《粒子物理学教学讲义》5.4-正反粒子变换-g变换.pdf

第4节 正反粒子共轭变换（C变换）、G变换 一、正粒子和反粒子 1. Dirac⽅程、负能态和Dirac空⽳理论 •  1928年，Dirac提出⼀个相对论性的电⼦运动⽅程——Dirac ⽅程； •  Dirac⽅程能够给出正确的关于氢原⼦精细结构的描述；可以 给出正确的电⼦磁矩等，它的结果和实验符合得很好，因此其 正确性得到了检验。 •  但是，根据Dirac⽅程，电⼦既有正能态，也有负能态，负能 Dirac “ ”: 态的理论解释很困难。 将负能态解释成为 空⽳ 35 1 这个结果表明：如果有一个电子处于某正能态，则任意小的 扰动都有可能促使它跳到负能态而放出能量． 同时，由于负能态的分布包含延伸到负无穷大的连续谱，这 个释放能量的跃迁过程可以一直持续不断的进行下去，这显 然在物理上是不合理的。 按照Dirac的这个假设，真空并不是没有电子的态．由于电 子是自旋为1/2的粒子，满足Pauli不相容原理，每一个状态 中只能容纳一个电子， 因此负能态必须都已填满电子，它不能放出能量从而输出 信号，这也正符合真空态的基本性质． 35 2 如果把一个电子从负能态激发到正能态去，需要从外界输入至 少两倍电子静能量的能量． 这表现为可以看到一个正能态的电子和一个负能态的空穴．按 照电荷和能量守恒的要求，这个负能态的空穴应表现为带电荷 +e，并且也具有相当于一个电子静止能量的能量． 换言之，这个空穴表现为一个带电荷+e的电子，即正电子． •  Dirac “ ” “ ” 的 空⽳ 概念是 反粒⼦ 的理论雏形。 35 3 2. 反粒⼦存在的早期实验证据及反粒⼦概念的阐论阐释 1932年，在宇宙线实验中发现了正电⼦；Dirac的预⾔得到证 实。 1955年，在加速器实验中发现的反质⼦，它的质量和质⼦相同， 带单位负电荷。 1956年，在加速器实验中发现了反中⼦，它的质量和中⼦相同， 不带电。反中⼦和中⼦的差别：中⼦的磁矩和⾃旋反号，反中 ⼦的磁矩和⾃旋同号。 这些发现表明，各种粒子都有相应的反粒子存在，这个规律是 普遍的． 35 4 现在在粒子物理中，已不再采用Dirac的空穴理论来认识正反粒 子之间的关系，而是从正反粒子完全对称的场论观点来认识． 按照量子场论提供的图象，一般说来，场的激发态表现为 粒子．场的任一种激发状态都有与之对应的复共轭的激发状态， 这在物理上相应于粒子与反粒子． 粒子和反粒子的质量，寿命，自旋相同，但它们的一切内部相 加性守恒量都互相反号． 某些粒子的一切内部相加性守恒量都为零，反粒子就是他 们自己，这些粒子称为Majorana 粒子或纯中性粒子，相应的 场称为Majorana场或纯中性场。 是否存在没有反粒子的粒子? 中微子可能就是这样的粒子。 35 5 二、正反粒子变换（C变换）及基本性质 正反粒⼦变换定义为⼀切粒⼦换为相应的反粒⼦的变 C 换，⼜称电荷共轭变换（ 变换）。 考察A粒子的态 ， 其反粒子的态记作 A A ʹ C变换的结果一般表为： C A