粒子物理-北京大学物理学院

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自然单位制：������ = ℏ = ������������ = ������0 = 1
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在这些规定下，微观物理量只剩下一种独立的量纲，它可 以由长度、时间、能量或其它任何一种有量纲的物理量中 选取。在粒子物理学中通常选能量为基本量纲，能量的单 位常用GeV 在自然单位制中各物理量的量纲如下所示：
量纲的冗余
电磁相互作用的精细结构常数： ������ 2 1 ������ = ≈ 4������������0 ℏ������ 137 ℏ = ������ = 1之后，电子的电荷与真空介电常数的量纲相关 联。由于粒子物理一般不会考虑电压、电流等行为，而 是讨论相互作用性质，������ 2 /������0 只会整体出现，它标志着相 互作用的强弱程度。取������0 = 1，电荷������就单独标志了相互 作用的强弱。此时 ������ 2 1 ������ = ≈ 4������ 137 类似的问题也会出现在弱荷之间的弱相互作用、色荷之 间的强相互作用。在这些相互作用，也做类似的选取 •
粒子物理的相对论性
•
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利用真空光速 ������ = 2.99792458 × 108 ������ ⋅ ������ −1 , 规定其 值为无量纲的 1 。这样时间和长度将具有相同的量纲 ，可以用同一单位来度量，这时原有的时间和长度的 换算关系为 1������ = 2.99792458 × 108 ������
������ 2 4������
≈
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采用了自然单位制后，理论表述时就不再出现普适常量 ������, ℏ, ������������ , ������0 ，这样处理时就可以大大简化。 比如：质子质量：mp ≈ 0.938GeV(������ −2 ) 电子的电荷：e = 4������������( ������0 ℏ������ )
意义：粒子速度������ = ������ ������，不显式写出������ 粒子物理的量子性
• 利用利用Planck 常数 ℏ = (1.054571596 ± 0.000000082) × 10−34 J ⋅ s = (6.58211889 ± 0.00000026) × 10−25 GeV ⋅ s 规定其值为无量纲的1，则时间和能量的倒数将具有相同 的量纲，可以用同一单位来度量，这时原有的时间和能 量单位的关系为 1GeV −1 = (6.58211889 ± 0.00000026) × 10−25 ������
������ 2 4������������0 ℏ������
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≈
1 137
• 1������ = 2.99792458 × 108 ������ • 1GeV −1 = (6.58211889 ± 0.00000026) × 10−25 ������ • 1eV = (11604.506 ± 0.020)K • ������ =
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1、自然单位制
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粒子物理研究中遇到的物理量都是有直接微观含 义的物理量，或者是通过统计性质和微观含义相 联系的物理量 这些量都可以通过几个基本物理常数表达出来， 基本物理常数及其单位的不同选取，就构成了不 同的单位制。好的单位制选取，会使表达和记忆 更加简便 比如：质子质量约1.672622 × 10−27 kg 电子的电荷约1.602177 × 10−19 C 微观物理中涉及的基本物理量有长度、时 间、质量、电荷、温度等五种
在处理截面常采用barn (mb, μb, nb, pb, fb)为单位： 1barn = 100fm2 ; 1mb = 10−3 barn = 0.1fm2
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• ������ = 2.99792458 × 108 ������ ⋅ ������ −1 • ℏ = (6.58211889 ± 0.00000026) × 10−25 GeV ⋅ s • k B =(8.617342 ± 0.000015) × 10−5 eV ⋅ K −1 • ������ =
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统计量与微观量的联系
• Boltzmann 常数： k B = (1.3806503 ± 0.0000024) × 10−23 J ⋅ K −1 = (8.617342 ± 0.000015) × 10−5 eV ⋅ K −1 的物理意义是联系了温度与单粒子的能量。规定其值为 无量纲的1，这样温度和能量将具有相同的量纲，可以用 同一单位来度量，这时原有的温度和能量的换算关系为 1eV = (11604.506 ± 0.020)K 它表示了大量能量为1eV的粒子的集合将会产生的温度 • 粒子物理研究的既是“高温”过程，又是“零温”过程
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上节回顾： 粒子物理学是： • 还原论方法研究世界的最前沿的科学 • 研究构成世界的微观粒子的性质的科学，性 质包括：运动规律、相互作用规律、及内部 结构等
粒子物理
第二讲：基本相互作用简介
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北京大学物理学院理论物理所
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PDG
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• • • • 量纲= ������ 0 : 速度，角动量，电荷，… 量纲=������ : 质量，能量，动量，温度，… 量纲= ������ −1 : 长度，时间，… 量纲= ������ −2 : 截面，
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在处理量纲= ������ −1 的量时，又常采用长度费米(fm) 作为单位，它与GeV 的关系为： 1fm ⋅ 1GeV = 5.06773124 ± 0.00000020 微观尺度：