九、粒子及其相互作用(§19-9)

    1. 关于“基本”粒子

    (1)  1956年科恩(C.L.Cohen)和莱因斯(F.Reines)发现反中微子为止,人们已经认识的粒子有光子、电子、正电子、质子、反质子、中子、反中子、m子、p 介子、中微子和反中微子,并认为这些粒子是物质微观结构的最小单元。

    (2)  此后,凡是与上述粒子可以相互作用和相互转化,并在当时实验认识水平上被认为同属于物质微观结构最小层次的粒子,都称为基本粒子。

    (3)  20世纪60年代,按照上述标准被列为“基本粒子”的粒子成倍增加,同时发现质子、中子和   p 介子等不是点粒子,而是半径在0.8 fm上下的实体,肯定存在内部结构。于是,统一规定不再使用“基本粒子”这个名称,而用粒子称呼之。

    2. 粒子内在属性的描述

    (1)  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、重子数和同位旋等,教材中都作了简单先容。一种粒子的内在属性的总和,是辨别粒子种类的依据。

    (2)  除了上述这些描述粒子内在属性的物理量以外,还有许多表征粒子特性的物理量,这些物理量的取值反映了粒子参与相互作用的性质和行为,因为不同的粒子参与的相互作用的性质和行为是不同的。

    3. 物质存在的基本形式

    关于物质存在的基本形式的问题应注意以下各点。

    (1)  粒子和场是物质存在的两种基本形式;在这两种基本形式中,场是更基本的,粒子只是场处于激发态的表现。

    (2)  每种粒子都对应一种充满全空间的场,与各种不同粒子所对应的各种场互相重叠地充满全空间;场与粒子一样也具有质量、能量、动量和角动量,只是没有不可入性。

    (3)  当一种场处于基态时,因为不会显现出直接的物理效应,所以不能观测到这种粒子的存在;当一种场处于激发态时,这种粒子就被观测到了,场的不同激发态表现为粒子的数目和运动状态的不同。

    (4)  物理真空就是所有的场都处于基态的情况。所以,真空并不是空无一物,而是充满了各种场。

    4. 粒子的相互作用

    关于粒子的相互作用应掌握以下几点。

    (1)  目前已经发现的粒子之间的相互作用有3种,即引力相互作用、电弱相互作用和强相互作用。

    (2)  粒子之间的相互作用是通过交换媒介粒子实现的:引力相互作用的媒介粒子是引力子g;电弱相互作用的媒介粒子是光子 g、带正电的W+粒子、带负电的W-粒子和不带电的Z0粒子;强相互作用的媒介粒子则是介子和胶子。

    (3)  相互作用力程的大小正比于媒介粒子质量的倒数。

    (4)  粒子间的相互作用来自于场之间的相互作用,场之间的相互作用是粒子转化的原因。

    5. 粒子的分类

    按参与相互作用的性质,可以将自由状态存在的粒子分为以下3类:

    (1)  规范玻色子:各种相互作用的媒介粒子都属于这一类,包括:

         gW+ W- Z0 ;胶子G (8);引力子g (1)

        共计13种规范玻色子。                

    (2)  轻子:不参与强相互作用的粒子都属于这一类,包括:

        电子em子和t子,以及它们的反粒子;

        中微子ne nm nt ,以及它们的反粒子。

        共计12种轻子。

    (3)  强子:可以直接参与强相互作用的粒子都属于这一类,已经发现的强子共436种,分属于强子的以下类别:

    6. 强子结构的夸克模型

    教材中所列的六点已经全面而简要地说明了强子结构的夸克模型的基本思想,为便于读者掌握,这里大家想对有关的问题作一些说明和说明。

    (1)  关于夸克的味和色

    夸克的“味”和“色”是描述夸克状态的两个量子数,不再具有它们原先字面的涵义。

    组成强子的夸克包括6味,即udcsbt;每味夸克又分为3色,即“红”、“蓝”和“绿”。共有18种,连同它们的反粒子,共有夸克36种。

    某味某色夸克的反夸克,用在符号上方加一小横表示,例如,上夸克u的反夸克表示为,下夸克d的反夸克表示为,顶夸克t的反夸克表示为,等等。

    那么反夸克的色状态又是怎样的呢?反夸克的色是对应夸克的色的互补色,例如,红夸克的反夸克是青(或称反红)色,蓝夸克的反夸克是黄(或称反蓝)色,绿夸克的反夸克是品红(或称反绿)色。

    (2)  关于胶子的色状态

    夸克之间的相互作用是通过交换胶子来实现的,夸克放出或吸取胶子时,其所带色荷可以改变,也可以不变。3种色荷及其3种互补色色荷,决定了胶子可以有3 ´ 3 - 1 = 8种复合色。所减掉的这1种,根据群论的分析,属于色单态,不具有传递色相互作用的性质,所以胶子不能有这种色。

    (3)  关于强子的色状态

    强子是无色的,而组成强子的夸克却是带有色荷的。所以,每个强子内部所有价夸克或价反夸克的色性质必须保证其总合为白色,即整体对外来说相当于无色。

    组成强子的几种夸克的色状态对强子整体的色性质的贡献,与几种色光的混合相类似。对于色光的混合,大家知道,一种色光与其互补色光相加总为白色光,三原色(红、蓝和绿)光相加也是白色光,三原色的互补色(青、黄和品红)光相加还是白色光。

    (4)  关于色相互作用的两种性质¾¾色禁闭和渐近自由

    a)  带色粒子之间的色相互作用并不随距离的增加而迅速减弱并从而使粒子最终互相独立而处于自由状态,只有由夸克和胶子组成的无色系统才可以自由地单独存在,带色的夸克和胶子只能存在于这个系统的内部。这就是色相互作用的禁闭性质。色相互作用的这种性质最先是根据实验事实提出的假设,至今尚未在理论上得到严格证明,尽管如此,仍被普遍接受。

    b)  在高能物理过程中,被禁闭在强子内部的夸克和胶子又近乎是无相互作用的。色相互作用的这种性质,称为“渐近自由”。这种性质可以从理论上导出,它的许多推论已经得到实验的验证。

       
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