19.8 粒子和宇宙

（盖 夸尔 克曼 ）
一、“基本粒子”不基本
1995美国费米国家加速器实验室 证实了顶夸克(Top Quark)的存在
二、发现新的粒子
粒子的分类
1. 按自旋分类
分类 自旋 泡利不相 容原理 服从 统计规律 费米—狄拉克 统计分布 玻色— 爱因 斯坦统计分布
费米子 半整数 (电子 质子 中 1/2，3/2，… 子 各种重子) 玻色子 整数 ( 光子 介子 0或1等 K介子、介子 )
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。
四、宇宙的演化
宇宙——从何而来？
• 大爆炸理论 (The Big Bang Theory) • 宇宙从一个“奇点”爆炸产生 宙 大 各 爆 处 炸 同 是 时 在 产 无 生 限 的 宇
-1/2 0 0 -1
顶 粲 底 数 超荷 数 数
+1/3 +1/3 -2/3 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1/2
2/3 -1/3 1/2 1/3 0 0 1/2
s 奇夸克 0.15
c 粲夸克 b 底夸克
t 顶夸克
1.5
4.7 174
2/3
-1/3 2/3
0
0 0
+1/3
+1/3 +1/3
+1
2. 奇异粒子 （uus）
电荷 Q 2 e 2 e 1 e e
3 3 3 1 1 1 重子数 B 1 3 3 3
奇异数 S 1
自旋 J 1/ 2
夸克
d 下夸克 u 上夸克
质量
0.00 8 0.00 4
电 荷 e
-1/3
重 同 同位 奇 自 子 位 旋分 异 旋 数 旋 量 数
B．
C．
D．
s 奇夸克 0.15
c 粲夸克 b 底夸克
t 顶夸克 例如
1.5
4.7 174
2/3
-1/3 2/3
0
0 0
+1/3
+1/3 +1/3
+1
0 0
0
+1 0
0
0 +1
质子
奇异粒子
π+ 介子
夸克 d 下夸克 u 上夸克
质量
0.00 8 0.00 4
电 荷 e
-1/3
重 同 同位 奇 自 子 位 旋分 异 旋 数 旋 量 数
10-20 ~ 1016
~ 10-8
~10-39
长程
一切物质
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 交换粒子 引力子 光子 弱作用 强作用 胶子
玻色子 (W+ 、W– Z0 粒子)
• 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。
•大统一理论试图将强、电、弱三种相互 作用统一起来。
＋
• 引力子 自旋应为2、静止质量和电荷为零，以光速运动。
自旋为1，是玻色子
轻子（共12种）
分类
电子 μ子 正反 自旋 电荷量 重子数 轻子数 寿命 B 粒子 Le L L 10-6s e
轻 子
τ子 中 微 子
e e -1 +1 -1 +1 1/2 -1 +1 0 e e 0 0
1. 质子
(uud)
2 2 1 电荷 Q e e e e 3 3 3 1 1 1 重子数 B 1 3 3 3
奇异数 S 0 自旋 J 1 / 2
同位旋 I 1 / 2
夸克 d 下夸克 u 上夸克
质量
0.00 8 0.00 4
电 荷 e
-1/3
重 同 同位 奇 自 子 位 旋分 异 旋 数 旋 量 数
第十九章 原子核
第八节 粒子和宇宙
比比谁小
原子 构成，不同原子构成_______ 化合物 • 分子由______ 单质 分子。 分子，相同原子构成_______ 原子核 和核外高速旋 • 原子是由位于中心的_______ 电子 构成的。 转的______ 负 电，原子核带___ 正 电） • （电子带___ 质子 和_____ 中子 构成的。 • 原子核是由_____ 不带 电） 正 电，中子_______ • （质子带___ 夸克 组成的。 • 质子和中子都是由_____
•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 ～
强子结构的夸克模型
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
顶夸克 t
粲夸克 c 底夸克 b
三、夸克模型
夸克
d 下夸克 u 上夸克
质量
0.00 8 0.00 4
电 荷 e
-1/3
重 同 同位 奇 自 子 位 旋分 异 旋 数 旋 量 数
-1/2 0 0 -1 0 0
顶 粲 底 数 超荷 数 数
+1/3 +1/3 -2/3 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1/2
2/3 -1/3 1/2 1/3 1/2
0 0
0
+1 0
0
0 +1
d
3.π+ 介子
1/3
1/2
1/3
1/2
0
(u d )
2 1 Q e ee 3 3 1 1 重子数 B 0 3 3
电荷
奇异数 自旋
S 0
J 1/ 2 同位旋分量 I z 1
四种基本相互作用 1. 四种基本相互作用的性质
类别 强作用 电磁作 用 弱作用 引力作 用 相对强度 力程(m) 作用时间(s) 1 ~10-2 ~10-13 < 10-15 长程 < 10-17 10-23 参与离子 强子 强子 轻子 光 子 强子 轻子
不服从
2. 共振态粒子— 寿命极短（约10-23s）
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 ＋ ＋ ＋ ＋ 电磁力 弱相互作用 强相互作用
引力子 光子 轻子 强子 • 光子
＋ ＋ ＋
＋ ＋


稳定
2.2
0 -1 +1
<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。
强子分类
分类 介子 粒子名称 、 、 K介子等 自旋 整数 玻色子
重子
质子、中子及其反 核子 粒子
超子
1/2 ΩΣΛΞ超子及反粒 (Ω超子 3/2) 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 • 协同产生: 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。
-1/2 1/2 0
顶 粲 底 数 超荷 数 数
+1/3 0 0 0
2/3
-1/3 2/3 1/2 1/3 0
1/2
0
-1
+Biblioteka Baidu/3
-2/3 +1/3
0
0 +1
0
0 0
0
0 0
s 奇夸克 0.15 c 粲夸克 1.5
b 底夸克
t 顶夸克
4.7
174
-1/3
2/3
0
0
0
0
+1/3
+1/3
0
0
+1
0
0
+1
时 间 的 零 点

五、恒星的演化
粒 子 物 理 和 宇 宙 学 殊 途 同 归
练习：
中子内有一个电荷量为+2e/3 的上夸 克和两个电荷量为的 -1e/3 下夸克，一简 单模型是三个夸克都在半径为r 的同一圆 周上，如图1所示。图2给出的四幅图中， 能正确表示出各夸克所受静电作用力的 是:
A．
-1/2 1/2 0
顶 粲 底 数 超荷 数 数
+1/3 0 0 0
2/3
-1/3 2/3 1/2 1/3 0
1/2
0
-1
+1/3
-2/3 +1/3
0
0 +1
0
0 0
0
0 0
s 奇夸克 0.15 c 粲夸克 1.5
b 底夸克
t 顶夸克
4.7
174
-1/3
2/3
0
0
0
0
+1/3
+1/3
0
0
+1
0
0
+1