味 (粒子物理學)

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粒子物理學中的
量子數

相關量子數:


組合:


味混合

粒子物理學中,風味(英文︰Flavour)是基本粒子的一種量子數。在量子色動力學中,味是一種總體對稱。另一方面,在電弱理論中,這種對稱被打破,因此存在味變過程,例如夸克衰變或中微子振盪

概述[编辑]

如果有兩種以上的粒子擁有相同的相互作用,那麼它們可以在不影響物理的情況下互相交換。只要兩者成正交或互相垂直,這兩種粒的任何(複數)線性組合,都會有着相同的物理。換句話說,該理論擁有對稱變換,例如M\left({u\atop d}\right),其中ud是兩種場,而M則是任何行列式為1的2 × 2么正矩陣。這樣的矩陣組成一種叫SU(2)李群。這是味對稱的一個例子。

“味”這個詞最早在1968年所創,用於強子夸克模型

味量子數[编辑]

輕子[编辑]

所有輕子都帶有輕子數L = 1。另外,輕子同時帶有弱同位旋T3,三種帶電荷輕子(即電子μ子τ子)的弱同位旋為−12,而它們的中微子則為+12。每一個由帶電輕子及中性輕子(兩者有着相反的弱同位旋)組成的雙重態,組成輕子的一。另外,有一種量子數叫弱超荷YW,所有左手性輕子的弱超荷皆為−1[1]。弱同位旋與弱超荷在標準模型中都是規範的。

輕子共有六種“味”量子數:電子數、μ子數、τ子數及三種中微子的對應數。它們在電磁相互作用中守恆,但在弱相互作用中則被破壞。因此,這些“味”量子數並沒有甚麼大用途。每一代一個量子數反而更有用,電數(電子與電中微子的值為+1)、μ數(μ子與μ子中微子的值為+1)及τ數(τ子與τ子中微子的值為+1)。然而,這些數還是不會絕對守恆,因為不同代的中微子會混合;也就是說,一個味的中微子可以變成另一個味。這種混合的強度由一個矩陣所定,叫龐蒂科夫-牧-中川-坂田矩陣(PMNS矩陣)。

夸克[编辑]

所有夸克都帶有重子數B = 13。它們還帶有弱同位旋T3 = ±12T3為正的夸克(上、魅及頂)叫“上型夸克”,T3為負的(下、奇及底)叫“下型夸克”。每個有上型及下型夸克的雙重態,都各自組成夸克的一個

夸克擁有以下的味量子數:

  • 同位旋,上夸克的值為I3 = 12,而下夸克的值則為I3 = −12
  • 奇異數S):由默里·蓋爾曼所引進的一個量子數。奇夸克的奇異數被定義為-1。
  • 魅數C),魅夸克的魅數值為+1。
  • 底數B′),底夸克的底數值為−1。
  • 頂數T),頂夸克的頂數值為+1。

因為它們在電磁及強相互作用中都守恆(但不是在弱相互作用中),所以它們是有用的量子數。可以從它們中建立新的導出量子數:

某一種味的夸克是哈密頓算符弱相互作用部份的本徵態:它會跟W及Z玻色子有一種固定的相互作用方式。另一方面,一固定質量的費米子(哈密頓算符的強相互作用及動能部份的本徵態),一般是多種味的疊加態。因此,在量子態自由傳播時,其內含的夸克可能會轉變。夸克這種從味態變成質量態的轉變,數學上由卡比博-小林-益川矩陣(CKM矩陣)所描述。這個矩陣與中微子的PMNS矩陣有異曲同工之處,它定義了夸克在弱相互作用下味變間的強度。

在有最少三代的時候,CKM矩陣就能夠描述CP破壞

反粒子及強子[编辑]

味量子數是可相加的。因此反粒子的味與對應粒子的大小相同,但正負相反。強子從它們的價夸克l中得到味量子數:這是夸克模型的分類基本。超荷、電荷及其他味量子數對於強子也成立,對夸克也是。

量子色動力學[编辑]

味對稱跟手徵對稱有着密切的關係。建議把以下這節跟手徵性一同閱讀。

量子色動力學(QCD)中夸克有六種味。然而,它們的質量不一。因此,嚴格來說它們不能被互相交換。上及下夸克的質量很接近,幾乎一樣,因此二夸克理論擁有大概的SU(2)對稱(同位旋對稱)。在某些情況下,可以把Nf種夸克視為相同質量,然後得到有效的SU(Nf)味對稱。

在某些情況下,夸克的質量可以被完全忽略。在這個情形下,每一種夸克味都有一種手徵對稱。這時可以把每個夸克場的味變換,分成左手性和右手性兩部份。那麼味群就是手性群SUL(Nf) × SUR(Nf)

如果所有夸克的質量都一樣,那麼手徵對稱就會被破壞成“對角味群”的“向量對稱”,它會對夸克的兩種螺旋性作出一樣的變換。這樣的一種對稱縮化叫“明確對稱性破缺”。明確對稱性破缺的量,是由QCD中的淨夸克質量所控制的。

即使夸克沒有質量,如果真空內有手徵凝聚物(跟低能量QCD時一樣),手徵味對稱也會被自發破壞。因此造成夸克的有效質量,一般在QCD中叫價夸克質量

QCD的對稱[编辑]

實驗分析指出,較輕的夸克味的現時質量,比起QCD比例ΛQCD要小得多,因此對於上、下及奇夸克,手徵味對稱QCD是近似的。手徵微擾理論的成功,以及相對簡單的手徵模型,都是利用上述這一點。從夸克模型所得出的價夸克質量,比現時的夸克質量要大得多。由此可見,手徵凝聚物形成時,QCD會產生自發手徵對稱破缺。其他QCD相可能會以其他方式破壞手徵味對稱。

守恆定律[编辑]

絕對守恆的味量子數有:

在一些理論中,如果子(B-L)守恆的話,重子數及輕子數的守恆能被個別破壞。其他味量子數守恆都被電弱相互作用作破壞。強相互作用中味守恆。

另見[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ S. Raby, R. Slanky. Neutrino Masses: How to add them to the Standard Model. Los Alamos Science. 1997, (25): 64. 
  • D.J. Griffiths. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 0-471-60386-4. 

外部連結[编辑]