在粒子物理學中,味或風味(英文︰Flavor)是基本粒子的一種量子數。在(量子色動力學)中,味是一種總體對稱。另一方面,在(電弱理論)中,這種對稱被打破,因此存在味變過程,例如夸克衰變或(中微子振盪)。
概述
如果有兩種以上的粒子擁有相同的相互作用,那麼它們可以在不影響物理的情況下互相交換。只要兩者成正交或互相垂直,這兩種粒的任何(複數)線性組合,都會有着相同的物理。換句話說,該理論擁有對稱變換,例如,其中u及d是兩種場,而M則是任何行列式為1的2 × 2(幺正矩陣)。這樣的矩陣組成一種叫(SU(2))的李群。這是味對稱的一個例子。
“味”這個詞最早在1968年所創,用於強子的(夸克模型)。
味量子數
輕子
所有(輕子)都帶有(輕子數)L = 1。另外,輕子同時帶有(弱同位旋)T3,三種帶電荷輕子(即電子、(μ子)和(τ子))的弱同位旋為−1⁄2,而它們的中微子則為+1⁄2。每一個由帶電輕子及中性輕子(兩者有着相反的弱同位旋)組成的雙重態,組成輕子的一代。另外,有一種量子數叫(弱超荷),YW,所有(左手性)輕子的弱超荷皆為−1。弱同位旋與弱超荷在標準模型中都是規範的。
輕子共有六種“味”量子數:電子數、μ子數、τ子數及三種中微子的對應數。它們在電磁相互作用中守恆,但在弱相互作用中則被破壞。因此,這些“味”量子數並沒有甚麼大用途。每一代一個量子數反而更有用,電數(電子與電中微子的值為+1)、μ數(μ子與μ子中微子的值為+1)及τ數(τ子與τ子中微子的值為+1)。然而,這些數還是不會絕對守恆,因為不同代的中微子會混合;也就是說,一個味的中微子(可以變成另一個味)。這種混合的強度由一個矩陣所定,叫(龐蒂科夫-牧-中川-坂田矩陣)(PMNS矩陣)。
夸克
所有夸克都帶有(重子數)B = 1⁄3。它們還帶有弱同位旋T3 = ±1⁄2。T3為正的夸克(上、魅及頂)叫“上型夸克”,T3為負的(下、奇及底)叫“下型夸克”。每個有上型及下型夸克的雙重態,都各自組成夸克的一個代。
夸克擁有以下的味量子數:
- (同位旋),上夸克的值為I3 = 1⁄2,而下夸克的值則為I3 = −1⁄2。
- 奇異數(S):由(默里·蓋爾曼)所引進的一個量子數。奇夸克的奇異數被定義為-1。
- (魅數)(C),魅夸克的魅數值為+1。
- (底數)(B′),底夸克的底數值為−1。
- (頂數)(T),頂夸克的頂數值為+1。
因為它們在電磁及強相互作用中都守恆(但不是在弱相互作用中),所以它們是有用的量子數。可以從它們中建立新的導出量子數:
- (超荷)(Y):Y = B + S + C + B′ + T
- 電荷: Q = I3 + 1⁄2Y(見(蓋爾曼-西島關係))
某一種味的夸克是哈密頓算符弱相互作用部份的(本徵態):它會跟W及Z玻色子有一種固定的相互作用方式。另一方面,一固定質量的費米子(哈密頓算符的強相互作用及動能部份的(本徵態)),一般是多種味的疊加態。因此,在量子態自由傳播時,其內含的夸克可能會轉變。夸克這種從味態變成質量態的轉變,數學上由卡比博-小林-益川矩陣((CKM矩陣))所描述。這個矩陣與中微子的PMNS矩陣有異曲同工之處,它定義了夸克在弱相互作用下味變間的強度。
在有最少三代的時候,CKM矩陣就能夠描述(CP破壞)。
反粒子及強子
味量子數是可相加的。因此反粒子的味與對應粒子的大小相同,但正負相反。強子從它們的(價夸克)l中得到味量子數:這是(夸克模型)的分類基本。超荷、電荷及其他味量子數對於強子也成立,對夸克也是。
量子色動力學
- 味對稱跟(手徵對稱)有着密切的關係。建議把以下這節跟(手徵性)一同閱讀。
(量子色動力學)(QCD)中夸克有六種味。然而,它們的質量不一。因此,嚴格來說它們不能被互相交換。上及下夸克的質量很接近,幾乎一樣,因此二夸克理論擁有大概的SU(2)對稱((同位旋)對稱)。在某些情況下,可以把Nf種夸克視為相同質量,然後得到有效的SU(Nf)味對稱。
在某些情況下,夸克的質量可以被完全忽略。在這個情形下,每一種夸克味都有一種(手徵對稱)。這時可以把每個夸克場的味變換,分成左手性和右手性兩部份。那麼味群就是手性群SUL(Nf) × SUR(Nf)。
如果所有夸克的質量都一樣,那麼手徵對稱就會被破壞成“對角味群”的“向量對稱”,它會對夸克的兩種(螺旋性)作出一樣的變換。這樣的一種對稱縮化叫“明確對稱性破缺”。明確對稱性破缺的量,是由QCD中的所控制的。
即使夸克沒有質量,如果真空內有(跟低能量QCD時一樣),手徵味對稱也會被(自發破壞)。因此造成夸克的有效質量,一般在QCD中叫。
QCD的對稱
實驗分析指出,較輕的夸克味的現時質量,比起QCD的ΛQCD要小得多,因此對於上、下及奇夸克,與(QCD)是近似的。的成功,以及相對簡單的,都是利用上述這一點。從(夸克模型)所得出的價夸克質量,比現時的夸克質量要大得多。由此可見,形成時,QCD會產生自發手徵對稱破缺。可能會以其他方式破壞手徵味對稱。
守恆定律
絕對守恆的味量子數有:
- 電荷(Q)
- (弱同位旋)(I3)
- (重子數)(B)
- (輕子數)(L)
在一些理論中,如果子(B-L)守恆的話,重子數及輕子數的守恆能被個別破壞。其他味量子數守恆都被(電弱相互作用)作破壞。(強相互作用)中味守恆。
另見
參考資料
- S. Raby, R. Slanky. (PDF). Los Alamos Science. 1997, (25): 64 [2011-07-28]. (原始内容 (PDF)存档于2011-08-31).
- D.J. Griffiths. Introduction to Elementary Particles. John Wiley & Sons. 1987. .
外部連結
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