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3 章(第1页)

物理学最早遇到的重要的内部对称性,对于后面夸克模型的建立有着重要的意义。

同样地,π介子也有同位旋对称性,也可以把π介子的三种状态写成一个向量的形式:

pi=begin{equation}left(begin{array}{c}pi^{+}pi^{0}pi^{-}end{array}right)end{equation}

这三种状态的混合比例也不影响π介子整体在强相互作用的性质。

另外,人们还发现,同位旋在强相互作用中守恒,即一个强相互作用前粒子的总同位旋与作用后粒子的总同位旋相同。

4、奇异粒子

为了研究带电粒子的性质,人们发明了云室。云室中充满了过饱和气体,并放在磁场中。带电粒子进入云室后,在磁场的作用下做圆周运动(或者弧形),并在云室中留下轨迹,通过对轨迹等信息分析,就能确定粒子的某些性质,比如电荷质量的比值等。但是中性粒子不能在云室中留下轨迹。

1947年,罗切斯特和巴特勒用云室研究宇宙线时发现了一些「V」型事件,即云室中在某一个点延伸出两个轨迹,这说明有一个中性粒子在这一点发生衰变,生成两个带电的粒子。下图是第一次观测到的「V」型事件云室照片:

图6:图中右下部分有一个明显的「V」型轨迹

通过分析,人们发现这两个末态粒子一个是质子,另一个是π-,根据能量守恒,衰变的粒子质量显然比质子的质量大。但当时所知的粒子只有质子、中子、电子、光子以及π介子,质量分别为938MeV、939MeV、0。5MeV、0、140MeV,因此这在当时是一个全新的未知粒子,后来称为Lambda^0粒子,观测到的「V」型事件是一个衰变过程:

Lambda^0→p+π^-

后来人们又发现了一类「V」型事件,其末态粒子为π^+、π^-,这个粒子质量大约为电子的1000倍,后来称之为K^0粒子。

Lambda^0粒子和K^0粒子都属于奇异粒子,但直到1954年,在美国布鲁克海文国家试验3GeV质子同步加速器实验中产生了大量奇异粒子后,它们的「奇异」性才展现出来并得到系统性研究,而奇异粒子就是当时发现的一批粒子的总称[5],类似于电荷数,每个奇异粒子还具有「奇异数」,用S表示,而且有正有负,有的奇异粒子奇异数为正,有的则为负。电荷数在任何过程中都是守恒的,但是与此不同,奇异数只在强相互作用和电磁相互作用中守恒,在弱相互作用中并不守恒。

5、强子和夸克模型

随着粒子物理实验的进展,人们发现了越来越多的强子。人们把参与强相互作用的粒子统称为强子。根据强子的衰变性质,人们提出了重子数(类似于电荷数和奇异数),用B来表示,根据重子数的性质人们又把强子分成两类:重子和介子。重子具有非零的重子数,质子、中子以Lambda^0都属于重子,其重子数为1,而反重子的重子数则为-1。介子的重子数为0,π介子以及K^0粒子属于介子。

迄今为止,实验上已经发现了一百多种强子,这些强子的质量、寿命差别极大。大量强子的发现自然地让人们联想到了化学中的门捷列夫周期表,这么多的强子很难说都是基本粒子,它们更可能是由少数几种更基本的粒子构成的。

图7:化学元素周期表

对此,人们做了很多尝试[8]:

1949年,费米和杨振宁提出了费米-杨模型,认为质子和中子是基本粒子,π介子是由质子、中子以及它们的反粒子构成的,比如:

π^+=pbar{n}(注:符号上面加个横线表示其反粒子)

1956年,阪田昌一提出了坂田模型,认为质子、中子以及Lambda才是基本粒子。

费米-杨模型无法解释奇异粒子,而坂田模型则在解释重子时遇到困难。后来还有其它的一些不成功的尝试,但是这些尝试为后来的夸克模型奠定了基础。

1964年,M。Gell-Mann和G。Zweig分别独立地提出了夸克模型(QuarkModel)。他们认为,强子是由三种更基本的费米子,即夸克构成的。

图8:M。Gell-Mann发表的夸克模型的论文

夸克模型假设了三个夸克:

上夸克(u),电荷2/3e,重子数1/3,奇异数0

下夸克(d),电荷-1/3e,重子数1&#

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