说点粒子物理(四) (转载) fft

aif
我不是何足道 2003-07-04 字数 0

今次说点与对称性有关的几个东东.

先说一下粒子自旋(Spin). 当年Goudsmit和Uhlenbeck为了解释他们

在光谱分析中看到的光谱线的一些现象, 提出电子具有一种内禀的角

动量,同电子的任何空间运动的轨道角动量无关, 而且电子还具有与

这个角动量相联系的磁矩. 刚开始Goudsmit和Uhlenbeck认为电子自

旋是电子这个球绕其本身的轴旋转这样的一个经典的图象, 实际上自

旋是一个量子力学概念, 不能按他们的经典图象理解. 自选也是所有

基本粒子的内禀的, 其本身内在的一种量子特性. 按自旋把粒子分类

可以分为: 自旋是整数的粒子, 叫玻色子(Boson), 比如电子; 自旋

是半整数的叫费米子(Fermion)(半整数就是(2n+1)/2, n是整数),

比如光子.有时候为了直观和方便, 我们也用以上的图象来比划自旋.

可以用右手螺旋规则来形象表示电子的自旋方式.比如电子的自旋在

空间z轴上投影可以有两个值, +1/2或-1/2. +1/2情况将右手大拇指

方向指向z轴正向, 其余手指环握方向就表示电子的自旋方式; -1/2

情况则大拇指指向z轴方向即可. 总之, 这只是个形象的表示.

然后说手征性. 如果一个粒子运动的动量方向与其自旋在此放向上的

投影相同, 或者说粒子在此方向的自旋与其动量成右手螺旋关系, 则

说这个粒子是右手螺旋粒子(right-handed, RH), 即右手性; 若动量

方向与自旋在此方向的投影方向相反, 或者说粒子在此方向的自旋与

其动量成左手螺旋关系, 则说这个离子是左手螺旋粒子(left-handed,

LH).如图:

A 动量                A  动量

|                     |

自旋 A |                     |�

| |                     | |

------|-|---←----,     ------|-|----→---,

/      | |        /     /      | |        /

/       | |       /     /       | |       /

/_________________/     /_________________/

| |                     | |

| |                     | |

|                         |

V 自旋

Right-Handed             Left-Handed

现在说说宇称P.

在量子力学里一个体系的状态是用一个叫波函数的量来描述的, 它是

时间t, 空间坐标(x, y, z)的函数. 在t时刻于空间一点(x, y,z)发现

被波函数Ψ(t,x,y,z)描述的粒子的概率是于|Ψ(t,x,y,z)|**2成正比

的.

所谓宇称就是在我们做空间反演变换时波函数的行为. (空间反演就是

在空间坐标系里通过原点做对称变换, x变为-x, y变为-y, z变为-y.)

如果空间反演下波函数反号, 就说波函数有奇宇称; 不变号则称其有

偶宇称. 比如cosx就有偶宇称, sinx就有奇宇称. sin(-x)=-sinx,

cos(-x)=cosx. 注意, 当做反演变换的时候会把将左旋和右旋对换.

每个基本粒子都有一定的宇称.如果孤立体系的宇称不随体系中的所发

生的变化而变化, 就称之为宇称守恒. 宇称守恒其实就是空间反演对

称性的表现, 就是说是物理定律在左手坐标系还是右手坐标系里都一

样, 或者说一个反应可以进行, 那么在宇称变换后这个反应还可以进行.

说个事实, 就是人们只发现了左手螺旋的中微子, 右手螺旋的反中微子.

而有中微子和反中微子参与的反应都是弱相互作用过程, 那么比方对包

含左旋中微子的某个弱相互作用过程进行宇称变换, 应该得到包含右旋

中微子的对应的弱相互作用过程, 但是我们的世界上没有右旋中微子,

所以这个反应是不存在的. 这样就出现宇称不守恒啦. 事实上宇称守恒

只发生在强相互作用和电磁相互作用过程中, 对弱相互作用宇称不守恒.

关于这个大家可能都知道, 当年杨振宁, 李政道就是因为这个理论获得

Nobel Prize的, 吴健雄先生领导的小组从实验上漂亮的验证了这个理

论的正确性.

最后说电荷宇称C.

如同与宇称相对应的是宇称变换(空间反演变换), 与电荷宇称相对应的

是电荷共轭变换, 就是把体系中每个粒子都用其反粒子代替.

电荷共轭变换会把左旋中微子变成左旋反中微子, 前面说过, 自然界只

有右旋反中微子, 所以涉及中微子和反中微子的弱相互作用过程中对电

荷宇称不守恒.

弱相互作用很有个性, 居然C和P对称性都破坏, 那看看把这两个变换合

起来, 就是CP变换, 看看弱相互作用又如何? 现在CP联合变换做了这样

一件事: P变换先把左旋中微子变成右旋中微子, 然后C变换把得到的右

旋中微子变成右旋反中微子, 这是自然界有的! 所以看来CP对称性弱相

互作用中不破坏. 然而又有人让大家扫兴了, 1964年Cronin和Fitch与其

合作者们发现在一种叫K介子的衰变过程中有一点小小的CP破坏, 虽然很

小, 但这已经足够, 而且Cronin和Fitch还获得了Nobel Prize. 如果弱

相互作用过程中CP对称性守恒, 那么有一个衰变反应是不会发生的, 可

是他们发现约每1000普通的衰变反应中会有一个这样的本不该发生的反

应. 虽然当时他们的结果后来看来在统计上讲不是特别充分, 可是他们

还是得了奖. 于是人们又重复他们的实验, 有用K介子的, 也有用B介子

, 这不,SLAC(斯坦福直线加速器中心)的B工厂的Babar实验组现在在隔了

三十多年后给出了B介子衰变方面CP破坏的可靠证据.关于CP对称性破坏

(CP破坏)的原理我们并没有很好的理解, 但根据1967年苏联理论物理学

家萨哈罗夫(Sakharov)的看法, CP破坏可以解释为什么我们的世界里物

质那么多, 反物质那么少, 所以Babar实验的结果是很重大的.

悃翻了....stop here.

我把Babar组的论文上载到202.127.16.22的/incoming/Allsichkann下了,

大家如果不感兴趣论文本身, 也可以看看高能物理实验的文章的风格,

尤其是这种大组的发文风格, 6页纸, 写作者就有三页. zeze...

文件是ps格式, 用ghostview打开(windows)或gv(linux,unix)打开, 不要

管.gz, 已经解压了.

DEP.THU 清华工程物理系