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 夸克与轻子间基本作用夸克与轻子间基本作用 物质构成基本砖块 夸克夸克与与轻子轻子 Atomic Physics R X Xu 交换规范交换规范Boson而相互作用而相互作用 现实生活中的夸克和轻子表现任何 现实生活中的夸克和轻子表现任何 1 相互作用Feynman图描述 Atomic Physics R X Xu Feynman图图 形象地描述交换 形象地描述交换Boson致作用致作用 作图基本规则作图基本规则 1 时间轴向上 或向右 时间轴向上 或向右 2 不同类型线表征不同类型粒子 不同类型线表征不同类型粒子 3 正 反 粒子箭头方向与时间 正 反 粒子箭头方向与时间 相同 反 相同 反 例 例 电子交换光子电子交换光子 产生相互作用产生相互作用 e e e e t t e e e e 电子对湮灭与产生 电子对湮灭与产生 电 子 弹 性 散 射 电 子 弹 性 散 射 Fermion 光子光子 W Z0 胶子胶子 Atomic Physics R X Xu 带电流带电流 charged current 弱作用 弱作用 衰变衰变 原子核层次原子核层次 核子层次核子层次 夸克层次夸克层次 n udd p uud u d W AA ZZ 1e XY e n p e e d u W e e e e 2 夸克 轻子间的弱作用 Atomic Physics R X Xu 中性流中性流 neutral current 弱作用 弱作用 散射散射 中微子与中微子与原子核原子核散射散射 相干散射相干散射 核子 核子 重核 重核 应用应用 超新星爆发 超新星爆发 引力塌缩型 引力塌缩型 Z0 AA eZZe XX e e n p n p A ZX A ZX 2 442 2 e 10cm E m c 2 452 2 2 e 10cm E m c A 2 夸克 轻子间的弱作用 Atomic Physics R X Xu 2 夸克 轻子间的弱作用 再谈再谈 衰变衰变 衰变衰变 衰变衰变 EC过程与过程与Auger电子电子 AA ZZ 1e XY e AA ZZ 1e XY e A A ZZ 1e X eY X Auger d u e e u d e e u e d e u e u d Atomic Physics R X Xu 弱作用过程中轻子数守恒弱作用过程中轻子数守恒 太阳发射太阳发射 e 而反应堆产生 而反应堆产生 e 为什么 为什么 轻子数轻子数Le L L 分别守恒分别守恒 例 例 2 夸克 轻子间的弱作用 n p e e Le L L e e e e 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4747 23K22e V eTi Atomic Physics R X Xu 2 夸克 轻子间的弱作用 弱作用过程中宇称不守恒弱作用过程中宇称不守恒 之谜 之谜 1953 1954 它们质量相等 寿命相同 但衰变方式不一样 它们质量相等 寿命相同 但衰变方式不一样 已知已知 介子宇称为 介子宇称为 1 则 则 宇称不同 分别为宇称不同 分别为 1 1 李李 杨 杨 1956 提出设想 提出设想 弱作用过程中宇称是不守恒的 并建议实验检验 如 弱作用过程中宇称是不守恒的 并建议实验检验 如 0 2 2 0 然而然而 6060 e CoNie Atomic Physics R X Xu 2 夸克 轻子间的弱作用 弱作用过程中宇称弱作用过程中宇称不不守恒守恒 吴健雄 吴健雄 1957 极化极化60Co实验实验 Atomic Physics R X Xu 2 夸克 轻子间的弱作用 李李 杨 杨 1957 Nobel物理奖物理奖 Atomic Physics R X Xu 2 夸克 轻子间的弱作用 Wu et al PR 105 1413 1957 CP守恒守恒 通电流之前装置是宇称变换 通电流之前装置是宇称变换 P 对称对称的 的 Atomic Physics R X Xu 2 夸克 轻子间的弱作用 而通电流之后出现而通电流之后出现P不不 对称偏转对称偏转 电磁现象电磁现象P 不守恒 不守恒 CP守恒性守恒性 考虑到磁棒内部分子环流的考虑到磁棒内部分子环流的P变换 电磁作用变换 电磁作用 的的P守恒照样成立 守恒照样成立 Atomic Physics R X Xu 2 夸克 轻子间的弱作用 CP守恒守恒 CP守恒性守恒性 2 夸克 轻子间的弱作用 CP变换变换 CP破缺与破缺与重子重子起源起源 Atomic Physics R X Xu 强作用的强作用的两大特点两大特点 1 渐近自由渐近自由 被被QCD证明证明 2 色禁闭色禁闭 未发现带色强子 挑战 如何从未发现带色强子 挑战 如何从QCD得到 得到 低能作用特征 低能作用特征 格点格点QCD LQCD 低能作用特征 低能作用特征 唯象唯象模型 模型 1 组分夸克模型 组分夸克模型 2 作用势模型 作用势模型 3 口袋模型口袋模型 3 夸克与强作用 2 2 2 4 2 11 ln 3 s f Q Q n QCD 真空真空 pQCD 真空真空 R B 口袋常数 口袋常数 张开口袋所需能量密度张开口袋所需能量密度 3 34 3 MR B R 3 d41 0 d3 M R B RR 3 4 900MeV 50MeV fm 1fm M BR R 核子核子 重子重子 Fermion的的味混合味混合 味本征态 即相互作用本征态 与质量本征态味本征态 即相互作用本征态 与质量本征态 即能量本征态 定态 不一致 出现 即能量本征态 定态 不一致 出现味混合味混合 夸克之间夸克之间弱弱的味混合的味混合 4 轻子的味混合 3 CKM 3 0 9740 227 10 0 2270 9730 04 100 040 999 U 回忆 回忆 NH3分子等价双态分子等价双态 近似单近似单 位矩阵位矩阵 iEt r tr e 定态 E确定 不变 非定态 E不定 可变 Atomic Physics R X Xu 中微子味混合 振荡 中微子味混合 振荡 1957 Bruno Pontecorvo 1913 1993 建议 振荡 1962 Shoichi Sakata 1911 1970 Ziro Maki 1929 2005 和 Masami Nakagawa 1932 2001 建议味转换 振荡 4 轻子的味混合 Atomic Physics R X Xu 中微子振荡 中微子振荡 物质增强物质增强效应效应 中微子振荡物质效应 MSW效应 Wolfenstein 1978 Mikheyev和Smirnov 1985 原因 正常物质中没有 只有 e参与带电流散射 4 轻子的味混合 Atomic Physics R X Xu 中微子振荡 中微子振荡 太阳中微子问题太阳中微子问题 4 轻子的味混合 Sudbury Neutrino Observatory实验 106kgD2O靶 5MeV ES x e x e CC e D e 2p NC x D x n p Ahmad et al PRC 75 2007 045502 Atomic Physics R X Xu 中微子中微子之间之间强强的味混合的味混合 混合矩阵 混合矩阵 4 轻子的味混合 0 80 5 0 40 60 7 0 40 60 7 U 中微子振荡已经被太阳中微子实验和大气中微子实