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味 (粒子物理学)

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粒子物理学中,风味(英文︰Flavor)是基本粒子的一种量子数。在量子色动力学中,味是一种总体对称。另一方面,在电弱理论中,这种对称被打破,因此存在味变过程,例如夸克衰变或中微子振荡

概述

如果有两种以上的粒子拥有相同的相互作用,那么它们可以在不影响物理的情况下互相交换。只要两者成正交或互相垂直,这两种粒的任何(复数)线性组合,都会有着相同的物理。换句话说,该理论拥有对称变换,例如,其中ud是两种场,而M则是任何行列式为1的2 × 2幺正矩阵。这样的矩阵组成一种叫SU(2)李群。这是味对称的一个例子。

“味”这个词最早在1968年所创,用于强子夸克模型

味量子数

轻子

所有轻子都带有轻子数L = 1。另外,轻子同时带有弱同位旋T3,三种带电荷轻子(即电子μ子τ子)的弱同位旋为−12,而它们的中微子则为+12。每一个由带电轻子及中性轻子(两者有着相反的弱同位旋)组成的双重态,组成轻子的一。另外,有一种量子数叫弱超荷YW,所有左手性轻子的弱超荷皆为−1[1]。弱同位旋与弱超荷在标准模型中都是规范的。

轻子共有六种“味”量子数:电子数、μ子数、τ子数及三种中微子的对应数。它们在电磁相互作用中守恒,但在弱相互作用中则被破坏。因此,这些“味”量子数并没有什么大用途。每一代一个量子数反而更有用,电数(电子与电中微子的值为+1)、μ数(μ子与μ子中微子的值为+1)及τ数(τ子与τ子中微子的值为+1)。然而,这些数还是不会绝对守恒,因为不同代的中微子会混合;也就是说,一个味的中微子可以变成另一个味。这种混合的强度由一个矩阵所定,叫庞蒂科夫-牧-中川-坂田矩阵(PMNS矩阵)。

夸克

所有夸克都带有重子数B = 13。它们还带有弱同位旋T3 = ±12T3为正的夸克(上、魅及顶)叫“上型夸克”,T3为负的(下、奇及底)叫“下型夸克”。每个有上型及下型夸克的双重态,都各自组成夸克的一个

夸克拥有以下的味量子数:

  • 同位旋,上夸克的值为I3 = 12,而下夸克的值则为I3 = −12
  • 奇异数S):由默里·盖尔曼所引进的一个量子数。奇夸克的奇异数被定义为-1。
  • 粲数C),粲夸克的粲数值为+1。
  • 底数B′),底夸克的底数值为−1。
  • 顶数T),顶夸克的顶数值为+1。

因为它们在电磁及强相互作用中都守恒(但不是在弱相互作用中),所以它们是有用的量子数。可以从它们中建立新的导出量子数:

某一种味的夸克是哈密顿算符弱相互作用部分的本征态:它会跟W及Z玻色子有一种固定的相互作用方式。另一方面,一固定质量的费米子(哈密顿算符的强相互作用及动能部分的本征态),一般是多种味的叠加态。因此,在量子态自由传播时,其内含的夸克可能会转变。夸克这种从味态变成质量态的转变,数学上由卡比博-小林-益川矩阵(CKM矩阵)所描述。这个矩阵与中微子的PMNS矩阵有异曲同工之处,它定义了夸克在弱相互作用下味变间的强度。

在有最少三代的时候,CKM矩阵就能够描述CP破坏

反粒子及强子

味量子数是可相加的。因此反粒子的味与对应粒子的大小相同,但正负相反。强子从它们的价夸克l中得到味量子数:这是夸克模型的分类基本。超荷、电荷及其他味量子数对于强子也成立,对夸克也是。

量子色动力学

味对称跟手征对称有着密切的关系。建议把以下这节跟手征性一同阅读。

量子色动力学(QCD)中夸克有六种味。然而,它们的质量不一。因此,严格来说它们不能被互相交换。上及下夸克的质量很接近,几乎一样,因此二夸克理论拥有大概的SU(2)对称(同位旋对称)。在某些情况下,可以把Nf种夸克视为相同质量,然后得到有效的SU(Nf)味对称。

在某些情况下,夸克的质量可以被完全忽略。在这个情形下,每一种夸克味都有一种手征对称。这时可以把每个夸克场的味变换,分成左手性和右手性两部分。那么味群就是手性群SUL(Nf) × SUR(Nf)

如果所有夸克的质量都一样,那么手征对称就会被破坏成“对角味群”的“矢量对称”,它会对夸克的两种螺旋性作出一样的变换。这样的一种对称缩化叫“明确对称性破缺”。明确对称性破缺的量,是由QCD中的净夸克质量所控制的。

即使夸克没有质量,如果真空内有手征凝聚物(跟低能量QCD时一样),手征味对称也会被自发破坏。因此造成夸克的有效质量,一般在QCD中叫价夸克质量。

QCD的对称

实验分析指出,较轻的夸克味的现时质量,比起QCD的截断能标ΛQCD要小得多,因此对于上、下及奇夸克,手征味对称与QCD是近似的。手征摄动理论的成功,以及相对简单的手征模型,都是利用上述这一点。从夸克模型所得出的价夸克质量,比现时的夸克质量要大得多。由此可见,手征凝聚物形成时,QCD会产生自发手征对称破缺。其他QCD相可能会以其他方式破坏手征味对称。

守恒定律

绝对守恒的味量子数有:

在一些理论中,如果子(B-L)守恒的话,重子数及轻子数的守恒能被个别破坏。其他味量子数守恒都被弱电相互作用作破坏。强相互作用中味守恒。

另见

参考资料

  1. ^ S. Raby, R. Slanky. Neutrino Masses: How to add them to the Standard Model (PDF). Los Alamos Science. 1997, (25): 64. (原始内容 (PDF)存档于2011-08-31). 
  • D.J. Griffiths. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. ISBN 0-471-60386-4. 

外部链接

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