第18章粒子物理简介.ppt

第,18,章 粒子物理简介,北京正负电子对撞机,(BEPC,),正电子源照片,一,.,粒子的分类,分类,自旋,泡利不相容原理,统计规律,费米子,(,电子 质子 中子 各种重子,),半整数,1/2,，,3/2,，,服从,费米,狄拉克统计分布,玻色子,(,光子,介子,K,介子、,介子,),整数,0,或,1,等,不服从,玻色,爱因斯坦统计分布,1.,按自旋分类,18.1,粒子和粒子的分类 四种相互作用,2.,共振态粒子,寿命极短（约,10,-23,s,）,万有引力,电磁力,弱相互作用,强相互作用,引力子,光子,轻子,强子,4.,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,(,如电荷、磁矩等,),的符号相反。,(,参与,),引力子,自旋应为,2,、静止质量和电荷为零，以光速运动。,光子,自旋为,1,，,是玻色子,3.,正粒子、反粒子,分类,正反粒子,自旋,电荷量,e,重子数,B,轻子数,寿命,10,-6,s,轻 子,电子,子,子,1/2,-1,+1,-1,+1,-1,+1,0,0,0,0,-1,+1,稳定,2.2,2.3,中,微,子,稳定,轻子,（,共,12,种,）,中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。,说明,中微子,的自旋方向（按右螺旋法则）与运动方向相反；,反中微子,的自旋方向与运动方向一致。,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,v,v,K,介子和各种超子称为,奇异粒子,。试验中发现以下现象,类别,相对强度,力程,(,m,),作用时间,(,s,),参与离子,强作用,1,10,-15,10,-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,.,四种基本相互作用,协同产生,:,一个超子总是和一个或几个,K,介子同时产生。,奇异粒子协同产生的过程极快,(,约为,10,-23,s),表明是在强,相互作用下进行的；而衰变过程很慢,(,寿命约为,10,-8,10,-10,s),，,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,2.,相互作用是通过交换一定粒子实现的,作用类型,引力作用,电磁作用,弱作用,强作用,交换粒子,引力子,光子,胶子,(W,+,、,W,Z,0,粒子,),玻色子,引力子尚未被实验证实,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。在相互作用过程中，如果交换的是,W,+,、,W,和,Z,0,粒子，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。,大统一理论,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,反质子对撞试验中发现了,W,+,、,W,-,和,Z,0,粒子。为,60,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,UAI,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,同位旋分量,奇异数,宇称,强相互作用,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,弱相互作用,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,电磁相互作用,+,+,+,+,+,+,+,-,+,+,+,一,.,基本相互作用和守恒定律,18.2,守恒定律,注：“,-,”,表示不守恒；,“,+”,表示守恒,左手,右手,二,.,宇称守恒定律,镜,物 像,物和其镜面反演象不同，所以,不具有镜面反演对称性,。,镜面反演,任意物理过程,A,过程,B,A,、,B,过程 遵守的规律相同,都可以实现,宇称守恒定律,粒子都有特定的宇称，称为,“,内禀宇称”，简称,宇称,P,P,=1,（,偶宇称）,P,=-1,（,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,李政道,杨振宁,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，但在弱相互作用下宇称是否守恒当时并没有充分的实验证据。针对,、之迷,提出弱相互作用过程中宇称不守恒。,8,个重子,(,自旋,1/2,宇称“,+”),18.3,粒子分类的八重法,6,个重子形成正,6,边形的,6,个顶点，另,2,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,s,、,相同宇称,P,的强子结成一“族”，每族按电荷、奇异数或超荷排列成八重态图、十重态图等,粒子物理中的周期表,水平轴,奇异数,斜轴,电荷数,在粒子多重态图（自旋为,3/2,、宇称为“,+”,）中，有一,空位,，对应于后来发现的,-,超子,。,水平轴,奇异数 斜轴,电荷数,9,个介子,(,自旋,0,宇称“,-”),6,个形成正,6,边形，另,3,个处于中心。,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。,说明,下夸克,d,上夸克,u,奇夸克,s,强子结构夸克模型,(1964,年,),：,介子,（夸克和反夸克组成）,重子,（三个夸克组成）,轻子是“基本粒子”,没有任何实验结果显示轻子有内部结构,粲夸克,c,底夸克,b,顶夸克,t,18.4,强子结构的夸克模型,夸克,质量,电荷,e,自旋,重子数,同位旋,同位旋分量,奇异数,超荷,粲数,底数,顶数,d,下夸克,0.008,-1/3,1/2,1/3,1/2,-1/2,0,+1/3,0,0,0,u,上夸克,0.004,2/3,1/2,0,+1/3,0,0,0,s,奇夸克,0.15,-1/3,0,0,-1,-2/3,0,0,0,c,粲夸克,1.5,2/3,0,+1/3,+1,0,0,b,底夸克,4.7,-1/3,0,+1/3,0,+1,0,t,顶夸克,174,2/3,0,+1/3,0,0,+1,例如 质子 奇异粒子,+,介子,夸克,质量,电荷,e,自旋,重子数,同位旋,同位旋分量,奇异数,超荷,粲数,底数,顶数,d,下夸克,0.008,-1/3,1/2,1/3,1/2,-1/2,0,+1/3,0,0,0,u,上夸克,0.004,2/3,1/2,0,+1/3,0,0,0,s,奇夸克,0.15,-1/3,0,0,-1,-2/3,0,0,0,c,粲夸克,1.5,2/3,0,+1/3,+1,0,0,b,底夸克,4.7,-1/3,0,+1/3,0,+1,0,t,顶夸克,174,2/3,0,+1/3,0,0,+1,1.,质子,(,uud,),电荷,重子数,奇异数,自旋,同位旋,2.,奇异粒子,（,uus,）,电荷,重子数,夸克,质量,电荷,e,自旋,重子数,同位旋,同位旋分量,奇异数,超荷,粲数,底数,顶数,d,下夸克,0.008,-1/3,1/2,1/3,1/2,-1/2,0,+1/3,0,0,0,u,上夸克,0.004,2/3,1/2,0,+1/3,0,0,0,s,奇夸克,0.15,-1/3,0,0,-1,-2/3,0,0,0,c,粲夸克,1.5,2/3,0,+1/3,+1,0,0,b,底夸克,4.7,-1/3,0,+1/3,0,+1,0,t,顶夸克,174,2/3,0,+1/3,0,0,+1,奇异数,自旋,夸克,质量,电荷,e,自旋,重子数,同位旋,同位旋分量,奇异数,超荷,粲数,底数,顶数,d,下夸克,0.008,-1/3,1/2,1/3,1/2,-1/2,0,+1/3,0,0,0,u,上夸克,0.004,2/3,1/2,0,+1/3,0,0,0,s,奇夸克,0.15,-1/3,0,0,-1,-2/3,0,0,0,c,粲夸克,1.5,2/3,0,+1/3,+1,0,0,b,底夸克,4.7,-1/3,0,+1/3,0,+1,0,t,顶夸克,174,2/3,0,+1/3,0,0,+1,1/3,1/2,-1/3,1/2,0,3.,+,介子,重子数,电荷,奇异数,自旋,同位旋分量,介子族的八重态图,重子族八重态图,介子,（夸克和反夸克组成）,重子,（三个夸克组成）,