二、粒子内在属性的描述

    各种粒子分别具有各自的内在属性,这些属性是不随粒子的来源和粒子的运动状态而变化的。一种粒子的内在属性的总和是辨别粒子种类的依据。描述粒子内在属性的主要物理量有质量、寿命和宽度、电荷、自旋、重子数和同位旋。

    1. 质量

    粒子物理中所说的粒子质量都是指粒子的静质量。所有的粒子都具有确定的质量或质量范围。如果某种自由粒子以真空光速运动,其相对性质量为有限值,那么这种粒子的静质量必定为零,并且它只能以真空光速运动,光子就属于这种粒子。根据相对论的质能公式,粒子的质量可用能量的单位表示,在粒子物理中粒子的质量一般以MeV和GeV表示。例如,电子的质量可以表示为me = 0.51099906 MeV。

    许多粒子是不稳定的,在实验中测量这些粒子的质量时,所得到的结果并不是一个确定的值,而是在某一值附近的一定分布。这个分布可以用两个参量来表征。一个参量是实验上测得的粒子质量值的平均值,此值仍以“粒子的质量”相称,常用m表示;另一个参量是粒子质量在其平均值附近的分布宽度,称为粒子宽度,常用G 表示。

    在已发现的粒子中,绝大多数的质量在电子的200倍到21600倍范围内。最重的粒子是Z粒子,其质量为91.187 GeV,约为电子质量的178448倍。在已发现的粒子中,绝大多数的粒子宽度小于400 MeV。粒子宽度最大的粒子也是Z粒子,其宽度为2.490 GeV。

    2. 寿命

    在已经发现的粒子中只有光子、电子、正电子、质子、反质子、三种中微子和三种反中微子是稳定的,其余都是不稳定的。不稳定的粒子在产生后经过一段时间就会自动衰变成两个或更多个其他类型较轻的粒子。粒子的寿命就是粒子从产生到衰变平均经历的时间,是反映粒子不稳定性的物理量。

    由于相对论的时间延缓效应,当粒子作高速运动时,观测到的粒子的寿命要比它静止时长,并且寿命的长短与它的运动速度有关。所以,在粒子物理中,粒子的寿命是指它静止时的寿命。通常的做法是,先从实验上测得运动粒子在衰变前存在的时间,再根据相对论关系换算成粒子静止时存在的时间。测量时,必须对许多个同种粒子进行测量,然后求其平均值。此平均值,就是该不稳定粒子的平均寿命,简称寿命,常用t 表示。不稳定粒子的宽度与寿命之间存在下面的关系

                              tG = 1,                    (19-61)

这表示,寿命越短的粒子,其宽度就越大。稳定粒子的寿命为无限大,其宽度为零,即质量有确定值。在不稳定粒子中,中子是寿命最长的粒子,其寿命是887.0 s,Z粒子是宽度最大的粒子,其寿命是2.643´10-25 s。

    实际上,观测粒子是否存在,是个概率问题。在粒子存在概率大的范围内,容易观测到粒子;而在粒子存在概率小的范围内,不容易观测到粒子。粒子的不稳定性,表现在在它存在的任意时间间隔内都有一定的衰变概率。

    3. 电荷

    所有已发现的粒子所带电荷都是质子电荷的简单整数倍,这就是大家早已熟悉的电荷量子化概念。到目前为止,已经发现的粒子中所具有的最大电荷,是质子电荷的2倍。

    1931年狄拉克指出,磁单极子的磁荷与任意一个与它相互作用的粒子的电荷的乘积,等于半奇数。这一论断表明,只要宇宙中存在一个磁单极子,理论上就要求所有带电粒子所带电荷必定量子化。反之,既然实验已经表明粒子电荷是量子化的,那么这是否预示着磁单极子的存在?正是根据这一预示,多年来,物理学家们在地面、在高空、在深井进行了大量探测,寻找着磁单极子,但到目前为止还没有找到它,因而还不能断定它是否确实存在。

    4. 自旋

    所有粒子都具有确定的自旋,用自旋量子数J描述。在已经发现的粒子中,有费米子,也有玻色子,最大的自旋量子数是11/2。

    5. 重子数

    电子是稳定粒子,它带有一个单位负电荷。电子如果能衰变的话,电荷数守恒要求它所带的这一个单位负电荷必须转移到衰变后生成的某个粒子上。然而电子已经是带一个单位负电荷的最轻的粒子了,所以这个“衰变后生成的某个粒子”只能是电子本身。这就是说,电荷数守恒决定了电子的稳定性。

    质子也是稳定粒子,它带有一个单位正电荷。是否也存在某个量的守恒来决定质子的稳定性呢?正电子发现后,有人提出,质子不是带一个单位正电荷的最轻粒子,为什么不能衰变为一个正电子和一个光子?引入重子数守恒就可以说明这种衰变不可能发生,就可以说明质子的稳定性。规定质子的重子数为1,正电子和光子的重子数都为零。这样,质子就是重子数为1的最轻粒子了。任何衰变既要满足电荷数守恒,也必须遵从重子数守恒。所以,重子数守恒决定了质子的稳定性。

    5. 同位旋

    同位旋在概念上与自旋十分相似,也是一种角动量,所不同的是,自旋角动量是与普通的三维空间中的旋转行为有关,而同位旋则是指在某种抽象空间的角动量。同位旋量子数常用I表示,同位旋在第三轴上的投影用I3表示。例如,核子是同位旋量子数I =1/2的粒子,I3取+1/2和-1/2时,分别是核子的两种不同状态,I3 = 1/2时,是质子,带单位正电荷,I3 = -1/2时,是中子,不带电。又例如,p 介子是同位旋量子数I = 1的粒子,I3取1、0、-1时,分别是 p 介子的三种不同状态,即p+介子、p0介子和p-介子。

    以上所述是表征粒子特性的主要物理量,这些物理量的取值反映了粒子参与的相互作用行为和性质,不同的粒子,所参与的相互作用的行为和性质是不同的。

       
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