Question

粒子物理导论（一）

Answer 1

这段时间开始仔细阅读现代物理基础丛书中第68本，由肖振军和吕才典编写的《粒子物理学导论》。在此写下读书笔记，本人不才，望各位赐教。

粒子物理学 (particle physics)的研究对象就是物质的基本结构和 基本相互作用 (fundamental interaction)。

1897年，J. J. Thomson测定了 电子 (electron)荷质比 ，1907~1913年，R. A. Millikan发现电子 电荷 (electric charge) 的不连续性。
1901年，Max Plank提出能量量子化假说，1905年，A. Einstain提出光量子化假说。
1911年，Ernest Rutherford提出原子的核式结构，1913年，N. Bohr建立氢原子模型。
1919年，Rutherford发现 质子 (proton)。
1932年，James Chadwick发现 中子 (neutron)。
1932年，C. Anderson发现 正电子 (positron)。
1936年，Anderson和S. H. Neddermeyer发现 轻子(muon)，之后发现 介子， 介子， 介子， 介子， 反质子 (antiproton)（1955年）， 反中子 (antineutron)（1956年）， 介子， 介子， 介子， 介子， 介子等。
1974年，Samuel C. C. Ting（丁肇中）和B. Richter发现 粒子。
1974~1977年，M.L.Perl发现 轻子。
1977年，Leon Lederman发现 粒子，证实了底夸克的存在。
1983年，CERN的强子对撞机试验发现 和 中间矢量玻色子。
2012年7月，LHC发现 希格斯玻色子 (Higgs boson)。
目前发现的基本粒子：
轻子 (lepton)： ， ， ， ， ， 。
夸克 (quark)： ， ， ;
矢量玻色子 (vector boson)： ， ， ， 。
基本标量粒子： 。

1941~1950年发展起来的描写电磁相互作用的 量子电动力学 （QED）；
1972~1974年发展起来的描写强相互作用的 量子色动力学 （QCD）；
1964~1971年发展起来的 电弱统一理论 (electroweak interaction);
以及现在正在发展的 大统一理论 （GUT）, 超对称理论 （SUSY）, 超弦理论 (superstring theory).

我们定义
便得到了普遍的自然单位制。
在 广义相对论 (general relativity)和粒子物理学中引入四维度规：
四维时空矢量和四维能量动量定义为：
四维矢量的乘积定义为：
四维动量能量和四维时空坐标的平方就分别是：

正负电子对撞机：LEP，BEPC，CESR，PEP-II，KEKB，DAφNE。
强子对撞机、轻子-强子对撞机：Tevatron , LHC，HERA。

B介子工厂：美国SLAC加速器中心的PEP-II和BaBar探测器，日本KEK的KEKB和Belle探测器
超高能pp对撞机LHC：ATLAS，CMS，ALICE和LHCb。主要目标为：寻找标准模型中非常重要的Higgs粒子；寻找超对称理论或者其他超出标准模型的新物质理论预言的新粒子。
日本的超级B介子工厂：日本的Belle-II和意大利的Super-B（已被终止）

高速运动的粒子的能量和动量为：
它们满足质壳条件：
在能量和动量组成的四维相空间里，这个等式给出了一个四维相空间中的一个三维曲面的方程，以“壳”来形象地表示这个曲面。
非相对论情况下，自由粒子波函数满足 薛定谔方程 (Schrodinger equation)，波函数满足归一化条件。
对于不稳定粒子，Schrodinger方程修改为：
本征波函数为：
归一化条件修正为：
即粒子数在衰变，满足衰变规律：
对于不稳定的粒子的质量有分布函数：

衰变方程：
解：
平均寿命：
有关系：
即：不稳定粒子的衰变宽度等于其衰变寿命的倒数。
对于多衰变道有：
衰变道概率（即分支比）：
轨迹长度满足：

假设存在磁单极子，则电荷量子化就是一个自然推论；量子电动力学理论中，电荷量子化和电荷守恒是一个U(1)定域规范对称性的自然推论。

自旋量子数s为半整数的粒子，满足Fermi-Dirac统计，称为 费米子 (Fermion)
自旋量子数s为整数的粒子，满足Bose-Einstain统计，称为 玻色子 (Boson)
对于矢量粒子来说可以定义极化矢量
满足归一化条件：
对于光子满足洛伦兹条件： ，在运动表象里有：

电子的自旋角动量s在电子运动方向上的投影称为螺旋度或叫手征性：

自旋角动量为s的带电粒子有磁矩：

量子场论 (quantum field theory)的基本粒子物理图像：
1 每种粒子对应一种场，场没有不可入性，对应各种不同粒子的场在空间中互相重叠地充满全空间。场的激发表现为粒子，场的不同激发状态表现为粒子的数目和运动状态不同。
2 场用复量描写，场的激发也用复量描写，互为复共轭的两种激发状态表现为粒子和反粒子互换的两种状态。如果场用实量描写，场的激发也用实量描写，这时复共轭就是它自身，粒子就是它自身的反粒子。
3 所有场都处于基态时为物理真空。

1 相互作用存在于场之间，无论是处于基态还是激发态的场都同样与其他场相互作用。
2 粒子是场处于激发状态的表现，因此粒子间的相互作用来自场之间的相互作用。场之间的相互作用是粒子转化的原因。

1 强子 ( hadron )：直接参与强相互作用的粒子。
介子 ( meson )：自旋为整数，重子数为0的强子，有 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ……；
重子 ( baryon )：自旋为半整数，重子数为1的强子，有 ， ， ， ， ， ， 。

2轻子：不直接参与强相互作用的粒子
3 规范玻色子：传递相互作用的媒介子
4 Higgs玻色子：自旋为0的标量粒子

不能通过强相互作用衰变的粒子称为稳定粒子，可以通过强相互作用衰变的粒子称为共振态

1 规范玻色子

2 费米子：轻子和夸克

轻子分正反粒子，夸克分正反粒子12种 味道 (flavor)有不同的三种 颜色 (color)
3 Higgs粒子：在实现电弱对称性的自发破缺，是规范玻色子和费米子获得质量方面起着非常重要的作用。根据最小超对称原理，至少有5个Higgs粒子：
从轻子—夸克层次粒子的分类来看，自然界已知存在的基本粒子数目为:

补充：不久前，四位物理学家Guillermo Ballesteros、Javier Redondo、Andreas Ringwald和Carlo Tamarit提出一个新理论，论文已经通过同行审议，于2月15日发表在 《物理评论快报》 （ PRL ）。这个新理论被称作 SMASH （全称为“Standard Model Axion See-saw Higgs portal inflation”）。
SM为 标准模型 (standard model)，包含本文提到的所有基本粒子；A为 轴子 (axion)，用于解释 暗物质 (dark matter)和强核力的不寻常对称性；S为跷跷板机制(see-saw mechanism)，用于解释宇宙中物质—反物质不对称性；H为预言ρ粒子的存在，用于解释中微子质量，并且和Higgs粒子协作驱使宇宙暴胀。