粒子物理学导言

正电子的发现

C.D.Anderson
1932年8月2日，美国加州理工学院C.D.Anderson在云室照片中发现一条与电子径迹相似，方向相反的径迹
相对论电子波动方程---狄拉克方程

中微子的发现

1914年查德威克发现α射线和γ射线的能谱是分立的
然而，β射线的能谱是连续的
1930年泡利假定在β衰变过程中，伴随每一个电子有一个轻的中性粒子（中微子）一起被发射出来，使中微子和电子的能量之和为常数
1934年费米提出弱相互作用的β衰变理论
- 费米认为，正像光子是在原子或原子核从一个激发态跃迁到另一个激发态时产生的那样，电子和中微子是在β衰变中产生的。
  - β-衰变的本质是核内一个中子变为一个质子
  - β+衰变的本质是核内一个质子变为一个中子
  - 质子和中子之间的转变，就相当于一个量子态跃迁到另一个量子态，在跃迁过程中同时放出电子和中微子
  - 导致产生电子和中微子的是弱相互作用
- G.C.Wick 预言了轨道电子的俘获
1938年 L.W.Alvarez观察到轨道电子的俘获
1941年王淦昌首先提出了一个间接探测中微子的方法
- 当一个β+放射性原子俘获一个Ｋ层电子时，反应后的原子的反冲能量和动量仅仅取决于所放出的中微子。因此，只要测量反应后原子的反冲能量和动量，就很容易求得放射出的中微子的质量和能量。而且由于没有连续的β射线被放射出来，这种反冲效应对所有的原子都是相同的
- 1952年 J.S.Allen 测出了原子的反冲能
1956年洛斯·阿拉莫斯实验室 C.Cowan 和 F.Reines 在核反应堆中检测到中微子
1962年 M.Schwartz 证实了两种不同的中微子的存在
中微子的质量
- 目前只能减小中微子质量的上限

介子理论的建立

1935年日本物理学家汤川秀树提出介子理论
- 核子之间是通过交换介子(meson) 发生相互作用
- 估算出介子的静止质量约为电子的二百多倍
1937年 S.H.Neddemeyer 在宇宙射线的研究中发现了质量约为电子的207倍的新粒子（μ介子）
1947年 C.F.Powell 发现了质量为电子的273倍的新粒子（π介子）（汤川预言的介子）

奇异粒子

1947年 G.D.Roechester 和 C.C.Butler 在曼彻斯特大学用云室观察到了奇异的“V”型事件
1954年美国布鲁克海汶实验室
- 比核子重的奇异粒子称为超子

奇异粒子的特性

协同产生、非协同衰变
快产生，慢衰变（强产生，弱衰变）
- 奇异粒子的产生过程是强相互作用过程，截面很大，碰撞的时间量级为10-24S，
- 奇异粒子的衰变过程是弱相互作用过程或电磁相互作用过程，所以奇异粒子的平均寿命都较长，是稳定粒子
- 1953年 M.Gell-Mann 和 NiShijima
  - 奇异数
  - 假定在强相互作用中奇异数守恒
  - 在弱相互作用中奇异数可以不守恒
  - 解释了奇异粒子的协同产生非协同衰变的实验事实
θ-τ疑难
- 质量、寿命、电荷都相同的两种粒子--θ介子和τ介子
  - 衰变时，θ衰变为两个π介子，它们的宇称为正
  - 衰变时，τ衰变为3个π介子，它们的宇称则为负
  - 也就是说θ粒子与τ粒子衰变时，表现出具有完全相反的宇称
- 1956年杨振宁李政道
  - “宇称守恒”在弱相互作用中并不成立
- 1956年吴健雄
  - 钴60的衰变实验

科学分类方法

按粒子参与相互作用的类型来分
轻子
- 主要参与弱作用，带电的轻子也参与电磁作用
- 自旋都是1/2（费米子）
- 轻子必定以粒子与反粒子对的形式生成湮灭
强子
- 直接参与强相互作用的粒子统称为强子
- 强子也参与弱作用
- 带电强子也参与电磁相互作用
- 强子又分为介子和重子两类
  - 自旋为整数或零的称为介子
  - 自旋为半整数的称为重子
规范玻色子
- 传递各种相互作用的中介
  - 传递电磁作用
    - 光子
  - 传递弱作用
    - W±、Z0
  - 传递强作用
    - 胶子

强子结构和夸克理论

坂田模型

1955年坂田昌一

夸克理论

夸克性质
- 夸克必须是费米子
- 夸克具有分数电荷
- 夸克带有色荷
标准模型
- 中子由2个下夸克和1个上夸克构成
- 质子则由2上夸克和1下夸克构成
- 强子内部，夸克通过胶子传递强相互作用
- 胶子带有色荷，彼此有相互作用
量子色动力学(QCD)

量子力学的局限性

量子力学在低速、微观的物理现象范围内起着普遍作用，只能处理粒子数不变的微观体系
相对论性经典物理则在高速、宏观物理现象范围内起普遍作用
两个理论都不能在高速、微观的物理现象中起普遍作用，特别是不能描述粒子的产生与湮灭

量子场论

每一种基本粒子用一个场来描写
在保持洛仑兹协变性条件下经过量子化后成为能描写粒子产生湮灭的算符
利用微扰论，在计算最低近似下的电磁相互作用和弱相互作用问题中取得了相当符合的结果，但在作高级近似时却遇到发散困难。
- R.P.Feynmann、J.Wchwinger 意识到电子的质量和电荷会因电磁场的作用而发生改变
  - 重整化处理
  - 规范场论

量子电动力学（QED）

经典的电磁场理论
狭义相对论
量子力学

量子规范场理论

扬振宁和R.Mills提出了“规范场”的概念
- 传递相互作用的粒子场
规范变换
- 局域规范变换
- 整体规范变换

量子味动力学（QFD）

一种研究引起微观粒子自发衰变的内在弱相互作用的量子理论

量子色动力学(QCD)

粒子和粒子的分类

粒子
- 规范粒子
  - 引力子
    - 传递引力作用
  - 光子
    - 传递电磁作用
  - 中间玻色子
    - 传递弱相互作用
  - 胶子
    - 传递强相互作用
- 轻子
  - 不参与强相互作用
- 强子
  - 参与强相互作用
    - 重子
      - 自旋为半整数
    - 介子
      - 自旋为零或者整数
按自旋分类
- 费米子 (电子质子中子各种重子) 服从泡利不相容原理费米—狄拉克统计分布
- 玻色子 ( 光子 \pi介子 K介子 ) 不服从泡利不相容原理服从玻色— 爱因斯坦统计分布
共振态粒子— 寿命极短（约10-23s）
正粒子、反粒子

守恒定律

	能量	动量	角动量	电荷	u轻子数	e轻子数	重子数	同位旋	同位旋分量	奇异数	宇称
强相互作用	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
弱相互作用	+	+	+	+	+	+	+	-	-	-	-
电磁相互作用	+	+	+	+	+	+	+	-	+	+	+