粒子物理简介ppt课件
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第18章粒子物理简介PPT课件
李政道 杨振宁
在强相互作用和电磁相互作用下宇称守恒定律的 正确性是有充分实验根据的，但在弱相互作用下 宇称是否守恒当时并没有充分的实验证据。针对、 之迷提出弱相互作用过程中宇称不守恒。
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§18.3 粒子分类的八重法
1961年提出八重法，对强子分类排列。将具有相同自旋 s 、相同宇称 P 的强子结成一“族”，每族按电荷、奇异数 或超荷排列成八重态图、十重态图等 —— 粒子物理中 的周期表
• 协同产生: 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。 •奇异粒子协同产生的过程极快(约为10-23s), 表明是在强 相互作用下进行的；而衰变过程很慢(寿命约为10-8 ～ 10-10s)， 表明是在弱相互作用下进行的。
二. 四种基本相互作用
1. 四种基本相互作用的性质
5
2. 相互作用是通过交换一定粒子实现的
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谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
8个重子 (自旋1/2 宇称 “+”)
6个重子形成正6边形的6个 顶点，另2个在中心。
水平轴~奇异数 斜轴 ~电荷数
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9个介子 (自旋0 宇称 “-”) 6个形成正6边形，另3个处 于中心。
水平轴~奇异数 斜轴 ~电荷数
在粒子多重态图（自旋为3/2、宇称为“+”）中，有一空位， 对应于后来发现的Ω- 超子 。
9
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都
粒子物理学及其应用PPT课件
理论的统一，以解决当前物理学面临的基本问题。
发展更精确的实验技术和方法
升级和建设高能物理实验设施
为了探测更小的粒子和更弱的相互作用力，需要更高的实验能量和更精确的探测器技术。 未来的研究将致力于升级和建设更先进的高能物理实验设施，以提高实验的精度和灵敏度 。
发展新的实验方法和数据分析技术
随着技术的发展和数据的积累，需要发展新的实验方法和数据分析技术，以更有效地提取 实验数据中的有用信息，并提高实验结果的可靠性和精确度。
量子场论是描述微观粒子（如电子、光子、夸克等）行为的物理学理论框架。 它基于量子力学和狭义相对论，通过引入场的概念，描述了粒子之间的相互作 用。
相对论
相对论是爱因斯坦提出的经典理论，包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对 论解释了没有引力作用的时空观念，而广义相对论则描述了引力的本质是由物 质引起的时空弯曲。
利用粒子物理学原理，研究核聚变和 核裂变等新能源技术。
医学影像技术
利用粒子物理学原理，发展医学影像 技术和放射治疗技术。
粒子物理学与其他学科的交叉研究
宇宙学
研究宇宙起源、演化等问题的学 科，与粒子物理学在基本理论和
实验技术上有很多交叉。
生物学
研究生物大分子的结构和功能，与 粒子物理学在蛋白质结构和药物设 计等方面有交叉。
实验方法包括散射实验、衰变实验、对撞机实验等，这些实 验方法为粒子物理学的发展提供了重要的实验证据和理论支 持。
基本粒子及其性质
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物质粒子和传播子
物质粒子
物质粒子是组成物质的基本单位 ，包括电子、质子、中子等。它 们具有电荷和质量，是构成原子 和分子的基础。
传播子
传播子是传递力的粒子，如光子 、介子和胶子等。它们负责传递 电磁力、强核力和弱核力等基本 相互作用力。
粒子物理基础 ppt课件
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世界由什么组成？如何组成？最后答案
We have answered the questions, "What is the world made of?" and
"What holds it together?“
The world is made of 6 quarks and 6 leptons. Everything we see is a conglomeration of quarks and leptons. There are four fundamental forces and there are force carrier particles associated with each force
Electromagnetic
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相互作用的统一理论
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什么是对称性
经过某种变换之后，物理规律保持不变，这就是 物理规律的对称性。
如果一个操作使系统从一个状态变到另一个与之 等价的状态，或者说，状态在此操作下不变，我 们就说这系统对这个操作是对称的，而这个操作 叫作这系统的一个对称操作.
二十世纪的主要成就
➢ 相对论与时空观念 狭义相对论,高速运动粒子 广义相对论,引力理论，宇宙学
➢ 量子力学 波粒二象性,微观粒子
➢ 量子场论 描述物理世界的基本语言
➢ 标准模型 物质的基本组成和基本相互作用
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基本相互作用
➢引力相互作用 ➢电磁相互作用 ➢强相互作用
强大的核力维持原子核的稳定性 ➢弱相互作用
• 诗曰：君不见黄河之水天上来， 奔流到海不复回？
君不见高堂明镜悲白发， 朝如青丝暮成雪？
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二. 宇称守恒定律
镜
左手
右手
物 像
物和其镜面反演象不同，所以不具有镜面反演对称性 。
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都
可
以
实
镜面反演
现
任意物理过程 A
过程 B
A、B 过程 遵守的规律相同
宇称守恒定律
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粒子都有特定的宇称， 称为 “内禀宇称”，简称 宇称P P = 1（偶宇称） P = -1（奇宇称）
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中微子的自旋方向
（按右螺旋法则）与
运动方向相反；反中
微子的自旋方向与运
动方向一致。
v
v
v v
• 强子分类
分类
粒子名称
自旋
介子 核子
重子 超子
、 、 K介子等
质子、中子及其反粒子 ΩΣΛΞ超子及反粒子
整数
1/2 (Ω超子 3/2)
K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象
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• 轻子（共12种）
分类
电子 μ子
轻 τ子 子中
微 子
说明
正反 自旋
粒子
e e
1/2 e e
电荷量 e
-1 +1 -1 +1 -1 +1
0 0 0
重子数 轻子数
B
Le L L
0 -1 +1
寿命 10-6s 稳定
2.2 <2.3
稳定
中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。
2. 奇异粒子 （uus）
电荷 Q 2 e 2 e 1 e e 333
重子数
教科版高中物理选修3-5：《粒子物理学简介(选学)》课件-新版
根据以前所有的理论，这个峰是不应该存在的．这说明我们发现 了一种全新的夸克．这种新粒子有很特别的性质：第一，它们质 量比其他所有已知的粒子都重；第二，它的寿命比其他所有已知 粒子的寿命长1 000倍．这意味着什么呢？大家知道，如果所有人 在世界上活到100岁左右，但你突然发现一个村子里的人能活到10 000岁，这就表示这些人可能有特别的性质．当然，有了这第四种 夸克，你就可以问有没有第五种、第六种——至今为止，已发现了 六种．
丁肇中：寻找宇宙中的基本粒子 如何寻找宇宙中最基本的粒子呢？我用四个故事向大家介绍 一下，这些故事是我在过去的年里所亲自经历的．
第一个故事是测量电子的半径．现代电磁学的理论认为电子 的半径为零.1964年，美国的麻省理工学院和哈佛大学建造了一个 当时最大的加速器，这个加速器周长为1 000英尺(1英尺为0.304 8 m)．当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世界上很有名的专家，在 这个加速器里做一个很重要的实验，实验结果同时证明量子电动 力学是错误的，电子是有半径的．这是一个非常重要的实验.1966 年，我在德国用不同的方法重新做了这个实验，结果发现电子的 半径确实小到不可测量，电子是没有半径的．实验的结果和理论 的预期的比值等于1，即是说电子的半径等于零，也就是说以前许 多专家所做的实验结果是错误的．
B．质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸 夸克组成
C．质子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成，中子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 D．质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成 解析 题目中给出的信息是 u 夸克与 d 夸克的带电荷量，据质子11 H 带一个元电荷的电荷量及中子10n 不带电，分析可知 B 项正确． 答案 B
粒子物理简介PPT课件
由此估算出 m 102MeV 后来实验发现 m =139MeV
1018 10 17m
短程力
由此估算出 m 10 100GeV
实验给出中间玻色子 m 80 90GeV
引力
∞ 由此反推出
长程力 m引 = 0
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CHENLI
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强作用 定为 1
四种作用
电磁
强弱比较
弱
102 1013
如：n，pmp）
CHENLI
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3. 媒介子（传播子） 媒介子传播相互作用，是相互作用的媒介。
粒子种类 光子 中间 W 玻色 W 子 Z0 胶子
引力子
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J( ) m (GeV)
1
0
1
1
1 80.22
1 91.173
1
0
2
0
CHENLI
到交换的粒子。实际上是观察不到交换的粒子，
所以
t
应非常小， 且满足关系
t
mc
2
这说明交换的是“虚粒子” （交换，但看不到）
按作用速度为c来估计作用力程：Rct
可认为力程数量级为 R ~
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mc CHENLI
mc
mR
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相互作用
R（作用力程）
电磁 强
弱
∞
长程力
21015 m
短程力
两个能区被2 m0c2 所隔开。
- m0c2
正能态 负能态
（最小正能量）
0
（最大负能量）
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CHENLI
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Dirac的“空穴”理论：电子负能态都填满了， 构成了一个无所不在的背景，故感受不到。
“基本”粒子(高中物理教学课件)
二.粒子的分类
现在已经发现的粒子达400多种。它们大体可被分为强子、 轻子、规范玻色子和希格斯玻色子几种类别：
1.强子：强子是参与强相互作用的粒子。质子和中子都
是强子。
2.轻子：轻子不参与强相互作用。目前发现的轻子只有
6 种：电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子 中微子。现代实验还没有发现轻子的内部结构。
这颗星继续收缩、继续升温。当温度超过107K时，氢通过热核 反应成为氦，释放的核能主要以电磁波的形式向外辐射。辐射产 生的向外的压力与引力产生的收缩压力平衡，这时星体稳定下来。 恒星在这一阶段停留的时间最长。太阳目前正处于这一阶段的中 期，要再过50亿年才会转到另一个演化阶段。
当恒星核心部分的氢大部分聚变为氦以后，核反应变弱，辐射 压力下降，星核在引力作用下再次收缩。这时引力势能产生的热 将使温度升得更高，于是发生了氦核聚合成碳核的聚变反应。类 似的过程一波接一波地继续下去，出现了氧、硅，直到铁等更重
例2. 根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家 族”尽显风采的时期，那么在大爆炸之后最早产生的粒子 是( A ) A．夸克、轻子、胶子等粒子 B．质子和中子等强子 C．光子、中微子和电子等轻子 D．氦核、氚核、氦子等轻核
例3.宇宙诞生过程中，产生如下粒子：①光子、中微子、
电子等大量轻子；②氘核、氚核、氦3、氦核等轻核；③
三.宇宙的演化
物理学中有一个非常有趣的现象：研究微观世界的粒子物理、
量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。正如诺 贝尔物理学奖获得者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，是宇宙 结构的秘密。”
根据宇宙大爆炸的理论，在宇宙形成之初是“粒子家族”尽显 风采的时期。在大爆炸之后约10-44s，那时的温度为1032K，产生了 夸克、轻子、胶子等粒子。大爆炸后约10-6s，温度下降到1013K左 右，夸克构成了质子和中子等强子，成为强子时代。再晚一些时 候，温度下降到1011K时，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微 子和电子等轻子大量存在，此时代称为轻子时代。当温度下降到 109K时，中子和质子结合成氘核，并很快生成氦核，同时有氚核、 氦3等轻核及其他轻核生成，此时成为核合成的时代。目前宇宙中 存在的大部分氦是那时形成的。大爆炸1万年之后，温度降到了 104K，此时的宇宙由电子、质子和氦核的混合电离气体组成。当 温度降到3000K时，电子与质子复合成为中性的氢原子。继续冷 却，质子、电子、原子等与光子分离而逐步组成恒星和星系。
粒子物理学及其应用PPT优选课件
关于弱相互作用的研究：
1934年费米提出β衰变理论；1956年
李政道、杨振宁提出弱相互作用中宇称
不守恒理论；1958年费曼等人提出了弱
作用V-A理论；格拉肖-温伯格-萨拉姆提
出弱电统一理论，进一步揭示弱相互作
用的本质。
2020/10/18
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2、四种基本相互作用的比较
2020/10/18
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3、量子电动力学与规范理论 量子电动力学（QED）是关于带电粒子 通过电磁场发生电磁相互作用的理论学 说，是在经典电磁场理论、狭义相对论 和量子力学的基础上建立起来的。 自由粒子Dirac方程
π介子的质量约等于电子质量的275倍。 后来又发现了比核子还要重得多的介子， 连同核子称为重子。
介子和重子统称强子。
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Π介子理论认为： 核子之间存在一种核力场，强相互作用 是通过交换介子传递的。 汤川由相对论波动方程出发，给出了两 核子之间的相互作用势能公式：
Vrg2 em r
规范场理论已发展成为现代粒子物理基 础理论的具有普遍性的重要组成部分。
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4 、弱电统一理论
1967—1968年温伯格和萨拉姆在格拉 肖工作的基础上，提出弱电统一理论： 像电磁作用是通过规范场——电磁场 （光子）来传递一样，弱相互作用也是 由规范场来传递的。可以用SU（2） ×2U（1）群作为统一描述弱相互作用和 电磁作用的规范群。
8
1、电子的发现 ⑴ 电子是最早质比时 发现。
电子的静止质量为
m e9.109 1 5 0 3 3k 14g
电子带负电荷
e1.6024 1 7 917 1 0c 9 33
2020/10/18
粒子物理(简介)课件
{
历史上最早发现的共振态粒子是粒子（1952 年由费米等人用高能介子在质子上散射时得 到的。其静止质量约为1236MeV，共有四种 不同的带电状态， ++， +， 0， -。此后， 特别是进入60年代，这种共振态粒子大批涌 现，若把它们也算做“基本”粒子，那么， 粒子的总数就约有400多种。 介子共振态有：（770）、（7831）、 （958）、 （829）等。
第二代基本粒子（奇异粒子）
1947年到60年代初期，利用加速器和宇宙 射线发现了一批新粒子由于它们的特殊性 质，被称为奇异粒子。 最早发现的是0和0粒子，它们同时产生 于下列过程： -+p 0 + 0 这个过程在液氢气泡室中的径迹照片如下：
0 和 0的产生 与衰变:
1974年，丁肇中和利克特同时独立发现 的J/，T=10-20秒，M=3.11GeV。 1975年，又发现了´粒子也是介子共振 态， T=10-20秒， M=3.7GeV。而一般 的共振态粒子，T=10-23—10-24秒。 （享寿—一万岁的新人种）。 同获1976年诺贝尔物理奖。
第一代基本粒子（三）
直到1956年才在实验上真正找到。后来 又发现了伴随子和子存在的子型中微 子（ ）和子型中微子（）。 1935年，日本汤川秀树在研究核力机制 过程中，从理论上预言了介子的存在。 直到1947年C.F.Powell(包威耳)在宇宙 射线中发现了(±0)介子。 1937年在宇宙射线中发现了()轻子。 理论和实验证明，任何粒子都有反粒子。
第三代基本粒子(共振态粒子)
基本粒子相互碰撞，可以产生一种状态，即 由二、三个粒子短时结合在一起，形成一个 粒子，它很快又衰变成别的粒子。这种短时 结合成的粒子，具有一定的质量、电荷、自 旋及寿命等性质，称为共振态粒子。
粒子物理优质PPT资料
ms
三、胶子
其是强相互作用的媒介了
四、渐近自由理论
夸克间的距离越近，强作用力越弱。当夸克间彼此 非常接近时，强作用力是如此之弱，以至它们的行为完 全就像自由粒子。物理学家们将这种现象称为“渐近自 由”，反过来也是正确的，即当夸克间的距离越大时， 强作用力就越强。
当代物理学前沿的两大世界难题
看不见夸克
3、吴健雄等的实验
6C 0 o60Niee
向与钴核自旋相反方向飞出的电子比与钴核自 旋相同方向飞出的电子多40%
宇称在弱相互作用中不守恒
三．中间玻色子与弱电统一
§8.2 强子与强相互作用
二、夸克模型
重子都是由三种夸克组成,反重子 都是由三种反夸克组成 介子都是由一种夸克和一种反夸 克组成
夸克的特点—夸克是自旋为1/2 的费米子,重子数为1/3.每个夸克 都有相应的反夸克,电荷是e/3的 整数倍
二、宇称不守恒：
１.-之谜(两个重介子)
0
矛盾-上式如宇称守恒则和具有不同的宇称-不同粒子 而它们有相同的质量和寿命及各种其他性质
2.宇称不守恒—弱相互作用过程中宇称不守恒
1956年李政道和杨振宁提出并建议如下实验来进行验证
6C 0 o60Niee
衰变是宇称守恒,则沿自旋方向 相同和相反方向发射的 粒子数目 都是一样.
三．通中间常玻色称子与电弱电子统一为粒子，正电子为反粒子， 正电子是人类第一次在实验上发现的 “反粒子”，而正、反粒子的成对存 在是自然界的普通现象。从1955年起 陆续发现了反质子、反中子、反中微 子、反介子、反超子等。
Z AX Z A 1Y 1 0e~
中性粒子，其静止质量几乎为0
Pne
象。 正负电子对湮没-两个相反方向的 光子
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§18.4 强子结构的夸克模型
轻子是“基本粒子” 没有任何实验结果显示轻子有内部结构
强子结构夸克模型 (1964年 ) ： 介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组
成）
下夸克 d 上夸克 u 奇夸克 s 粲夸克 c 底夸克 b 顶夸 克t
夸克
质量
电 荷
e
自 旋
重 子 数
同 位 旋
同位 旋分 量
3. 正粒子、反粒子 正、反粒子物理量的绝对值都相同，但某些物理量 ( 如电荷、 磁矩等 ) 的符号相反。
4. 按相互作用分类
(＋ —— 参与)
万有引力
引力子 ＋
光子
＋
轻子
＋
强子
＋
电磁力
＋ ＋ ＋
弱相互作用 强相互作用
＋
＋
＋
• 引力子 自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。
• 光子
自旋为1，是玻色子
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 + + + + + + + - + + +
注： “-” 表示不守恒； “+”
表示守恒
二. 宇称守恒定律
镜
左手
右手
物 像
物和其镜面反演象不同，所以不具有镜面反演对称性 。
SUCCESS
THANK YOU
2019/5/18
都
可
以
镜面反演
实
任意物理过程
A
现
过程 B
A、B 过程 遵守的规律相同
宇称守恒定律
粒子都有特定的宇称， 称为 “内禀宇称”，简称 宇
称P
P = 1（偶宇称） P = -
实1（验奇表宇明称，）在光的发射、吸收过程中，以及在原子核反应
和衰变等过程中，系统整体的宇称奇偶性保持变
中微子的自旋方
向（按右螺旋法
则）与运动方向
相反；反中微子 v
的自旋方向与运 动方向一致。
v
v v
• 强子分类
分类
粒子名称
自旋
介子 核子
重子 超子
、 、 K介子等
质子、中子及其反粒子 ΩΣΛΞ超子及反粒子
整数
1/2 (Ω超子 3/2)
玻色子 费密子
K 介子和各种超子称为奇异粒子。试验中发现以下现象
欧洲核子中心高能质子同步加速器上的UAI 探测器
1983年，鲁比亚实验组在高能质子—反质子对撞试验中发现了W +、W 和 Z0 粒子。为60年代提出的弱电统一理论提供了实验上的支持。
§18.2 守恒定律
一. 基本相互作用和守恒定律
守恒量 相互作用
能 量
动 量
角 动 量
电 荷
轻 子 数
e 轻 子 数
§18.1 粒子和粒子的分类 四种相互作用
一. 粒子的分类
1. 按自旋分类
分类Байду номын сангаас
自旋
泡利不相 容原理
统计规律
费米子
(电子 质子 中子 各种重子)
半整数
1/2，3/2，…
服从
费米—狄拉克 统计分布
玻色子
( 光子 介子 K介子、介子 )
整数
0或1等
不服从
玻色— 爱因斯 坦统计分布
2. 共振态粒子— 寿命极短（约10-23s）
• 轻子（共12种）
分类
电子 μ子
轻 τ子 子中
微 子
正反 自旋
粒子
e e
1/2 e e
电荷量 e
-1 +1 -1 +1 -1 +1
0 0 0
重子数 B
0
轻子数 Le L L
-1 +1
寿命 10-6s 稳定
2.2 <2.3
稳定
说明
中微子系中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。
数或超荷排列成八重态图、十重态图等 —— 粒子物理 中的周期表 8个重子 (自旋1/2 宇称 “+”) 6个重子形成正6边形的6个 顶点，另2个在中心。
水平轴~奇异数 斜轴 ~电荷数
9个介子 (自旋0 宇称 “6个-”形)成正6边形，另3个处 于中心。
水平轴~奇异数 斜轴 ~电荷数
在粒子多重态图（自旋为3/2、宇称为“+”）中，有一空 位，对应于后来发现的Ω- 超子 。 说明 元素周期表表明原子是有内部结构的、原子是由更基本的 粒子组成的。强子成功的分成族，表明强子是有内部结构 的，强子是由更基本的粒子组成的。
李政道 杨振宁
—在—强相宇互称作守用恒和定电律磁相互作用下宇称守恒定律的 正确性是有充分实验根据的，但在弱相互作用下 宇称是否守恒当时并没有充分的实验证据。针对、 之迷提出弱相互作用过程中宇称不守恒。
§18.3 粒子分类的八重法
1961年提出八重法，对强子分类排列。将具有相同自旋
s 、相同宇称 P 的强子结成一“族”，每族按电荷、奇异
1/2 0 +1/3 0 0 0
强作用
1
< 10-15
10-23
强子
电磁作用 ~10-2
长程 10-20 ~ 10-16 强子 轻子 光子
弱作用 引力作用
~10-13 ~10-39
< 10-17 长程
~ 10-8
强子 轻子 一切物质
2. 相互作用是通过交换一定粒子实现的
作用类型 引力作用 电磁作用 弱作用 强作用
交换粒子 引力子
光子
胶子 (W+ 、W– Z0 粒子)
玻色子
• 引力子尚未被实验证实 • 弱电统一理论 电磁相互作用和弱相互作用被看作是一种相互作用。在 相互作用过程中，如果交换的是W + 、 W – 和 Z0 粒子，
就是弱相互作用过程；如果交换的是光子，就是电磁相
互作用过程。
•大统一理论 试图将强、电、弱三种相互作用统一起来。
奇 异 数
顶
超荷
粲 数
底 数
数
d 下夸克 0.008 -1/3 u 上夸克 0.004 2/3
-1/2 0 +1/3 0 0 0 1/2
1/2 0 +1/3 0 0 0
s 奇夸克 0.15 -1/3
-1 -2/3 0 0 0
1/2 1/3
c 粲夸克 1.5 2/3
0 +1/3 +1 0 0
00
b 底夸克 4.7 -1/3
• 协同产生: 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。
•奇异粒子协同产生的过程极快(约为10-23s), 表明是在强 相互作用下进行的；而衰变过程很慢(寿命约为10-8 ～ 10-10s)， 表明是在弱相互作用下进行的。
二. 四种基本相互作用
1. 四种基本相互作用的性质
类别 相对强度 力程(m) 作用时间(s) 参与离子
0 +1/3 0 +1 0
t 顶夸克 174 2/3
0 +1/3 0 0 +1
例如 质子 奇异粒子 π+ 介子
夸克
质量
电 荷
e
自 旋
重 子 数
同 位 旋
同位 旋分 量
奇 异 数
顶
超荷
粲 数
底 数
数
d 下夸克 0.008 -1/3 u 上夸克 0.004 2/3
-1/2 0 +1/3 0 0 0 1/2