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1、第二章夸克与轻子 Quarks and leptons2.1 粒子园 The particle zoo学习目标 Learning objectives :我们怎样发现新粒子？能否预言新粒子？什么是奇异粒子？大纲参考：3.1.1太空入侵者宇宙射线是由包括太阳在内的恒星发射而在宇宙空间传播的高能粒子。如果宇宙射线粒子进入地球大气层，就会产生寿命短暂的新粒子和反粒子以及光子。所以，就有“太空入侵者” 这种戏称。发现宇宙射线之初， 大多数物理学家都认为这种射线不是来自太空，而是来自地球本身的放射性物质。 当时物理学家兼业余气球旅行者维克托 赫斯（Victor Hess）就发现， 在5000m高空处宇宙
2、射线的离子效应要比地面显著得多，从而证明这种理论无法成立。 经过进一步研究，表明大多数宇宙射线都是高速运动的质子或较小原子核。这类粒子与大气中气体原子发生碰撞， 产生粒子和反粒子簇射， 数量之大在地面都能探测到。通过云室和其他探测仪，人类发现了寿命短暂的新粒子与其反粒子。 介子（muo n）或“重电子”（符号卩）。这是一种带负电的粒子，静止质量是电子的200多倍。n介子（pion ）。这可以是一种带正电的粒子（n +）带负电的粒子（n）或中性不带电粒子（n ）,静止质量大于 卩介子但小于质子。K介子（kaon）。这可以是一种带正电的粒子（K +）带负电的粒子（K）或中性不带电 粒子（K）,静止
3、质量大于n介子但小于质子。科学探索 How Science Works不同寻常的预言 An unu sual predicti on在发现上述三种粒子之前，日本物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa）就预言，核子间的强核力存在交换粒子。他认为交换粒子的作用范围不超过1015m，并推断其质量在电子与质子之间。由于这种离子的质量介于电子与质子之间，所以汤川就将这种粒子称为“介子”（meson s）。一年后，卡尔安德森拍摄的云室照片显示一条异常轨迹可能就是这类粒子所产生。然而， 这种粒子的轨迹长达 40mm，甚至比强相互作用粒子的寿命还长。经过进一步研究，人们发 现这种异常粒子是一种重电子，现
4、在命名为卩子而不归入介子。这种粒子通过弱相互作用发生衰变。多年后，英国物理学家塞索？鲍威尔（Cecil Powell ）研究暴露在高空宇宙射线下的乳剂照片。在研究过程中，鲍威尔从照片上所示仅显微镜可察的几条细微轨迹中发现了汤川提出的 介子。鲍威尔将这种粒子称为n介子一一汤川的预言完全正确！图1 n介子的产生和衰变。图中所示短轨迹就是底边反质子与质子相互湮灭产生的n*介子。n*介子会衰变为反子，而反子会盘旋并衰变形成正电子。奇异粒子之谜A strange puzzle鲍威尔发现卩介子还不到一年，其他云室照片揭示存在我们现在称为K介子的短寿命粒子。K介子和n介子产生过程相似。 高速运动的质子与原子
5、核发生碰撞，通过强相互作用产生 K介子；随后每个 K介子都远离产生它们的原子核运动，最后发生衰变。换言之，虽然这种 粒子产生是强相互作用的结果，但衰变却要通过弱相互作用进行。而K介子的衰变产物就包括n介子。鉴于K介子这些性质和其他性质，我们将其称为奇异粒子 （strange particles）。在本章2.4小节再了解其奇异性，此处不赘。上述所有新粒子都可以通过粒子加速器产生，加速器内质子与其他质子迎头相撞。 这些质子的动能就会转为所产生新粒子的质量。 所以，就通过粒子加速器产生这些新粒子， 在受控状 态下对其展开研究。新粒子的静止质量、电荷（如果带电的话）和寿命都予以测量。其反粒子一一包括反
6、卩子在内，都被探测到。这种粒子的衰变模式总结如下：K介子会衰变为n介子、子和反中微子以及反 子和中微子。带电n介子会衰变为 卩子和反中微子，或反 卩子和中微子。n0介子会衰变为高能光子。子和反子会衰变为电子和反中微子，或正电子和中微子。这类粒子的衰变一贯遵循能量（和动量）守恒定律以及电荷守恒定律。其他定律见本章2.5小节，这些定律会讲述哪些相互作用和衰变能存在或发生。1 漫谈加速器 About accelerators电视机显像管会通过 5000V的电势差对管内的电子进行加速，所以也是一种加速器。管内 的电子会形成电子束，击打电视屏幕内端。 而电磁铁产生的磁场会使电子束出现偏转，扫向屏幕而显现
7、影像。不过，液晶（LCD ）电视机的工作原理与此大不相同。世界上最长的粒子加速器就是位于美国加州的斯坦福直线加速器。该加速器通过50000mv电势差对相距3km的电子进行加速。因此，在上述电势差作用下电子的能量W就会达到50000MeV （=50GeV ）。如果电子与目标相撞，就会释放出大量粒子-反粒子对。世界上最大的粒子加速器就是欧洲日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。对 撞机能将带电粒子加速到超过7000GeV的高能状态。但与直线加速器不同，这种加速器为布置在地下圆环隧道内的 27km环形装置。许多国家的物理学家使用该装置探索物质和辐射 基本性质的更多奥秘。由于质子、中子、 n介子
8、和K介子都受到强相互作用的影响，所以 称其为强子（hadron）。关于强子的详细内容，将在下一小节学习。a电视显像管b斯坦福直线加速器图2加速器 问题小结 Summary questions1. a按静止质量递增顺序将以下粒子排序： 电子、K0介子、子、中子、n*介子和质子。b上述粒子中哪一种不带电？2试说明发生以下情况时的强相互作用或弱相互作用：a 1子衰变b K介子衰变C产生n介子3. a哪一种粒子在云室中产生的轨迹更长，1子还是n +介子？b试说明1子和n介子性质的异同，各举一点即可。4. 两个质子之间发生高能碰撞，就会产生n介子和K介子，这两种介子随后就会衰变。a以下两种粒子会发生什么
9、情况？i K介子；ii n介子。b上述两种介子衰变最终会产生什么粒子？2.2 粒子分类 Particle sorting学习目标 Learning objectives :如何对粒子进行分类？什么是强子？什么是轻子？大纲参考：3.1.1粒子和反粒子的分类Classifying particles and antiparticles随着新粒子的发现，就有一个重要疑问摆在我们面前一一要彼此保持一致并与质子、中子和电子保持一致，这些新粒子和反粒子应该如何分类？这类新粒子都是通过高能相互作用产生， 它们能衰变为除了中微子以外的其他任何粒子。而且，带电n介子往往成对生成，因此可得出结论一一n +介子和n
10、介子是一对粒子与反粒子。而且，对带电K介子也能得出同样结论。那么，这类粒子的基本模式是什么？迄今为止此处所述各种粒子都在表1中列出，而且还有其性质简述。同学们，你们能看出下述各种不同粒子之间的联系吗？U表i粒子及其性质粒子及其符号电荷/质子电荷反粒子及其符号电荷/质子电荷静止质量/MeV相互作用质子p+ 1反质子p-1938强衰变、弱衰变、电磁作用中子n0反中子n0939强衰变、弱衰变电子e-1正电子e+ 10.511弱作用、电磁作用中微子v0反中微子v00弱作用R子 g-1反g子 g+ 1106弱作用、电磁作用n介子 （ n、 和n ）+1、0、一 1n是n的反粒子 n是n+的反粒子 n的反
11、粒子就是 其本身1、0、+1140、135、140强作用、电磁作 用（n、 n ）K介子（K+K0 和 K）+1、0、一 1见2.4小节1、0、+1494、498、494强作用、电磁作 用（K +、K ）学习建议Study tip轻子一一轻而弱强子强而重请注意反质子、反中子和反中微子的符号就是在原粒子上方加一条横线，而正电子和反卩子则例外。那么这些粒子如何分类？其实，根据粒子是否参与强作用可将其分为两大类：强子（hadrons） 禾口轻子（leptons）。强子就是参与强相互作用的粒子和反粒子，比如质子、中子、n介子和K介子。轻子就是不参与强相互作用的粒子和反粒子，比如电子、子和中微子。1轻子
12、参与弱相互作用，而带电轻子还参与电磁相互作用。2强子则参与强相互作用，而带电强子还参与电磁相互作用。除过质子（稳定）以外，其他 强子都通过弱相互作用衰变。图1大型强子对撞机能量物质 Energy matters大型强子对撞机是一种环形加速器，可使环内数处带电粒子的动能大幅度增加。一圈固定磁铁围绕该环路，作用就是使环内粒子路径弯曲而保持在环内。当粒子与其他粒子碰撞时：碰撞前所有粒子和反粒子的总能量=总静止能量+总动能量。碰撞后生成的新粒子与其反粒子的总能量=总静止能量+总动能量。根据能量守恒定律，可得所产生粒子的静止能量=碰撞前总能量-碰撞后总动能量例如，如果各自动能为 2GeV的质子与反质子相
13、互碰撞，则其碰撞前总能量为6GeV （原因就是两个粒子动能量均为2GeV，静止能量各为1Gev见表1 ）。既然遵循守恒原理（比如电荷守恒），只要总能量不超过 6GeV，就有可能产生一系列粒子。1GeV=1000MeV重子与介子 Baryons and mesons如果产生K介子，可能也会产生静止质量大于质子的短寿命粒子。这类粒子通过强相互作用产生，所以就是强子。然而，与K介子相比，这类粒子会衰变为质子和n介子（然而 K介子的衰变产物中绝不会有质子）。因此，可将强子分为以下两种：1重子（Baryons）:就是质子以及会直接或间接衰变为质子的其他所有强子（其中包括中子）。2介子（Mesons）:就
14、是衰变产物中不包括质子的强子。换句话说，K介子和n介子就不是重子。在2.4小节，将会学到重子和介子也不是最小粒子，而是由更小的粒子组成。这种微小粒子就叫夸克（quarks）和反夸克（antiquarks ）。matter and antimatterhadronsbaryonsmesonsmatter and an timatter物质和反物质hadr ons强子lept ons轻子bary ons重子mes ons介子图2粒子分类问题小结 Summary questions1. a以下两种粒子的含义分别是什么？i强子；ii轻子。b说明以下三种粒子或反粒子属于重子、介子还是轻子。i电子；ii中子；iii K介子。2. 说明以下两种粒子间的异同，各写一条即可。a子和n介子； b n*介子和K+介子； c K0介子和中子。3. 请完成以下内容填空：a. 不是强子的粒子就是b. 强子可分为和。的衰变产物不包括质子。介子能衰变为3种带电介子。完成以下衰变方程：K t+ n + +假定K介子衰变前处于静止状态，请利用表1中的静止能量值来计算 n介子的最大动c. _+4. Ka.b.台匕冃匕。2.3作用中的轻子 Leptons at work学习目标 Learning objectives :轻子是基本粒子吗？是否所有中微子
