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文件大小：062.88 MB 奇异性核物理.pdf

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奇异性核物理
作者:宁平治 等出版社:科学出版社出版时间:2018年12月

开 本：纸 张：包 装：平装是否套装：国际标准书号ISBN：9787030217660
所属分类：
图书>自然科学>物理学>分子物理学 原子物理学

内容介绍

本书系统论述包含奇异性(s夸克)的强子与原子核的基本性质。奇异性自由度为原子核物理打开了新的维度，极大地丰富了核物理的研究内容。本书内容涉及奇异粒子性质(第1章)、奇异粒子与核子的二体相互作用(第2章)、奇异粒子与原子核的相互作用束缚态(第3章)、奇异性散射态(第4章)、奇异原子与强相互作用(第5章)、奇异性夸克物质和奇异性强子物质(第6章)。
目录

目录
前言
第1章 奇异粒子的基本性质 1
1.1 从非奇异粒子谈起 1
1.1.1 一般讨论 1
1.1.2 核子的同位旋 3
1.1.3 π介子的性质 4
1.1.4 π介子的产生和衰变 5
1.2 K介子和超子的基本性质 6
1.2.1 关于K介子的一般介绍 6
1.2.2 关于超子的一般介绍 7
1.2.3 奇异粒子的产生和衰变 8
1.3 奇异粒子的夸克模型 11
1.3.1 一般讨论 11
1.3.2 夸克的量子数 12
1.3.3 SU(2)与SU(3) 13
1.3.4 基于夸克模型的强子分类 16
1.3.5 SU(6) 20
1.4 核子与奇异粒子的质量关系 22
1.4.1 SU(3)破缺与质量分裂 22
1.4.2 强子质量关系式 23
1.4.3 核子和超子质量谱的夸克模型理论估算 26
1.4.4 核子和超子磁矩的夸克模型理论估算 28
1.5 奇异重子共振态 29
1.5.1 奇异重子共振态的实验研究 29
1.5.2 奇异重子共振态的理论研究 34
1.6 小结及其他 37
参考文献 40
第2章 奇异粒子与核子的相互作用 45
2.1 π介子与核子的相互作用 45
2.1.1 一般讨论 45
2.1.2 πN系统的同位旋 47
2.1.3 πN散射 49
2.1.4 πN相互作用的动力学模型 51
2.2 K介子与核子的相互作用 54
2.2.1 一般讨论 54
2.2.2 KN系统的同位旋 55
2.2.3 K+N散射 56
2.2.4 K-N散射 57
2.2.5 KN相互作用的动力学模型 58
2.3 超子与核子的相互作用 63
2.3.1 一般讨论 63
2.3.2 YN散射实验数据 64
2.3.3 某些对称性结果 66
2.3.4 YN相互作用的理论模型 67
2.4 研究现状一:YN相互作用 69
2.4.1 介子交换模型 69
2.4.2 夸克模型 73
2.4.3 YN实验方面 74
2.5 研究现状二:KN相互作用 75
2.5.1 K+N相互作用的介子交换模型(新Nijme-en模型) 76
2.5.2 KN相互作用的夸克模型 80
2.5.3 低能K-N相互作用 80
2.5.4 K+N散射的分波分析 83
参考文献 83
第3章 奇异性束缚态 88
3.1 Λ超核(S=-1) 89
3.1.1 一般讨论 89
3.1.2 Λ超核的壳模型分析 91
3.1.3 Λ超核的相对论平均场分析 94
3.1.4 Λ超核的弱衰变 98
3.2 双Λ超核与Ξ超核(S=-2) 100
3.2.1 双Λ超核概述 100
3.2.2 Ξ超核概述 102
3.2.3 (ΞN)超子-核子(ΞN)有效相互作用 104
3.3 Λ超核能谱的精细结构 106
3.3.1 引述 106
3.3.2 Λ超子-核子(ΛN)有效二体相互作用 108
3.3.3 由超核能谱精细结构进一步研究ΛN有效二体相互作用 110
3.3.4 由超核能谱精细结构研究收缩效应 112
3.3.5 Λ超子单粒子能谱再研究 113
3.4 研究现状一:Σ-核光学势 114
3.4.1 历史回顾 114
3.4.2 Σ-核光学势 114
3.4.3 同位旋相关性 114
3.5 研究现状二:重味超核问题 116
3.5.1 引述 116
3.5.2 关于重味重子束缚态 116
3.5.3 重子杂质对核束缚系统的影响 117
3.5.4 重味超核小结 121
3.6 研究现状三:K介子核束缚态问题 122
3.6.1 引述 122
3.6.2 核介质内K-介子的性质 124
3.6.3 在RMF框架下研究核内可能的K-介子束缚态 126
3.6.4 当前关于K核的争论 129
3.7 研究现状四:核内η介子束缚态问题 129
3.7.1 手征微扰理论中的ηN相互作用 130
3.7.2 ηN西格玛项ΣηN和参数κ的确定 132
3.7.3 核物质中η介子的性质 133
3.7.4 η介子在核物质中的有效质量和光学势 135
3.8 其他专题简介 138
3.8.1 多奇异数束缚系统 138
3.8.2 超核中的晕现象 140
3.8.3 关于Θ+超核 142
3.8.4 关于单Λ超核系统学 142
参考文献 145
第4章 奇异性散射态 156
4.1 K-核散射的一般讨论 156
4.1.1 K+-核散射 156
4.1.2 K+-核散射的理论分析 157
4.1.3 K+-核散射的光学模型 157
4.1.4 K–核弹性散射 159
4.1.5 奇异性交换反应 160
4.2 K+-核散射的核介质效应 162
4.2.1 K+-核散射的常规核介质效应 162
4.2.2 K+-核散射的次常规核介质效应 163
4.2.3 K+-核散射的非常规核介质效应 165
4.3 研究现状 172
4.3.1 概述 172
4.3.2 K+-核光学势与K+-核散射 173
4.3.3 K–核光学势与K–核散射 174
参考文献 175
第5章 奇异原子 178
5.1 从非奇异原子谈起 179
5.1.1 μ原子 179
5.1.2 π原子 180
5.1.3 π原子的深束缚态 180
5.2 K原子 183
5.2.1 一般讨论 183
5.2.2 K氢原子 184
5.2.3 其他K原子 185
5.2.4 关于K-核强相互作用势与K原子的深束缚态 186
5.3 超子原子 187
5.3.1 Σ-原子 187
5.3.2 Ξ-原子 188
5.4 研究现状:双强子原子 189
5.4.1 引述 189
5.4.2 π+π-原子 190
5.4.3 πK原子 192
5.4.4 K+K-原子 193
参考文献 193
第6章 奇异性核物质 197
6.1 两类奇异性核物质简介 197
6.2 奇异夸克物质 198
6.2.1 实验室条件下奇异夸克物质的形成 198
6.2.2 奇异夸克物质与strangelets 199
6.2.3 MIT袋模型 199
6.2.4 夸克质量密度相关模型 200
6.2.5 准粒子袋模型 202
6.2.6 色介电模型 203
6.2.7 NJL模型 204
6.2.8 势模型 205
6.2.9 中子星内部的奇异夸克物质 205
6.3 奇异强子物质 206
6.3.1 奇异强子物质与中子星内核 206
6.3.2 超子的产生机制和弱平衡条件 206
6.3.3 奇异强子物质的相对论平均场分析 207
6.3.4 强子耦合常数及对奇异强子物质性质的影响 209
6.4 核物质中可能的K凝聚 211
6.4.1 关于K凝聚的定性讨论 211
6.4.2 K介子的有效质量 213
6.4.3 K凝聚的相对论平均场计算 215
6.5 研究现状一:中子星内的奇异强子成分 218
6.5.1 超子成分对中子星性质的影响 218
6.5.2 中子星内的介子凝聚 221
6.5.3 中子星内的H双重子成分 222
6.5.4 中子星内的五夸克态成分 223
6.6 研究现状二:奇异夸克物质 223
6.6.1 奇异夸克物质与色超导 223
6.6.2 奇异强子物质到奇异夸克物质的相变 224
参考文献 228
在线试读

第1章 奇异粒子的基本性质
组成原子核的中子和质子(统称为核子)都是非奇异粒子，它们的奇异量子数S=0，并由禁闭着的u夸克和d夸克组成，其中不包含s夸克(奇异夸克，奇异量子数S=-1)。一切包含s夸克的强子(S≠0)都称为奇异粒子。奇异粒子的基本性质与非奇异粒子十分不同，了解这些基本性质是阅读本书以后章节的基础。本章内容主要来自参考文献[1]。
1.1 从非奇异粒子谈起
1.1.1 一般讨论
由于即将讨论的奇异粒子与核子相互作用(第2章)和奇异粒子与原子核的相互作用(第3章及以后各章)的需要，本节首先讨论作为非奇异粒子的核子。了解核子和π介子的基本性质有助于了解奇异重子(超子)和奇异介子(K介子)的性质及其内在联系。
本节首先结合实验结果介绍核子的若干性质，并在简单夸克模型下给予初步解释。核子的简单夸克模型假定核子只是由三个夸克构成的。这个模型是核子复杂内部结构的粗糙近似，仅适用于描述核子的静态性质和低能碰撞过程。
质子p和中子n很相似，它们都是自旋为1/2的费米子，它们的质量也很相近:mp=938.27203MeV，mn=939.56536MeV，它们的相对质量差为
这个数量级大体上接近电磁作用强度与强相互作用强度比值的量级。质子和中子的主要差别在于:质子带一个单位正电荷，而中子不带电。核子不是点粒子，它占有一定体积。质子电荷分布的均方根半径为
(1.1)
质子和中子都是由三个u、d夸克组成的:p？=uud？，n？=udd？。u、d夸克分别带电荷(1/3)e和(-1/3)e。于是立即得出，质子电荷应为(2/3+2/3-1/3)e=e，中子电荷应为(2/3-1/3-1/3)e=0。公认的实验值为
(1.2)
表1.1 核子的磁矩
按照狄拉克(Dirac)的费米子理论，质子的磁矩μp等于一个核磁子μN(定义μN=e？/2mpc)，而中子的磁矩μn为零。这是假定只存在电磁相互作用的点粒子得到的。精确的实验值在表1.1中第三栏给出，它们与狄拉克理论给出的数值不同。对核子反常磁矩的一种解释是，由于存在强相互作用，裸核子周围环绕着虚介子(π、ρ)，在测量物理核子的磁矩时，光子探针不仅与裸核子相互作用，也与介子云中运动着的带电介子相互作用，后者对测量磁矩也有重要贡献。
按照简单夸克模型，核子的磁矩应该由组成它的夸克的磁矩所贡献。设u、d夸克的磁矩分别为μu和μd，由核子的夸克模型波函数计算总磁矩算符第三分量的期待值(见1.4.3节)可得表1.1中第三栏的结果。假定夸克磁矩与它的电荷成正比，于是
这个结果十分接近由实验值给出的比值:(μn/μp)实验=-0。685。这曾有力支持了简单的非相对论组元夸克模型理论。
图1.1 中子衰变过程的夸克图
中子和质子的寿命十分不同。现在有的理论模型估计质子的寿命约为1031~1033年以上，实际上质子可视为稳定的粒子。自由中子的寿命约为885.7s，它通过弱相互作用衰变为质子、电子和电子反中微子:
从夸克层次来看，这个过程可表示为
衰变前后有一个d夸克转变为u夸克，就是说夸克的“味”在衰变过程中是可变的，这是一切
弱相互作用的特征。图1.1是上述衰变过程的夸克图。d夸克变为u夸克，同时放出W-玻色子，其结果是中子变为质子并放出电子和反中微子。中子的寿命虽不足15min，但比其他强子的典型寿命长十个数量级以上，因此仍可把中子视为“稳定”粒子。通常把不能通过强相互作用衰变的粒子都称为长寿命粒子或“稳定”粒子。
1.1.2 核子的同位旋
质子和中子可以设想为核子的两种电荷状态。引入类似于自旋的同位旋I来描写这两种电荷状态。对于核子，I=1/2。类似于自旋为1/2的电子，核子有两种状态，即自旋沿z轴的投影分别为+1/2和-1/2。核子同位旋算符I的第三分量I3的期望值也只能是I3=±1/2，称为同位旋“朝上”和“朝下”。同位旋空间是为描述不同电荷状态而人为想象的空间。与自旋波函数类似，通常将质子态p？和中子态n？的同位旋波函数表示为
(1.3a)
(1.3b)
显然，核子的电荷数Q与I3的关系为
(1.4)
对质子，Q=1；对中子，
核子的同位旋算符定义为
(1.5)
其中τi(i=1，2，3)是泡利矩阵
(1.3)式的波函数是算符I3的本征函数:
由(1.5)式可定义同位旋“升”算符I+和同位旋“降”算符I-:
(1.6a)
(1.6b)
把I+和I-分别作用到(1.3)式的波函数可以看到，I+把中子态变换为质子态，I-把质子态变换为中子态。
有时还用到同位旋投影算符Ip和In:
(1.7a)
(1.7b)
如果粒子态N？是以不同的概率a2和b2处于p？态和n？态(混合态):
(1.8)
则有
(1.9)
可见同位旋投影算符Ip和In的作用是从混合态中分别选出质子态或中子态。
以上定义的各种同位旋算符对多核子系统的同位旋分析和计算是很有用的。对于由A个核子组成的原子核，所有核子的同位旋的矢量和就是原子核的总同位旋:
(1.10a)
它的第三分量为
(1.10b)
如果一个原子核包含Z个质子和N个中子
总电荷Ze是所有A个核子电荷之和，则由(1.4)式和(1.10b)式有
(1.11)
进而有
(1.12)
原子核总同位旋第三分量I核3通过(1.11)式与电荷联系起来，而(1.12)式表明I核本身反映了核内质子数与中子数之差。同位旋的概念在后面讨论强子的分类和原子核状态的表述等问题时起着重要作用。
1.1.3 π介子的性质
实验确认，π介子有三种电荷状态，即+e、0、-e，分别表示为π+、π0、π-.π+和π-互为反粒子，π0的反粒子仍是π0。在简单夸克模型中，π介子是夸克和反夸克的束缚态:
在实验上已对三种π介子的质量进行了相当精密的测量:
它们的质量差为
这个质量差，以及上节提到的中子G质子质量差的来源是组成它们的u夸克和d夸克的质量差以及它们之间不同的电磁效应。如果忽略上述微小质量差，则π+、π0、π-可以看做是π的三种电荷状态，用同位旋I=1和I3=1、0、-1来描述，称为同位旋三重态。显然π介子的电荷数为
(1.13)
核子间的二体相互作用是通过交换虚π介子传递的。带电π介子与中性π介子之间的质量差使得中子G中子、中子G质子和质子G质子之间的二体散射参量存在微小差别。
π介子的质量比其他强子质量(≈1GeV/c2)差不多小了一个数量级。这一特点是与强相互作用基本理论(量子色动力学)中的一个重要的近似对称性(手征对称性)相联系的。如果这种对称性精确成立，π介子的质量应为零。
π介子也不是点粒子，它的电荷分布均方根半径的实验值为
这个数值比质子半径小，但并不太小。
考虑π介子的自旋和宇称Jπ。实验确认对π介子有Jπ=0-，称为赝标介子，π介子场称为赝标介子场，在空间坐标反射变换(r→-r)下改变符号(负宇称)，而标量场在空间反射下不变号。
π介子是由正、反夸克qq组成的二体系统，π介子的自旋即系统的自旋角动量，由夸克自旋S=Sq+Sq和夸克轨道角动量L贡献。在简单夸克模型下，假定l和s都是好量子数，由于q和q的自旋为1/2，所以s的可能值为0和1.π介子是能量*低的夸克束缚态，可取l=0。从而Jπ的可能值为0-和1-。由关于强子分类的考虑可确定π介子的Jπ=0-。Jπ=1-的介子称为矢量介子。π介子的负宇称也可由正反费米子具有相反的宇称来理解。
1.1.4 π介子的产生和衰变
有许多强子反应可产生π介子，并保持电荷和重子数守恒。例如，在能量较高的pp碰撞中可发生以下过程:
(1.14)
注意，上面的三种强相互作用过程中，同味夸克数Nu和Nd是相同的，Nq=N(q)-N(q)。例如，对第*个过程有
带电π介子的衰变主要通过以下弱相互作用过程进行:
(1.15)
图1.2 π介子衰变的夸克图
其寿命约为2.6×10-8s。图1.2是上式第2种衰变过程的夸克图，弱相互作用由W-玻色子来传递。在β衰变理论中，跃迁矩阵元与费米弱相互作用常数G成正比。G反映弱相互作用的强度。在图1.2所示的π介子弱相互作用衰变过程矩阵元中除耦合常数G外还有一个附加因子，该因子中包含另一个重要的常数fπ，称为π介子衰变常数，其经验值为fπ=93.2MeV。fπ亦称为赝标衰变常数，通常实验测量的值为2fπ。fπ是低能强子结构的重要参数之一。
中性π介子主要通过电磁相互作用衰变:
其寿命约为8.4×10-17s，比π±介子的寿命短许多。因而在核物理实验中多把π±用作介子探针。
1.2 K介子和超子的基本性质
1.2.1 关于K介子的一般介绍
1.1节讨论的核子和π介子都是由u、d夸克或它们的反夸克构成的，其中不包含奇异夸克。K介子和超子(统称为奇异粒子)组分中包含奇异夸克(s夸克)或反奇异夸克(s夸克)。规定s夸克携带奇异量子数S=-1，s反夸克携带奇异量子数S=1，而对其他夸克和反夸克有S=0。
四种K介子是
(1.16a)
注意:(1)K+和K0的奇异量子数为S=1，对K-和K0有S=-1；(2)K+的反粒子是K-，K0的反粒子是K0，这与光子和π0介子的情况是很不同的，后者的反粒子就是它们自身；(3)K+和K0构成一组同位旋为I=1/2的二重态，K-和K0构成另一组的同位旋二重态。这与上节讨论的π介子的情形很不相同。
K0介子的质量为:mK0=497.648±0.022MeV。K±介子的质量、电荷半径和平均寿命的测量值分别为[1]