关于核子形状因子的研究

                         开题报告

报告人：曹超     指导老师：鲁定辉

一、选题及目的

本次课题为《关于核子形状因子的研究》，重点是对自20##年以后由Jfferson实验室的实验结果所引发的对形状因子的新一轮研究进行分析和综述。希望能通过本次研究加深对物理的学习和理解，培养综合运用所学知识和技能，提高分析与解决实际问题的能力。

二、课题简介

1.     形状因子及其意义

狄拉克理论预言质子和中子是点粒子，而实验测得质子和中子的磁矩是反常的，因为核子不是点粒子，而是有一定的大小，但目前还没有完善的理论能够描述核子复杂的内部结构，只能唯象的用电磁形状因子描述其内部电荷和磁矩分布。以质子为例，在ep弹性散射中，质子和电子通过交换一个虚光子进行相互作用，而通过对其散射截面的测量可解出形状因子。通常采用Sachs形状因子，即分别用两个相互独立的量G_Ep和G_Mp描绘核子内部的电磁分布，其与Pauli形状因子F_1p和Dirac形状因子F_2p存在如下变换关系：

式中τ= Q²/4M_p²，κ_p是反常核子磁动量，M_p是质子质量，Q²是四动量平方转移量。在非相对论极限下，由于动量转移较小，形状因子可以看成是核子内部电磁分布的Fourier变换。

2．研究现状

历史上，实验测量电磁形状因子G_Ep和G_Mp基本上是以非极化微分截面数据的Rosenbluth分离为基础的。早期实验结果的分析得出一条简单的散射法则：

G_Ep（Q²）= G_Mp（Q²）/μ_p=G_D（Q²）。

式中μ_p为质子磁动量，而G_D（Q²）是标准偶极子的形状, G_D=（1+Q²/0.71）^-2。目前直接采用Rosenbluth技术可以得到Q²≈7GeV²下的电磁形状因子，而μ_p G_Ep/ G_Mp仍近似为1（尽管在Q²很大时，G_Ep存在较大误差）。

近期，部分实验采用极化方法来得到G_Ep/ G_Mp的比值。在MIT-Bates进行的低Q²值下的测量所得结果与先前的Rosenbluth实验结果一致。而在稍后Jefferson实验室（JLab）进行的高Q²值下的测量与原有结果产生了较大的偏差。该结果显示随着Q²值从0.3到5.6GeV²变化，μ_p G_Ep/ G_Mp比值呈线性下降趋势。

3. 两种实验方法

Rosenbluth技术

弹性散射的非极化微分截面可以由点电核的散射截面和电磁形状因子写出：

式中τ= Q²/4M_p²，θ为电子散射角，Q²=4E_eE’_esin²(θ_e/2)，而E_e和E’_e分别是入射和出射电子的能量。我们定义一个简化截面，

式中ε为虚光子的纵向极化量[ε=1+2（1+τ）tan²(θ/2)]。Q²确定时，形状因子也随之确定，则σ_R只决定于ε。而Rosenbluth分离可以在散射角变化的情况下测定不同能量的散射截面，从而保证Q²不随ε值变动。然后G²_Ep作为自变量ε的函数就可以由σ_R的斜率解出，同理还可由截距解出G²_Mp。

注意上式中G²_Mp相比G²_Ep有τ/ε的加权，随着Q²增大，电形状因子影响越来越小。由于电形状因子是由不同ε下σ_R的变化解出的，则解出的G²_Ep误差值相当于将这些变化过程中的误差通过因子

（Δε）^-1和（τG²_Mp/G²_Ep)放大得到。当ε变化范围很小，或者τ（=Q²/4M_p²)很大时，系统误差的这种增强作用可以变得相当大。这一点很重要，尤其是在将高ε实验结果与低ε实验结果联立求解ε与散射截面关系式的时候。各数据组间不同的归一化标准可能会导致联立求解G²_Ep时发生错误。举例而言，如果假设G_Ep（Q²）= G_Mp（Q²）/μ_p，则当Q²=5（10）GeV²时，G_Ep最多占整个散射截面的8.3%(4.3%)，因此只要在高ε与低ε测量中有百分之一的标准化误差，就会使得μ_p G_Ep/ G_Mp比值变化达到12%（Q²=5GeV²）和23%（Q²=10GeV²），而如果Δε<1时，变化更多。因此在联立求解形状因子时，要先对不同的归一化因子进行适当的估算。而高Q²下G_Ep的这种特性限制了Rosenbluth解法的普适性；而这也是极化偏移法出现的最初原因。

反作用极化技术

在极化ep弹性散射p(e,e’p)中，反作用极化量的纵向（P_l）和横向(P_t）部分对不同电磁形状因子的“结合”非常敏感。其值由下式给出：

其中两式联立可得：

由于G_Ep/ G_Mp正比于极化组分的比值，该测量过程中并不需要精确了解电子束的极化程度，对偏振计的分析精度也没有很高的要求。辐射修正的计算对反作用极化影响很小，至少在两个极化组分之比中能被部分消去。只需给定Q²值，即可从中解出G_Ep/ G_Mp比值，而不需要改变能量或观察角，从而消除了系统误差的一个主要来源，达到更高精度，同时使各实验数据间存在可比性。

4. 研究方向

目前研究方向主要集中在两个方面：

一：对两种实验数据作进一步的整理，修正，希望通过消除实验误差使之得到一致结果。

二：通过理论计算以符合新的数据曲线。由于弹性散射一般发生在Q²值较低情况下（<10GeV²），无法使用微扰计算，所以形状因子的计算一般是非微扰过程。

5. 研究方法

目前计算核子形状因子有两种不同的方法。在第一种方法中，介子自由度明确给出，比如基于矢量介子支配模型（VMD）的计算，伪介子包裹三夸克核心组分模型以及基于核子孤波性质的计算。第二种方法由基于QCD的夸克模型构成；这些模型包括相对论组分夸克模型（RCQM），diquark模型，云袋模型（CBM），和QCD求和法则。而采用格点QCD计算核子形状因子方法还在发展当中。

现在主要介绍下列方法：

一、格点规范理论：1974年，美国康奈尔大学的威尔逊(K.G.Welson)提出了格点规范场理论，用以解释非微扰现象。其作法是，先设法在4维时空中取一系列等间隔的格点，连续的时空被一系列离散的格点所代替。他规定，胶子规范场只在格点间的键上起作用，而夸克费窑场则定义在格点上。由上述场量组成的格点作用量具有规范不变性。当格点间的距离趋于零时，格点作用量趋于原有的量子色动力学作用量，格点规范理论趋于连续时空的规范理论，与连续时空的渐近自由相对应。下一步做法是，先在格点体系中计算各个物理量，然后再把格点间距趋于零，就可望得到真正的物理量，特别是那些非微扰量了。

二、袋模型理论：由于夸克被囚禁于强子之内，因而建立了一种适用于描述强子内夸克模型的唯象模型：袋模型。袋模型有很多不同版本，如上文的云袋模型，MIT袋模型等。在袋模型中，夸克被视为在袋内的有限范围内是无质量的粒子，而在袋外具有无限大的质量，由于径向向心的袋压力平衡了夸克动能所引起的压力，从而导致夸克囚禁的结果，并且如果夸克囚禁于袋中，胶子也应该囚禁于袋中。其中袋压力是考虑到QCD的非微扰效应而引入的一个唯象的量。

三、组分夸克模型：此模型基本思想是高能深度非弹问题中，核子由三个非点的组分夸克组成，而每个组分夸克又包含了若干部分子（价、海夸克和胶子）。因而核子结构函数（相应的核子的部分子分布函数）是由核子中各种组分夸克的分布函数与组分夸克内部的部分子分布函数的卷积表出。在对RQCM的早期研究中，Chung和Coester研究了夸克组分质量的影响，夸克的反常磁矩，F_2q,以及禁闭度量参数。近期，Coester提出了一种形状因子使F_2q能够重现现有数据,这说明了新的G_Ep/G_Mp数据如何帮助抑制某个特殊模型的基本输入。

6．研究意义

JLab极化实验的结果推翻了以往人们的假设，使得我们不得不重新审视核子内部电磁分布是否均衡。由于采用相关技术或数据的实验有很多，因此我们不能仅仅研究这两种技术的正确与否，更应该从中查明错误的原因，以免对其它实验产生影响。

    此外，近期理论的发展显示在高Q²值区间内对质子弹性形状因子的测量可能会使核子的自旋问题明朗化。弹性形状因子和自旋的这种联系曾由Ji在非对称部分子分布（SPD）形式中予以证明。通过在SPD中应用求和法则，有可能估计出价夸克对质子自旋的全部贡献。

三、研究计划

1.  研究内容

对部分实验数据进行分析拟合，并用简单模型进行分析。

2．日程安排

20##年2月中旬—20##年3月中旬：查阅相关文献，大致了解形状因子的发展动态，完成外文翻译，文献综述和开题报告。

20##年3月中旬—20##年5月初：收集相关的各种信息，草拟毕业论文

20##年5月初－20##年六月上旬：正式撰写毕业论文,准备答辩

20##年5月初－20##年六月中旬：对论文作最后修订，答辩。

   

第二篇：本科开题报告范文

开题报告结构与写作要求：

一、课题名称

二、研究目的意义

三、国内外相关研究评述

四、研究目标与内容

五、课题实行方案与进度

六、已参考文献

范例：

关于“当代优秀游泳运动员技、战术特点研究”

的开题报告

谭明义

南京师范大学体育科学学院

一、本课题研究的目的意义：

游泳是我国重点发展的竞技体育项目；也是全运会、奥运会等综合性运动会中仅次于田径的第二大比赛项目。我国各体育强省都非常重视竞技游泳项目的发展。

江苏是我国的体育强省，竞技游泳也曾取得过辉煌的成绩；上世纪80年代末、90年代初涌现的优秀运动员林莉、王晓红不仅夺得过全运动会游泳比赛的金牌，还曾夺得过奥运会和世界游泳锦标赛等重大世界比赛的金牌。但随着林莉、王晓红等优秀运动员的退役，我省游泳项目在国内便逐渐失去了竞争地位。第8届全运会以来我省未能夺得1 枚游泳项目的金牌就足以说明了我们的游泳项目在国内已处于落后水平了。 近年来，随着社会的发展，科技水平的提高，游泳训练方法和手段的更新，游泳竞赛规则的不断改变，促进了竞技游泳技术新的变化和发展，同时，也促进了竞技游泳运动水平不断提高，大批游泳世界纪录连年被刷，尤其是重大的世界性的游泳比赛，不仅会有大批新游泳世界纪录诞生，而且还会出现多人多次打破世界纪录的激动人心的场景。优秀游泳运动员的技术更具合理、完美，比赛中战术制胜的因素也越来越突出。 因此，开展对当代优秀游泳运动员技、战术特点的研究，对于我们了解把握当代世界游泳技、战术的主流特点，发现我们的不足，找出我省竞技游泳项目落后原因，更新游泳理念，完善和丰富游泳研究的理论，修订我省游泳项目发展规划、提高我省竞技游泳运动整体水平、重塑江苏游泳辉煌、备战下届全运会，实现两个率先，保持体育强省具有重要的现实意义。

二、国内外相关研究现状

目前，国内外有关专门研究当代优秀游泳运动员技战术方面的文献尚不多见，尤其是游泳战术方面的研究更是罕见。相关的研究也都是一些较早期的、或是较零散的、或是较个性特征方面的研究。

如：国内外有影响的专著当属康西尔曼的《美国游泳技术训练》、温仲华的《游泳教学的科学》；有影响的教材当属冯妙宛主编的《游泳》。这些专著和教材虽都较详尽的论及到优秀游泳运动员的技术特点，但这些专著和教材所论及的均是90年代以前的优秀游泳运动员的技术，不具时代特征、未能反映当代游泳运动技术发展的特点。

再如：经中国期刊网检索，共检索到88篇有关技游泳技、战术方面的研究文献，其中95年以后的文献仅14篇。在14篇文献中，有9篇是关于游泳出发、转身技术或某一单一泳式技术的研究；仅有5篇是关于战术方面的研究，而这5篇战术研究文章又主要是针对某一优秀游泳运动员或某一单项游泳比赛战术去进行研究的，不具全面性、主流性和共性特征、未能全面反映当代优秀游泳运动员参赛战术的共性特点和主流特点。

三、研究目标与内容

研究目标：

通过对近几5届奥运会和近5届世界游泳锦标赛中的获奖（前3名）运动员技术和参赛战术的研究，探究当代优秀游泳运动员的技术共性主流特点和参赛战术运用规律。为更新我省游泳训练观念、提高我省竞技游泳技、战术水平提供理论参考依据。 主要研究内容：

1 当代优秀游泳运动员技术特点

1．1 优秀游泳运动员出发技术特点

1．2 优秀游泳运动员途中游技术特点

1．2．1 优秀游泳运动员途中游的共性特点

1．2．2 优秀自由泳运动员途中游泳的技术特点

1．2．3 优秀蝶泳运动员途中游的技术特点

1．2．4 优秀仰泳运动员途中游的技术特点

1．2．5 优秀蛙泳运动员途中游的技术特点

1．2．6 优秀游泳运动员转身技术特点

1．3．1 优秀蝶泳运动员的转身技术特点

1．3．2 优秀仰泳运动员的转身技术特点

1．3．3 优秀蛙泳运动员的转身技术特点

1．3．4 优秀自由泳运动员的转身技术特点

1．4 优秀游泳运动员到边技术特点

1．4．1 优秀游泳运动员的到边技术的共性特点

1．4．2 优秀游泳运动员的冲剌技术的个性特点

2 当代优秀游泳运动员战术运用规律及其特点

2．1 前后程速度百分率变化及其特点

2．1．1 短距离项目速度百分率变化及其特点

2．1．2 中距离项目速度百分率变化及其特点

2．1．3 长距离项目速度百分率变化及其特点

2．2 优秀游泳运动员预赛、半决寒战术运用规律及其特点

2．3 优秀游泳运动员决赛时战术的分类与运用

2．3．1 优秀游泳运动员决赛时经常运用的战术分类

2．3．2 优秀游泳运动员决赛时参赛战术选用的基本原则

四、本课题实行方案、工作进度

实行方案：

本课题以“江苏省体育局关于开展20xx年度体育科研局管课题申报工作的通知”和“江苏省体育局20xx年度体育科研局管课题指南”为依据，针对近年来竞技游泳运动水平提高十分迅速（每年都有一大批运动员打破世界纪录）的现状，同时结合本人多年来一直从事游泳教学、训练和理论研究工作，对游泳项目较熟悉，且有一定的研究基础的实际，拟从训练学、心理学、统计学角度对奥运会和世界锦标赛中获得优胜名次的游泳运动员的技术特点和战术运用情况进行研究。其具体步骤是；选定课题→查阅文献，了解与本课题相关的国内外的研究动向和存在问题，确定研究目标和研究内容→选择研究方法和对象→组建研究人员→制定研究计划→研究实施→撰写论文→成果鉴定。

研究方法：

拟采用的方法有：

文献资料调研、录像解析法、统计分析与比较法。

研究工作进度

1 前期准备、确定课题、组建参研人员、制定研究计划、进行课题论证 2007. 5 谭明义

2 查阅相关文献、收集相关数据 2007.6-7 谭明义

3 召开课题组成员会议，明确分工 2007-8 全体成员

4.观看录像、对优秀游泳运动员技术特点和参赛战术进行统计、归纳 2007.9 全体人员

5.观看全运会游泳比赛实况和比赛录像、并与世界优秀运动员有关数据进行比较 2007.10 全体成员

6.利用全国游泳锦标赛的机会，对我国部分优秀游泳教练员进行访谈调查 2007.10 全体成员 7按分工撰写文 2007.11-2008.3 全体成员

8.讨论论文撰课题研究报告 2008.4 全体成员

9.成果鉴定 2007. 5 拟请相关人员

五、已参考文献

[1] 基于因果分析的AHP方法在运动员选材中的应用研究，中国体育科技，20xx年4期

[2] 不同锻炼方式对自我观念和生活满意感，体育科学，2004

年月日2期

[3] 从五届奥运会看中国竞技游泳发展，广州体育学院学报，20xx年1期

[4] 优秀游泳运动员年龄特征分析，体育学刊，20xx年1期

[5] 我国游泳人才培养存在的问题与对策，西安体育学院学报，20xx年4期

[6] 从美国游泳队在悉尼奥运会上的成功谈起，游泳信息，20xx年8期

[7] 游泳技术的观测与纠正，游泳季刊，20xx年3期

[8] 游泳出发台技术的比较，游泳季刊，20xx年2期

[9] 罗雪娟奥运会战术特点，游泳，20xx年2期

[10] 游泳中脚重叠并拢滑行技术分析，游泳，20xx年6期

[11] 当今世界自由泳技术特点，游泳，20xx年4期

[12] 混合泳比赛的体力分配，游泳，20xx年2期

[13] 现代蛙泳技划臂技术分析，游泳，20xx年2期

[14] 身体锻炼对超重人群心境及自我观念作用的小样本研究，中国运动医学杂志，20xx年4

[15] 国外大众体育志愿服务发慌的经验与启示，体育与科学，20xx年4期

[16] 我国男子游泳落后原因分析及对策研究，北京体育大学学报 20xx年2期

[17] 奥运会优秀游泳运动员参赛战术新特点——中国体育科技20xx年3期

[18] 北岛康介奥运会夺取冠军时的技战术特点分析——中国体育科技20xx年5期

[19] 中国游泳产业化现状与发展对策研究，安徽体育科技20xx年2期

[20] 奥运会游泳比赛成绩预测，游泳 20xx年4期

[21] 21世纪初中国游泳项目发展战略的研究，体育软科学汇编 20xx年11月出版