质子衰变实验进展

按照粒子物理标准模型理论,重子数是绝对守恒的.而大统一理论(GUTs)明确地否定了重子数的对称性,预言质子会衰变成更轻的次粒子.文章论述了质子衰变的物理概念、基本探测条件和主要实验现状,并在探测方法的探讨和探测技术的改进方面融入了一些想法.目前一般认为质子的寿命为τp>1032年左右.质子衰变的探测,对于新理论模型的验证、宇宙学和粒子物理学的发展具有重要意义.     

质子衰变和质子波函数

本文采用了复合粒子场流关系式和软π介子近似等技巧, 在SU(5)大统一规范理论里讨论了质子两体衰变, 如p→π⁰e⁺等. 我们把它与J/ψ→pp衰变振幅联系起来, 这样就可由J/ψ→pp衰变宽度的实验值给出质子零点波函数值, 从而确定质子衰变寿命的大小. 为了估计质子零点波函数给质子寿命带来的不确定性, 利用一个具体模型分析了零点波函数可能的下限. 如果Λ_MS=200 MeV, 这将是对简单的SU(5)大统一规范理论的一个严峻考验. 值得注意的是本文提供了一种把质子衰变过程与其它相关过程联系起来的方法, 这对于确定质子衰变寿命来讲是很有用的.     

质子是永恒不变的吗?

原子核里有质子和中子,它们都是重子.通常认为,自然界中重子数守恒,质子是绝对稳定的.因此,自然界中最轻的原子核氢核以及稳定区的其它各种原子核都是永恒不变的. 最近温伯格和萨拉姆提出的弱相互作用和电磁相互作用统一理论,取得了很大成功.许多物理学家正在研究进一步把强相互作用也包括进去的统一理论[1].他们认为夸克和轻子间存在联系,存在带夸克和轻子量子数的玻色子.在很高能量区域中,弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用将具有相同耦合常数,外推猜测玻色子质量在1015-1016电子伏特.这种理论的一个重要预言是,质子会通过交换上述玻…     

宇宙中的光子数、重子数、及反重子数

在粒子物理与宇宙学二者的结合上,近年已经取得了颇有意义的进展。重子不对称和重子光子数比的起源可以用大统一理论加以解释。由B、C及CP破坏的相互作用可以说明为什么初始重子对称的宇宙能演化成不对称的。目前观测到的重子光子数比10~(-9)可能是由极早期宇宙中的超重玻色子的衰变产生的,在这种衰变中C及CP是破坏的。尽管衰变解释是吸引入的,但它的具体预言很强地依赖于超重玻色子的质量,以致其数值尚不确定。因此。为了进一步考查衰变模型的合理性,至少还要研究其他的可能有影响的过程。在这个意义下,本文还讨论了宇宙早期中的Higgs相变对重子光子比的影响。     

宇宙中的光子数、重子数、及反重子数

在粒子物理与宇宙学二者的结合上,近年已经取得了颇有意义的进展。重子不对称和重子光子数比的起源可以用大统一理论加以解释。由B、C及CP破坏的相互作用可以说明为什么初始重子对称的宇宙能演化成不对称的。目前观测到的重子光子数比10~(-9)可能是由极早期宇宙中的超重玻色子的衰变产生的,在这种衰变中C及CP是破坏的。尽管衰变解释是吸引入的,但它的具体预言很强地依赖于超重玻色子的质量,以致其数值尚不确定。因此。为了进一步考查衰变模型的合理性,至少还要研究其他的可能有影响的过程。在这个意义下,本文还讨论了宇宙早期中的Higgs相变对重子光子比的影响。     

质子放射性和质子衰变

“质子衰变”一词,可以有两个意思:其一,如同α衰变、β衰变,指原子核在衰变过程中释放出α粒子、β粒子,质子衰变,即指放射出质子;其二,指质子本身可能不稳定,要衰变为其它的粒子.为了区分两者,现巳把前一种现象称之为质子放射性,后一种称为质子衰变.无论对那一种现象的研究,在近年来都取得了很大的进展.1.质子放射性 在稳定的原子核中,中子数和质子数有一定比例。当原子核内的中子数少到一定程度时(缺中子核素),从原子核的结合能的变化规律可以知道,原子核能够以释放质子来达到稳定[1].但是,在1982年之前,在实验中只找到一个从原子核同质…     

在地球物质中寻找超重元素

一、超重元素存在的理论预言 到目前为止,已经发现的元素有 107种,核素有1900多种.如果我们以原子核内的中子数N为横坐标。质子数Z为纵坐标,把所有稳定的与放射性的核素标在核素图上,便可以看出,自然界中已知的稳定原子核聚集在中子数接近质子数成一定比例的范围之内,称为稳定带、稳定半岛(见图1).那些中子数或质子数远离稳定带的原子核会发生β衰变(放出正或负电子与中微子)和α衰变;近年来又发现有质子发射;或者俘获电子等转变达到稳定带. 原子序数超过84的重元素都是不稳定的.它们自发地进行α衰变、β衰变或自发裂变等.一般地讲.愈重的…     

原子核双β衰变和轻子数不守恒

 原子核双β衰变实质上是二个单β衰变同时发生的过程,是一个二级弱相互作用过程.原子核单β衰变的一个典型过程是中子衰变为质子,并放出电子和反中微子,即n→p+e^-+（?）_e。自从1914年查德威克测量β衰变的连续谱以来,β衰变的研究一直是原子核物理和粒子物理的重要研究课题之一.我们知道,李政道和杨振宁提出的宇称不守恒定律,就是吴健雄通过原子核的β衰变研究而得到实验证实的.无独有偶的是原子核双β衰变的研究和自然界的另一重要守恒定律--轻子数守恒律是否破坏密切相关.     

来自宇宙空间的亚原子粒子

天鹅星座X-3是太阳系所在的星系,即银河系里最引人注目的天体之一.它不仅发射出X射线和γ射线(两种脉冲射线,而且还可能不断地向地球上喷吐能量极高的宇宙线.目前正在地底下进行的两个实验,又给这些已够惊人的情况进一步增添了新的内容,即天鹅座X-3也许还在朝地球上发射人们前所不知的某种亚原子粒子! 进行这两个实验所使用的仪器,是专门为探索质子衰变而建造的大型探测器.大统一理论认为,质子会在平均1032年之后发生衰变.换句话说,如果人们去观察大量质子,则一两年时间内将会有机会见到少数质子的衰变.但是,要想这种观察能取得预期的结果…     

SU(23)大统一模型

本文构造了一个SU(23)大统一模型,并以中间统一标度M_A为输入计算了大统一标度M_G的一些可能的值.在本模型中,重子数B在规范场和Higgs部分均守恒,因此并无质子衰变发生.我们还对能量在M_A处的规范玻色子按规范群SU(3)_c×SU(3)_L×U(1)_Y进行了分类.     

质子中子星物质的热力学性质

在相对论σ-ω-ρ模型的平均场近似下, 研究了质子中子星物质在均熵状态下的组成、温度和物态方程. 如给定每一个重子的熵, 一些热力学量的值将随重子密度的增加而增加, 当考虑超子时, 这些值会减小. 给定重子密度, 中子在S=2时的组分比S=1时的小, 而质子、电子、μ子在S=2时的组分比S=1时的大, 特别是在低密度区域. S是每个重子的熵. 保持重子密度不变, 在低密度区域, 超子在S=2时的组分比S=1时的大, 在高密度区域则相反. 同样, 在同一重子密度处, S=2时的温度、能量密度及压强分别比S=1时的大. 另外, 有限熵对粒子组分和温度的影响比对质子中子星物质的物态方程的影响大. 还研究了反粒子的贡献, 他们确实很小.     

宇宙的未来

目前有一些流行的理论予言:最稳定的核粒子质子也要发生衰变.如果质子真的发生衰变,那么恒星和星云将要变成什么样子呢?尽管质子平均寿命运10～(30)年之久(宇宙的年龄据估计仅为 10～(10)年),但尽头终归会到来的.当最后一个质子衰变完毕的时候,宇宙将要变成什么样子呢? 如果长期以来被认为是绝对稳定的质子按照最终成为正电子(电子的反粒子)和各种介子这一方式进行衰变,那么一种最后的情景可以予言如下[1]:由于各种介子本身还要进一步衰变,质子能量的最终“继承”情况是:中微子和光子各分到30%,正电子分到35%,其余归电子所得.通常电子和正电…     

大统一理论:回顾与展望

本文系统地讨论了大统一理论的来龙去脉。回顾了大统一理论的发展历史,讨论了其发展现状及存在问题,指出了进一步发展的方向。本文重点介绍了SU(5)和SO(10)两个模型,讨论了Higgs场、规范等级、渐近自由、重正化等问题。文章进而讨论了一些有趣问题,比如提供了对宇宙重子起源的解释、计算了质子衰变寿命、论述了B-L是否守恒以及讨论了中子和中微子可能有的振荡现象等。     

大统一理论:回顾与展望

本文系统地讨论了大统一理论的来龙去脉。回顾了大统一理论的发展历史,讨论了其发展现状及存在问题,指出了进一步发展的方向。本文重点介绍了SU(5)和SO(10)两个模型,讨论了Higgs场、规范等级、渐近自由、重正化等问题。文章进而讨论了一些有趣问题,比如提供了对宇宙重子起源的解释、计算了质子衰变寿命、论述了B-L是否守恒以及讨论了中子和中微子可能有的振荡现象等。     

“基本粒子”及其性质

 在1897年发现电子后的近一个世纪中,人们对物质结构基本组元的认识已前进了一大步.原子不是物质的最小单位,它由原子核和电子组成,而原子核又由质子和中子组成这样的常识已为许多人所了解.这样,在很长时间里,电子、质子、中子等粒子一直被看作是组成物质的“基本粒子”.但是,随着加速器的出现和探测技术的发展,到20世纪60年代,由于一大批共振态粒子的发现,“基本粒子”的数目猛增为上百种.从而使人们意识到,介子、重子这些一度被人们称为“基本粒子”的强子可能并不是基本的,物质结构可能存在更深一层次的基本成份.     

平移不变口袋模型和质子寿命

本文考虑了强子结构对SU（5）大统一模型中由重子数破坏的有效四费米子相互作用所引起的质子衰变寿命的影响,利用一种改进的口袋模型——平移不变口袋模型计算了质子寿命,适当地处理了过程的反冲效应,克服了流行的袋模型计算中所普遍存在的“过高估计波函数重迭”和手加“高动量抑制形状因子”的问题,得到了与现行实验相容,能接受进一步实验检验的结果.取M_x=4.2×10¹⁴GeV,求得质子寿命τ_p=1.39×10³¹yr。     

额外的Z~0玻色子和质子衰变的困难

本文讨论了如果第二个不太重的Z~0玻色子存在,弱、电、强单纯群的统一理论的情况.建议一个既包含第二个Z~0,又保持标准模型的结果,并能克服SU(5)大统一理论中质子衰变困难的四个破缺标度的方案,从标准模型的色和味的角度看,这个方案不存在bizarre的费米子.最后将它推广到整个单纯李群里去.     

在线同位素分离器进展

原子核是由中子和质子组成的,各种不同类型的原子核叫做核素,核素是原子核物理的基本研究对象。若以原子核的中子数N作为横座标,质子数Z 作纵座标,那末,图上的每一点都代表一个核素,在核素图上,穿过稳定核的平均位置的一条向上延伸的线称为β稳定线,稳定线上的核素是不发生β衰变.     

弱作用与电磁作用的统一理论

弱作用与电磁作用理论又简称弱电统一理论.迄今所知道的物质间的基本物理作用共有四类,即引力相互作用、电磁相互作用、强作用和弱作用.前二种相互作用广泛地表现在宏观的物理过程中,因而比较早地为人类所认识.电磁作用还是固体、液体和分子的一切物理性质和化学性质的根源,在原子物理中起作用的也是电磁作用.强作用和弱作用是通过原子核物理的发展,在本世纪三十年代以后才为人们所研究.强作用使质子和中子结合成原子核,由于这种作用原子核才得以形成.弱作用则使中子变成质子加上电子和反中微子,它导致原子核的 衰变.以后人们又发现了大量其…     

原子核基态双质子衰变的研究进展

基态双质子衰变是质子滴线区原子核的一种奇异衰变。 它可以揭示质子滴线区原子核外层质子对的结构行为, 检验现有核模型理论应用于极端条件下原子核的正确性。 搜索基态双质子衰变是人们广泛关注的一个实验难题, 直到理论预言提出后40多年才取得明显进展。 简要介绍了这一研究的进展情况。 The ground-state two-proton decay is an exotic decay beyond proton drip line. It deals with the structure behavior of the proton pair at outside orbital in a proton drip line nucleus, and can be used to check the current nuclear model under extreme condition. Experimental observation of ground state two proton decay has been widely considered as a challenge because of very low production cross section. In this short paper, the breakthrough of searching ground state two proton decay is briefly reviewed, which was made more than 40 years after the early theoretical prediction was proposed.