粒子物理省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎?wù)n件市賽課一等獎?wù)n件

Hadronicphysics

(強(qiáng)子物理）浙江近代物理中心魯定輝dhlu@1.Hadronstructureandtransitions

2.Matterunderextremeconditions1/51TheSmallestandLargestnucleiN,delta,N*,pi,etcdensestar2/51

標(biāo)準(zhǔn)模型

(微擾論)：

相對論性量子場論:SU(3)

SU(2)

U(1)對于強(qiáng)、弱、電磁相互作用統(tǒng)一描述。成功地描寫了早到宇宙最初（10－12秒起），小到10－19米（或高到1012eV)各種物理現(xiàn)象。白壁微瑕？(非微擾)3/51“Direct”evidenceofquarks試驗巧妙地確定其質(zhì)量,電荷及三種顏色4/51夸克禁閉與非微擾本世紀(jì)最主要物理學(xué)問題之一李政道因為真空對氣泡壓力，夸克不可能出來。而在氣泡內(nèi)部，夸克可自由運動(bag)與超導(dǎo)類比完全抗磁體

真空是完全抗色介質(zhì)？試驗伎倆高能電子碰撞，相對論重離子碰撞,中子星等5/51夸克-反夸克禁閉

格點量子色動力學(xué)（LatticeQCD）

自然界中沒有自由夸克，它們總結(jié)合成強(qiáng)子（質(zhì)子、中子、p介子，K介子等），這稱為禁閉comfinement靜止夸克-反夸克之間有著很強(qiáng)禁閉勢，在大尺度上，隨二者之間距離線性增加6/51強(qiáng)子物理研究對象

與強(qiáng)子結(jié)構(gòu)（譜）和相互作用（躍遷）相關(guān)物理問題提出新(唯象)理論,解釋和指導(dǎo)試驗探索未知領(lǐng)域，如N*，missingstates7/51RelatedNobelPrizes1922,Bohr,thestructureofatoms1927,Compton,theComptoneffect;Wilson,pathsofchargedparticle1932-33Heisenberg,Schrodinger,Dirac1935,Chadwick,neutron1938,Fermi,newelementsbyslowneutron1949,Yukawa,mesonsonnuclearforce1957,YangandLee1961,Hofstadter,electronscattering(subnuclearphysics)1963,Wigner,symmetryinnucleusandMayerandJensen,shellmodel8/51Continued1965,Tomonaga,Schwinger,Feynman,fieldtheory1967,Bethe,energyproductioninstars1969,Gellman,quarkmodel1974,Hewish,pulsars1975,Bohr,Mottelson,collectivemodel1976,Richter,Ting,discoveryofJ/psi1979,Glashow,Salam,Weinbery1990,Friedman,Kendall,e-pDIS1998,t’Hooft,Veltman,renormalization,Gross,Politzer,Wilczek,asymptoticfreedom

quarkconfinement?9/51高能電子散射10/51Theevolvingproton11/51核民主?

對稱性六十年代初發(fā)覺大量“基本”粒子(resonances),(見下頁）有沒有聯(lián)絡(luò)?更高對稱性?怎樣分類？

Isospin（同位旋）

一個nucleon,pion,Sigma

同一個“粒子”不一樣狀態(tài)？(自旋,宇稱相同)推廣同位旋概念

（破缺）幺正對稱性粒子按不可約表示分類，每個粒子對應(yīng)其一個分量

夸克色香味豐富多彩粒子世界12/51BaryonSummary13/51同位旋（isospin,flavorsymmetries)Internalsymmetries,conservedinallstronginteractions核子:JQm(MeV/c^2)I_3p?1938.27?

n?0939.56-?在費米尺度，強(qiáng)作用比EM作用強(qiáng)2-3數(shù)量級，其強(qiáng)作用性質(zhì)相同。14/51介子ParticlesJQmassI_3pi+01139.561pi000134.970pi-0–1139.56-1全部強(qiáng)子都有確定同位旋！與自旋類似，是粒子內(nèi)部抽象空間角動量強(qiáng)相互作用過程同位旋守恒，可給出很強(qiáng)理論限制和預(yù)言15/51Pi-NucleonScattering

(pi+,pi0,pi-)+(p,n)共10個反應(yīng)道（電荷守恒），相互獨立？時間反演不變

8個獨立同位旋空間轉(zhuǎn)動不變

兩個獨立振幅（復(fù)數(shù)）16/51同位旋（味）破缺

BrokensymmetriesSU(2)是u,d夸克對稱，破壞2--3%SU(3)SU(4)SU(5)SU(6)同位旋破壞主要來自多重態(tài)不一樣分量質(zhì)量差印起運動學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)為粒子質(zhì)量與壽命不完全相同！17/51奇異數(shù)(Strangeness)1947年宇宙線試驗(afterpion)，1954年加速器試驗發(fā)覺一批奇異粒子特征一：協(xié)同產(chǎn)生，獨立衰變特征二：快產(chǎn)生，慢衰變（10^-24,10^-10秒）需要新量子數(shù)S：舊粒子(pi,N)S=0強(qiáng)和EM過程中守恒，弱作用可破壞18/51SU(3)理論坂田模型：

1。全部強(qiáng)子由p,n,Lamda和其反粒子組成p,n,Lamda組成SU(3)三維基礎(chǔ)表示介子由一對正反基礎(chǔ)重子組成重子由一個基礎(chǔ)重子和一個介子組成解釋介子好，但對重子不好19/518-foldway1961年，NeumanandGell-Mann介子和重子都是SU(3)群八維表示或直乘部分處理了重子問題，但產(chǎn)生新問題:(已經(jīng)有8個1/2+粒子,9個3/2+粒子)預(yù)言了一個新粒子？怎樣處理多出10*和27？？？20/51PredictOmega預(yù)言一個新粒子！B=1,I=0,S=-3,Q=-1質(zhì)量由同一多重態(tài)粒子估算21/51WeakDecay新粒子不能經(jīng)過強(qiáng)或電磁衰變有弱衰變，故壽命10^(-10)秒1964年發(fā)覺確立了SU(3)對稱性理論22/51Experiment(BNL)23/51QuarkModelGell-MannandZweig（1964）強(qiáng)子由深層次粒子組成介子(q-qbar)，重子(qqq)(nextpage)Note:10*and27nolongerappear！24/51Whatismodel?模型就是奧地利火車時刻表。它經(jīng)常晚點，乘客問列車員：“你們干嗎還要時刻表？”列車員回答：“有了時刻表你才知道火車晚點呀！”-Weisskopf（楊福家原子物理書）25/51Multiplets(figures)26/51

ColoredquarkEverynaturallyoccurringparticleisacolorsinglet!（自然選擇？）重子與自旋統(tǒng)計規(guī)律矛盾顏色自由度假定軌道角動量為零，此時粒子能量最低10重態(tài)波函數(shù)（omega)反對稱（Pauli原理）要求引入色空間：每味夸克都有三色，重子是色SU(3)一維表示（色空間完全反對稱態(tài)）。27/51重子波函數(shù)（例）基態(tài)空間，色部分可先不考慮而八重態(tài)需要混合對稱如質(zhì)子波函數(shù)28/51核子磁矩（2.793，-1.913是自然常數(shù)？）磁矩來自組分夸克磁矩矢量和其中質(zhì)子磁矩

29/51磁矩試驗值(ration/p=-2/3)baryonmomentcalcexptp2.792.793n-1.86-1.913-0.58-0.612.682.33+0.130.82-1.05-1.41+0.25-1.40-1.25+0.01-0.47-0.69+0.0430/51重子質(zhì)量也不再是自然界基本常數(shù)！質(zhì)量來自組分夸克質(zhì)量與剩下相互作用(hyperfine)3equalmasses,31/51Massprediction(MeV)Usingm_u=363,m_s=538,C=4m_u^2*50BaryonCalcExptN939939Lambda11161114Sigma11791193Xi13271318Delta12391232Sigma*13811384Xi*15291533Omega1682167232/51強(qiáng)子譜mp=938.27MeV

(uud)mn=939.56563MeV(udd)mp=139.56995MeV(ud,ud)mK=493.677MeV(us,us)這些質(zhì)量曾被認(rèn)為是自然界基本常數(shù)！LatticeQCD精度達(dá)10%以內(nèi)33/51正反粒子變換DiracEq(1928)

Dirac’sholetheoryPositron(1932)antiproton(1955)50KantiH反粒子對應(yīng)于場復(fù)共扼激發(fā)態(tài)粒子-反粒子質(zhì)量，壽命，自旋相同，全部內(nèi)部相加性量子數(shù)反號。34/51電荷共扼ChargeConjugationC變換性質(zhì)：CC=1若Q為相加性守恒量，除Q=0，普通Q與C沒有共同本征態(tài)35/51C宇稱Only純中性粒子才是C本征態(tài)，C’(gamma)=-1C’(pi0)=C’(gamma)C’(gamma)=1EM作用過程中,C守恒--》正反粒子對（偶）36/51C變換與C宇稱

強(qiáng)作用和EM作用在C變換下不變由C變換聯(lián)絡(luò)兩個過程之規(guī)律相同若初態(tài)是C變換本征態(tài)，則末態(tài)也是

pi0不能衰變成三個光子

電子偶素能夠衰變到兩個光子(S=0)或三個光子（S=1)37/51G-ParityC宇稱適用范圍太小。對于普通介子（pi)定義：普通介子G-Parity為：性質(zhì)：全部強(qiáng)子都有確定變換性質(zhì)，但只有普通介子才有G-Parity正反粒子系統(tǒng)復(fù)合系統(tǒng)=子系統(tǒng)宇稱乘積38/51G宇稱守恒與實例強(qiáng)作用G-變換下不變，而電磁作用破壞Invariantmassat770MeV,width=153MeV

I=1

G’=1,C’(rho0)=-1Rho介子經(jīng)過強(qiáng)作用衰變到三個pi嚴(yán)格警戒，Rho0經(jīng)過EM作用到兩gamma嚴(yán)格警戒自旋必為奇數(shù)。39/51核子結(jié)構(gòu)40/51重視試驗，但不可盲信！據(jù)Spiresdatabase:有318篇withkeywordPENTAQUARK1.Nakano(LEPS)PRL91,01()2.Stepanyan(CLAS),hep-ex/0307018

自旋,宇稱,同位旋未定SPring-841/51核子電形狀因子Dipole?

Exponential？Scalinglaw?42/51Neutronchargedistribution43/51質(zhì)子電和磁分布不一樣44/