清华大学物理第30章粒子物理简介(余京智)

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镜像反射把左手变成右手， 左 右对称。
例如在空间反演变换（等价镜像反射）下：
f e qE f e q( E ) （ E 反射面） f m a f m ( a ) （ f 反射面）
左右对称的两个状态或两种过程都服从同样 在自然界中都同样能存在或发生。 的物理规律， 尽管在镜像反射下，物理过程的状态变化了， 但它们服从的物理规律却没有变，这就是物理 规律的空间反演不变性。
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空间平移不变性 …………… 动量守恒 所谓物理规律的对称性就是物理规律在一 定变换下的不变性。 研究物理规律的对称性的意义： 在探索未知的物理规律的时候，可以以普 遍的对称性规律作为指引； 物理规律的每一种对称性（即不变性） 通常都相应于一种守恒定律。
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空间转动不变性 …………… 角动量守恒 时间平移不变性 …………… 能量守恒 空间反演不变性 …………… 宇称守恒 整体规范不变性 …………… 电荷守恒 对称性的分类 时空对称性和内部对称性 严格对称性和近似对称性 整体对称性和局域对称性 连续对称性和分立对称性
新的量子数： 奇异数 S 重子数 B 超荷 Y=B+S π+
重子八重态
S= 0
Π-
π0 ; η
S= 1
Q=1 KQ=-1 ¯K0 Q=0
17 18
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重子十重态
2.夸克(Quark)模型：
▲
1964年盖尔曼等人提出夸克模型， 同年中国物理学家提出了层子模型。
下—d， 奇异 — s 三种夸克：上 — u ， B ( q , q , q)，介子 M (q, q ) 重子 B (q, q, q)，
SI 单位制对描述粒子物理现象（微观、高 速）很不方便，如：
GeV (=1.602 1010 J)
c 2.997 108 m/s m p 1.67 1027 kg rp 1015 m
（光速） （质子质量） （质子半径）
5
1自然单位的时间： 1 GeV -1 6.582 1022 s 1自然单位的长度： 1 GeV -1 0.1973 10 15 m 1自然单位的质量： 1 GeV 1.783 1027 kg
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p +1： ( r ) ( r ) —— 偶宇称 p 1： ( r ) ( r ) —— 奇宇称
p=1 p = -1
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6
量子力学证明： 只要微观粒子的运动规律具有空间反演不 变性（实质上是代表相互作用能量的哈密顿 则微观粒子 算符在空间反演变换下不变）， 体系具有确定的宇称，且保持不变。 则永远是 如果一个孤立体系具有偶宇称， 偶宇称，如果具有奇宇称，则永远是奇宇称 宇称守恒定律。
SI prefixes
1897 J.J Thompson 发现电子（electron） 1911 Rutherford 发现质子（proton），提 出原子的核模型 1932 J. Chadwick 发现中子（neutron） 有些原子核是不稳定的 1896 贝克勒尔 放射性 1931 W. Pauli 预言中微子（neutrino）
基本粒子运动的特点 尺度
宏观
牛顿 力学
狭义 相对论
• 微观 • 高速
微观
量子 力学 低 高
量子 场论 速度
• 产生和湮灭
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4
物理学中的基本单位长度，质量和时间， 在SI单位制中： [L]: m [M]: kg [T]: s
自然单位制（Natural Units）
c 1
在自然单位制中，只有一个是独立量纲 （如能量），其它均是“导出”量纲 选取能量单位为
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20
▲ 为解释理论和实验上的矛盾，1970年， GIM引入第4种夸克 — 粲夸克（charm) c 。 ▲ 1973年，川石（Kawayishi）和增川 （Masukawa）引入3代夸克 。
2 3
▲
1974年，丁肇中和里希特发现了J / 粒子，
Q
Q 1
▲
J/ ψ (c, c )
12
2
但是， μ子?
S K p

0
D D
+

L
+
p D
o
o
W
+


p K
0
D
++
p K
+
I.I Rabi, Nobel 1944
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1950’s…….
14
当时共发现200多种粒子可按寿命 、自旋、 质量、 参与的相互作用分为轻子、强子等。 轻子 不参与强相互作用， 自旋 J 1
2
粒子的世界太拥挤了！ 1955, Willis Lamb started his Nobel Prize acceptance speech by saying that “maybe physicists discovering a new particle ought to be fined 10 000$” 这些都是“基本粒子”？ 历史在重演： Gell-Mann的“周期表”
则能量E = m0c2， +m0c2
- m0c2
0 负能态
（最大负能量）
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负能态 +e空穴
复合： e + + e h 1 + h 2
30
5
1931 发现了 e +，1955产生了 p， 1956产生了 n （自旋与磁矩同向）， 1959产生了 ，K 每种粒子都有反粒子，光子的反粒子就是自身。

3. 空间反演变换（P变换）和宇称守恒
， +， …
， 以后： K +
（1）空间反演不变性 空间反演： r r （x，y，z）（ x， y， z） y′ z′ x′ x
空 间 反 演 镜像反射


反粒子 反核 →反原子 → 反世界
●
+e 1995年 9月 欧洲核子研究中心，制
得出相对论波动方程（ Dirac方程）有两类解： 正能解，粒子E > 0；负能解，粒子E < 0。 若动量 p = 0， 两个能区被2 m0c2 所隔开。
E 正能态
（最小正能量）
E
到 正能态 。负 能态上 就少了 负 能量和 负电 荷。于 是就出
0 现了正能量和正电荷。
+ 激发：γ e + e ，E γ 2 m0c 2
6
1
【例】在自然单位制中 BEPC质心能量：2－5 GeV 电子自旋角动量： 1/2 Schrodinger 方程：
i
H t
质－能关系：
E 2 p2 m2
1015 1012 109 106 103 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15
peta tera giga mega kilo milli micro nano pico femto
1975年，发现了τ 轻子 1977年，发现了底夸克 （bottom）b。 1995年，发现了顶夸克（top）t。
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1 Q 3
Q“基本粒子”
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著名理论物理学家。 1950年提出关于奇异粒子 的八重态理论等。 1960年代中期最先提出夸 克（quark）假设。 1969年获诺贝尔物理学奖。 这是2002年6月17日在清华大 学举办的前沿科学国际研讨会 （庆贺杨振宁先生 80华诞）上， 盖尔曼做学术报告。 题为 默里.盖尔曼（美国） “Some Pathways in （Murray Gell-Mann，1929 ） Theoretical Physics” 24
本章目录
§30.1 引言 §30.2 物质结构和夸克模型
*粒子物理简介
（碳原子核的夸克结构模型）
§30.3 对称性和守恒定律 §30.4 标准模型和新物理 §30.5 高能物理实验
注：本章内容参看书第一册 “基本粒子”
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§30.1 引言
粒子物理的研究内容主要有两个方面： 基本粒子的性质及内部结构； 基本粒子间的相互作用、运动和变化规律。 基本粒子：没有内部结构(不能再分)的粒子 － “基本”具有“与时俱进”的意义 粒子物理永远是科学的最前沿学科！
m 206me ，但根本不与核子作用。 1947, C.F.Powell 发现 π介子 m 273me
1949 Yukawa Hideki 被授予诺贝尔奖。 1947 “基本粒子”为： 质子 原子核{ π介子，(中微子)，反电子 原子{ 中子 电子 光子（1900， Plank; 1905, Einstein）
P T G M k m n p f
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§30.2 物质结构和夸克模型
1. 历史回顾: 物质是由什么构成的？ 2000BC 中国 “五行说” 1000BC 希腊 “土、气、火、水” 500BC Democritus 原子论 （哲学） 18世纪 Lavoisier 元素－化学不可分 19世纪初 Dalton 近代原子论，元素－同类 原子的总称 1869 Mendeleev 元素周期表 1896 共发现77种元素（原子） 8 原子(atom)被认为是“基本”的
造了9个反氢原子，存在了4×10-8s 。 2002年8月欧洲核子研究中心成功地制 造出了约 5万个低能状态的反氢原子， 反氢原子 这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。
-e ● p
·o
z y
=
+
绕镜面法线 旋转 180°
由于物理规律对旋转的变换保持不变， 所以空间反演实质上和镜像反射变换等价。
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§30.3 对称性和守恒定律 1. 一般讨论：对称性和守恒定律