北京大学物理学院-量子物理.pdf

原子物理学 讲授 讲授 徐仁新 北京大学物理学院天文学系北京大学物理学院天文学系 Atomic Physics R X Xu 奇异数与强子分类奇异数与强子分类 什么是构成宇宙的基本砖块 什么是构成宇宙的基本砖块 1930年代的基本粒子 年代的基本粒子 e p n 1930 40年代 新增年代 新增 汤川 汤川 1947年 发现年 发现奇异粒子奇异粒子 上世纪上世纪粒子物理标准模型粒子物理标准模型的的建立 建立 基本费米子 基本费米子 l q 及传递及传递其间作其间作用规范玻色子用规范玻色子 暗物质暗物质与暗能量暗能量 B 0 04 DM 0 26 0 70 Atomic Physics R X Xu 奇异粒子的发现是认识基本砖块的奇异粒子的发现是认识基本砖块的关键关键 1 奇异粒子的发现 Rochester Butler 1947 于宇宙线中发现于宇宙线中发现 这些粒子具有这些粒子具有奇异奇异的性质的性质 奇异奇异粒子粒子 协同快 协同快 10 24 s 产生 单独慢 产生 单独慢 10 10 s 衰变 衰变 例如 例如 Atomic Physics R X Xu 00 p K 1953年年Nishijima Gell Mann独立提出奇异数独立提出奇异数S的的 概念 概念 S在在强作用下守恒强作用下守恒 而在而在弱作用下不守恒弱作用下不守恒 置置S 1 则则S 1 0 nK 00 K p K 0 pK K pK K 1 奇异粒子的发现 弱作用 衰变 过程中奇异数不守恒弱作用 衰变 过程中奇异数不守恒 弱衰变选择定则 弱衰变选择定则 S 1 例如 例如 Atomic Physics R X Xu 0 p 0 K 0 强子强子 能够参 能够参 与强作用的粒子 与强作用的粒子 如如p n K 等 等 0 1 奇异粒子的发现 强子强子 还蛮还蛮 多的多的 呢呢 千万不要因为记不住或难记这些粒子的名字而对粒子物理失去信心 千万不要因为记不住或难记这些粒子的名字而对粒子物理失去信心 Fermi曾告诫他的学生曾告诫他的学生Lederman 因因 而获得而获得1988年年Nobel物理奖物理奖 年轻人 如果我能够完全记住这些粒子的年轻人 如果我能够完全记住这些粒子的 名字 我早就是个植物学家了 名字 我早就是个植物学家了 介子与重子 超子 介子与重子 超子 介子介子 源 质量介于电子与核子之间的粒子 源 质量介于电子与核子之间的粒子 例如例如 介子 介子 0 为同位旋多重态为同位旋多重态 I 1 I3 1 I3 0 0 I3 1 回忆 核子回忆 核子Q与与I3关系关系 Q I3 1 2 改进后的改进后的Q I3关系 关系 Q I3 B 2 其中其中B称为称为重子数重子数 B 介子介子 0 B 重子重子 1 重子重子 源 质量较重的粒子 核子属重子 源 质量较重的粒子 核子属重子 Atomic Physics R X Xu 2 超荷与Gell Mann 西岛关系 介子与重子 超子 介子与重子 超子 超子超子 源 质量超过核子 实 源 质量超过核子 实 S 0奇异重子奇异重子 例如例如 超子 超子 0 为同位旋多重态为同位旋多重态 I 1 I3 1 I3 0 0 I3 1 回忆回忆Q I3关系关系 Q I3 B 2 再改进再改进Q I3关系 关系 Gell Mann Nishijima关系关系 Q I3 B S 2 其中其中Y B S称为称为超荷超荷 S 1 例 例 I3 K 1 2 I3 K0 1 2 Q I3 1 2 Atomic Physics R X Xu 2 超荷与Gell Mann 西岛关系 1926 2009 1929 3 强子分类 轻子轻子 源 质量轻于电子 实 不参与强作用 源 质量轻于电子 实 不参与强作用 强子强子 参与强作用的粒子 参与强作用的粒子 包括重子 介子 包括重子 介子 Atomic Physics R X Xu Bosons 介子 例 介子 例 K Fermions 重子 例 重子 例 核子核子 轻子轻子 强子强子 微 观 粒 子 Q 0电子电子 e Q 0中微子中微子 e 超子超子 奇异介子奇异介子 常规物质常规物质 3 强子分类 强子的结构强子的结构 轻子轻子只有六种 只有六种 味味 看来可能是 基本 粒子 看来可能是 基本 粒子 强子强子种类繁多 眼花缭乱 都是 基本 粒子 种类繁多 眼花缭乱 都是 基本 粒子 要看本质 先作分类要看本质 先作分类 同位旋多重态同位旋多重态 质量相近 自旋 宇称相同 电荷不同 质量相近 自旋 宇称相同 电荷不同 即使将一同位旋多重态看作一种粒子 强子数目仍然很大 即使将一同位旋多重态看作一种粒子 强子数目仍然很大 需寻找更高的对称性以减少多重态的总数目需寻找更高的对称性以减少多重态的总数目 Gell Mann 西岛关系暗示西岛关系暗示 I3 Y 可能反映更高的对称性可能反映更高的对称性 权图权图 质量相近 自旋 质量相近 自旋 宇称相同的强子标记在宇称相同的强子标记在I3 Y图上 图上 Atomic Physics R X Xu Q I3 Y 2 3 强子分类 强子的归类强子的归类 Atomic Physics R X Xu 例 例 Jp 0 介子八重态介子八重态 K K0 m 495 MeV K K0 m 495 MeV 0 m 140 MeV m 549 MeV S 1 S 1 3 强子分类 强子的归类强子的归类 Atomic Physics R X Xu 例 例 Jp 3 2 重子十重态重子十重态 质量质量 质量差质量差 1232 1385 1534 153 149 149 1962 Gell Mann预言预言m 1534 149 1683 1964 m 1672 22 1969 Nobel Gell Mann的两页 的两页 夸克夸克 纸 纸 Please email me to have a PDF file of this paper r x xu It is fun to speculate about the way quarks would behave if they were physical particles of finite mass instead of purely mathematical entities 4 强子的更深层次结构 Atomic Physics R X Xu 1964年年 Gell Mann 1929生生 和和Zweig 1937生生 分别提出分别提出亚核子亚核子 Quark Ace 的概念的概念 1981年年Zweig 在在CalTech出版物上的一段回忆 出版物上的一段回忆 Gribbin In search of the Big Bang 卢巨甫译 上海科技教育出版社 2000 p 243 250 4 强子的更深层次结构 Atomic Physics R X Xu Gribbin In search of the Big Bang 卢巨甫译 上海科技教育出版社 2000 p 359 360 更多的回忆 更多的回忆 4 强子的更深层次结构 Atomic Physics R X Xu 值得一提 中国的 值得一提 中国的 层子层子 模型 模型 4 强子的更深层次结构 Atomic Physics R X Xu 1967年年 SLAC Stanford linear accler Center 实验实验 20GeV电子深度非弹电子深度非弹性散射质子性散射质子 部分子部分子 parton 点状 硬 核点状 硬 核 实验上发现 电子大动量迁移时 质子内许多实验上发现 电子大动量迁移时 质子内许多 点状 粒子似乎是 自由 的 即 质子看 点状 粒子似乎是 自由 的 即 质子看 起来由若干无相互作用的 点 粒子组成 起来由若干无相互作用的 点 粒子组成 渐近自由渐近自由 粒子之间相互作用的强度随粒子之间相互作用的强度随 着交换动量的增加着交换动量的增加而减弱 而减弱 4 强子的更深层次结构 Atomic Physics R X Xu The Nobel prize in Physics 2004 David J Gross L of the University of California at Santa Barbara and his wife R Frank Wilczek of the Massachusetts Institute of Technology H David Politzer of the California Institute of Technology Pasadena California 1973 SU 3 non Abelian gauge theory asymptotic freedom 3 1 Paradigm 1 The Hard Reality of Quarks and Gluons Because in order to fit the facts you had to ascribe several bizarre properties to quarks paradoxical dynamics peculiar charge and anomalous statistics their reality was in 1972 still very much in question This despite the fact that they were helpful in organizing the hadrons and even though Friedman Kendall and Taylor had observed them Frank Wilczek 2004 Lecture given in acceptance of the Nobel Prize The Nobel prize in Physics 2004 1973 SU 3 non Abelian gauge theory asymptotic freedom Observations should not be trusted until confirmed by Theory Arthur Eddington 4 强子的更深层次结构 Atomic Physics R X Xu 夸克存在 夸克存在 色色 自由度 自由度 粒子粒子 Y 2 B 1 S 3 而 而 的自旋为的自旋为3 2 夸克模型中各种夸克的自旋均为夸克模型中各种夸克的自旋均为1 2 s夸克的奇异数为夸克的奇异数为 1 反 反s为为 1 sss Pauli原理原理 其中其中2个个s处于激发态处于激发态 为何不为何不2个个s都处于基态 都处于基态 s 1 2 夸克具有夸克具有 色自由度色自由度 QCD 量子色动力学量子色动力学 描述带色荷粒子间作用的动力学 描述带色荷粒子间作用的动力学 5 相互作用守恒律总结 对称性的存在导致相应的守恒律对称性的存在导致相应的守恒律