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高能物理导论和物理学前沿讲座课程论文

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高能物理导论和物理学前沿讲座课程论
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基本粒子物理学中的对称性及其破坏一尺之锤，日取其半，万世不竭---《庄子》
对称性原来是一个几何上的概念，实质上就是某种不变性。在物理学中，对称性有着更为深刻的物理意义，它是指物理规律在某种变换下的不变性。对称性和守恒律是紧密联系的，物理学中所观察到的许多规律性都可以用守恒律来表示。例如，与动量守恒定律相对应的对称性是空间的平移不变性，与角动量守恒定律相对应的对称性是空间的转动不变性，与能量守恒定律相对应的对称性是时间的平移不变性等。从对称性原理可以找到基本粒子的内部属性、相互间的联系和所遵循的物理规律以及基本粒子相互作用的性质。
基本粒子物理学中的对称性是借助数学上的对称群来描述的。比如，把粒子从理论上分类的基础是假定在彭加莱变换下，即洛伦兹变换和时空平移下，物理定律是不变的。一个粒子，不管它是基本的还是组合的，都被定义成量子场的一个状态。在彭加莱群元素的作用下，这个状态按照确定的不可约表示变换。这意味着，粒子有确定的质量和自旋，而且与每个粒子相联系都有一个相同质量和自旋的反粒子。定域场中的微观因果性的假设更进一步包含自旋和统计之间的一种联系：有整数自旋的粒子是玻色子，有半整数自旋的粒子是费米子。除彭加莱不变性这种时空对称性外，还有一些内部对称性，它们和粒子态不依赖时空的变换有关。相互作用对内部对称群的不变性给出标志粒子态的另外一些量子数，像同位旋、宇称、电荷共轭、轻子数、重子数、奇异数、粲数和色量子数等。这些量子数在特定的相互作用中守恒。
粒子间的不同类型的相互作用包括强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。
同位旋，描述强子内部性质的一种量子数。质子(p和中子(n除电荷不同造成差异外，性质非常相似。当略去核子之间的电磁相互作用时，p-p的强相

互作用能与n-n的相等，此即核力的电荷无关性。这就意味着，对于强相互作用来说，质子和中子是完全相同的，可以把它们看成是一种粒子--核子的两种状态。核子的同位旋I=1/2，I沿第三轴的分量I3可取1/2和-1/2，分别对应质子和中子。或者说，质子和中子是一种同位旋多重态。与相互作用在普通空间的转动不变性保证能级与角动量的第三分量取值无关类似，强相互作用在同位旋空间的转动不变性将导致能级与同位旋的第三分量取值无关。因此核力的电荷无关性正是强相互作用的同位旋转动不变性的结果。同位旋的转动不变性同时保证了同位旋守恒。由于电荷与I3有关，电磁相互作用不具有同位旋空间的转动不变性因而破坏同位旋守恒。弱相互作用也破坏同位旋守恒。
电荷共轭(C是表征粒子变换为反粒子的性质。粒子和反粒子具有相同的质量、寿命、自旋和同位旋，但是电荷、重子数、轻子数和奇异数等量子数不同。
宇称(P是表征粒子或粒子组成的系统在空间反射下变换性质的相乘性量子数。在空间反射变换下，粒子的场量只改变一个相因子，它只能有+1和-1两个值。如果描述某一粒子的波函数在空间反射变换(r→-r下改变符号，该粒子具有奇宇称(P=-1，如果波函数在空间反射变换下保持不变，该粒子具有偶宇称(P=+1。玻色子及其反粒子内禀宇称之积为+1，费米子及其反粒子内禀宇称之积为-1。
在50年代初期，普遍认为在各种相互作用中，都有着空间反射变换P、电荷共轭变换C和时间反演变换T的不变性，与此相对应，宇称P和C宇称应该是守恒的。不过，这种观点除了1955年由泡利在很一般的前提下，从理论上证明了CPT联合变换下量子场论的不变性以外，其他是没有从实验上或理论上被严格证明过的。
1955年，经过周密地对奇异粒子θ介子和θ介子的实验分析发现了θ-θ之谜。1956年,李政道和杨振宁了解到，在弱相互作用中宇称守恒事实上并没有得到过实验上的证实。他们提出，在弱相互作用中宇称是不守恒的，也就不存在θ-θ之谜。1957年，吴健雄小组在极化原子核的β衰变的实验中,证实了宇称不守恒。随后不久，宇称不守恒在其他的弱相互作用过程的实验中也得到了证实。这些实验同时也证实了在弱相互作用中C宇称的不守恒。

1964年，J.W.克洛宁等人在长寿命介子的衰变实验中，发现有2π终态的衰变，从而实验又证实了不仅单独的空间反演变换P和单独的电荷共轭变换C的不变性在弱相互作用中受到破坏，而且它们的联合变换CP的不变性也遭到破坏。随后认识到，这个实验事实上也证实了在弱相互作用中时间反演变换有微小程度不守恒。
在弱相互作用中，与宇称不守恒的程度很大相反，CP不守恒的程度是极为微弱的，其根本原因至今尚没有足够的了解。但是，根据量子场论可以证明，符合相对论的基本粒子理论在CPT联合变换下总是不变的。
强子是指那些参加强相互作用的玻色子和费米子，迄今观测到的所有玻色子除光子外都参加强相互作用。按照标准模型，强子由夸克、反夸克和胶子组成，胶子是量子色动力学中的力子，它将夸克连在一起，光子是也一种力子。轻子是指不参加强相互作用的费米子。历史上，轻子的命名是因为它们是轻的，但是随着子的发现这一点不再正确。强子有两种，介子是重子数为零的玻色子，而重子是重子数不为零的费米子。
在轻子参与的所有弱相互作用和电磁相互作用中，发现存在一种守恒的量子数，称为轻子数(L。所有的正粒子的轻子数位+1，反粒子的轻子数位-1。对所有的反应过程，轻子数的代数和在反应前后不变。与电荷守恒不同，电荷守恒与电磁相互作用相联系，而轻子数守恒没有已知的相互作用为根据，只是实验上发现它总是守恒的。
重子数(B是描述粒子内部性质的一种相加性量子数。重子的B=+1，反重子的B=-1，光子、轻子、介子的B=0。无论是强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用，粒子反应或衰变过程中均遵守重子数守恒。
奇异数(S和粲数(C是伴随着奇异粒子和粲粒子的发现而产生的，它们都是描述强子内部性质的量子数。对于普通的强子、核子和π介子，奇异数为零，奇异粒子具有非零的奇异数。在强相互作用过程中奇异数守恒，在弱相互作用中衰变的奇异粒子的奇异数不守恒。根据实验结果还能总结一条唯象规则：一次弱相互作用过程最多只能改变一个单位的奇异数，即强相互作用△S=0.，弱相互作用△S=0，±1。1974年，丁肇中和B.里希特所领导的实验组分别在美国布鲁克海文国家实验室(BNL和美国斯坦福直线加速器中心(SLAC独立发现了一

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