中国科学技术大学：《科学与社会》课程教学资源（研讨讲稿）反物质的若干问题

2014/12/10 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 第三讲关于反物质若干问题 叶邦角 中国绅学发术大草 物理学院 University of Science and Technology of China 邦角 一、狄拉克是如何预言反物质的？ 经典力学： y p=mV Py =mV Px=mV 2m P可以+或- E总是+ 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 1

2014/12/10 1 第三讲 关于反物质若干问题 叶邦角 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 p = mV x px = mVx py = mVy 经典力学: y m p mvE 22 1 2 2  中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲

2014/12/10 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 量子力学 particles behave like waves X=h/p y=E/h wavelength frequency Prerelativity: p=mov (v=p/mo) E=%mov2 p2/2mo =h/p←can be+or- 邦角主进 v=p2mh←always+ y 相对论力学 p=mV Py =mV Px=mV. E2=p2c2+(mc2)2 E=±Vp2c2+(mc2)2 Px (or p,or p,)can be or- E also can be or- 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 2

2014/12/10 2 Prerelativity: p = m0 v (v =p/m0) E =½ m0v2 = p2/2m0 l= h/p  can be + or  n=p2/2m0h  always + particles behave like waves l=h/p n=E/h wavelength frequency p = mV x px = mVx py = mVy y px (or py or pz) can be + or - E also can be + or - 相对论力学 22222 + mccpE )( 2222 + mccpE )( 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲

2014/12/10 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 相对论量子力学 p=Y mo v (v=p/mo) E=±√p2c2+(mc2)2 h/p ←can be+or- v=Vp'c+(me)2 h ←can be+or- 邦角进 对称性 Parity,P Parity reflects a system through the origin.Converts right-handed coordinate systems to left-handed ones Vectors change sign but axial vectors remain unchanged X→-X,p→-P,butL=Xxp→L Charge Conjugation,C Charge conjugation turns a particle into its anti-particle e+→e,K-→K+ Time Reversal,T Changes,for example,the direction of motion of particles 6191 t→-t 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 3

2014/12/10 3 p =  m0 v (v =p/m0) E= ±√p2c2 + (mc2)2 l= h/p  can be + or  n=  can be + or  √p2c2+(mc2)2 h 相对论量子力学 Parity, P Parity reflects a system through the origin. Converts right-handed coordinate systems to left-handed ones. Vectors change sign but axial vectors remain unchanged x  -x , p  -p, but L = x  p  L Charge Conjugation, C Charge conjugation turns a particle into its anti-particle e +  e- , K -  K + Time Reversal, T Changes, for example, the direction of motion of particles t  -t +  中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲

2014/12/10 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 charge C:changes particle into antiparticle positive charge negative charge cle)=le*〉 cle)=e〉 Also:proton antiproton neutron antineutron etc clp)=p〉 m）=n〉 郑角进 P:not well defined for an electron,can be +1 but must be opposite for antielectron left hande right handed 里le）-e〉 must be opposite ple")-Fe") eee〉=ee》 must be-1 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 4

2014/12/10 4 + C  ee + C  ee Also: proton  antiproton C  pp C  nn neutron antineutron etc P P ++ P  eeee must be -1 must be opposite 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲

2014/12/10 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 CP CP变换 electron positron C(le*T)e-)+le"tye-1))=le-Tye")+e-tye"1) le"te-t)tle"Iye-》 plee)=-1xe-Ye-〉 p(lee±ee))x(ee±ee〉) cre外ee%e》) =e州e%e》 邦角主 P and C on positronium cre外ee%e) At可ydroge =平2eee外e》 CPF()Yn(0,φ》=(-1)e CPo-(y FOY. =(-1)S++1y 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 5

2014/12/10 5 ++ 1 eeeeP    ++++ eeeeeeeeC  )(1 ++ eeee     ++++ 1  eeeeeeeeP  )(  2 1  ++ eeeeCP )( 2 1  ++  eeee CP( F(r) Yℓm (q,f)) = (-1)ℓ  )(  2 1 ++  eeeeCP )( 2 1  ++  eeee m S YrFeeeeCP   )()1()( 2 1 )1( 1  +++   1 )1( ++  S  中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲

2014/12/10 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 Cand P&C Pon positronium CPy=(-1)s+w For =0 (S-wave): S=1 量子数 S=0 量子数 P=-1 P=1 C=-1 C=+1 CP=+1 CP=-1 “Ortho-positronium" “Para-positronium" 邦角 Cand P for a photo In QED -photon has J=S=1. -it can convert into a virtual S-wave ete pair for short times S-wave S=1 量子数 photon has same C&Pquantum numbers as an S=1 positronium =-1 G2-1 CP,=+1 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 6

2014/12/10 6  1 )1( ++  S  CP + - P =-1 C =-1 CP =+1 S=1 + - P = -1 C =+1 CP =-1 S=0 For ℓ=0 (S-wave): “Ortho-positronium” “Para-positronium” 量子数 量子数 In QED -photon has J=S=1. -it can convert into a virtual S-wave e+e- pair for short times   e+ e- S-wave S=1  photon has same C & P quantum numbers as an S=1 positronium P=-1 C=-1 CP=+1 量子数 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲

2014/12/10 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 Ortho-positronium annihilation →2 photons? S=1 P-1 C C-1 CP-+1 Initial C=-1>final (-1)(-1) “Ortho-positronium” →3 photons? C= Cs.1 Initial C= 0=-1 郑角主过 Para-positronium annihilation →2 photons? S=0 P=.1 C=+1 Initial C=+1 →final(1(-1=+1 CP=-1 3 photons? “Para-positronium” c1③t+ {C=-1 Initial C=+1→fima面(-10(-1)(1F-1 C=1- 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 7

2014/12/10 7 + - P=-1 C=-1 CP=+1 S=1 “Ortho-positronium” - +  2 photons? C=-1 Initial C =-1  final (-1)(-1) = +1 - +  3 photons?  C =-1 Initial C =-1  final (-1)(-1) (-1)= -1 + - P=-1 C=+1 CP=-1 S=0 “Para-positronium” - +  2 photons? C=+1 Initial C=+1  final (-1)(-1) = +1 - +  3 photons?  C=+1 Initial C=+1  final (-1)(-1) (-1)= -1 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲

2014/12/10 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 Rule for all-photon decays 偶数 C=+1>only even number of photons 奇数 C=-1only odd number of photons 邦角主进 三、CP Violation: Why is it interesting Fundamental:The Martian test C violation does not distinguish between matter/anti-matter.LH/RH are conventions CP distinguishes matter from anti-matter CP says preferred decay Ku->e'ven 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 8

2014/12/10 8 C =+1  only even number of photons C =-1  only odd number of photons 偶数 奇数 三、CP Violation: Why is it interesting ? Fundamental: The Martian test C violation does not distinguish between matter/anti-matter. LH/RH are conventions CP distinguishes matter from anti-matter CP says preferred decay KLe+vep- 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲

2014/12/10 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 Charge Inversion --Particle-antiparticle mirror Parity CP Inversion Spatial mirror 郑角主 Is nature left-right symmetric? 1956:The force that is responsible for radioactive decay may not be symmetric under Parity transformation t7列o Yang,Chen-Ning Lee,Tsung-Dao 1956 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 9

2014/12/10 9 17 C P Parity CP Inversion Spatial mirror Charge Inversion Particle-antiparticle mirror Yang, Chen-Ning Lee, Tsung-Dao 1956: The force that is responsible for radioactive decay may not be symmetric under Parity transformation 1956 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲

2014/12/10 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 Parity violation discovered WU,Chien Shiung 1912-1997 1956: studied radioactive B-decay of polarized Co6o nuclei: Co60→Ni60ev She found an asymmetry: more electrons are emitted opposite to the nuclear spin direction than along it 邦角 Violation of left-right symmetry the "mirror" BETA RAYS mitted along J direction Mirror world In the "real real world electrons are are different emitted opposite to the J direction L-R symmetry BETA RAYS is violated. (ELECTRONS) THIS WORLD 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有，严禁传播 10

2014/12/10 10 WU, Chien Shiung 1912-1997 1956: studied radioactive b-decay of polarized Co60 nuclei: Co60  Ni60 e- n She found an asymmetry: more electrons are emitted opposite to the nuclear spin direction than along it J J In the “real” world electrons are emitted opposite to the J direction In the “mirror” world electrons are emitted along the J direction Mirror world & real world are different L-R symmetry is violated. 中国科学技术大学大一新生《科学与社会》研讨课 《反物质世界的探索》 物理学院叶邦角教授主讲 版权所有， 严禁传播 叶邦角主讲