量子色动力学及其应用（平装本）_何汉新_9787312049149

本书是《量子科学出版工程》平装本。国际上第一部较全面、系统阐述量子色动力学（QCD）如何驾驭夸克和胶子，从而构成核子（强子）、核子-核子相互作用直至多核子体系（原子核）及核子和核体系的性质的学术专著，是早年师从著名理论物理学家彭桓武、黄祖治的何汉新先生对其毕生重要研究成果的总结，以量子色动力学为基础，阐述核子的夸克、胶子结构及其随能量标度的演化；阐明核子自旋、质量和张量荷的起源；探究夸克、胶子色禁闭形成核子（强子）的动力学机制；探索QCD非常规强子态；论述重子-重子相互作用和核多体系统的动力学及核介质中的夸克效应。

量子色动力学(Ouantumchromoclynaml’cs，QcD)是色荷(由夸克、胶子携带)的su(3)非Abel规范理论，是描述夸克、胶子相互作用的动力学理论，已发展成为强相互作用的基本理论，它与电一弱相互作用统一理论组成了基本粒子理论的“标准模型”．按照此模型，构成自然界物质的基本组元是夸克、轻子和规范玻色子(胶子、光子、w玻色子和z玻色子)及Higgs玻色子，对称性在决定其动力学结构中担任中心角色．其中，构成强相互作用物质如核子、原子核等的基本“砖块”是夸克和胶子夸克、胶子间的相互作用由量子色动力学描述，它驾驭着核子和原子核体系形成及演化的动力学．QCD及标准模型的建立和发展是人类认识物质结构及其相互作用的长期的知识积累和智慧结晶．现在已知道构成物质的原子、原子核、核子(质子和中子的统称)、夸克层次．从原子到夸克层次的认识伴随着探针能量分辨率提高的历程，经历7漫长的岁月．“原子”这个名词旱就出现在古希腊的哲学辞典中，不过它是用来反映当时人们分析物质概念时抽象思维的极限的．直到20世纪，经过科学实验，物质的原子观点才建立起来．放射性的发现和Rutherfor(pan>的a粒子一原子大角度散射实验结果则开启了人类认识物质的亚原子结构的大门．Rutllelford的实验是使a粒子穿过金箔而发生散射．他从实验结果得出结论：原子里有一个带if_电的核，它的直径大约是整个原子的十万分之一，原子的大部分质量集中在原子核里·对于氢原子，这个核就是质子；电子围绕核运动；原子就像一个缩小的太阳系．这一实验事实为Bohr原子结构理论的建立提供了基础随着中子的发J~(Chadwick，1932)，原子核由质子和中子构成的图像逐渐形成．质子和中子被发现后，人们开始了对这些粒子本身的研究．质子的反常磁矩的发~(Stern，1932)和第一行的利用电子一核子弹性散射测量质子的电磁形状因子(H0fstadter，1956)得到质子的电荷半径约为lfm，表明N-t-不是类点粒子而有内部结构．同时，实验显示强子可分为不同类超多重态，反映了强子结构的内部时称性．这些都成为Gell．Mann和Zweig提出强子的夸克模型(1964)的基础．轻子一核子非弹散射实验(sLAc，1969)~了质子内存在类点组分，由此最终发现了物质的新层次——夸克部分子．部分子模型是Feynman根据SLAC(福直线加速器中l心)的非弹实验结果提出的．按照部分子模型，强子在高能时可看作不相干的部分子组合．用流代数对深度非弹截行分析，结果表明这些部分子为自旋pan>／2的费米子，由此自然地将部分子与Gell．Mann等提出的夸克等同．另一方面，人们对相互作用力及其理论的认识也在不断发展．从20世纪初开始相继出现了Einstein的相对论，Heierg、Schr6dinger和Dirac等创立和发展的量子力学、量子电动力学(OED)，N-I-2的介子交换模型(Yukawa)，杨振宁和Mills建立的Yang．Mills非Abel规范场理论(1954)．上述实验发现和理论发展为最终建立强相互作用的理论QCD奠定了基础．QCD是描写夸克和胶子自由度的可重整化的非Abel规范场论．它的拉氏量(见(pan>．32)式)可由自由粒子的Dirac方程满足定域SU(3)规范变换下的不变性导出．QCD拉氏量与QED拉氏量的最重要的差别来自非AbelSU(3)群的特殊结构．在QED拉氏量中，电子的电荷是一个单值的数，光子不携带电荷．在QCD拉氏量中，夸克为色三重态，而胶子为色八重态，场强F：，中的非线性自相互作用导致QCD中出现三胶子顶点和四胶子顶点．胶子间的非线性自相互作用导致如下重要结果：(1)自由．OCD在高能标度或大动量转移时的自由特性已在理论上得到证明，这可通过微扰QCD跑动耦合(见(pan>．166)式)直观地理解：当动量标度增加时，跑动耦合强度a。(Q。)变小；而当Q。一*时，a；(Q。)一0，即夸克间的相互作用消失，夸克成为“自由”夸克．非Abel规范理论的自由特性由D．J．Gross、H．D．P0litzer和F．Wilzek于1973年发现，由此他们创建了OCD理论，并因此获得2004年诺贝尔物理学奖．(2)夸克、胶子色禁闭．这与自然界中未观察到孤立的带色夸克和胶子相联系·由微扰0cD跑动耦合可看到，当Q。≈^b时，d。(Q。)一∞，即夸克间的相互作用变得如此强以至夸克不能被单独分离出来．这当然不是夸克色禁闭的证明·夸克、胶子色禁闭意味着观测到的强相互作用物质如强子态、原子核都是夸克、胶子组成的色单态．夸克、胶子色禁闭的机制是QCD理论中挑战l}生的突出问题·经过多年的努力探究，我终于通过协变OCD途径破解了亨色禁闭难题(详见第’0章)·(3)OCD强子物质可以存在由胶子自由度激发引起的胶球和混杂态形式·这是夸克模型中没有的强子物质的新形态，或者说是规强子态·(4)可以存在稠窖的由退禁闭的夸克和胶子构成的物质新形态——夸克一胶子等离子体及色超导体．’在裸夸克质量消失的极限情况下，CX3D拉氏量在手征变换下是不变的，即具有手征对称性．这时正宇称态和负宇称奋是质量退化的，但在低阶强子谱中未观察到这一现象．这表明，在低能标度时手征对称性是破缺的．手征对称性的自发破缺由qq的真空期望值即手征凝聚(或者说夸克凝聚)(iq)标志，这是轻夸克u、d、s得到组分质量的主要来源．由此也表明，在从高能标度到低能标度变化时核子内的夸克自由度也发生改变．OCD拉氏量中由胶子的自作用引起的非线性导致QCD理论的求解十分困难·只有在与高能标度和大动量转移对应的自由情况中可以用微扰论从OcD第一原理出发计算相关的物理过程．对大多数情况，现在还无法解析地求解OcD·一个可能的QcD解是将OCD放在格点上作数值计算得到的，这就是格点QCD·随着计算机能力的提高和格．最计算技术的发展，从QCD第一原理出发含少量夸克、胶子自由度的体系如核子、介子等强子性质作格点QCD计算已发展成为有预言能力的理论途径．但是，对较为复杂的体系如核子一核子相互作用、核多体系统及有限重子密度(化学势)情况，目前的格点QCD还无能为力．此外，格点QCD通常给出的是数字而不提供直观的解释．因此，发展QCD的其他非微扰途径十分必要，括Dvson．schwinger方程途径、QCD求和规则和有效场论途径及由此导出的模型·囤I．pan>给出了根据格点QCD和一些模型计算推测的T(温度)一p(化学势)OcD相图示意图．这里存在一条以丁=P=0为中心的扇形弧线，在扇形内是.......

pan style="font-family:宋体">．pan>强子的夸克模型实验指出，质子和中子存在反常磁矩(它们的磁矩比值为户，／产。。一2．79／pan>．91)，质子的等效电荷半径为0．87fm，表明核子不是类点Dirac粒子而有内部结构．另一方面，实验显示强子可分为不同类超多重态，这反映了强子结构的内部对称性．Gell_Mann和Zweig提出的夸克模型以简单清楚的图像正确地揭示了强子所具有的内部对称性和结构‘“．夸克模型假设强子是复合粒子，构成强子的基本“砖块”称为夸克．夸克是自旋为pan>／2、重子数为pan>／3、带有分数电荷的费米子，并具有“味…‘色”量子数．已知的6种“味”的夸克为上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、顶(t)、底(b)．量子数“色”是由夸克服从Fermi-Dirac自旋统计原理(表pan>．1)的要求引入的，共有三种“色”：红(R)、黄(Y)、蓝(B)，它们描述强于内部的“色”对称性．夸克的存在已由轻子质子深度非弹散射实验证实．“色”自由度的存在的最直接实验证据来自正负电子对碰撞产生强子与产生p’p一对的总截面之比．但在实验中从未找到单个带色的夸克，这一事实导致色禁闭假设：夸克只存在于束缚态中，自然界中观察到的强子是夸克组成的色中性的束缚态．与色禁闭现象相联系的能量标度是AocD(。pan>一400Mev)，这也是区别轻、重夸克的有意义的基准．相对于^ocD，u、d夸克是轻的，c、b、t夸克是重的，s夸克是中等重的．通常将由u、d、s组成的强子称为轻夸克强子-根据色禁闭假设和Pauli原理，我们就可将夸克作为基本“砖块”来构造各种可能的强子‘“．让我们考虑在核物理中感兴趣的u、d、s夸克组成的强子，并暂时不计它们的质量差，则su(3)，是好的对称性．夸克属于SU(3)t的基本表示：反夸克为表示j．介子由夸克和反夸克组成，而重子由3个夸克组成．因此介子(iq)和重子(qqq)按下述张量乘积分解分类：.......

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