1、第六章第六章 粒子世界粒子世界版權所有 復制必究高等教育出版社微乎其微，但又和宏大無邊的宇宙相互聯系微乎其微，但又和宏大無邊的宇宙相互聯系英才輩出，這里云集了眾多諾貝爾獎得主的成就英才輩出，這里云集了眾多諾貝爾獎得主的成就嘆為觀止，從對稱感受物理世界是美的！嘆為觀止，從對稱感受物理世界是美的！歡迎走進粒子世界歡迎走進粒子世界6.1 6.1 狄拉克的理論和正電子的發現狄拉克的理論和正電子的發現最初認識的基本粒子 20 世紀初認識的基本粒子 質子：帶單位正電荷電子：帶單位負電荷 光子：不帶電都是穩定的粒子 質子發射、吸收光子發射、吸收電子它們通過電磁相互作用互相聯系起來讓我們先來認識一位物理學家。

2、 他的才華，讓楊振寧想起唐朝詩人高適的詩：“靈性出萬象，風骨超常倫”。 他的創見，讓丁肇中戲稱： 一個天才和一個神經不正常的人的距離是很小的。他就是保羅狄拉克（Paul Dirac） 狄拉克的杰出成就之一是，他把20世紀物理學的兩項偉大成就相對論和量子力學結合起來，他寫出一個相對論性的量子力學方程，叫狄拉克方程。開創了相對論量子力學，時年26歲。在相對論和量子力學里，質量是以平方項的形式出現的。m2可以表示mm，也可以表示為(m)(m)。這也許不會引起普通人的注意，但狄拉克沒有放過它，他問m有物理上的意義嗎？（丁肇中開玩笑的話就是由此而來） 自由電子的能量.222pcmcE 能量有正有負。怎么

3、理解負的能量呢？狄拉克從新認識了真空的意義，提出了“真空不空”，而是所有負能態都被填滿的最低能態，如果負能態中有一個“位置”沒有被填滿，那意味著少了一個負能電子。教室里少了個同學來上課，就有一個空位子。狄拉克把負能態中的“空位子”叫做“空穴”。少了一個電子，也可以等價理解為多了一個正能粒子。從“空穴”，還有上面提到的m，狄拉克預言了正電子，和正負電子對湮沒。狄拉克獲得1933年諾貝爾物理學獎。空穴理論示意圖 6.2 6.2 中子、反質子和反中子中子、反質子和反中子電子有自己的反粒子正電子其他粒子呢？質子是帶正電的粒子，有沒有帶負電的反質子？中子不帶電，它的反粒子會是什么樣？電子的第四個自由度自

4、旋 斯特恩斯特恩- -蓋拉赫實驗裝置圖蓋拉赫實驗裝置圖 反質子和反中子反質子和反中子 質子反質子電荷ee自旋量子數1/21/2重子數11中子反中子電荷00重子數116.3 6.3 湯川的介子場理論湯川的介子場理論我們已經知道：它們通過電磁相互作用互相聯系起來我們還知道質子和中子是通過短程核力彼此吸引，組成原子核質子?質子?中子?中子質子發射、吸收光子發射、吸收電子那么日本物理學家湯川秀樹預言，核力相互作用是通過交換一種有靜止質量的媒介粒子來實現的，質量大約是電子的200倍，介于電子和質子之間湯川叫它介子湯川秀樹因為預言介子的存在，獲得1949年諾貝爾物理學獎湯川的推理6.4 6.4 子、子、

5、介子、中微子和反中微子介子、中微子和反中微子 子的發現子的發現 湯川的研究成果，起初并沒有引起重視。兩年后，安德森在宇宙線實驗中發現了一些粒子，質量約為電子質量 206.76 倍，帶有正單位電荷或負單位電荷，平均壽命2.197 ms。會不會就是 1935 年湯川的介子場理論所預言存在的核力的媒介粒子呢？當時的人們就這樣認為，把它命名為 介子。幾年后，日本物理學家坂田昌一經過對比分析，指出：湯川理論預言的介子的平均壽命應當比較長，介子不可能是湯川理論所預言的介子。湯川理論所預言的那種介子還沒有發現 。子的性質衰變：子電子+中微子+反中微子在發現子之初，人們叫它“重電子”我們來做個對比：電子子電荷

6、ee或e自旋量子數1/21/2壽命2.197ms穩定湯川預言的介子是否存在？ 英國物理學家鮑威爾在海拔3000 m的山上，直接收集宇宙射線中的粒子。讓收集來的粒子穿過照相乳膠。這些粒子是帶電的，所到之處，引起乳膠的溴化銀顆粒發生，留下黑色的軌跡。通過對軌跡的研究，可以知道離子的速度。1947年，鮑威爾在宇宙線實驗中發現了一種質量約為電子質量 273 倍的帶有正單位電荷或負單位電荷的粒子，它與原子核之間有很強的相互作用，稱為介子。這是不是就是湯川預言的介子？看看它的性質：平均壽命26.03 ns衰變：介子子+中微子+反中微子 （絕大多數）介子電子+中微子+反中微子 （極少數）19世紀20年代，人

7、們發現，按通常的認識，衰變的能量和動量不守恒為了解決這個問題，泡利假設衰變還放出一種很小的、中性的粒子叫中微子中微子運動時和所遇到的各種物質分子、原子、原子核、電子都沒有可以察覺的相互作用，各種物質對于它們都是幾乎透明的。當中微子穿過整個地球時，也只有 1010的被吸收掉。 那么，怎么找到中微子？ 我國物理學家王淦昌提出用K俘獲方法，驗證中微子的存在。1956 年，美國物理學家科恩和萊因斯發現了反中微子。 中微子與反中微子至此，我們認識了：光子、電子、正電子、質子、反質子、中子、反中子、m 子 (m - 、m + ) 、p 介子 ( p -、p +、p 0 ) 、中微子、反中微子14種基本粒子

8、其中，紅色的是穩定的6.5 6.5 粒子運動的特點和自然單位制粒子運動的特點和自然單位制“基本粒子”不“基本”粒子運動的特點：l粒子是微觀尺度的客體，運動是微觀尺度的運動。l粒子運動時是可以做高速運動的，粒子速度的變化常常 可以達到和真空光速相比擬的數量級，相應地能量的變 化常常達到相當于甚至遠大于粒子靜止能量的數量級， 運動是相對論性的。l粒子運動過程中，常常表現出粒子之間的相互轉化，粒 子數目是可變的，粒子可以產生和湮沒。換言之，觀察 到的粒子系統的自由度數在粒子運動時是可變的。6.6 6.6 微觀粒子的主要普遍內稟屬性微觀粒子的主要普遍內稟屬性粒子的一個普遍的基本特性是全同性。 各種粒子

9、分別有各自的內稟屬性，這些屬性不隨粒子產生的來源和粒子的運動狀態而變化。一切內稟屬性的總和是判別和區分粒子種類的依據，屬于同一種粒子的內稟屬性完全相同，它們之間互相不可分辨。這就是粒子全同性。質質 量量所有的粒子都有確定的質量。按狹義相對論給出，粒子的質量是速度的函數，隨速度 v 的增加而增加。2201)(cvmvm用自然單位制表示為201)(vmvm壽命和寬度壽命和寬度 現在已經發現的粒子共有 479 種，在這些粒子中，除了光子、電子、正電子、質子、反質子、3種中微子和3種反中微子等11種是穩定的外，其余都是不穩定的，它們產生后經過一段時間就會自動“衰變”成兩個或更多個其它類型較輕的粒子。

10、粒子產生以后到衰變前存在的時間就是這個粒子的壽命。然而當粒子作高速運動時，由于相對論的時鐘延緩效應，觀測到的粒子的壽命比它靜止時要長。21)(vv電電 荷荷質子帶有電荷 e = 1.6021764621019 C。 所有已發現的粒子所帶電荷都是質子電荷的簡單整數倍，這個性質稱為電荷的“量子化”。實驗上對電荷的量子化進行了精確的檢驗，結果給出測量精確到 1021 時仍然沒有觀測到和整數的差別。自自 旋旋 所有的粒子都有確定的自轉性質，稱為粒子的自旋。粒子自旋角動量可以用一個自旋量子數 J 來定量描寫，也就是自旋角動量大小的平方等于 J ( J + 1 ) 乘約化普朗克常數的平方。粒子可以按自旋量

11、子數 J 的取值分為兩類： J = 0，1，2， ，時是玻色子；J = 1/2，3/2，5/2， ，時是費米子。6.7 6.7 場、粒子、真空和相互作用場、粒子、真空和相互作用最初認識的微粒是物質存在的基本形式微粒在空間占有一定的體積，有不可入性有質量、能量、動量、角動量場本身也是物質存在的基本形式場也具有質量、能量、動量、角動量場是充滿全空間的，沒有不可入性場可以脫離微粒而獨立存在，獨立地運動、傳播和演化。這時，微粒和場被認為是物質存在的兩種基本形式。量子場論給出了物質存在形式的一個基本物理圖像量子場論給出了物質存在形式的一個基本物理圖像：1與每種粒子相對應存在一種場，場沒有不可入性，充 滿

12、全空間。2各種場的能量最低的狀態稱為這種場的基態，當一種 場處于基態時，這種場就不能通過狀態的變化釋放出 能量而輸出任何信號，從而不會顯現出直接的物理效 應，這時表現為看不到存在這種粒子。 3場處于激發狀態時表現為出現相應的粒子，場的不同 激發狀態表現為粒子的數目和運動狀態的不同。 4一般說來，場的運動狀態用一個復數量來描寫，場的 激發也通過復量來描寫，互為復共軛的兩種激發狀態 表現為粒子和反粒子互換的兩種物理狀態。5如果有某種場是用實數量來描寫的，相應地這種場 的激發也是用實數量來描寫，這時它的復共軛就是 它自己本身，這種粒子就是它自身的反粒子。這種 場就是純中性場，這種場的激發表現的粒子就

13、是純 中性粒子。6當所有的場都處于基態的時候，任何一個場都不可 能釋放出能量而給出信號，顯現出存在粒子。這時 是物理上的真空。7互相重疊充滿全空間的各種場之間有相互作用，無 論是處于基態還是處于激發狀態的場都同樣地與其 它場相互作用。四種相互作用四種相互作用 引力相互作用：萬有引力 長程力 微弱 電磁相互作用：帶電物體之間、帶電物體和電磁場 之間的相互作用 長程力 有光子參與的也是電磁相互作用 強相互作用： 強子參與的相互作用 四種相互作用 中最強的 短程力 弱相互作用： 強子不參與的相互作用 四種相互 作用中力程最短的作用類型強相互作用電磁作用弱相互作用引力作用媒介粒子介子、 膠子光子W、

14、Z引力子粒子自旋0，1、 1112質量/GeV0.1396 0080.2， 91.20力程/fm1.4130.00246宏觀表現無有無有作用強度0.150.00736.3410 1 05.9010 3 9相互作用是通過交換一定粒子實現的相互作用是通過交換一定粒子實現的作用類型引力作用電磁作用弱作用強作用交換粒子引力子光子膠子(W+ 、WZ0 粒子)玻色子6.8 6.8 對稱、對稱性和守恒量對稱、對稱性和守恒量對稱對稱破缺 對稱的分類空間對稱：空間平移對稱、空間旋轉對稱時間對稱 內特爾定理 內特爾定理指出：如果運動規律在某一個不明顯依賴于時間的變換下具有不變性，必對應存在一個守恒定律。 按照內特

15、爾定理： 物理規律如果具有3維空間坐標平移不變性，則相應地 存在 3 個守恒定律，即動量守恒定律。 物理規律如果具有3維空間轉動不變性，則相應地存在 3 個守恒定律，即角動量守恒定律。 物理規律如果具有時間平移不變性，則相應地存在 1 個 守恒定律，即能量守恒定律。守恒量 我們已經知道： 能量、動量、角動量、電荷 在微觀物理學中，除了以上守恒量之外，還出現許多新的守恒量。如： 同位旋、奇異數、粲數、底數、頂數、輕子數、重子數、P 宇稱、C 宇稱、G 宇稱、CP 宇稱 微觀物理學中遇到的守恒量，從它與經典物理學的關系來說，又可以區分為兩類：有經典對應的守恒量：能量、動量、角動量、電荷等無經典對應

16、的守恒量：同位旋、奇異數、粲數、底數、 頂數、輕子數、重子數、P 宇 稱、C 宇稱、G 宇稱、CP 宇稱 從守恒量的數學表述來看，基本的守恒量可以區分為兩大類： 第一類守恒量，一個復合體系的總守恒量是其各組成部分所貢獻該守恒量的代數和。第二類守恒量，一個復合體系的總守恒量是其各組成部分該守恒量的乘積，一般說來，這類守恒量的可取值只能是 +1 或 -1。這種守恒量的可取值只能是+或 - 。這兩類守恒量可以分別稱為相加性守恒量和相乘性守恒量。從物理學上考察， 連續變換：連續變換不變性所決定的守恒量是相加性守恒量，也就是守恒性質表現為系統中各部分該守恒量的代數和在運動過程中不變。 分立變換：分立變換

17、不變性所決定的守恒量是相乘性守恒量，也就是守恒性質表現為系統中各部分該守恒量的乘積在運動過程中不變。守恒定律 嚴格守恒定律 近似守恒定律（或部分守恒定律）從而把守恒量也分為兩類 有經典對應的相加性嚴格守恒量：能量、動量、角動量、電荷無經典對應的相加性嚴格守恒量：輕子數、重子數 守恒定律：一個孤立系統某物理量的總量在運動過程中不隨時間改變。 守恒定律的成立與否直接和孤立系統的運動規律有關，特別是與相互作用有關。 同位旋、奇異數、粲數、底數、頂數是無經典對應的相加性近似守恒量: 同位旋只在強相互作用下守恒。 奇異數、粲數、底數、頂數在強相互作用和電磁相互作用下守恒，但在弱相互作用下可以不守恒。 P

18、 宇稱、C 宇稱、G 宇稱、CP 宇稱是無經典對應的相乘性近似守恒量 ：G 宇稱只在強相互作用下守恒。P 宇稱、C 宇稱在強相互作用和電磁相互作用下守恒， 但在弱相互作用下可以不守恒。CP 宇稱在強相互作用、電磁相互作用和弱相互作用下 都守恒，但在弱相互作用下可以有約2/1000的不守恒。全同粒子交換變換是無經典對應的相乘性嚴格守恒量。6.9 6.9 宇稱不守恒問題宇稱不守恒問題宇稱：描寫粒子在空間反演下變換性質的物理量取值：+1、空間反演：鏡面反演：點P，坐標為變換點P1 ，坐標為),(zyxr),(zyxrP(x，y，z) 變換P1 (x，y，z) 生活中，物和鏡子中的像是不同的，這稱為不

19、具有鏡面反演對稱性。 物理學的規律，無論是對空間反演還是對時間反演都應具有對稱性，原因是，空間是均勻對稱的。例如，中學學過的歐姆定律，在以下兩個回路中都應成立。 宇稱守恒： 任何物理過程的鏡面反演像所表示的過程都是在實際中可實現的物理過程，而且所遵守的物理規律與原過程的規律相同。“-”疑難 曾經人們認為，包括粒子反應在內的各種過程中，宇稱都是守恒的。 但是，兩種質量、壽命和電荷都相同的粒子和 ，衰變時，+0 （總角動量如為零，宇稱為正） + +0 （總角動量為零，宇稱為負）從產物粒子的宇稱來看，如果宇稱守恒，那么和粒子應當宇稱不同。然而，從質量和壽命看，這兩種粒子應當是同一種粒子。 1956

20、年，物理學家李政道和楊振寧指出，在強相互作用和電磁相互作用過程中宇稱守恒是得到了實驗的判定性檢驗的，但是在弱相互作用過程中，宇稱守恒并沒有得到實驗的判定性檢驗。李政道和楊振寧提出，這個疑難產生的原因在于弱相互作用過程中宇稱可以不守恒。 1957 年，物理學家吳健雄精確地進行了這個實驗，證實了李政道和楊振寧提出的分析判斷。 當年，李政道和楊振寧獲諾貝爾物理獎。 李政道和楊振寧在獲獎時，是持出國時的中國留學生護照，所以他們是首次獲此殊榮的中國人。 弱相互作用下宇稱不守恒的確立告訴人們： 各種守恒定律的適用范圍可以是不同的，有些物理量在一切相互作用過程中都是守恒的，而有些物理量則只在某些相互作用過程

21、中才是守恒的。 宇稱就是人們認識的第一個只在某些相互作用過程中才守恒的相乘性守恒量。 基本相互作用和守恒定律基本相互作用和守恒定律 強相互作用弱相互作用電磁相互作用能量守恒守恒守恒動量守恒守恒守恒角動量守恒守恒守恒電荷守恒守恒守恒輕子數守恒守恒守恒e輕子數守恒守恒守恒重子數守恒守恒守恒奇異數守恒不守恒守恒宇稱守恒不守恒守恒6.10 CP 6.10 CP 守恒和守恒和 CP CP 破壞問題破壞問題粒子世界有三個基本的分立變換： P變換：空間反射變換，也就是說， ，生活 中常見的鏡面反射。rrC變換：將體系的所有粒子變成相應的反粒子。T變換：時間反演變換，tt 。 理論上可以證明一個重要的基本定理

22、，即 CPT 定理：在正反粒子變換、空間反射變換、時間反演變換的聯合作用之下，滿足因果關系和自旋統計關系的點粒子運動規律是不變的。 在李政道和楊振寧發現弱相互作用中宇稱可以不守恒之后，經過物理學家的研究，很快就確認弱相互作用的運動規律是在 C 變換下不再保持不變。但是弱相互作用的運動規律在正反粒子變換和空間反射變換的聯合變換，即 CP 變換下仍然是不變的。6.11 6.11 奇異粒子和奇異奇異粒子和奇異數數奇異粒子“奇異”在什么地方？ (1) 協同產生，獨立衰變 KpKp0KKp0,K,K0都是奇異粒子 它們產生后都分別獨立地衰變，例如： K00n,pn0, K(2) 快產生、慢衰變 為描述奇

23、異粒子的“奇異”特性，引入“奇異數”S只能取整數值過去熟知的普通粒子的奇異數都定為零奇異粒子的奇異數不為零蓋耳-曼-西島關系)(213SbIQ6.12 6.12 粒子的分類粒子的分類規范玻色子：各種相互作用的媒介粒子粒子傳遞的相互作用自旋質量個數膠子G強相互作用108光子電、弱相互作用101中間玻色子W+ 、W、Z0電、弱相互作用1mp3引力子g引力相互作用201膠子和引力子已被理論確認，但實驗上尚未找到。輕子：參與電磁相互作用，不直接參與強相互作用的粒子已知：12種粒子（反粒子）電荷重子數輕子數壽命/s電子（反電子）-1（+1）0+1（-1）穩定（）-1（+1）0+1（-1）不穩定（）-1（

24、+1）0+1（-1）不穩定中微子（反中微子）00+1（-1）穩定注：中微子（反中微子）包括6種粒子北京正負電子對撞機北京正負電子對撞機強子：參與四種相互作用，直接參與強相互作用，包 括介子和重子分類粒子名稱自旋 介子、 、 K介子等整數或0玻色子重子核子質子、中子及其反粒子1/2(超子 3/2)費米子超子超子及反粒子已知：467種 重子：294種介子：173種粒子與相互作用粒子與相互作用 萬有引力萬有引力電磁力電磁力弱相互作用弱相互作用強相互作用強相互作用引力子引力子參與參與 光子光子參與參與參與參與 輕子輕子參與參與參與參與參與參與 強子強子參與參與參與參與參與參與參與參與6.13 6.13

25、 夸克模型理論和強子結構夸克模型理論和強子結構現在，你是否有這樣的感覺？遨游在粒子世界，就像剝洋蔥剝下一層又一層基本粒子不“基本” 輕子 強子 夸克模型 符號電荷/e自旋量子數重子數奇異數上夸克u2/31/21/30下夸克d-1/31/21/30奇異夸克s-1/31/21/3-1強子結構的基本模型 介子（夸克和反夸克組成） 重子（三個夸克組成）下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s粲夸克 c 底夸克 b 頂夸克 t1. 質子質子 (uud)0SeeeeQ313232電荷電荷1313131B重子數重子數2/1I2/1J奇異數奇異數自旋自旋同位旋同位旋2. 奇異粒子奇異粒子 （uus）eeeeQ313232電荷電荷1313131B重子數重子數1S2/1J奇異數奇異數自旋自旋3.+ 介子介子)d(ueeeQ313203131B重子數重子數0 S電荷電荷奇異數奇異數自旋自旋同位旋分量同位旋分量1