l , P h y s . R e v . D 4 5 ( 1 9 9 2 ) 2 4 7 .

2 8 . K . S t e i n i n g e r a n d W . W e i s e , P h y s . R e v . D 4 8 ( 1 9 9 3 ) 1 4 3 3 .

2 9 . R . L . J a e , P h y s . L e t t . B 2 2 9 ( 1 9 8 9 ) 2 7 5 .

3 0 . T . D . C o h e n , H . F o r k e l a n d M . N i e l s e n , P h y s . L e t t . B 3 1 6 ( 1 9 9 3 ) 1 .

3 1 . N . W . P a r k , J . S c h e c h t e r a n d H . W e i g e l , P h y s . R e v . D 4 3 ( 1 9 9 1 ) 8 6 9 .

3 2 . M . J . M u s o l f a n d M . B u r k a r d t , C E B A F p r e p r i n t T H - 9 3 - 0 1 ( 1 9 9 3 ) , i n p r i n t b y

Z . P h y s . C

3 3 . S . C . P h a t a k a n d S . S a h u , P h y s . L e t t . B 3 2 1 ( 1 9 9 4 ) 1 1 .

3 4 . P . Z e n c z y k o w s k i , P h y s . R e v . D 2 9 ( 1 9 8 4 ) 5 7 7 .

3 5 . Y . N o g a m i a n d N . O h t s u k a , P h y s . R e v . D 2 6 ( 1 9 8 2 ) 2 6 1 .

3 6 . J . E l l i s a n d R . L . J a e , P h y s . R e v . D 9 ( 1 9 7 4 ) 1 4 4 4 ; i b i d . D 1 0 ( 1 9 7 4 ) 1 6 6 9 .

3 7 . J . D . B j o r k e n , P h y s . R e v . 1 4 8 ( 1 9 6 6 ) 1 4 6 7 ; P h y s . R e v . D 1 ( 1 9 7 0 ) 1 3 7 6 .

3 8 . J . E l l i s a n d M . K a r l i n e r , P h y s . L e t t . B 3 1 3 ( 1 9 9 3 ) 1 3 1 , a n d C E R N p r e p r i n t

T H . 7 0 2 2 / 9 3 .

3 9 . B . A d e v a e t a l . , P h y s . L e t t . B 3 2 0 ( 1 9 9 4 ) 4 0 0 .

1 5

structure of nucleons

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