轻子核物理：话旧论新

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1、轻子核物理：话旧论新宁平治李磊罗延安轻子与原子核概述子相比有以下优点：①到目前为止，实验上尚未发近百年来，人们对构成物质世界基本“砖块”现轻子有内部结构，因此，在研究轻子－核子相互的认识不断发展深化。从原子到原子核，再到核子作用时，可以不考虑轻子的内部结构，把它看作“点”内的夸克（图1）。这些认识大多是通过散射实验获粒子；②轻子与核子之间的相互作用为电磁相互作得的，如用从加速器出来的高速质子或电子（通称用和(或)弱相互作用，随着电弱统一理论的建立，探针）轰击靶粒子。这里感兴趣的是通过电子探针理论上对电弱相互作用的认识比对强相互作用的认来探测原子核的结构和性质。识要

2、清楚得多；③在以电子—质子散射为例研究轻子—核子相互作用时，因为电子质量远小于质子质量，在实际计算中常可忽略不计，从而使计算大大简化。电子与原子核的相互作用现在进一步讨论电子与原子核相互作用的特点。图3是电子与原子核相互作用示意图。入射电图1原子—原子核—夸克子与原子核电磁相互作用的传媒粒子是光子，通过实际上，从20世纪50年代初开始，电子探针交换虚光子将一定能量和动量转移给靶核。散射电已用于核结构研究。1955年，美国斯坦福大学的子将携带核内信息。Hofstadter和McAllister首先利用电子—质子弹性散射实验测量了质子大小。今天，美国杰弗逊国家实验室（

3、JLab）的连续电子束设备(CEBAF)提供的高品质，高亮度，高能量分辨率的电子束流，为用电子探针研究原子核性质创造了更好的条件。通过电子弹性、准弹性、非弹性以及深度非弹性散射等过程的实验数据，已经和正在提取大量有关原子核结构与核子结构的信息。图3电子与原子核相互作用示意图除电子外，还有μ子、τ子及其相应的中微子(电子中微子、μ子中微子和τ子中微子)构成轻子家族。按照入射电子德布罗意波长不同，电磁相互作这六种“味”的轻子连同六种“味”的夸克（u、d、用既可以施加到整个原子核的尺度上，也可以只作s、c、b、t、）构成物质世界的基本“砖块”，即所用到较小的核子尺度上，

4、因而可以方便地用来分别谓“标准模型”（图2）。探测原子核的整体性质和局部性质（参见图4）。在研究由电子探针提取核内信息时，把握好电子探针能量标度与原子核内的空间尺度间的关系是必要的。例如，对于非弹性电子散射（e,e′）过程，电磁相互作用的传媒粒子是虚光子，其德布罗意波长λ与电子转移给靶的动量q的关系为λ≌1.25/q,此22处q的单位为GeV/c（亦常用Q≡−q）。对于低能电子探针，q<0.3GeV/c，相应长度分辨率约为图2物质基本“砖块”的“标准模型”5~10fm，即只能探知原子核的整体性质（如表面效作为研究核子和原子核结构的探针，轻子与强应等）；当q≈1Ge

5、V/c，可探知核内单个核子性质和·36·现代物理知识核介质效应；对大动量转移情况，q>2GeV/c，应可生的中微子进行各种实验。除了这些人工的中微子探知核内夸克效应。源以外，还有天然中微子源，如太阳中微子、大气在研究由电子探针提取核子内信息时，同样通中微子、超新星中微子等。2过改变动量转移Q来改变电磁探针的波长：当Q<基本粒子的标准模型假定中微子的质量为零。20.1GeV，可探测核子整体（如核子电荷半径）；当当代的认识是，中微子的质量不为零，是略大于零222Q为0.1~10GeV，可探测核子内部结构；当Q>20的有限值。它的绝对值是多少，仍是实验和理论探2GeV则

6、属于微扰QCD标度。讨的问题。如果中微子存在振荡现象,就必须以轻子数不守恒和修改标准电弱模型为代价。所以一般认为，中微子振荡现象及相关参数的实验测定涉及物理学基本理论问题，因而受到国际关注。什么是中微子振荡？标准模型中三种味的中微子νe，νμ，ντ可认为是三个不同的弱作用本征态，对应的三种轻子数近于分别守恒。中微子相互作用总哈密顿量为Hi=H0i+Hwi，其中第一项H0i表示使轻子数分别守恒的相互作用，第二项Hwi是使轻子数改变的相互作用。如果Hwi=0，则三种味的中微子νe，νμ，ντ不仅是弱作用本征态，而且也是总哈密顿量Hi的本征态，即能量和质量的本征态。如果

7、Hwi≠0，则弱作用本征态不再是能量和质量的本征态。但仍可找到Hi的新的能量本征态ν123,,νν和相应的能量本征值E1，E2，E3。态νi(i=1,2,3)和态να(α=e,μ,τ)之间通过一个么正变换Uαi相联系：νi＝∑Uαiνα，α＝e,μ,τ,i=1,2,3或用3×3矩阵表示为α图4不同转移动量电子探针示意图对原子核的非弹性电子散射探测到核内不同距离尺度⎛⎞νe⎛⎞UUUe1e2e3⎛⎞ν1⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟ννμμ=⋅⎜⎟UUU1232μμ⎜⎟中微子与原子核的相互作用⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟ν⎝⎠UUUτττ1233⎝⎠ν⎝⎠τ上面介绍的是轻子家族中的电子与原子

8、核的相互作