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      粒子的動力學模型的應用和強子的質(zhì)量

      2013-11-06 02:19:56張一方
      商丘師范學院學報 2013年6期
      關鍵詞:拉氏夸克介子

      張一方

      (云南大學物理系,云南 昆明 650091)

      0 引言

      粒子物理和場論中的動力學研究長期以來一直是一個重要問題.僅在《Physical Review D》中2006年標題含動力學的論文就有68篇,2007年有59篇.Sannino等比較了不同夸克場散射振幅與手征動力學的關系[1].Jain等討論了由一個任意弱長程吸引力經(jīng)變分方法導致的動力學手征對稱性破缺[2].Fraga等研究了純SU(2)規(guī)范理論中退耦相變的Langevin動力學[3].Doff探討了標準模型SU(3)LU(1)X推廣的動力學對稱性破缺和TeV能量標度[4].Hong等從弦論研究了重子的手征動力學[5].BABAR協(xié)作組研究了B介子衰變到p珋ph末態(tài)的衰變動力學[6].Dittrich等從Regge作用研究了線性化的動力學[7].Aharony等介紹了動力學超對稱破缺的某些簡單的弦模型[8].Antebi等構造了動力學超對稱破缺的一個簡單的SU(5)局域模型[9].基于粒子的動力學模型及其拉氏量和方程,筆者進行了某些數(shù)學研究,探討了相關的應用,并定量討論了強子質(zhì)量.

      1 拉氏量和動力學模型

      粒子物理中的拉氏量,最廣泛的是相互作用統(tǒng)一及其破缺的拉氏量[10].它們基本由三類組成:自由場及其自相互作用項、彼此相互作用項和質(zhì)量項.非Abel規(guī)范理論具有嚴格的定域?qū)ΨQ性,則規(guī)范場的質(zhì)量一定是零.但一般粒子都有質(zhì)量,這表示定域?qū)ΨQ性被破壞,質(zhì)量常常由相互作用導致.它包括旋量場ψ、標量場φ和矢量場Aμ等.ψ可以描述自旋為1/2的基態(tài)粒子(包括輕子、夸克、重子),方程是有相互作用的Dirac方程.而自旋為0的介子相應于標量場φ和Klein-Gordon(KG)方程.標量場也可以描述對稱性破缺并獲得質(zhì)量的Higgs場,決定自旋相同的強子之間彼此的縱規(guī)律.無質(zhì)量時其對應Goldstone粒子.矢量場Aμ描述矢介子,它是弱相互作用的中間矢量玻色子,或者夸克相互作用的膠子,質(zhì)量為零時可以是光子,對應電磁相互作用.其對應自旋不同的粒子之間的橫規(guī)律.

      Weinberg-Salam弱電統(tǒng)一理論[10]的運動方程為:

      SU(3)對稱性的拉氏量已經(jīng)包含在相互作用統(tǒng)一的拉氏量中.由后者可以導出動力學模型(DM)[11]及相應的各種公式,Higgs的拉氏量等.

      動力學模型的拉氏量為[12]:

      于是,運動方程為[12]:

      在動力學模型中,重子能級由ψ場方程導出,標量介子的能級由φ場方程導出,而矢量介子的能級由Aμ場方程導出.φ和Aμ場方程代入ψ場分別得到重子的縱、橫規(guī)律:粒子規(guī)律表中的音階諧振子和GMO質(zhì)量公式及我們提出的對基態(tài)強子完全符合實驗的修改的質(zhì)量公式[11,13]:

      最近筆者由一般的具有振動和轉(zhuǎn)動兩種運動狀態(tài)的突現(xiàn)弦(emergence string)方程就可以得到粒子的GMO質(zhì)量公式及(6),并研究了對稱的強子壽命公式[14].

      φ場方程代入Aμ場方程是矢量介子的縱規(guī)律.Aμ場方程代入φ場方程得到標量介子的橫規(guī)律.φ場導致對稱性破缺,并由此獲得質(zhì)量.對φ-ψ場,Higgs破缺對稱性時是孤子解,說明基態(tài)、縱規(guī)律穩(wěn)定;對Aμ-ψ場則是類孤子解,說明共振態(tài)、橫規(guī)律不穩(wěn)定.各種具體機制的區(qū)別主要是φ和ψ場相互作用的具體形式.動力學模型符合SU(3)理論的結果,認為強子只是同一粒子的超多重態(tài),僅僅量子數(shù)S、I不同而質(zhì)量有所差異.

      2 動力學模型的某些應用

      ψ=Aμ=0時,簡化后的動力學模型方程為[11]:

      這與SLAC袋模型方程φ=4λ(φ2-f2)φ完全相同,其靜態(tài)解為

      方程可以再簡化為□φ=0,這是一次近似,類似袋模型內(nèi)部的場方程□φ=0,對應于Goldstone粒子.對球?qū)ΨQ二維方程是

      完全類似弦方程

      Lorentz條件下,φ=0時,(5)化為

      積分一次可得

      積分常數(shù)C=B2/2μ2時,方程的解為

      這種解不是波動方程型的Green解.但Aμ方程的精確解代入ψ方程(3),非相對論近似時也是Morse勢和GMO公式及(6),取近似時化為諧振子勢及其能級.

      對稱陀螺型的轉(zhuǎn)動[15],能級是

      C=2A時與介子的推廣的GMO公式[11]完全相同.相應的方程化為

      其解可以化為超比函數(shù).進一步,由方程可以導出Goldstone超導解,Higgs渦線解(對應弦),又類似超導渦線.

      3 動力學模型的若干具體結果

      短程時標量場的解為

      此勢在r→0時為-∞,即斥力無窮大;在r比較大時為0,這表示短程相互作用.而近似解是電磁場的庫侖勢、常數(shù)勢及弦勢等之和.方程的孤子解和Green解統(tǒng)一.近似時各是庫侖勢φ∝1/r和弦勢φ∝r.這聯(lián)系于決定 ψ =c珋c 質(zhì)量的唯象勢[16,17]

      后者是線性勢,而前者聯(lián)系于庫侖勢,所以此時電磁相互作用應該取一定作用.此勢對應于夸克具有的漸近自由和紅外奴役二重性.弦、袋等模型為此引入唯象的非線性自相互作用的Higgs標量場.粲素的非相對論勢

      也是符合QCD漸近自由的勢,其中[18]V0= -0.76 GeV,αs=0.27,g=0.25 GeV,二者數(shù)值近似相等.(17)式中μ2=-2,則完全一致.

      動力學模型可以簡化為振動-轉(zhuǎn)動模型[11,19,20],此時不同粒子是各種振動-轉(zhuǎn)動能量的函數(shù).它是把粒子內(nèi)部特性的量子數(shù)歸為一般時空或者特殊時空(如S-I或Q-U時空)的運動狀態(tài).介子質(zhì)量公式的參數(shù)B為負說明轉(zhuǎn)動使質(zhì)量變小,這種反常似乎表明轉(zhuǎn)動不是在一般的空間中.而一般弦也可以有振動-轉(zhuǎn)動,由此導致相同的質(zhì)量公式[14].

      按照振動-轉(zhuǎn)動模型,重子只有一個穩(wěn)定的核心(質(zhì)子p),其余只是外層不斷增大的重子,至多是某些軌道比較穩(wěn)定.而外圍增大時通常更加不穩(wěn)定,這應該是共振態(tài)壽命特別短的原因.SU(4)等夸克模型中必然存在udc等粲重子.如果二者統(tǒng)一,則粲重子就是軌道特別穩(wěn)定的粒子.介子無穩(wěn)定核心,它們經(jīng)Ross公式穩(wěn)定于μ子、電子e.粒子在基態(tài)低能時SU(3)符合最好,而高能激發(fā)態(tài)時,由于各種因素增多符合變差.一般而言,重子、介子的核心分別是p和π,它們分別對應于Dirac方程和KG方程.

      動力學模型最后簡化為諧振子模型時,質(zhì)量公式近似等距.動力學弦是聯(lián)系各種粒子的機制,是使粒子激發(fā)到各種振動-轉(zhuǎn)動態(tài)的場,如此則更類似弦,而整個粒子結構類似袋.袋也導致Regge極.

      已知Regge極S=AJ+B,我們曾提出對稱的寬度公式Γ=aJ+b[11].二者結合可以得到公式

      共振態(tài)的質(zhì)量平方和寬度是線性關系.QCD等把漸近自由歸為耦合常數(shù),動力學模型是把其歸為勢.如此則與短程相互作用剛好相反,是一種特殊的相互作用.

      質(zhì)量公式(6)可以化為S、I完全對稱的形式:

      它實質(zhì)上反映的是強子對稱群的關系.按上述公式,對介子A=0,JPC=1--的 ρ,K*,ω,φ,由 m(ρ)=775.5=M0+2B和m(K*)=894=M0+B/4,可得參數(shù)B= -67.7和M0=910.9(S=0,I=0)≈[m(ω)+m(φ)]/2=(783+1019)/2=901.質(zhì)量、壽命的精確公式必須包括二次項,也許只能作為微擾引入.

      實際上,動力學模型只是討論已知粒子之間的關系,特別是由動力學方程導致質(zhì)量公式.這類似解Schrodinger方程導出氫原子的能級.最基本的粒子:質(zhì)子p,電子e,它們的質(zhì)量只能由基本參數(shù)決定,在Dirac方程中它們是給定的.而其它粒子的質(zhì)量則由相互作用決定,如對標量場方程:

      動力學模型中,Morse勢為:

      當r→∞時,U=D是常數(shù),表示強相互作用是勢阱.Morse勢和諧振子勢當r→r0時,都有U=0,這表示漸近自由,指出粒子在核心處無相互作用.

      進一步,Morse勢加諧振子勢為:

      相應的方程為:

      其能級近似為:

      由上述能級可知,量子數(shù)n可以加不同系數(shù),由此可以認為它們就是不同量子數(shù),二者之比是.新量子數(shù)決定質(zhì)量等距.它可能是C、B等量子數(shù).

      粒子結構本身及其量子數(shù)說明其具有振動-轉(zhuǎn)動態(tài).這一特性在實驗中應該有所反映.動力學模型經(jīng)拉氏量可以和很多模型互相結合.動力學模型應該隨拉氏量及其方程發(fā)展.拉氏量有所不同時,許多結果仍然相同.這說明拉氏量具有一定的任意性,但其中又有統(tǒng)一性.拉氏量都包含相互作用.其中φ場的孤子解幾乎都可以化為指數(shù)形式,其近似時正比于r.這說明表面神秘的類似性可能都是源于指數(shù)形式的短程相互作用.

      一般假設對稱性推廣到SU(4)時出現(xiàn)新的量子數(shù)C.動力學模型推廣到SU(4),可以認為是新的振動自由度,或者SU(4)時破缺不同,質(zhì)量公式不同.動力學模型主要就是導出勢,如Morse函數(shù)U(r)等.進一步,動力學模型及振動-轉(zhuǎn)動模型也許可以應用于分子、原子核等理論中.

      引入色的截面比R=σ(e+e-→h)/σ(e+e-→μ+μ-)和π0→γγ都是與夸克數(shù)、電荷有關.這類似磁矩與電荷有關.它們隨能量E增高而變大,則部分子-夸克數(shù)N也應該隨之增多,這樣N是E的函數(shù).動力學模型能量增大,方程及其破缺具有更大的對稱性SU(3)→SU(4,5,6)等.但是無矢量場時,QCD的SU(n)方程、拉氏量都相同.能量不同,有新量子數(shù)C似乎可以歸為破缺不同.動力學模型應該與MSM、統(tǒng)計模型相結合.統(tǒng)計方程與拉氏量結合.

      QCD、拉氏量有所不同的主要是矢量場、膠子場及其相互作用項.當Aμ=0時,拉氏量為:

      由此就可以得到Dirac方程.動力學模型中,動力學破缺對稱性,再加標量場及其相互作用項.勢V(r)代人Schrodinger方程:

      可以化為常微分方程:

      設y'=yu(x),得黎卡提方程:

      歐勒型方程r2R″+rR'-n2R=0的解R=Crn+D/rn,n=1時即上述勢(17)(18).

      4 強子的質(zhì)量

      基態(tài)介子是π,K,η(JPC=0-+),它們的數(shù)目分別是3、2、1個,一共有6個粒子.

      基態(tài)重子是N,Λ,Σ,Ξ(JP=(1/2)+),它們一共是8個粒子.對JP=(3/2)+的重子 Δ,Σ,Ξ,Ω,它們的數(shù)目分別是 4、3、2、1 個,一共有10 個.

      對JP=(1/2)+的基態(tài)重子,N(939)躍遷到最低激發(fā)態(tài)(1/2)+的N(1445±25),質(zhì)量差為506;躍遷到下一個激發(fā)態(tài)(3/2)-的N(1445±25),質(zhì)量差為581.Λ(1115)躍遷到最低激發(fā)態(tài)(1/2)-的Λ(1406±4),質(zhì)量差為291.Σ+(1189)躍遷到最低激發(fā)態(tài)(3/2)+的Σ+(1382),質(zhì)量差為193.Ξ-(1321)躍遷到最低激發(fā)態(tài)(3/2)+的Ξ-(1535),質(zhì)量差為214.對JP=(3/2)+的重子,Δ(1232)躍遷到最低激發(fā)態(tài)(1625±75),質(zhì)量差為393.Ω(1672)躍遷到最低激發(fā)態(tài)(2252 ±9),質(zhì)量差為580[21].它們的質(zhì)量差之比近似為:5∶6∶3∶2∶2∶4∶6.

      對JP=0-的基態(tài)介子,π(140)躍遷到最低激發(fā)態(tài)的介子η(548),質(zhì)量差為408.K(496)躍遷到最低激發(fā)態(tài)(894),質(zhì)量差為 398.對輕子,e(0.511)躍遷到下一個激發(fā)態(tài) μ(105.658),質(zhì)量差為 105[21].它們的質(zhì)量差之比近似為:4∶4∶1.

      Kunstmann等提出相對論自旋1/2粒子的基本質(zhì)量量子[22].他們引入M=α-1me=70 MeV,m(μ)≈1.5 M=105 MeV,m(τ)≈ =25.5M=1785 MeV,對輕子是半整數(shù).推廣到介子是整數(shù),m(π±)=2M=140 MeV,m(K±)≈7M=490 MeV,m(η)≈8M=560 MeV,m(D±)≈27M=1890 MeV.對重子是半整數(shù),m(n)≈13.5 M=945 MeV.但 m(Λ)≈16M=1120 MeV.

      筆者曾探討過代的結構關系和重味強子的質(zhì)量公式等[23].但隨著重味強子的不斷增多,其質(zhì)量關系也越來越復雜.對重味夸克介子和族具有極好的對稱性,都符合QCD,兩方面基本類似[24].

      5 動力學模型可能的發(fā)展

      筆者探討了粒子物理中的各種統(tǒng)一.它們包括相互作用統(tǒng)一和規(guī)范場,場、粒子及其方程的統(tǒng)一,低高能時的統(tǒng)一,統(tǒng)一和非線性理論的關系等.并且提出它們也許可以統(tǒng)一到統(tǒng)計性[25].粒子物理中一般的拉氏量必須包含五類場:ψB(重子,夸克)、ψL(輕子)、Aμ(超強相互作用的膠子,電磁相互作用的光子)、Bμ(弱相互作用的中間矢量玻色子)和φ(Higgs粒子,強相互作用介子)及各種場量的組合對應的各種粒子間的相互作用.這些就是相互作用統(tǒng)一的拉氏量及相應的群.

      假設介子的核是輕子時,相應的方程是Dirac方程;附加旋量場導致振動,產(chǎn)生介子及相應的質(zhì)量公式,再以此為核心形成振動-轉(zhuǎn)動態(tài)的各介子.由此形成e→μ→π→其它介子的結構,定量的質(zhì)量關系就是推廣的 Rosen -Ross公式[11]m=me(1+n/2α).

      動力學破缺的動力學模型的數(shù)學結果是唯一的,但其可以有不同的簡化結果.進一步的發(fā)展可以聯(lián)系于:(1)夸克、部分子模型,QCD假設夸克-膠子存在,其對稱性破缺后是動力學模型,由此導出弦、袋等夸克幽禁的勢;或者一開始就假設動力學破缺,夸克不一定存在;或者是幻夸克的MSSM[11].(2)動力學破缺是Higgs機制加鬼場.Higgs破缺導出粒子質(zhì)量,鬼場對應Goldstone玻色子.(3)規(guī)范場及相互作用統(tǒng)一及其破缺,這聯(lián)系于流代數(shù)、Higgs力學、Goldstone粒子等.(4)QCD、QFD,QCD對稱性被Higgs機制或動力學破缺.(5)Regge極與Veneziano模型,包括胡寧等的諧振子理論[26],它們都統(tǒng)一在拉氏量及方程中.(6)雙關模型及弦、袋等.(7)孤子、二維Sine-Gordon方程等價于Thirring模型.目前似乎主要只有統(tǒng)計模型及其碰撞理論還與此無關.

      按照動力學模型基態(tài)粒子的各組成部分彼此接近,所以是弱相互作用及其衰變;而共振態(tài)橫振動的各部分距離較遠,所以是強相互作用及其衰變.對粒子的砂子-軟物質(zhì)(soft matter)模型,大量砂子構成粒子的軟物質(zhì)模型.由此可以對應粒子流體力學模型;流動的顆??梢孕纬深惞伦?,這又對應夸克-部分子.這即砂子流動或運動時形成夸克.

      按照振動-轉(zhuǎn)動模型,粒子衰變應該有一個核.不同衰變道即從同一高激發(fā)態(tài)躍遷到不同的低激發(fā)態(tài).這類似于原子的光子輻射.不同的光譜系對應于不同的衰變道.量子力學中的能量對應于衰變道、分支比中的寬度.不同類的衰變道類似不同類的光譜.衰變道可以由此結合統(tǒng)一的衰變公式[11].由此修改、發(fā)展及結合動力學模型的拉氏量有可能導致衰變及相應的流代數(shù)等.按照動力學模型基態(tài)粒子的各組成部分彼此接近,所以是弱相互作用及其衰變;而共振態(tài)橫振動的各部分距離較遠,所以是強相互作用及其衰變.由此修改、發(fā)展及結合動力學模型的拉氏量應可以導致衰變及相應的流代數(shù)等.

      總之,對稱性及其破缺已經(jīng)由實驗證實是粒子物理中一個極其重要的特性.其中動力學破缺應當是一個非常具有豐富內(nèi)容的發(fā)展方向.

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