第十章粒子物理浅说

1、1 更深的层次更深的层次夸克夸克(Quark)模型模型三种夸克：三种夸克：上上 u ，重子重子，q)q,(q,B ，)q,q,q(B 介子介子 )q(q,M 1974年发现了年发现了J / 粒子粒子(丁肇中，里希特丁肇中，里希特)，)c(c,J/ 下下 d ， 奇异奇异 s 以后这些统称为以后这些统称为夸克模型。夸克模型。 1977年又提出了年又提出了底夸克底夸克 b和和顶夸克顶夸克 t 。1964年美国人年美国人盖尔曼盖尔曼等人提出等人提出夸克模型，夸克模型，同年同年中国物理学家中国物理学家提出了提出了层子模型，层子模型，而且是而且是相对论化的，相对论化的，必须引入第必须引入第4种夸克种夸克

2、 粲夸克粲夸克 c 。默里默里.盖尔曼（美国）盖尔曼（美国）（Murray Gell-Mann，1929 ）著名理论物理学家。著名理论物理学家。 1950年提出关于奇异粒子年提出关于奇异粒子的八重态理论等。的八重态理论等。 1960年代中期最先提出年代中期最先提出夸夸克克（quark）假设。假设。1969年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。 这是这是2002年年6月月17日在清华大日在清华大学举办的学举办的前沿科学国际研讨会前沿科学国际研讨会（庆贺杨振宁先生（庆贺杨振宁先生80华诞）华诞）上，上，盖尔曼盖尔曼教授做学术报告。教授做学术报告。题为题为“Some Pathways in The

3、oretical Physics”丁肇中和里希特同获丁肇中和里希特同获 1976年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖丁肇中（丁肇中（1936 ）里希特（里希特（1931 ） 2002.6.17在清华大在清华大学主持前学主持前沿科学国沿科学国际研讨会际研讨会六种夸克的自旋、电荷和质量六种夸克的自旋、电荷和质量m(MeV)Q (e)J )(4.21/2u(上上)32 7.51/2d(下下)31 1501/2s(奇奇)31 15001/2c(粲粲)32 50001/2b(底底)31 1/2t(顶顶)32 4101 . 9 10-1+11/21/200uu dududdu dpnp p p p 粒子粒子QJ组

4、成组成几种粒子的夸克组成几种粒子的夸克组成u夸克：夸克：J =1/2，Q = 2e/3； d 夸克：夸克：J =1/2，Q= e/3 夸克的颜色夸克的颜色 pp ，Q =2，J=3/2，组成应为组成应为3个个u夸克夸克夸克是费米子，一定夸克是费米子，一定有另外一种性质不同有另外一种性质不同 颜色不同。颜色不同。？uuu Gu绿绿重子（重子（q q q）无色。）无色。反夸克有反色，反夸克有反色， 介子（介子（ ）也无色。）也无色。q q红红绿绿蓝蓝混合则无色，混合则无色，Ru红红Bu蓝蓝 两个有色粒子之间的作用力两个有色粒子之间的作用力叫叫色力，色力，用理论中起着十分重要的作用。用理论中起着十分

5、重要的作用。夸克之间的相互作用力。夸克之间的相互作用力。色色在夸克的相互作在夸克的相互作 夸克囚禁夸克囚禁夸克只在粒子中，没有自由夸克。夸克只在粒子中，没有自由夸克。距离越大力也越大，距离越大力也越大，一种解释：一种解释： 夸克间的作用力类似弹簧的夸克间的作用力类似弹簧的拉力，拉力，距离小反而自由。距离小反而自由。它就是它就是粒子物理的研究内容主要有两个方面：粒子物理的研究内容主要有两个方面：一是粒子的内部结构；一是粒子的内部结构；一是粒子间的相互作用、运动和变化规律。一是粒子间的相互作用、运动和变化规律。 从电子发现到现在的一个多世纪中，共发现从电子发现到现在的一个多世纪中，共发现规范粒子规

6、范粒子属于深一层次的粒子。属于深一层次的粒子。了了400余种粒子，余种粒子，其中只有其中只有轻子、夸克和一些轻子、夸克和一些及反粒子及反粒子夸克夸克轻子轻子 btscduee 整个的物质世界就是由整个的物质世界就是由三代轻子三代轻子和和三代夸克所三代夸克所组成：组成：高能加速器是研究粒子的有力武器。高能加速器是研究粒子的有力武器。研究粒子结构，需要研究粒子结构，需要“探针探针”的波长短：的波长短：若以电子为探测粒子，若以电子为探测粒子，22422pccmEe 能量很高时能量很高时 hp d 要求满足条件要求满足条件dhcE x 粒子线度粒子线度dxp hdhp p pdhp ，cpE （ x

7、“探针探针”线度）线度）核子核子电子电子加速粒子打固定靶加速粒子打固定靶 对撞机对撞机 BEPC中国北京中国北京e e 5.6 GevTRISTAN日并筑波日并筑波e e 70 GevTEVATRON美美 Fermip p2 TevLHCCERNp p16 Tev原子核原子核d 10 14 mE 102 MeVd 10 15 mE 1GeVd 10 18 mE 1TGV原子原子E 104eVd 10 10 mBEPC（北京正负电子对撞机）（北京正负电子对撞机） 美国美国费米实验室费米实验室pp 对撞机对撞机E 1TeV轨道周长轨道周长 6.3km（1016K）作用时间作用时间10 11s 的的

8、可可能能性性。夸夸克克、弱弱电电统统一一理理论论）（三三代代轻轻子子、其其它它超超出出标标准准模模型型更更深深层层次次的的探探索索；超超对对称称的的检检验验；弱弱电电统统一一机机制制的的判判断断； 超高能加速器的超高能加速器的作用作用：例如：质子、中子、电子和它们的反粒子及例如：质子、中子、电子和它们的反粒子及 子、子、p p介子、介子、K介子等。到目前为止，介子等。到目前为止， 已经发现了已经发现了400400多种基本粒子多种基本粒子( (包括共振包括共振 态粒子态粒子) )。基本粒子：基本粒子：构成物质世界的基本单元。构成物质世界的基本单元。2 粒子家族粒子家族1. 1. 反粒子和奇异粒子

9、反粒子和奇异粒子（1 1）反粒子）反粒子 正粒子和反粒子有相同的质量、自旋、寿命，正粒子和反粒子有相同的质量、自旋、寿命，电荷等值反号，磁矩方向相反。从理论上说，还应电荷等值反号，磁矩方向相反。从理论上说，还应该有这些反粒子组成的反原子核、反原子、反物质、该有这些反粒子组成的反原子核、反原子、反物质、反星体等。反星体等。 1932 1932年安德逊在宇宙射线中发现了正电子年安德逊在宇宙射线中发现了正电子, ,从从19551955年起陆续发现了反质子、反中子、反介子、年起陆续发现了反质子、反中子、反介子、反超子。反超子。（2 2）奇异粒子）奇异粒子 在二十世纪在二十世纪5050年代又在宇宙射线中

10、发现了与年代又在宇宙射线中发现了与基本粒子不同的具有以下奇怪性质的奇异粒子。基本粒子不同的具有以下奇怪性质的奇异粒子。（如：（如：K介子、介子、 超子、超子、 超子、超子、 超子和超子和 超子）超子）b. b. 奇异粒子总是成对地产生。奇异粒子总是成对地产生。a. 奇异粒子产生过程非常快，而衰变过程却奇异粒子产生过程非常快，而衰变过程却又非常慢。又非常慢。 我们用质量、电荷、自旋、磁矩我们用质量、电荷、自旋、磁矩等性质表示基本粒子，又加入了等性质表示基本粒子，又加入了“奇奇异数异数”这个量子数，来反映基本粒子这个量子数，来反映基本粒子的奇异现象。对于非奇异粒子，奇异的奇异现象。对于非奇异粒子，

11、奇异数为零；对于奇异粒子，奇异数不为数为零；对于奇异粒子，奇异数不为零。零。反粒子和奇异粒子反粒子和奇异粒子（1 1）重子类）重子类 这类粒子质量较大，包括核子和超子（因质量超这类粒子质量较大，包括核子和超子（因质量超过核子，故称为超子）。过核子，故称为超子）。（2 2）轻子类）轻子类 这类粒子质量较小，包括电子、这类粒子质量较小，包括电子、 介子、介子、 介子介子及其相应的中微子。及其相应的中微子。 （3 3）介子类）介子类 质量介于重子和轻子之间的粒子称为介子。包括质量介于重子和轻子之间的粒子称为介子。包括K K介子、介子、 介子、介子、 介子。介子。（4 4）光子类）光子类 只有光子一种

12、，其静止质量为零。只有光子一种，其静止质量为零。2. 2. 基本粒子的分类基本粒子的分类 按质量分为四类：按质量分为四类： 自旋是自旋是 的半整数倍的基本粒子称为的半整数倍的基本粒子称为费米子。包括重子和轻子。轻子、核子的自费米子。包括重子和轻子。轻子、核子的自旋为旋为1/21/2，超子的自旋为，超子的自旋为1/21/2、3/2 3/2 。.（1 1）玻色子）玻色子（2 2）费米子）费米子 自旋是自旋是 的整数倍的基本粒子称为玻的整数倍的基本粒子称为玻色子。包括光子类和介子类。光子的自旋为色子。包括光子类和介子类。光子的自旋为1 1， 介子的自旋为介子的自旋为0 0。按自旋分为两类按自旋分为两

13、类：基本粒子的分类基本粒子的分类 由于介子和重子参加强相互作用又统称由于介子和重子参加强相互作用又统称为强子。为强子。 19741974年丁肇中等发现了年丁肇中等发现了J/ J/ 粒子，粒子，J/ J/ 粒粒子也是一种介子。子也是一种介子。 丁肇中丁肇中基本粒子的分类基本粒子的分类3. 3. 基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用 宇宙间的一切物质的相互作用归结为以下四种。宇宙间的一切物质的相互作用归结为以下四种。（1 1） 强相互作用强相互作用 强相互作用是一种原子核结合在一起的力，强相互作用是一种原子核结合在一起的力，它的作用范围为它的作用范围为 m 以下，故称短程力；作用以下，故称短程力；

14、作用时间极短，约为时间极短，约为 s,s,这种相互作用强度大，比这种相互作用强度大，比电磁作用强得多，故称强作用。强相互作用只存电磁作用强得多，故称强作用。强相互作用只存在于重子和介子之间。在于重子和介子之间。 15102310（2 2）弱相互作用）弱相互作用 弱相互作用范围在弱相互作用范围在1010-17-17m以下，通常也称短以下，通常也称短程力。弱相互作用的强度比强相互作用弱得多，程力。弱相互作用的强度比强相互作用弱得多，作用时间慢得多。参与弱相互作用的粒子：一切作用时间慢得多。参与弱相互作用的粒子：一切强子和轻子。强子和轻子。基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用格拉肖格拉肖温伯格温伯格

15、萨拉姆萨拉姆（3 3）电磁相互作用）电磁相互作用 一切具有电荷或磁矩的全部粒子包括强一切具有电荷或磁矩的全部粒子包括强子和轻子都参与电磁相互作用。电磁相互作子和轻子都参与电磁相互作用。电磁相互作用通过电磁场交换光子来实现。一些基本粒用通过电磁场交换光子来实现。一些基本粒子通过电磁相互作用发生衰变。电磁相互作子通过电磁相互作用发生衰变。电磁相互作用的强度比强相互作用弱，电磁力的大小与用的强度比强相互作用弱，电磁力的大小与物体间距离的平方成反比。物体间距离的平方成反比。基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用229221/kgmN109krQQkF （4 4）万有引力相互作用）万有引力相互作用 所有粒

16、子都参与万有引力相互作用，其强所有粒子都参与万有引力相互作用，其强度比弱作用还小，与物体间距离的平方成反比。度比弱作用还小，与物体间距离的平方成反比。传递引力的粒子称为引力子。传递引力的粒子称为引力子。2211221/kgmN1067. 6GrmmGF基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用表表 四种相互作用的比较四种相互作用的比较天体之间天体之间 衰变衰变原子结合原子结合核力核力举例举例引力子引力子中间玻色子中间玻色子光子光子 介子介子传递子传递子一切物体一切物体强子、轻子强子、轻子强子、轻子强子、轻子 强子强子被作用粒子被作用粒子作用时间作用时间(s)(s) 作用范围作用范围(m)(m)1相对

17、强度相对强度引力作用引力作用弱作用弱作用电磁作用电磁作用强作用强作用名称名称21012103910151023101620101010101710基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用 1964 1964年盖尔曼等人提出强子由夸克组成。年盖尔曼等人提出强子由夸克组成。他认为所有强子都是由三种夸克组成，这三种夸他认为所有强子都是由三种夸克组成，这三种夸克分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克，分别用克分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克，分别用u、d、s表示。三种夸克都有相应的反夸克。表示。三种夸克都有相应的反夸克。 实验证明，除轻子还未发实验证明，除轻子还未发现有任何内部结构外，核子、现有任何内部结构外，

18、核子、超子、介子即所有的强子都还超子、介子即所有的强子都还能细分。能细分。基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用盖尔曼盖尔曼4. 4. 强子的夸克模型强子的夸克模型 原子由原子核和电子构成，原子核是由质子原子由原子核和电子构成，原子核是由质子和中子构成，那么质子、中子内部是否还有内部和中子构成，那么质子、中子内部是否还有内部结构？结构？pp 1932 1932年，斯特恩测得质子的磁年，斯特恩测得质子的磁2.79 2.79 ，后，后来又测得中子的磁矩为来又测得中子的磁矩为-1.91 -1.91 （而不是零），（而不是零），中子不带电，可磁矩却不为零，说明中子还有内中子不带电，可磁矩却不为零，说明中

19、子还有内部结构。部结构。 用能打入质子内部的高能量轻子打击质子，用能打入质子内部的高能量轻子打击质子，由于轻子能量很高，能打入质子内部，因此可以由于轻子能量很高，能打入质子内部，因此可以发现质子的内部是否有结构。发现质子的内部是否有结构。 1956 1956年霍夫斯塔特用高速电子轰击质子时，年霍夫斯塔特用高速电子轰击质子时，发现质子的电荷分布半径为发现质子的电荷分布半径为0.70.7fm. .后来又发现中后来又发现中子虽呈电中性，但内部却有正电和负电，电荷分子虽呈电中性，但内部却有正电和负电，电荷分布半径为布半径为0.80.8fm。还发现核子内部存在好多个散。还发现核子内部存在好多个散射中心。射中心。强子的夸克模型强子的夸克模型 夸克模型认为：所有重子都是由三个夸克夸克模型认为：所有重子都是由三个夸克组成，所有介子都是由一个夸克和一个反夸克组成，所有介子都是由一个夸克和一个反夸克组成。组成。 夸克共有六种，其性质如下表所示。夸克共有六种，其性质如下表所示。强子的夸克模型强子的夸克模型夸克电荷/e自旋同位旋 奇异数 重子数u(上)2/31/21/201/3d(下)-1/31/21/201/3s(奇)-1/31/20-11/3c(粲)2/31/2001/3b(底)-1/31/2001/3t(定)2/31/2001/3六种夸克特性表六种夸克特性表强子的夸克模