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1、第第18章章 粒子物理简介粒子物理简介北京正负电子对撞机(BEPC)正电子源照片一一.粒子的分类粒子的分类分类分类自旋自旋泡利不相泡利不相容原理容原理统计规律统计规律费米子费米子(电子电子 质子质子 中子中子 各种重子各种重子)半整数半整数1/2，3/2，服从服从费米费米狄拉克狄拉克统计分布统计分布玻色子玻色子(光子光子 介子介子K介子、介子、介子介子)整数整数0 或或 1 等等不服从不服从玻色玻色 爱因斯爱因斯坦统计分布坦统计分布1.按自旋分类按自旋分类18.1 粒子和粒子的分类粒子和粒子的分类 四种相互作用四种相互作用 2.共振态粒子共振态粒子 寿命极短（约寿命极短（约10-23s）万有引
2、力万有引力电磁力电磁力弱相互作用弱相互作用强相互作用强相互作用引力子引力子光子光子轻子轻子强子强子4.按相互作用分类按相互作用分类正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量(如电荷、如电荷、磁矩等磁矩等)的符号相反。的符号相反。(参与)引力子引力子 自旋应为自旋应为2 2、静止质量和电荷为零，以光速运动。、静止质量和电荷为零，以光速运动。光子光子 自旋为自旋为1 1，是玻色子是玻色子3.正粒子、反粒子正粒子、反粒子分类分类正反正反粒子粒子自旋自旋电荷量电荷量e重子数重子数B轻子数轻子数寿命寿命10-6s轻轻 子子电子电子子子子子1/2-1 +1-1
3、 +1-1 +10000-1 +1稳定稳定2.22.3中中微微子子稳定稳定 轻子轻子（共共1212种种）中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。说明说明中微子中微子的自旋方的自旋方向（按右螺旋法向（按右螺旋法则）与运动方向则）与运动方向相反；相反；反中微子反中微子的自旋方向与运的自旋方向与运动方向一致。动方向一致。分类粒子名称自旋介子、K介子等整数玻色子重子核子质子、中子及其反粒子1/2(超子 3/2)费密子超子超子及反粒子 强子分类强子分类v v K 介子和各种超子称为介子和各种超子称为奇异粒子奇异粒子。试验中发现以下现象。试验中发现以下现
4、象类别相对强度力程(m)作用时间(s)参与离子强作用1 10-1510-23强子电磁作用10-2长程10-20 10-16强子 轻子 光子弱作用10-13 10-17 10-8强子 轻子引力作用10-39长程一切物质二二.四种基本相互作用四种基本相互作用 协同产生协同产生:一个超子总是和一个或几个一个超子总是和一个或几个K K介子同时产生。介子同时产生。奇异粒子协同产生的过程极快奇异粒子协同产生的过程极快(约为约为1010-23-23s),s),表明是在强表明是在强 相互作用下进行的；而衰变过程很慢相互作用下进行的；而衰变过程很慢(寿命约为寿命约为1010-8-8 1010-10-10s)s)
5、，表明是在弱相互作用下进行的。表明是在弱相互作用下进行的。1.四种基本相互作用的性质四种基本相互作用的性质2.相互作用是通过交换一定粒子实现的相互作用是通过交换一定粒子实现的作用类型作用类型引力作用引力作用电磁作用电磁作用弱作用弱作用强作用强作用交换粒子交换粒子引力子引力子光子光子胶子胶子(W W+、W WZ Z0 0 粒子粒子)玻色子玻色子 引力子尚未被实验证实引力子尚未被实验证实 弱电统一理论弱电统一理论电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。在电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。在相互作用过程中，如果交换的是相互作用过程中，如果交换的是W+、W 和和 Z0 粒子，粒子，就
6、是弱相互作用过程；如果交换的是光子，就是电磁相就是弱相互作用过程；如果交换的是光子，就是电磁相互作用过程。互作用过程。大统一理论大统一理论试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。1983年，鲁比亚实验组在高能质子年，鲁比亚实验组在高能质子反质子对撞试验中发现了反质子对撞试验中发现了W+、W-和和 Z0 粒子。为粒子。为60年代提出的弱电统一理论提供了实验上的支持。年代提出的弱电统一理论提供了实验上的支持。欧洲核子中心高能质子同步加速器上的欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI 探测器探测器 守恒量相互作用能量动量角动量电荷轻子数e轻子数重子数同位旋同位旋分
7、量奇异数宇称强相互作用+弱相互作用+-电磁相互作用+-+一一.基本相互作用和守恒定律基本相互作用和守恒定律18.2 守恒定律守恒定律注：注：“-”表示不守恒；表示不守恒；“+”表示表示守恒守恒左手左手右手右手二二.宇称守恒定律宇称守恒定律镜镜物物 像像 物和其镜面反演象不同，所以物和其镜面反演象不同，所以不具有镜面反演对称性不具有镜面反演对称性。镜面反演镜面反演任意物理过程任意物理过程 A 过程过程 BA、B 过程过程 遵守的规律相同遵守的规律相同都都可可以以实实现现宇称守恒定律宇称守恒定律粒子都有特定的宇称，粒子都有特定的宇称，称为称为“内禀宇称内禀宇称”，简称，简称 宇宇称称P P=1（偶
8、宇称）偶宇称）P=-1（奇宇称）奇宇称）实验表明，在光的发射、吸收过程中，以及在原子核反应实验表明，在光的发射、吸收过程中，以及在原子核反应和衰变等过程中，系统整体的宇称奇偶性保持变和衰变等过程中，系统整体的宇称奇偶性保持变 宇称守恒定律宇称守恒定律在强相互作用和电磁相互作用下宇称守恒定律的在强相互作用和电磁相互作用下宇称守恒定律的正确性是有充分实验根据的，但在弱相互作用下正确性是有充分实验根据的，但在弱相互作用下宇称是否守恒当时并没有充分的实验证据。针对宇称是否守恒当时并没有充分的实验证据。针对、之迷之迷提出弱相互作用过程中宇称不守恒。提出弱相互作用过程中宇称不守恒。8个重子个重子(自旋自旋
9、1/2 宇称宇称“+”)18.3 粒子分类的八重法粒子分类的八重法 6 6个重子形成正个重子形成正6 6边形的边形的6 6个个顶点，另顶点，另2 2个在中心。个在中心。1961年提出八重法，对强子分类排列。将具有相同自旋年提出八重法，对强子分类排列。将具有相同自旋 s、相同宇称相同宇称 P 的强子结成一的强子结成一“族族”，每族按电荷、奇异数，每族按电荷、奇异数或超荷排列成八重态图、十重态图等或超荷排列成八重态图、十重态图等粒子物理中粒子物理中的周期表的周期表水平轴水平轴奇异数奇异数 斜轴斜轴 电荷数电荷数在粒子多重态图（自旋为在粒子多重态图（自旋为3/2、宇称为、宇称为“+”）中，有一）中，
10、有一空空位位，对应于后来发现的，对应于后来发现的-超子超子。水平轴水平轴奇异数奇异数 斜轴斜轴 电荷数电荷数9个介子个介子 (自旋自旋0 宇称宇称“-”)6 6个形成正个形成正6 6边形，另边形，另3 3个处个处于中心。于中心。元素周期表表明原子是有内部结构的、原子是由更基本的元素周期表表明原子是有内部结构的、原子是由更基本的粒子组成的。强子成功的分成族，表明强子是有内部结构粒子组成的。强子成功的分成族，表明强子是有内部结构的，强子是由更基本的粒子组成的。的，强子是由更基本的粒子组成的。说明说明下夸克下夸克 d 上夸克上夸克 u 奇夸克奇夸克 s强子结构夸克模型强子结构夸克模型 (1964年年
11、)：介子介子（夸克和反夸克组成）（夸克和反夸克组成）重子重子（三个夸克组成）（三个夸克组成）轻子是轻子是“基本粒子基本粒子”没有任何实验结果显示轻子有内部结构没有任何实验结果显示轻子有内部结构粲夸克粲夸克 c 底夸克底夸克 b 顶夸克顶夸克 t 18.4 强子结构的夸克模型强子结构的夸克模型 夸克夸克质量质量电电荷荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸
12、克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+1例如例如 质子质子 奇异粒子奇异粒子 +介子介子夸克夸克质量质量电电荷荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/
13、300+11.质子质子 (uud)电荷电荷重子数重子数奇异数奇异数自旋自旋同位旋同位旋2.奇异粒子奇异粒子 （uus）电荷电荷重子数重子数夸克夸克质量质量电电荷荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+1奇异数奇异数自旋自旋夸克夸克
14、质量质量电电荷荷e自自旋旋重重子子数数同同位位旋旋同位同位旋分旋分量量奇奇异异数数超荷超荷粲粲数数底底数数顶顶数数d下夸克下夸克0.008-1/31/21/31/2-1/20+1/3000u上夸克上夸克0.0042/31/20+1/3000s奇夸克奇夸克0.15-1/300-1-2/3000c粲夸克粲夸克1.52/30+1/3+100b底夸克底夸克4.7-1/30+1/30+10t顶夸克顶夸克1742/30+1/300+11/31/2-1/31/203.+介子介子重子数重子数电荷电荷奇异数奇异数自旋自旋同位旋分量同位旋分量介子族的八重态图介子族的八重态图重子族八重态图重子族八重态图介子介子（夸克和反夸克组成）（夸克和反夸克组成）重子重子（三个夸克组成）（三个夸克组成）