1、第六章第六章 粒子世界粒子世界版權(quán)所有 復(fù)制必究高等教育出版社微乎其微，但又和宏大無(wú)邊的宇宙相互聯(lián)系微乎其微，但又和宏大無(wú)邊的宇宙相互聯(lián)系英才輩出，這里云集了眾多諾貝爾獎(jiǎng)得主的成就英才輩出，這里云集了眾多諾貝爾獎(jiǎng)得主的成就嘆為觀止，從對(duì)稱感受物理世界是美的！嘆為觀止，從對(duì)稱感受物理世界是美的！歡迎走進(jìn)粒子世界歡迎走進(jìn)粒子世界6.1 6.1 狄拉克的理論和正電子的發(fā)現(xiàn)狄拉克的理論和正電子的發(fā)現(xiàn)最初認(rèn)識(shí)的基本粒子 20 世紀(jì)初認(rèn)識(shí)的基本粒子 質(zhì)子：帶單位正電荷電子：帶單位負(fù)電荷 光子：不帶電都是穩(wěn)定的粒子 質(zhì)子發(fā)射、吸收光子發(fā)射、吸收電子它們通過(guò)電磁相互作用互相聯(lián)系起來(lái)讓我們先來(lái)認(rèn)識(shí)一位物理學(xué)家。

2、 他的才華，讓楊振寧想起唐朝詩(shī)人高適的詩(shī)：“靈性出萬(wàn)象，風(fēng)骨超常倫”。 他的創(chuàng)見(jiàn)，讓丁肇中戲稱： 一個(gè)天才和一個(gè)神經(jīng)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(jì)物理學(xué)的兩項(xiàng)偉大成就相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合起來(lái)，他寫(xiě)出一個(gè)相對(duì)論性的量子力學(xué)方程，叫狄拉克方程。開(kāi)創(chuàng)了相對(duì)論量子力學(xué)，時(shí)年26歲。在相對(duì)論和量子力學(xué)里，質(zhì)量是以平方項(xiàng)的形式出現(xiàn)的。m2可以表示mm，也可以表示為(m)(m)。這也許不會(huì)引起普通人的注意，但狄拉克沒(méi)有放過(guò)它，他問(wèn)m有物理上的意義嗎？（丁肇中開(kāi)玩笑的話就是由此而來(lái)） 自由電子的能量.222pcmcE 能量有正有負(fù)。怎么

3、理解負(fù)的能量呢？狄拉克從新認(rèn)識(shí)了真空的意義，提出了“真空不空”，而是所有負(fù)能態(tài)都被填滿的最低能態(tài)，如果負(fù)能態(tài)中有一個(gè)“位置”沒(méi)有被填滿，那意味著少了一個(gè)負(fù)能電子。教室里少了個(gè)同學(xué)來(lái)上課，就有一個(gè)空位子。狄拉克把負(fù)能態(tài)中的“空位子”叫做“空穴”。少了一個(gè)電子，也可以等價(jià)理解為多了一個(gè)正能粒子。從“空穴”，還有上面提到的m，狄拉克預(yù)言了正電子，和正負(fù)電子對(duì)湮沒(méi)。狄拉克獲得1933年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?？昭ɡ碚撌疽鈭D 6.2 6.2 中子、反質(zhì)子和反中子中子、反質(zhì)子和反中子電子有自己的反粒子正電子其他粒子呢？質(zhì)子是帶正電的粒子，有沒(méi)有帶負(fù)電的反質(zhì)子？中子不帶電，它的反粒子會(huì)是什么樣？電子的第四個(gè)自由度自

4、旋 斯特恩斯特恩- -蓋拉赫實(shí)驗(yàn)裝置圖蓋拉赫實(shí)驗(yàn)裝置圖 反質(zhì)子和反中子反質(zhì)子和反中子 質(zhì)子反質(zhì)子電荷ee自旋量子數(shù)1/21/2重子數(shù)11中子反中子電荷00重子數(shù)116.3 6.3 湯川的介子場(chǎng)理論湯川的介子場(chǎng)理論我們已經(jīng)知道：它們通過(guò)電磁相互作用互相聯(lián)系起來(lái)我們還知道質(zhì)子和中子是通過(guò)短程核力彼此吸引，組成原子核質(zhì)子?質(zhì)子?中子?中子質(zhì)子發(fā)射、吸收光子發(fā)射、吸收電子那么日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)預(yù)言，核力相互作用是通過(guò)交換一種有靜止質(zhì)量的媒介粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)的，質(zhì)量大約是電子的200倍，介于電子和質(zhì)子之間湯川叫它介子湯川秀樹(shù)因?yàn)轭A(yù)言介子的存在，獲得1949年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(fā)現(xiàn)子的發(fā)現(xiàn) 湯川的研究成果，起初并沒(méi)有引起重視。兩年后，安德森在宇宙線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一些粒子，質(zhì)量約為電子質(zhì)量 206.76 倍，帶有正單位電荷或負(fù)單位電荷，平均壽命2.197 ms。會(huì)不會(huì)就是 1935 年湯川的介子場(chǎng)理論所預(yù)言存在的核力的媒介粒子呢？當(dāng)時(shí)的人們就這樣認(rèn)為，把它命名為 介子。幾年后，日本物理學(xué)家坂田昌一經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，指出：湯川理論預(yù)言的介子的平均壽命應(yīng)當(dāng)比較長(zhǎng)，介子不可能是湯川理論所預(yù)言的介子。湯川理論所預(yù)言的那種介子還沒(méi)有發(fā)現(xiàn) 。子的性質(zhì)衰變：子電子+中微子+反中微子在發(fā)現(xiàn)子之初，人們叫它“重電子”我們來(lái)做個(gè)對(duì)比：電子子電荷

6、ee或e自旋量子數(shù)1/21/2壽命2.197ms穩(wěn)定湯川預(yù)言的介子是否存在？ 英國(guó)物理學(xué)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(lái)的粒子穿過(guò)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(fā)生，留下黑色的軌跡。通過(guò)對(duì)軌跡的研究，可以知道離子的速度。1947年，鮑威爾在宇宙線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量約為電子質(zhì)量 273 倍的帶有正單位電荷或負(fù)單位電荷的粒子，它與原子核之間有很強(qiáng)的相互作用，稱為介子。這是不是就是湯川預(yù)言的介子？看看它的性質(zhì)：平均壽命26.03 ns衰變：介子子+中微子+反中微子 （絕大多數(shù)）介子電子+中微子+反中微子 （極少數(shù)）19世紀(jì)20年代，人

7、們發(fā)現(xiàn)，按通常的認(rèn)識(shí)，衰變的能量和動(dòng)量不守恒為了解決這個(gè)問(wèn)題，泡利假設(shè)衰變還放出一種很小的、中性的粒子叫中微子中微子運(yùn)動(dòng)時(shí)和所遇到的各種物質(zhì)分子、原子、原子核、電子都沒(méi)有可以察覺(jué)的相互作用，各種物質(zhì)對(duì)于它們都是幾乎透明的。當(dāng)中微子穿過(guò)整個(gè)地球時(shí)，也只有 1010的被吸收掉。 那么，怎么找到中微子？ 我國(guó)物理學(xué)家王淦昌提出用K俘獲方法，驗(yàn)證中微子的存在。1956 年，美國(guó)物理學(xué)家科恩和萊因斯發(fā)現(xiàn)了反中微子。 中微子與反中微子至此，我們認(rèn)識(shí)了：光子、電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)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(wěn)定的6.5 6.5 粒子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和自然單位制粒子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)和自然單位制“基本粒子”不“基本”粒子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)：l粒子是微觀尺度的客體，運(yùn)動(dòng)是微觀尺度的運(yùn)動(dòng)。l粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)是可以做高速運(yùn)動(dòng)的，粒子速度的變化常常 可以達(dá)到和真空光速相比擬的數(shù)量級(jí)，相應(yīng)地能量的變 化常常達(dá)到相當(dāng)于甚至遠(yuǎn)大于粒子靜止能量的數(shù)量級(jí)， 運(yùn)動(dòng)是相對(duì)論性的。l粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，常常表現(xiàn)出粒子之間的相互轉(zhuǎn)化，粒 子數(shù)目是可變的，粒子可以產(chǎn)生和湮沒(méi)。換言之，觀察 到的粒子系統(tǒng)的自由度數(shù)在粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)是可變的。6.6 6.6 微觀粒子的主要普遍內(nèi)稟屬性微觀粒子的主要普遍內(nèi)稟屬性粒子的一個(gè)普遍的基本特性是全同性。 各種粒子

9、分別有各自的內(nèi)稟屬性，這些屬性不隨粒子產(chǎn)生的來(lái)源和粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而變化。一切內(nèi)稟屬性的總和是判別和區(qū)分粒子種類的依據(jù)，屬于同一種粒子的內(nèi)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(zhì)質(zhì) 量量所有的粒子都有確定的質(zhì)量。按狹義相對(duì)論給出，粒子的質(zhì)量是速度的函數(shù)，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(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子共有 479 種，在這些粒子中，除了光子、電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子、3種中微子和3種反中微子等11種是穩(wěn)定的外，其余都是不穩(wěn)定的，它們產(chǎn)生后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間就會(huì)自動(dòng)“衰變”成兩個(gè)或更多個(gè)其它類型較輕的粒子。

10、粒子產(chǎn)生以后到衰變前存在的時(shí)間就是這個(gè)粒子的壽命。然而當(dāng)粒子作高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于相對(duì)論的時(shí)鐘延緩效應(yīng)，觀測(cè)到的粒子的壽命比它靜止時(shí)要長(zhǎng)。21)(vv電電 荷荷質(zhì)子帶有電荷 e = 1.6021764621019 C。 所有已發(fā)現(xiàn)的粒子所帶電荷都是質(zhì)子電荷的簡(jiǎn)單整數(shù)倍，這個(gè)性質(zhì)稱為電荷的“量子化”。實(shí)驗(yàn)上對(duì)電荷的量子化進(jìn)行了精確的檢驗(yàn)，結(jié)果給出測(cè)量精確到 1021 時(shí)仍然沒(méi)有觀測(cè)到和整數(shù)的差別。自自 旋旋 所有的粒子都有確定的自轉(zhuǎn)性質(zhì)，稱為粒子的自旋。粒子自旋角動(dòng)量可以用一個(gè)自旋量子數(shù) J 來(lái)定量描寫(xiě)，也就是自旋角動(dòng)量大小的平方等于 J ( J + 1 ) 乘約化普朗克常數(shù)的平方。粒子可以按自旋量

11、子數(shù) J 的取值分為兩類： J = 0，1，2， ，時(shí)是玻色子；J = 1/2，3/2，5/2， ，時(shí)是費(fèi)米子。6.7 6.7 場(chǎng)、粒子、真空和相互作用場(chǎng)、粒子、真空和相互作用最初認(rèn)識(shí)的微粒是物質(zhì)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(zhì)量、能量、動(dòng)量、角動(dòng)量場(chǎng)本身也是物質(zhì)存在的基本形式場(chǎng)也具有質(zhì)量、能量、動(dòng)量、角動(dòng)量場(chǎng)是充滿全空間的，沒(méi)有不可入性場(chǎng)可以脫離微粒而獨(dú)立存在，獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)、傳播和演化。這時(shí)，微粒和場(chǎng)被認(rèn)為是物質(zhì)存在的兩種基本形式。量子場(chǎng)論給出了物質(zhì)存在形式的一個(gè)基本物理圖像量子場(chǎng)論給出了物質(zhì)存在形式的一個(gè)基本物理圖像：1與每種粒子相對(duì)應(yīng)存在一種場(chǎng)，場(chǎng)沒(méi)有不可入性，充 滿

12、全空間。2各種場(chǎng)的能量最低的狀態(tài)稱為這種場(chǎng)的基態(tài)，當(dāng)一種 場(chǎng)處于基態(tài)時(shí)，這種場(chǎng)就不能通過(guò)狀態(tài)的變化釋放出 能量而輸出任何信號(hào)，從而不會(huì)顯現(xiàn)出直接的物理效 應(yīng)，這時(shí)表現(xiàn)為看不到存在這種粒子。 3場(chǎng)處于激發(fā)狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)為出現(xiàn)相應(yīng)的粒子，場(chǎng)的不同 激發(fā)狀態(tài)表現(xiàn)為粒子的數(shù)目和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同。 4一般說(shuō)來(lái)，場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用一個(gè)復(fù)數(shù)量來(lái)描寫(xiě)，場(chǎng)的 激發(fā)也通過(guò)復(fù)量來(lái)描寫(xiě)，互為復(fù)共軛的兩種激發(fā)狀態(tài) 表現(xiàn)為粒子和反粒子互換的兩種物理狀態(tài)。5如果有某種場(chǎng)是用實(shí)數(shù)量來(lái)描寫(xiě)的，相應(yīng)地這種場(chǎng) 的激發(fā)也是用實(shí)數(shù)量來(lái)描寫(xiě)，這時(shí)它的復(fù)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(chǎng)就是純中性場(chǎng)，這種場(chǎng)的激發(fā)表現(xiàn)的粒子就

13、是純 中性粒子。6當(dāng)所有的場(chǎng)都處于基態(tài)的時(shí)候，任何一個(gè)場(chǎng)都不可 能釋放出能量而給出信號(hào)，顯現(xiàn)出存在粒子。這時(shí) 是物理上的真空。7互相重疊充滿全空間的各種場(chǎng)之間有相互作用，無(wú) 論是處于基態(tài)還是處于激發(fā)狀態(tài)的場(chǎng)都同樣地與其 它場(chǎng)相互作用。四種相互作用四種相互作用 引力相互作用：萬(wàn)有引力 長(zhǎng)程力 微弱 電磁相互作用：帶電物體之間、帶電物體和電磁場(chǎng) 之間的相互作用 長(zhǎng)程力 有光子參與的也是電磁相互作用 強(qiáng)相互作用： 強(qiáng)子參與的相互作用 四種相互作用 中最強(qiáng)的 短程力 弱相互作用： 強(qiáng)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(qiáng)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(zhì)量/GeV0.1396 0080.2， 91.20力程/fm1.4130.00246宏觀表現(xiàn)無(wú)有無(wú)有作用強(qiáng)度0.150.00736.3410 1 05.9010 3 9相互作用是通過(guò)交換一定粒子實(shí)現(xiàn)的相互作用是通過(guò)交換一定粒子實(shí)現(xiàn)的作用類型引力作用電磁作用弱作用強(qiáng)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(duì)稱、對(duì)稱性和守恒量對(duì)稱、對(duì)稱性和守恒量對(duì)稱對(duì)稱破缺 對(duì)稱的分類空間對(duì)稱：空間平移對(duì)稱、空間旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)間對(duì)稱 內(nèi)特爾定理 內(nèi)特爾定理指出：如果運(yùn)動(dòng)規(guī)律在某一個(gè)不明顯依賴于時(shí)間的變換下具有不變性，必對(duì)應(yīng)存在一個(gè)守恒定律。 按照內(nèi)特

15、爾定理： 物理規(guī)律如果具有3維空間坐標(biāo)平移不變性，則相應(yīng)地 存在 3 個(gè)守恒定律，即動(dòng)量守恒定律。 物理規(guī)律如果具有3維空間轉(zhuǎn)動(dòng)不變性，則相應(yīng)地存在 3 個(gè)守恒定律，即角動(dòng)量守恒定律。 物理規(guī)律如果具有時(shí)間平移不變性，則相應(yīng)地存在 1 個(gè) 守恒定律，即能量守恒定律。守恒量 我們已經(jīng)知道： 能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、電荷 在微觀物理學(xué)中，除了以上守恒量之外，還出現(xiàn)許多新的守恒量。如： 同位旋、奇異數(shù)、粲數(shù)、底數(shù)、頂數(shù)、輕子數(shù)、重子數(shù)、P 宇稱、C 宇稱、G 宇稱、CP 宇稱 微觀物理學(xué)中遇到的守恒量，從它與經(jīng)典物理學(xué)的關(guān)系來(lái)說(shuō)，又可以區(qū)分為兩類：有經(jīng)典對(duì)應(yīng)的守恒量：能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、電荷等無(wú)經(jīng)典對(duì)應(yīng)

16、的守恒量：同位旋、奇異數(shù)、粲數(shù)、底數(shù)、 頂數(shù)、輕子數(shù)、重子數(shù)、P 宇 稱、C 宇稱、G 宇稱、CP 宇稱 從守恒量的數(shù)學(xué)表述來(lái)看，基本的守恒量可以區(qū)分為兩大類： 第一類守恒量，一個(gè)復(fù)合體系的總守恒量是其各組成部分所貢獻(xiàn)該守恒量的代數(shù)和。第二類守恒量，一個(gè)復(fù)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(shuō)來(lái)，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(xué)上考察， 連續(xù)變換：連續(xù)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(zhì)表現(xiàn)為系統(tǒng)中各部分該守恒量的代數(shù)和在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(zhì)表現(xiàn)為系統(tǒng)中各部分該守恒量的乘積在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不變。守恒定律 嚴(yán)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(jīng)典對(duì)應(yīng)的相加性嚴(yán)格守恒量：能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、電荷無(wú)經(jīng)典對(duì)應(yīng)的相加性嚴(yán)格守恒量：輕子數(shù)、重子數(shù) 守恒定律：一個(gè)孤立系統(tǒng)某物理量的總量在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不隨時(shí)間改變。 守恒定律的成立與否直接和孤立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有關(guān)，特別是與相互作用有關(guān)。 同位旋、奇異數(shù)、粲數(shù)、底數(shù)、頂數(shù)是無(wú)經(jīng)典對(duì)應(yīng)的相加性近似守恒量: 同位旋只在強(qiáng)相互作用下守恒。 奇異數(shù)、粲數(shù)、底數(shù)、頂數(shù)在強(qiáng)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(wú)經(jīng)典對(duì)應(yīng)的相乘性近似守恒量 ：G 宇稱只在強(qiáng)相互作用下守恒。P 宇稱、C 宇稱在強(qiáng)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(qiáng)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(wú)經(jīng)典對(duì)應(yīng)的相乘性嚴(yán)格守恒量。6.9 6.9 宇稱不守恒問(wèn)題宇稱不守恒問(wèn)題宇稱：描寫(xiě)粒子在空間反演下變換性質(zhì)的物理量取值：+1、空間反演：鏡面反演：點(diǎn)P，坐標(biāo)為變換點(diǎn)P1 ，坐標(biāo)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(duì)稱性。 物理學(xué)的規(guī)律，無(wú)論是對(duì)空間反演還是對(duì)時(shí)間反演都應(yīng)具有對(duì)稱性，原因是，空間是均勻?qū)ΨQ的。例如，中學(xué)學(xué)過(guò)的歐姆定律，在以下兩個(gè)回路中都應(yīng)成立。 宇稱守恒： 任何物理過(guò)程的鏡面反演像所表示的過(guò)程都是在實(shí)際中可實(shí)現(xiàn)的物理過(guò)程，而且所遵守的物理規(guī)律與原過(guò)程的規(guī)律相同?！?”疑難 曾經(jīng)人們認(rèn)為，包括粒子反應(yīng)在內(nèi)的各種過(guò)程中，宇稱都是守恒的。 但是，兩種質(zhì)量、壽命和電荷都相同的粒子和 ，衰變時(shí)，+0 （總角動(dòng)量如為零，宇稱為正） + +0 （總角動(dòng)量為零，宇稱為負(fù)）從產(chǎn)物粒子的宇稱來(lái)看，如果宇稱守恒，那么和粒子應(yīng)當(dāng)宇稱不同。然而，從質(zhì)量和壽命看，這兩種粒子應(yīng)當(dāng)是同一種粒子。 1956

20、年，物理學(xué)家李政道和楊振寧指出，在強(qiáng)相互作用和電磁相互作用過(guò)程中宇稱守恒是得到了實(shí)驗(yàn)的判定性檢驗(yàn)的，但是在弱相互作用過(guò)程中，宇稱守恒并沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)的判定性檢驗(yàn)。李政道和楊振寧提出，這個(gè)疑難產(chǎn)生的原因在于弱相互作用過(guò)程中宇稱可以不守恒。 1957 年，物理學(xué)家吳健雄精確地進(jìn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了李政道和楊振寧提出的分析判斷。 當(dāng)年，李政道和楊振寧獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。 李政道和楊振寧在獲獎(jiǎng)時(shí)，是持出國(guó)時(shí)的中國(guó)留學(xué)生護(hù)照，所以他們是首次獲此殊榮的中國(guó)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(guò)程中都是守恒的，而有些物理量則只在某些相互作用過(guò)程

21、中才是守恒的。 宇稱就是人們認(rèn)識(shí)的第一個(gè)只在某些相互作用過(guò)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(qiáng)相互作用弱相互作用電磁相互作用能量守恒守恒守恒動(dòng)量守恒守恒守恒角動(dòng)量守恒守恒守恒電荷守恒守恒守恒輕子數(shù)守恒守恒守恒e輕子數(shù)守恒守恒守恒重子數(shù)守恒守恒守恒奇異數(shù)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(wèn)題破壞問(wèn)題粒子世界有三個(gè)基本的分立變換： P變換：空間反射變換，也就是說(shuō)， ，生活 中常見(jiàn)的鏡面反射。rrC變換：將體系的所有粒子變成相應(yīng)的反粒子。T變換：時(shí)間反演變換，tt 。 理論上可以證明一個(gè)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(shí)間反演變換的聯(lián)合作用之下，滿足因果關(guān)系和自旋統(tǒng)計(jì)關(guān)系的點(diǎn)粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律是不變的。 在李政道和楊振寧發(fā)現(xiàn)弱相互作用中宇稱可以不守恒之后，經(jīng)過(guò)物理學(xué)家的研究，很快就確認(rèn)弱相互作用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是在 C 變換下不再保持不變。但是弱相互作用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在正反粒子變換和空間反射變換的聯(lián)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(shù)數(shù)奇異粒子“奇異”在什么地方？ (1) 協(xié)同產(chǎn)生，獨(dú)立衰變 KpKp0KKp0,K,K0都是奇異粒子 它們產(chǎn)生后都分別獨(dú)立地衰變，例如： K00n,pn0, K(2) 快產(chǎn)生、慢衰變 為描述奇

23、異粒子的“奇異”特性，引入“奇異數(shù)”S只能取整數(shù)值過(guò)去熟知的普通粒子的奇異數(shù)都定為零奇異粒子的奇異數(shù)不為零蓋耳-曼-西島關(guān)系)(213SbIQ6.12 6.12 粒子的分類粒子的分類規(guī)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(zhì)量個(gè)數(shù)膠子G強(qiáng)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(rèn)，但實(shí)驗(yàn)上尚未找到。輕子：參與電磁相互作用，不直接參與強(qiáng)相互作用的粒子已知：12種粒子（反粒子）電荷重子數(shù)輕子數(shù)壽命/s電子（反電子）-1（+1）0+1（-1）穩(wěn)定（）-1（+1）0+1（-1）不穩(wěn)定（）-1（

24、+1）0+1（-1）不穩(wěn)定中微子（反中微子）00+1（-1）穩(wěn)定注：中微子（反中微子）包括6種粒子北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)強(qiáng)子：參與四種相互作用，直接參與強(qiáng)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(shù)或0玻色子重子核子質(zhì)子、中子及其反粒子1/2(超子 3/2)費(fèi)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(wàn)有引力萬(wàn)有引力電磁力電磁力弱相互作用弱相互作用強(qiáng)相互作用強(qiáng)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(qiáng)子強(qiáng)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(qiáng)子結(jié)構(gòu)夸克模型理論和強(qiáng)子結(jié)構(gòu)現(xiàn)在，你是否有這樣的感覺(jué)？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(qiáng)子 夸克模型 符號(hào)電荷/e自旋量子數(shù)重子數(shù)奇異數(shù)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(qiáng)子結(jié)構(gòu)的基本模型 介子（夸克和反夸克組成） 重子（三個(gè)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(zhì)子質(zhì)子 (uud)0SeeeeQ313232電荷電荷1313131B重子數(shù)重子數(shù)2/1I2/1J奇異數(shù)奇異數(shù)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(shù)重子數(shù)1S2/1J奇異數(shù)奇異數(shù)自旋自旋3.+ 介子介子)d(ueeeQ313203131B重子數(shù)重子數(shù)0 S電荷電荷奇異數(shù)奇異數(shù)自旋自旋同位旋分量同位旋分量1