这是 地面上只有在核爆炸时才能达到的极高温,它还只有1.723keV,从粒子物理 世界的尺度标准来看仍然是相当低的温度.在能量很高的粒子的碰撞中可以达 12 粗纤维测定仪到在直径为1fm的小体积范围内温度约为140MeV,这相当于1.625×10K, 比太阳中心的温度约高8100 00多倍. 速度是无量纲物理量,自由粒子的速度沿任意方向的投影都只能取从-1 到+1之间的值,以反映速度的大小不能超过真空光速. 角动量也是无量纲量,任何粒子运动时的轨道角动量沿任意方向的投影都 只能取整数值,而任何粒子自旋角动量沿任意方向的投影都只能取整数或半整 数的值.精细结构常数 α是无量纲量,α=1/137.03599976.
§6.6 微观粒子的主要普遍内禀属性 粒子的全同性 粒子的一个普遍的基本特性是全同性. 各种粒子分别有各自的内禀属性,这些属性不随粒子产生的来源和粒子的 1 1第六章 粒子世界 0 运动状态而变化.一切内禀属性的总和是判别和区分粒子种类的依据,属于同 一种粒子的内禀属性完全相同,它们之间互相不可分辨,这就是粒子全同性. 例如电子有确定的质量me,带有的电荷-e,自旋量子数为1/2,带有轻 子数为1,带有确定的自旋磁矩 μ,自由状态下可以稳定地长期存在、不衰 e 变.如果有两个电子,则它们都有这些内禀属性,它们之间完全不可分辨.如 果我们往一个空盒子里放进去一个电子,然后再放进去第二个电子.过一段时 间后从这个盒子中取出一个电子,就不能判别取出的是原来的第一个电子还是 第二个电子.这个不可分辨并不是由于对电子的内禀属性观察了解得不够充 分,而是由于微观粒子的全同性. 宏观物体没有全同性,但是微观粒子具有严格的全同性,这是微观粒子的 一个普遍的基本特性,是微观粒子和宏观物体根本的不同点. 各种粒子的千差万别反映在粒子的运动和相互作用性质的不同,通过反映 粒子特征的许多种物理量表现出来,其中重要的有以下几种. 质量 所有的粒子都有确定的质量.粒子运动的速度可以很快,按狭义相对论给 出,粒子的质量是速度的函数,随速度v的增加而增加. m(v)= m0;用自然单位制表示为m(v)= m0. 2 1- v1-v 22 c 如果粒子的静止质量m不为零,当速度增加到真空光速时,粒子的质量将趋 0 于无穷大. 如果某种自由粒子以真空光速运动,质量为有限值,则这种粒子静止质量 为零,并且粒子只能以真空光速运动,速度不能减下来,光子就属于这类粒 子. 粒子物理中所说的粒子质量都是指粒子的静止质量.自由运动的粒子的静 止质量m和运动速度v都可以用它的能量E和动量p来确定: m=E2-p2, v= Ep. 如果粒子的静止质量为零,则粒子的能量和动量的大小相等,这个粒子一定以 真空光速运动. 现在已经发现的粒子质量分布在一个很大的范围内,已发现的具有静止质 量的粒子中最轻的是电子,其质量为m=0.5109 998902MeV.质子的质量为 m=938.271998MeV,已发现的粒子中绝大多数的质量在电子质量的200倍 到2160 00倍的范围内.最重的粒子是Z粒子,质量为m=91.1882GeV,约为 §6. 1 6 微观粒子的主要普遍内禀属性 1 11 电子的178451倍. 光子是永远以真空光速运动的粒子,它的质量为零. 中微子和反中微子可能有微小的静止质量,它们通常是以接近真空光速的 速度运动. 许多粒子是不稳定粒子,粒子的微观本性决定了:通过实验测量不稳定粒 子的质量,实
际得到的不是确定的一个值,而是在某一值附近有一定分布.这 个分布可以用两个参数来描写,一个参数是实验里测量粒子质量值的平均值, 通常仍称为粒子的 “质量”m;另一个参数是实验测量粒子质量值在平均值附 近的分布宽度,称为粒子的宽度Γ.不稳定粒子的静止质量m的概率分布函 0 数为: Γ 2 ρ(m0)= 2π(m0-m)+ Γ42. 不稳定粒子的静止质量m的值取m的概率最大,而静止质量m的取值从 00 m- Γ2 到m+ Γ2 的概率为50%.不稳定粒子的静止质量m的取值小于m- Γ2 0 的概率为25%.粒子的平均寿命越短,越不稳定,粒子的宽度也就越大.已 发现的粒子中绝大多数的宽度小于40 00MeV.最宽的粒子是Z粒子,其宽度为 2.4952GeV. 现在实验还没有测到光子的质量,因此认为它是静止质量为零的粒子.直 接的实验测量确实没有测量到光子的静止质量,现有的理论也认为光子的质量 为零.然而,光子是不是可能有很轻的质量,只是由于太轻,在一般情况下完 全可以忽略,这个问题需要从实验上来解决.现在实验上得到光子的质量小于 -16 2×10eV,也就是说光子有可能没有静止质量,如果有的话,其值也要小 于这个值.这个质量值太小了,它所对应的能量值不仅远小于粒子世界的能量 变化数量级,远小于原子世界的能量变化数量级,也远小于宏观世界中温度接 近绝对零度时分子平均能量变化的数量级. 寿命和宽度 现在已经发现的粒子共有479种,在这些粒子中,除了光子、电子、正电 子、质子、反质子、3种中微子和3种反中微子等11种是稳定的外,其余都 是不稳定的,它们产生后经过一段时间就会自动 “衰变”成两个或更多个其 它类型的、较轻的粒子. 粒子从产生到衰变,存在的时间就是这个粒子的寿命.然而当粒子作高速 运动时,由于相对论的时间延缓效应,观测到的粒子的寿命比它静止时要长. 1
1第六章 粒子世界 2 τ(v)= τ. 2 1-v 反映粒子不稳定性的物理量是粒子静止时的寿命,所以实验上测定了一个运动 粒子在衰变前存在的时间,首先要根据相对论换算成粒子静止时存在的时间. 即使是这样,测量许多个同一种粒子在静止时的存在时间也是各不相同的.一 般来说,存在时间短的粒子比较多,存在时间长的粒子比较少.这并不说明它 们是不同类型的粒子,粒子的不稳定性表现为在它存在的任意时间间隔里都会 以一定的概率衰变掉.在t=0时产生的不稳定粒子,在以后的t时刻存在的概 率是 - τt P(t)=e, t≥0. 静止的不稳定粒子在单位时间内衰变掉的概率称为粒子的宽度,这也就是测定 不稳定粒子质量分布时得到的宽度,它的倒数是不稳定粒子静止时的平均存在 时间.测量某种粒子的寿命时,必须测量许多个同一种粒子在静止时的存在时 间,再求出它们的平均值.不稳定粒子在静止时的平均存在时间称为平均寿 命,简称寿命 τ. ∞ 0 〈t〉= ∫tP(t)dt=τ. ∞ ∫P(t)dt 0 由于不稳定粒子的宽度和寿命有密切的联系,即 τΓ=1.这个重要的性质决定 了不稳定粒子的寿命既可以直接测定,也可以通过测量质量分布宽度而间接 确定. 稳定粒子的寿命是无穷大,中子是已知的不稳定粒子中寿命最长的粒子, 它的寿命是885.7s.不稳定粒子的寿命也分布在一个很大的范
围内,Z粒子 -25 是宽度最大的粒子,它的寿命也最短,其值为 τ=2.643×10s. 粒子的质量和寿命是粒子的最重要的基本属性,粒子的寿命又等于粒子质 量分布宽度的倒数.粒子的质量和寿命有紧密的联系,它们常常是判断和辨认 粒子的依据. 如果粒子的寿命很长,在它产生后可以存在一段时间,在空间中走一段距 离.可以在这段时间里观测它的许多性质,例如粒子的电荷、能量、动量、存 在时间等,就可以推算出粒子的质量,并估计出粒子的寿命.这样再和已知的 各种粒子的性质比较,就可以判断这个粒子是哪种粒子.如果实验中观察到的 一个粒子,这样得到的粒子性质和已知的所有粒子的性质都对不上,就可以判 断发现了一种新粒子.在这种情况下,即使只观察到很少的事例,甚至只有一 个事例,只要测量是可靠的,也可以做结论说 “发现了一种新粒子 ”.在这种 §6. 3 6 微观粒子的主要普遍内禀属性 1 11 情况下,测出新粒子的质量值是比较准的,如果事例数少,定出的
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