粒子物理标准模型要点

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粒子物理标准模型
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组成物质的最小单元:夸克、胶子 最基本的相互作用:强作用、弱作用、电磁作用、引力作用
强作用 弱作用 电磁作用

粒子物理的标准模型
{
基本粒子:轻子(电子、缪子、中微子)、强子(介子、重子) 轻子与强子的区别:轻子之间不能,而强子之间能“直接”发生强作用。 强子由种类不多的夸克做成的,而且夸克不能作为“自由粒子出现”,用专 业术语来说,夸克是被“禁闭”的,所以夸克和轻子处在同一前沿,是构成物体 的、已知的最小单元。
标准模型
标准模型是涉及到当今世界技术能达到的最小尺度(10-16~10-17厘米) 的微观世界规律的理论
运动规律:“粒子”和“波动”二相性 作用量具有“最小单位”,即全都要量子化,最小单位为普朗克常数 (6.627×10-34J·S)的量。 这样小尺度下的量子化:电磁波需要粒子化,电子等粒子需要波动化

作用力"统一"上的尝试
引力与电磁力统一的尝试 标准模型在作用力上的统一 (只涉及强、弱、电磁作用)
失败
成功
在标准模型中这三种相互作用的形式都由具体的规范对称性规 定,因而成功的将它们相对统一起来。各种各样的力,除了引力, 都是由这些基本相互作用诱导出来的,其作用形式完全由上述基本 粒子间的“普适”的形式所决定。
量子场论:粒子物理的主要理论工具
a 相对运动的参考坐标系下
{
光速不变 所有物理规律都具有相对论性
b 运动接近光速时,运动贵了的相对论性非常明显 a、b为建立量子力学和狭义相对论两个理论体系的要点。 量子力学:在研究微观“小”世界中,量子力学规律是主导 狭义相对论:在研究高速运动、粒子产生和转化方面,相对论规律显著
奠定了标准模型在物质结构方面的坚实根基
四种相互作用
电磁作用、引力作用(长程,明显不为零的强度,易于察觉) 前 放射性地发现 后 强作用、弱作用(短程,原子核的大小尺度内,强度才明显不为零,难于察 觉) 强作用的强度比弱作用大许多,从而他们分别得“强、弱”之名。 四中相互作用之中强、电磁、弱三种在相对论变换下都具有“矢量(轴矢 量)”的性质,保证了它们可能成为与时空联系起来的规范相互作用。
}
标准模型中的电弱理论
由于希格斯机制产生质量的方法不会破坏理论的重整性,所以标准模型完整的 建立起来。
标准模wenku.baidu.com理论概括介绍
轻子和夸克
轻子:
{
中性 带电
(依味道划分)
{
电子(e) 缪子(μ) 韬子(τ)
中性轻子称为中微子,也有三种味道,对应的有电中微子(υ e)、缪中微子 (υ μ )、韬中微子(υ τ ),中性轻子的电荷比带电轻子的电荷整整“多”一个单 位,因此,标准模型中在“排列”轻子时,把中性轻子"排在"带点轻子的上面, 有所谓的SUL(2)对称性。 夸克
胶子、光子、弱玻色子
胶子: 由SU(3)颜色规范场所决定,胶子自己带有‘双颜色’(红兰,红绿,绿红, 兰绿,……,一共八种).‘双颜色’的胶子传递‘颜色’,仅对‘颜色’有作 用,即它在有颜色的粒子(夸克、胶子)间作用。不能区分味道、电荷。
光子: 只对带电的粒子有作用,电荷相同时,其作用完全相同,对不同的‘颜色’、 ‘味道’不能作出区分。
(依所带电荷 划分)
{
带质子电荷的三分之二,上(u)、粲(c)、顶(t) 带电子电荷的三分之一,底(d)、奇异(s)、美(b)
前三种夸克比后三种夸克的电荷整整“多”一个单位,所以与轻子一样, 前三种夸克排在后三种夸克的前面,同样具有SUL(2)对称性。
统计方面:服从费米--狄拉克统计
轻子与夸克的差异: 静质量不同 颜色SU(3)对称性上的不同,也是两者最大的不同。 夸克有(红、兰、绿)三种“颜色”量子数,而轻子全是无色的。颜色SU(3) 规范相互作用是标准 模型中的强作用,因此轻子无“直接强作用”。 标准模型中,传递物质间基本的强、电磁、弱三种相互作用都是通过“交换” 相应的规范粒子实现的。 自旋为单位整数,服从玻色--爱因 斯坦统计,成为玻色子。 强作用的规范场粒子叫做胶子; 电磁作用的规范场粒子叫做光子; 弱作用的规范场粒子叫做弱玻色子。
量子力学
相对论
}
量子场论:粒子物理的主要理论工具,也是粒子物理标准 模型的理论基础
重整化理论

重整化理论是量子场论的重要组成,它解决了量子理论的高阶效应的计算问 题,是理论计算的精度推进到极高的程度。 自由度无穷多 数学上的无穷大

重整化理论的做法是吧出现的无穷大归结到物理观测中去,无穷大不再出现, 从而得到确定的有限值,是理论计算变得有物理意义。 有时量子场论与相应的物理体系的理论结合,会出现随着计算阶数的增加,
标准模型只是应用了三中具体的规范场


标准模型建立前夕缺少一个重要的原理性元件:规范粒子的质量怎样产生? 希格斯机制:可以使规范场粒子得到静质量,解决了这一问题。2013年证明 了希格斯粒子的存在,也间接性的证明了希格斯机制的正确性。
用相应的希格斯场(标量粒子场)造成物 理真空的对称性破坏,实现规范粒子质量 的产生。 电弱理论
弱玻色子: 由与味道有关的SUL(2)规范场所决定,它能引起味道的改变。根据它对‘上、 下’‘味道’的作用的不同,弱玻色子有(W+,W-,Z)共三种。 对‘颜色’全然不能区分,仅能对‘上、下味道’间有作用,由于‘味道’与 ‘电荷’紧密联系,不能说弱玻色子对电荷无作用 胶子传递的作用通常强度最大,电磁和弱作用的耦合强度原本差不 多,但是弱作用是短程的,在当今技术条件的能量尺度下,表现的强度 要比电磁弱得多。
颜色禁闭 强作用可能是吸引的也可能是排斥的,但是,总会在吸引的作用下把有‘颜色’ 的客体(夸克、胶子等)拉到一起,把‘颜色’中和掉,即有‘颜色’的客体不 会长时间的单独‘生存’,都将恰当的‘紧密’复合成‘无色’的束缚态存在。 在通常情况下,难于看到有颜色的夸克和胶子单独存在,而他们总是被中和成 强子:重子、介子等。 夸克所能携带的颜色,共有三种,所以不是任何数目的夸克都能中合成无色 的客体。只有夸克和反夸克(或它们的整数倍)、三个夸克(或他们的整数 倍),夸克与胶子以及胶子~胶子适当的‘配对’等情况下可以‘中和’成 无色的客体(强子);第一种情形为介子,第二种情形为重子。
不断出现新类型的无穷大的情况,此时,我们不能把所出现的无穷大仅归结到 有限个观测量中去。所以重整化理论有很大的局限性,不能将所有出现的无穷 大归结到有限个测量中去的情况称之为,不可重整化理论。
重整化理论:预言能力强,理论可以达到理想的计算精度 不可重整化理论:没有重整化理论的那种能力,一般称之为“有效”理论 标准模型理论用规范场描述相互作用 数学上 非阿贝尔(强、弱 有量子间相互作用) 阿贝尔(电磁作用的 量子没有) 可重整化理论
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