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第八章 粒子及其相互作用

第八章 粒子及其相互作用. 在夸克和轻子层次上 , 粒子分类 :. 三代夸克：. 规范矢量玻色子. 三代轻子：. 和 Higgs 标量玻色子 MH 下限 ~. 在夸克轻子的层次上讨论粒子的相互作用. 夸克带有电荷、弱荷和色荷。参加电弱和强作用. 带电轻子只带电弱荷，参与电弱作用. 中微子只带弱荷只参与弱作用. §8.1 带有电磁作用荷的粒子的相互作用 ― 量子电动力学 (QED). 电磁相互作用 满足规范变换 U(1) 不变性 , 电荷守恒 ; 存在着一种与带电粒子相耦合的长作用力程的规范场 ― 电磁场 , 场量子为光子 ;

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第八章 粒子及其相互作用

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Presentation Transcript

  1. 第八章 粒子及其相互作用 Chap.8 粒子及其相互作用

  2. 在夸克和轻子层次上, 粒子分类: 三代夸克： 规范矢量玻色子 三代轻子： 和Higgs标量玻色子 MH下限 ~ Chap.8 粒子及其相互作用

  3. 在夸克轻子的层次上讨论粒子的相互作用 夸克带有电荷、弱荷和色荷。参加电弱和强作用 带电轻子只带电弱荷，参与电弱作用 中微子只带弱荷只参与弱作用 Chap.8 粒子及其相互作用

  4. §8.1 带有电磁作用荷的粒子的相互作用―量子电动力学(QED) 电磁相互作用 • 满足规范变换U(1)不变性 , 电荷守恒; • 存在着一种与带电粒子相耦合的长作用力程的规范场―电磁场,场量子为光子; • 光子 , , 螺旋度 • 电磁相互作用产生的光子是左右螺旋度出现几率相等的光子 Chap.8 粒子及其相互作用

  5. 8.1.1 电磁作用的费曼图 电磁作用是带电粒子之间通过交换光子来实现的。作用顶点: t Chap.8 粒子及其相互作用

  6. 时间轴选自下向上。带箭头的实线表示带电粒子，箭号与时间轴同向的为粒子，反向的为反粒子。在作用顶点发射或者吸收光子，光子用波纹线表示。每个顶点必须满足电荷、重子数、轻子数等相加性量子数守恒。荷电粒子可以是带电的轻子，也可以是夸克。 t Chap.8 粒子及其相互作用

  7. 有轻子参加的违背轻子量子数守恒的过程 t Chap.8 粒子及其相互作用

  8. 夸克参加的违背‘味’和相加性量子数守恒的过程夸克参加的违背‘味’和相加性量子数守恒的过程 t Chap.8 粒子及其相互作用

  9. 实际过程是由上述的基本过程（不满足能动量守恒）组合的过程实际过程是由上述的基本过程（不满足能动量守恒）组合的过程 末态的光子（或电子）一定是虚粒子，它必需在 时间间隔内被另一电荷源 吸收。因此人们观测的过程不违背能动量守恒。 Chap.8 粒子及其相互作用

  10. 8.1.2 电磁作用过程 • Møller散射过程(a,b连接) t Chap.8 粒子及其相互作用

  11. BhaBha散射（a,b）或（e,f）连接 q2<0 q2=S>0 t Chap.8 粒子及其相互作用

  12. 正负电子湮灭生成μ子对的过程 q2=S t Chap.8 粒子及其相互作用

  13. 上面列举的过程都包含了两个顶点的树图。而两个顶点之间用规范玻色子―光子连接起来。上面列举的过程都包含了两个顶点的树图。而两个顶点之间用规范玻色子―光子连接起来。 作用截面包含了两个重要的项 • 两顶点贡献发射、吸收γ光子(交换虚光子)的几率 • 与传递动量相关的传播子因子 ， 是四动量传递的平方： Chap.8 粒子及其相互作用

  14. Møller散射的两光子交换的箱图有四个作用顶点，交换两光子的几率Møller散射的两光子交换的箱图有四个作用顶点，交换两光子的几率 t Chap.8 粒子及其相互作用

  15. 圈图 :交换虚光子在真空中激发一对虚的正负电子对，虚正负电子对又立即湮灭为虚光子 t Chap.8 粒子及其相互作用

  16. 8.1.3 一些重要电磁作用过程的讨论 1. 正负电子湮灭成多光子末态： t Chap.8 粒子及其相互作用

  17. 低能正电子和介质中电子湮灭 • Cs和Ct分别表示单态和三重态的基本相互作用率 • 忽略所有的库仑效应的情况下(ne:介质中的电子密度 ) Cs,Ct 分别为单态和3重态的衰变率 与介质电子构成自旋单态和三重态的几率 Chap.8 粒子及其相互作用

  18. 慢正电子湮灭的寿命与材料中的电子密度成反比，正电子湮灭的寿命是凝聚态科学慢正电子湮灭的寿命与材料中的电子密度成反比，正电子湮灭的寿命是凝聚态科学 的一种重要探针 Chap.8 粒子及其相互作用

  19. 2. 高能正负电子对撞物理 • 过程 微分截面: 总截面: t 微分截面在第五章推导过 Chap.8 粒子及其相互作用

  20. 过程 : 本质上是 总截面: 各种味夸克对产生截面之和: t Chap.8 粒子及其相互作用

  21. R值的测量 • 定义: • 由于每种“味道”的夸克有三种颜色， 中应引入色因子Nc=3, 即: Chap.8 粒子及其相互作用

  22. 正负电子对撞实验的R值图在远离矢量介子的共振峰区间(夸克对形成的阈),出现R值的阶梯式的平台 Chap.8 粒子及其相互作用

  23. R值测量的分区情况 • 区间, u,d,s夸克对产生阈以上，c夸克对的产生阈以下, , 无色 引入色因子后 R=2/3*3=2 • , 开阈, 无贡献, , 无色R~ ,引入色因子后R~ • 有贡献 ,无色R：　考虑色后， R~ 　　　　　总之，实验肯定了色的存在，　并且：　 Chap.8 粒子及其相互作用

  24. Qie e 部分子对碎裂的强子化过程 原初的夸克、反夸克辐射的胶子从真空中激发出夸克反夸克对，这一串的夸克反夸克重组为色中性的强子―介子 。这种强子化过程将给电磁顶点　　引入附加的因子，使得： Fragmentation or Hadronization Chap.8 粒子及其相互作用

  25. ４. 矢量介子的轻子衰变 ( ) 顶点： 　　　　　　贡献几率振幅： 　　　　　　贡献几率振幅： 　　　　　　传播子：　 e+e- e q2=MV2 Qie Chap.8 粒子及其相互作用 矢量介子

  26. 　过程的衰变几率： 　另外：　　∝衰变末态的相空间的大小∝ 　　及：　湮灭发生的几率与　　组成“相遇”的几率成正比，即和构成矢量介子的夸克组成的零点波函数的平方成正比 　总之： QED计算得：　　 Qi为构成矢量介子的夸克电荷贡献的虚光子的振幅相加 Chap.8 粒子及其相互作用

  27. 近似相同, 理论: 实验值 Chap.8 粒子及其相互作用

  28. ４. 与同位旋标量靶 的μ－子对产生(Drell-Yan机制) 简单的核素的夸克模型:把核素看成是自由夸克的“口袋”, 如: 是由18粒独立的u和18粒独立的d夸克组成。 是 的 “口袋”； 是 的“口袋” 。 t t Chap.8 粒子及其相互作用

  29. t t 实验表明, π-束产生μ子对的截面要大得多 Chap.8 粒子及其相互作用

  30. + - 5. 跑动的电磁耦合常数 • 经典物理中极化介质的屏蔽效应 : 极化介质(介电常数ε)中的q ,检验电荷检测到的是一个具有有效电荷qeff=q/ ε的点电荷,屏蔽效应 特征量： 德拜半径 • QED理论中，真空是被正反粒子占满的‘极化’介质，光子传播子可以在真空中激发出虚正负电子对 ，电偶极子有屏蔽效应。 q + - q Chap.8 粒子及其相互作用

  31. QED中的“真空极化” t 真空极化引起作用荷之间的屏蔽效应表现为α随作用距离（动量传递）跑动 Chap.8 粒子及其相互作用

  32. “跑动”在量子场论中的重整化方程的描述 QED中，nf=3, nb=0, nb-Boson loops Chap.8 粒子及其相互作用

  33. §8.2 强作用动力学理论—量子色动力学 8.2.1量子色动力学—QCD(QuantumChromoDynamics) 1. 带色荷的夸克和带色的胶子 • 强相互作用的顶点 : • “味”量子数必须守恒 • “色荷”必须守恒 • 传播三种色荷之间的相互作用的胶子一定要带有“色”，而且是“复合色” • 胶子的色的SU(3)8重态: Chap.8 粒子及其相互作用

  34. QCD的一些基本作用顶点 Chap.8 粒子及其相互作用

  35. Chap.8 粒子及其相互作用

  36. 2.相互作用过程和相应的色因子 • 实际过程是由所列顶点组合而成: Chap.8 粒子及其相互作用

  37. Chap.8 粒子及其相互作用

  38. Chap.8 粒子及其相互作用

  39. Chap.8 粒子及其相互作用

  40. 各个顶点带色荷的夸克发射，吸收胶子的几率振幅: • 电磁作用: 顶点贡献的几率振幅: • 强作用: 顶点相应的交换胶子的几率振幅定义: 色因子: Chap.8 粒子及其相互作用

  41. qq之间的相互作用: • 同一色荷之间的相互作用色因子: Chap.8 粒子及其相互作用

  42. 同样色荷的两夸克之间的相互作用其色因子: Chap.8 粒子及其相互作用

  43. 色荷不同两夸克之间相互作用的色因子: Chap.8 粒子及其相互作用

  44. 不同色荷的两粒夸克交换胶子过程的色荷之积 总的两过程的色荷因子振幅: 若两夸克色部分的波函数交换反对称, P=-1,交换对称: P=+1 Chap.8 粒子及其相互作用

  45. 重子态中色因子的选取 构成重子的三粒夸克，由于总的色波函数是交换反对称的(色单态)。任意两夸克的色波函数只能是构成色交换反对称的，才能和第三个夸克(是色的三重态)构成总色波函数单态。这就是说重子中两夸克之间的相互作用的色荷因子中，取 ，即色因子为： 精细相互作用项： 色因子X自旋因子 Chap.8 粒子及其相互作用

  46. 夸克反夸克之间的相互作用 介子是由夸克和反夸克构成的体系，其色部分的波函数为色单态: 具有B色的 在介子中的QCD最低阶图 Chap.8 粒子及其相互作用

  47. Chap.8 粒子及其相互作用

  48. 绿色的情况: Chap.8 粒子及其相互作用

  49. 因为介子的色单态波函数是由 3种振幅为 的 组成 ,色荷振幅： 介子精细作用项： 色因子X自旋因子 Chap.8 粒子及其相互作用

  50. 8.2.2渐近自由和色禁闭 • 色反屏蔽和渐近自由 真空极化造成色荷之间的屏蔽(a)和反屏蔽(b)效应 (b) Is coming from color gluon Chap.8 粒子及其相互作用

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