核物理与粒子物理导论----第十二章（第4-6节）.pdf

§ 弱相互作用与弱电统一理论
从来没有发现过由弱作用形成的束缚态或共振态,因而没有系列的
能谱供研究。
弱作用的散射或反应过程截面太小。
主要只能通过衰变过程来积累弱作用的知识。
弱衰变发生的特征:(a)有中微子出现;(b)夸克的味改变;(c)衰变
概率(宽度)比电磁或强衰变小得多,平均寿命约10-8秒量级。
弱作用对夸克和轻子都存在。我们在前面的章节中已经积累了不少
原子核和强子的弱衰变知识,因此在这一章里,我们将更多地涉及轻子
系统。

至今发现了三种带电的轻子(e、μ、τ)和它们的反粒子。电子和μ子
是最轻和次轻的带电粒子,因而在电荷守恒条件下,电子必然是稳定粒
子,而μ子衰变时必然产生电子:
−−
μ e e ++→ννμ
τ轻子比μ子要重得多,而且比许多强子还重,因此可以有更多的衰变形
式:
−−
τ e e ++→νντ
−
++→ννμτμ
−
+→νπτ
轻子的各代却是严格区分的,这表现为三种轻子数(电轻子数,轻子数μ
和τ轻子数)各自守恒。
容许禁止
−− 0
p νμμ+→+ p,n πμ+→+ n,
−+ +
ee +→+ ννμμ ee, e +→+ ννμ,
−−−−
+→νμπμ, π e +→νe ,
−−−−
μ e e ++→ννμ, μ e e ++→ννμ,
−−−−
+→νπττ, +→νπτ e

0
我们已经知道,弱作用是由W ± 玻色子(电性流)或Z 玻色子
(中性流)来传递的。电性流过程可以分为三类。
(1) 轻子过程
如果W玻色子的两端都只与轻子连接,就称为轻子过程。
ll+ ν ll↔''+ν
−−−−
ννμττμ, νμ e +→+++→νμ e
(2) 半轻子过程
W玻色子的一端接轻子,另一端接夸克,
+ 21 ↔ lqq + νl
(3) 非轻子过程
W玻色子的两端都接夸克,
+ ↔+ qqqq 4321
W玻色子的作用顶点可表示为Wf1f2 ,在每一个这种顶点处要求:电
荷守恒;轻子数守恒(注意W的轻子数为0);夸克数守恒(夸克的夸克
数为1;反夸克的夸克数为-1)。
0 0
中性流的作用顶点可表示为Zf1f2,由于Z 不带电,且不能通过Z 改
变夸克的味,因此要求。中性流引起的衰变也可分为轻子过程,半轻子
过程等。

W玻色子对轻子的作用是V—A型的,因而人们称电性
流的理论是V—A理论。此时,宇称不守衡达到最大。由这
种作用只能产生左旋中微子或右旋反中微子
, Z玻色子
电弱统一理论是格拉肖( )在1961 年提出,温伯格
()和萨拉母()在1967年各自独立的完成的。在这
个理论中,电磁和弱作用被视为属于SU(2)xU(1)规范对称性的同一种
相互作用,通过传递θγ、W±和Z0四种玻色子来实现。理论的最重要预言
是Z0玻色子的存在。
θ 0 θ 0
|γ>= W +> W W|sinB|cos >
0 0 0
−>= W +> θW > −)(W|cosB|sinZ|
mm ZW = θW −)(|cos|/
2
θ W ±= −)(
2/1
⎡πα c)(2 3 ⎤
cm 2 = 4 ⋅ h ≈−)(GeV78
W ⎢ 2 G ⎥
⎣ sin8 θ W F ⎦
2
2 Wcm
Zcm = ≈ GeV89
θ W |cos|
2
W cm GeV,±=
2
Z cm .12(±= 4
§ 对称性与守恒定律
粒子物理是对称性与守恒定律最为丰富的领域。在前面个别讨
论的基础上,我们在这一节中给出比较系统的有关对称性的知识。
自然界中的对称性是和守恒定律相联系的,这一点可用内特尔
(Noether)定理来表述:如果运动规律在某一变换下具有不变性,则
必然相应地存在一个守恒定律。
对称性根源于自然界中某些绝对量的不可测量性。比如,空间
的绝对位置、绝对方向不可测量,绝对时间不可测量等。
对称性可分为时空对称性和内秉对称性,前者对应于经典的时
空变换,而后者指在粒子内秉的广义坐标上的变换,没有经典对
应。
对称变换又可分为连续变换和分立变换。连续变换对应的是相
加性守恒量(即总体量是各部分的该量之和,如能量、动