北京大学物理学院-量子物理9497882.doc

原子物理学 讲授：徐仁新 北京大学物理学院天文学系 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 奇异数与强子分类 什么是构成宇宙的基本砖块？ 1930年代的基本粒子：e、p、n、g、n 1930-40年代：新增m、 p（汤川） 1947年：发现奇异粒子 上世纪粒子物理标准模型的建立： 基本费米子（l, q）及传递其间作用规范玻色子 暗物质与暗能量？ WB = 0.04，WDM = 0.26，WL= 0.70 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 奇异粒子的发现是认识基本砖块的关键！ 1，奇异粒子的发现 Rochester & Butler (1947) 于宇宙线中发现 这些粒子具有奇异的性质 奇异粒子 协同快（ 10-24 s ）产生，单独慢（ 10-10 s ）衰变！ 例如： “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 00+ p+ K-1953年Nishijima、Gell-Mann独立提出奇异数S的概念：S在强作用下守恒、而在弱作用下不守恒。 置S = -1 则S = 1 +0+ nK+ +L00+K+ pK-+S+S0+ pK+ K-+X+ pK+ +SSK1，奇异粒子的发现 弱作用（衰变）过程中奇异数不守恒 弱衰变选择定则： DS = 1 例如： “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 0 p-L+0K-+0-XL+强子：能够参与强作用的粒子；如p、n、p、K、L、S、X等。 01，奇异粒子的发现 强子 还蛮 多的 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！ Fermi曾告诫他的学生Lederman（因n而获得1988年Nobel物理奖）： “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！” 介子与重子（超子） 介子（源：质量介于电子与核子之间的粒子） 例如p介子：p+、 p0、 p-为同位旋多重态 I = 1: I3 (p+) = 1, I3 (p0) = 0, I3 (p-) = -1 回忆：核子Q与I3关系 Q = I3 + 1/2 改进后的Q-I3关系： Q = I3 + B/2 其中B称为重子数：B(介子) = 0, B(重子) = 1。 重子（源：质量较重的粒子，核子属重子） “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 2，超荷与Gell-Mann-西岛关系 介子与重子（超子） 超子 (源：质量超过核子；实：S0奇异重子) 例如 S超子：S+、 S0、 S-为同位旋多重态 I = 1: I3 (S+) = 1, I3 (S0) = 0, I3 (S-) = -1 回忆Q-I3关系 ： Q = I3 + B/2 再改进Q-I3关系：Gell-MannNishijima关系 Q = I3 + (B+S)/2 其中YB+S称为超荷：S(S) = -1。 例：I3 (K+) = 1/2, I3 (K0) = -1/2；Q = I3 + 1/2 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 2，超荷与Gell-Mann-西岛关系 1926-2009 1929- 3，强子分类 轻子（源：质量轻于电子；实：不参与强作用） 强子：参与强作用的粒子（包括重子、介子） “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu Bosons: 介子（例： p, K） Fermions: 重子（例：核子, L, X） 轻子 强子 微 观 粒 子 Q 0电子: e, m, t Q = 0中微子: ne, nm, nt 超子 奇异介子 常规物质 3，强子分类 强子的结构 轻子只有六种（味），看来可能是“基本”粒子 强子种类繁多，眼花缭乱；都是“基本”粒子？ 要看本质，先作分类 同位旋多重态：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！ 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：I3, Y可能反映更高的对称性 权图：质量相近、自旋-宇称相同的强子标记在I3-Y图上。 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu Q = I3 + Y/2 3，强子分类 强子的归类 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 例：Jp = 0-介子八重态 K+(K0): m 495 MeV K-(K0): m 495 MeV p(p0): m 140 MeV h: m 549 MeV S = 1 S = -1 3，强子分类 强子的归类 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 例：Jp = 3/2+重子十重态 质量 质量差 1232 1385 1534 ？ 153 149 149？ 1962：Gell-Mann预言m 1534+149 = 1683；1964： m = 1672.22；1969：Nobel Gell-Mann的两页“夸克”纸 Please email me to have a PDF file of this paper: 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” /rxxu R. X. Xu 1964年：Gell-Mann(1929生)和Zweig (1937生) 分别提出亚核子(Quark, Ace)的概念 1981年Zweig 在CalTech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” /rxxu 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： 4，强子的更深层次结构 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 值得一提：中国的“层子”模型 4，强子的更深层次结构 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 1967年: SLAC(Stanford linear accler. Center)实验 20GeV电子深度非弹性散射质子 部分子(parton)：点状“硬”核 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：质子看起来由若干无相互作用的“点”粒子组成） 渐近自由 粒子之间相互作用的强度随着交换动量的增加而减弱！ 4，强子的更深层次结构 “Atomic Physics” /rxxu 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” /rxxu R. X. Xu 夸克存在“色”自由度 W-粒子：Y = -2, B = 1 S = -3 （而W-的自旋为3/2） 夸克模型中各种夸克的自旋均为1/2 s夸克的奇异数为-1，反s为+1 W-=sss Pauli原理 其中2个s处于激发态 为何不2个s都处于基态（s = 1/2）？ 夸克具有 色自由度 QCD(量子色动力学)：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 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 总 结 1，奇异粒子的发现 2，超荷与Gell-Mann-西岛关系 3，强子分类 4，强子的更深层次结构 5，相互作用守恒律总结 “Atomi