奇異粒子

奇異粒子

奇異粒子(strange particle),即所有奇異數不為零的粒子。它們的奇特性質是結伴產生,產生快、衰變慢。起初對此無法解釋,故稱奇異粒子。 1953年M.蓋耳曼西島引入新的量子數奇異數,才成功地解釋了這種奇異性質。奇異粒子可以分別獨立地衰變成幾個普通粒子,所需的時間比較長,是通過弱相互作用實現的。1956年,李政道和楊振寧對歷史和現狀作了全面考察,他們指出,這一疑難的關鍵在於人們認為微觀粒子在運動過程中宇稱必須守恆,強相互作用和電磁相互作用的過程中,宇稱守恆是經過檢驗的,但在弱相互作用的過程中,宇稱並沒有得到判決性的檢驗,沒有根據說它一定守恆。

發現

1947年在宇宙射線的研究中,首先觀察到了奇異粒子,但只是在1954年加速器實驗中產生了奇異粒子之後,再經過系統研究,這類粒子的“奇異”特性才逐漸明朗。所謂奇異粒子,是指當時新發現的一大批新粒子。

特點

特點是:當它們由於粒子之間相互碰撞而產生時,總是一起產生,而且產生得很快,可是衰變卻各自獨立地行事,而且衰弱得很慢。簡單說來,就是它們總是協同產生、非協同衰變。1953年蓋耳曼用一個新的量子數,即奇異數來表述這一特性,並假定在強相互作用中奇異數守恆,而在弱相互作用中奇異數可以不守恆,這樣就可以對奇異粒子的特性作出恰當的解釋。

當時對最輕的奇異粒子(現在稱為K介子

)的衰變過程發現了一個疑難,即所謂的“θ-τ”疑難。這個疑難在於:實驗中發現了質量、壽命和電荷都相同的兩種粒子,一個叫θ介子,另一個叫τ介子。這兩種粒子唯一的區別在於:θ介子衰變為兩個π介子,而τ介子衰變為三個π介子。分析實驗結果可以得出:三個π介子的總角動量為零,宇稱為負,而兩個π介子的總角動量如為零,則其宇稱只能為正。鑒於質量、壽命和電荷這三項相同,這兩種粒子應是同一種,但從衰變行為來看,如果宇稱應守恆,則θ和τ不可能是同一種粒子。

研究成果

李政道和楊振寧研究成果

1956年,李政道和楊振寧對歷史和現狀作了全面考察,他們指出,這一疑難的關鍵在於人們認為微觀粒子在運動過程中宇稱必須守恆,強相互作用和電磁相互作用的過程中,宇稱守恆是經過檢驗的,但在弱相互作用的過程中,宇稱並沒有得到判決性的檢驗,沒有根據說它一定守恆。

奇異粒子是一類亞原子粒子的統稱。與奇異粒子相對的是普通粒子,包括質子、中子、π介子等普通的強子和輕子。1947年羅徹斯特(G. D. Rochester)和巴特勒(C.C.Butler,1922-)在宇宙射線中發現了Λ、Κ、Κ等一些性質奇特的粒子。1953年在加速器中又陸續發現了更多的奇異粒子。與普通粒子不同,奇異粒子總是在強相互作用中很快地、至少兩個一起同時產生,而後分別通過弱相互作用慢慢地衰變成為非奇異的粒子。

蓋耳曼等研究成果

1953年,美國物理學家蓋耳曼、日本物理學家中野董夫、西島和彥(K.Nishijima)各自獨立地提出用新的量子數——奇異數解釋奇異粒子的性質。奇異數只能去取整數,並且規定普通粒子的奇異數是0,奇異粒子的奇異數由以下反應規定:

π + p → Λ+ Κ

規定Κ粒子的奇異數是+1,Λ的奇異數是-1,然後由其它反應確定其餘粒子的奇異數。

奇異數S=+1的奇異粒子有Κ、Κ等。

奇異數S=-1的奇異粒子有Κ、Λ、Σ、Σ、Σ等。

奇異數S=-2的奇異粒子有Ξ、Ξ等。

奇異數S=-3的奇異粒子有Ω等。

在強相互作用中,奇異粒子協同產生,奇異數S是嚴格守恆的。奇異粒子可以分別獨立地衰變成幾個普通粒子,所需的時間比較長,是通過弱相互作用實現的。弱相互作用中,奇異數S可以不守恆,ΔS=0,±1。

如果在弱相互作用過程中,宇稱可以不守恆,則θ-τ疑難將迎刃而解。

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