[论文解读] Poincare-invariant spectator-model currents for electroweak nucleon form factors

R. F. Wagenbrunn, T. Melde+1 more|ArXiv.org|Sep 6, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文在相对论价夸克模型（RCQMs）中提出了满足庞加莱对称性的价夸克模型电流，用于描述核子的电磁和弱形因子，采用点形式相对论动力学以确保显式协变性和对称性约束。在低至中等动量转移范围内，该方法与质子和中子的电磁及轴矢形因子实验数据高度一致，表明相对论效应和正确的电流归一化对理论一致性至关重要，且在一胶子交换（OGE）与戈尔德斯通玻色子交换（GBE）RCQM动力学之间，基态的差异极小。

ABSTRACT

The relativistic constituent quark model of low-energy quantum chromodynamics is found to yield a consistent picture of the electroweak structure of the nucleons. Notably, the electromagnetic and axial form factors of both the proton and the neutron can be described in close agreement with existing experimental data in the domain of low to moderate momentum transfers. For the theory it is mandatory to respect Poincare invariance and to fulfill additional conditions like charge normalization. Here we present covariant predictions of the one-gluon-exchange and Goldstone-boson-exchange constituent quark models for the electroweak form factors of the nucleons and give a critical discussion of the results in view of the point-form spectator model employed for the electromagnetic and axial current operators.

研究动机与目标

• 在相对论价夸克模型（RCQMs）中，发展用于电磁弱核子形因子的庞加莱不变价夸克模型电流形式。
• 确保电流算符满足基本对称性，包括洛伦兹不变性、平移和时间反演不变性，以及电荷归一化。
• 比较两种不同RCQM动力学——一胶子交换（OGE）与戈尔德斯通玻色子交换（GBE）——在核子形因子预测上的表现。
• 评估相对论效应以及点形式价夸克模型（PFSM）相对于非相对论性击中近似（NRIA）的有效性。
• 确定电流算符中保持所有参考系下对称性和物理约束的最优归一化因子。

提出的方法

• 本研究采用点形式相对论动力学框架，确保所有参考系中跃迁振幅的显式庞加莱不变性。
• 电流算符以价夸克模型构建，其中中间玻色子仅耦合至一个夸克，而整个三夸克系统的动量转移保持守恒。
• 电流的约化矩阵元以归一化因子 $ N(x,y) $ 表示，其依赖于初态与末态重子质量，并经调整以满足电荷归一化和时间反演不变性。
• 电磁电流采用标准狄拉克顶点 $ e_1 \bar{u}\gamma^\mu u $，而轴向电流包含与π介子极点相关的项，其耦合常数为 $ g_{A}^{q} $ 和 $ g_{qq\pi} $。
• 归一化因子 $ N(x,y) = \left(\frac{M}{\sum \omega_i}\right)^{xy} \left(\frac{M'}{\sum \omega'_i}\right)^{x(1-y)} $ 被采用，其中 $ x=3 $ 由质子电荷归一化固定，$ y=1/2 $ 由布雷特参考系中的时间反演不变性选定。
• 对OGE和GBE RCQMs均进行了计算，结果与NRIA及实验数据在 $ Q^2 $ 依赖形因子上进行了比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低至中等动量转移范围内，RCQMs中的庞加莱不变价夸克模型电流能否准确描述质子和中子的电磁及轴矢形因子？
• RQ2 OGE与GBE RCQMs在描述核子形因子（特别是基态）方面，其预测结果如何比较？
• RQ3 与非相对论近似相比，相对论效应和正确电流归一化（超越单纯的庞加莱不变性）在多大程度上提升了与实验数据的一致性？
• RQ4 归一化因子 $ N(x,y) $ 在点形式价夸克模型中如何确保电荷归一化和时间反演不变性？
• RQ5 为何PFSM方法尽管采用简化的电流结构，却能与实验数据取得如此优异的一致性？

主要发现

• RCQMs中的庞加莱不变价夸克模型电流在低至中等 $ Q^2 $ 范围内，对质子和中子的电磁及轴矢形因子均与实验数据高度一致。
• OGE与GBE RCQMs在基态形因子上的预测几乎无法区分，仅在中子电形因子 $ G_E^n $ 上略有差异，表明两种模型中夸克波函数分量相似。
• 非相对论性击中近似（NRIA）完全失效，凸显了在核子结构计算中相对论效应的决定性作用。
• 归一化因子 $ N(x,y) $，其中 $ x=3 $ 且 $ y=1/2 $，确保了质子电荷的正确归一化，并在布雷特参考系中满足时间反演不变性，验证了其在电流算符中的适用性。
• 尽管源自价夸克模型，PFSM电流因对相互作用重子质量的非可分依赖关系而具有多体效应，且在所有参考系中保持所有对称性。
• PFSM方法成功的原因在于严格实现了庞加莱不变性、电荷归一化和时间反演不变性，而这些在更简单的模型中并未满足。