文档介绍：第十二章原子核的亚核子物理
从前面的章节中知道,人们在1913年认识原子核,1919
年发现质子,1932年发现中子。从那时起,原子核被视为由
质子和中子(核子)在核力的作用下组成。
但很快人们就发现以核子为基础的核结构理论局限性很
大。理论上,对核力的描述完全是经验性的,对β衰变等的
解释也不能在传统核结构的框架下解决。实验上,在宇宙线
和较高能量的加速器实验中,发现了大量的不同于核子的新
的粒子。这样,就产生了亚核子的概念。亚核子物理曾经就
是指粒子物理,但随着时间的推移,粒子物理逐渐推进到更
深入和更基本的层次上。我们在这儿使用的亚核子物理,是
比核子层次更深入的核物理(如强子物理)和粒子物理的概
括。
入门性质的粗略的介绍。
§ 粒子与高能碰撞
寻找物质世界的最基本单元和基本相互作用,一直是物
理学的最前沿——粒子物理的根本任务。由于不断有更深的
物质层次被发现,因此粒子的概念是随时间变化的。人们曾
使用“基本粒子”的说法,但现在已不多见,原因是不断出现
“基本粒子”不基本的现象。
在二十世纪三十年代的时候,粒子的概念主要是指电
子、中子、质子、光子和中微子。三十年代末四十年代初,
宇宙线实验中发现了μ子和π介子,1947年又发现了奇异粒
子。后来随着加速器能量的提高,大量新粒子被观察到。对
这些粒子进行分类,找出它们结构上的规律性,是五、六十
年代粒子物理的一项基础性工作。如同对元素的性质进行分
类和排队导致了对原子结构的认识一样,对粒子的分类也直
接促成了对粒子更深层结构的认识。1964年,盖尔曼(M.
Gell-Mann)和兹韦格(G. Zweig)各自独立的提出了强子结构
的夸克模型,在以后几十年的理论和实验研究中得到支持。
与此同时,关于相互作用的规范场理论(强相互作用的量子
色动力学、电磁与弱相互作用的弱电统一理论)取得很大成
功。目前,人类对于物质世界基本结构和基本相互作用的认
识已达到一个比较完整的阶段,在科学上的意义不亚于原子
论的建立。
直接给出目前已比较成熟的基本知识。
1. 粒子的分类与物质结构
基于标准模型,物质世界的基本的粒子可以分为:
夸克(自旋1/2 、带色、参与强作用)
物质粒子{ 轻子(自旋1/2 、不带色、不参与强作用)
场粒子规范玻色子
直今为止,共发现了六种夸克,被称为六种“味”
(flavors)。
Q B
⎛u ⎞⎛c⎞⎛ t ⎞ 2e/3 1/3
⎜⎟⎜⎟⎜⎟
⎝d ⎠⎝s ⎠⎝b⎠- e/3 1/3
代 1 2 3
每味夸克又可带红、兰、绿三种颜色之一。每一种夸
克都对应着一种反夸克(Q、B反号)。所以总的夸克数是
36。
由夸克组成的重子数不为0的粒子称为重子,比如质子
(uud)和中子(udd)的B=1。
由夸克和反夸克组成的粒子B=0,称为介子。
实验观测到重子数是守恒的。
重子
强子(参与强相互作用){ 介子
至今的实验表明,任何带色的粒子都不能是自由粒子,而
是被束缚在整体上无色的强子内部,这就是所谓的色禁闭或夸
克禁闭现象。正是这种现象,使夸克的组合方式受到许多限
制。也是由于夸克的禁闭,使得自由夸克质量的定义变得不明
确,我们到后面再来讨论这个问题。
到目前为止发现的轻子也是6种味,也可分为三代:
Q Li
⎛ν e ⎞⎛νμ⎞⎛ντ⎞ 0 1
⎜⎟⎜⎟⎜⎟
⎝e ⎠⎝μ⎠⎝τ⎠- e 1
代 1 2 3
可以分别定义电轻子数Le、μ轻子数Lμ和τ轻子数
Lτ,至今的实验观测表明它们各自守恒。
每一种轻子都对应一种反轻子(Q、Li反号) ,因此共有
12种轻子。
自由轻子的质量列在表中。中微子的质量只是给出了上限,
不排斥其为0。尽管许多物理学家相信中微子有非0的质量,
但在实验上确定非常困难,原因是中微子既不参与强相互作
用,也不参与电磁相互作用,很难进行精确测量。
2 2
νe < 8 eV/c e MeV/c
2 2
νμ< MeV/c μ MeV/c
2
ντ<35 MeV/c τ ±
MeV/c2
传递相互作用的粒子(场粒子) :整数自旋,被称为规范玻色
子。
相互作用和规范玻色子
相互作用作用于规范玻色子
引力作用所有粒子引力子(无质量、自旋2)
电磁作用所有带电粒子光子(无质量、自旋1)
弱作用夸克、轻子、电弱规 W±、Z0(重粒子、自旋1)
范玻色子
强作用所有带色荷粒子(夸 8种胶子(无质量、自旋1)
克和胶