北京大学物理学院-量子物理5241885.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 夸克与轻子间基本作用 物质构成基本砖块：夸克与轻子 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 交换规范Boson而相互作用 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” /rxxu R. X. Xu Feynman图：形象地描述交换Boson致作用 作图基本规则 1，时间轴向上（或向右） 2，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 相同（反） 例：电子交换光子 产生相互作用 e+ + e- g e+ + e- t t e+ + e- e+ + e- （电子对湮灭与产生） （电子弹性散射） Fermion 光子 W, Z0 胶子 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 带电流(charged-current)弱作用：b衰变 原子核层次 核子层次 夸克层次：n=udd，p=uud u d W- AA-ZZ+1eXY + e + nn p + e- + ne d u + W- e- + ne e- ne ? 2，夸克、轻子间的弱作用 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 中性流(neutral-current)弱作用：n散射 中微子与原子核散射 相干散射 核子： 重核： 应用：超新星爆发 （引力塌缩型） Z0 AA*eZZeXX + nn+ne ne (n, p) (n, p) AZXA*ZX24422e10cmEmcnns-245222e10cmEmcAnns-2，夸克、轻子间的弱作用 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 2，夸克、轻子间的弱作用 再谈b衰变 b-衰变： b+衰变： EC过程与Auger电子： AA-ZZ+1eXY + e + nAA+ZZ-1eXY + e + nA-AZZ-1eX + eY + (X, Auger)n+d u + e- + ne u d + e+ + ne u + e- d + ne u e u d “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 弱作用过程中轻子数守恒 太阳发射ne ，而反应堆产生ne 。为什么？ 轻子数Le、Lm、Lt分别守恒 例： 2，夸克、轻子间的弱作用 n p + e- + ne， Le Lm Lt e- e+ ne ne m- m+ nm nm t- t+ nt nt 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 474723K22eV + eTi + n-“Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 2，夸克、轻子间的弱作用 弱作用过程中宇称不守恒 q-t之谜（1953-1954） 它们质量相等、寿命相同，但衰变方式不一样： 已知p介子宇称为“-1”，则q、t宇称不同，分别为+1、-1。 李-杨（1956）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： +022pptpp+-+0qpp+然而 6060eCoNien-+“Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 2，夸克、轻子间的弱作用 弱作用过程中宇称不守恒 吴健雄（1957）极化60Co实验 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 2，夸克、轻子间的弱作用 李-杨（1957） Nobel物理奖 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 2，夸克、轻子间的弱作用 Wu et al., PR 105, 1413 (1957) CP守恒? 通电流之前装置是宇称变换（P）对称的， “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 2，夸克、轻子间的弱作用 而通电流之后出现P不 对称偏转 电磁现象P 不守恒？ CP守恒性 考虑到磁棒内部分子环流的P变换，电磁作用的P守恒照样成立！ “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 2，夸克、轻子间的弱作用 CP守恒? CP守恒性 2，夸克、轻子间的弱作用 p+ m+ + nm p- m- + nm CP变换 CP破缺与重子起源 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 强作用的两大特点： 1，渐近自由 被QCD证明 2，色禁闭 未发现带色强子（挑战：如何从QCD得到？） 低能作用特征：格点QCD（LQCD）？ 低能作用特征：唯象模型？ 1，组分夸克模型 2，作用势模型 3，口袋模型 3，夸克与强作用 2224()2(11)ln3sfQQnpa=-LQCD 真空 pQCD 真空 R B 口袋常数： 张开口袋所需能量密度 3343MRBRp=+3d410d3MRBRRp=-34900MeV50MeVfm1fmMBRR=核子： 重子： Fermion的味混合 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，出现味混合 夸克之间弱的味混合： 4，轻子的味混合 3CKM30.9740.227100.2270.9730.04100.040.999U-回忆：NH3分子等价双态 近似单 位矩阵 /(,)()iEtrtrey-Y=定态：E确定，|Y|不变 非定态： E不定，|Y|可变 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 中微子味混合（振荡） 1957：Bruno Pontecorvo (1913 - 1993) 建议nn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” /rxxu R. X. Xu 中微子振荡：物质增强效应 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m、t， 只有ne参与带电流散射 4，轻子的味混合 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 中微子振荡：太阳中微子问题 4，轻子的味混合 Sudbury Neutrino Observatory实验：106kgD2O靶，5MeV ES: nx + e- nx + e- CC: ne + D e- + 2p NC: nx + D nx + n + p Ahmad et al. PRC 75 (2007) 045502 “Atomic Physics” /rxxu R. X. Xu 中微子之间强的味混合 混合矩阵： 4，轻子的味混合 0.80.5?U中微子振荡已经被太阳中微子实验