Question

（25分）1995年，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室CDF實(shí)驗(yàn)組和DO實(shí)驗(yàn)組在質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)TEVATRON的實(shí)驗(yàn)中，觀察到了頂夸克，測(cè)得它的靜止質(zhì)量，壽命，這是近十幾年來(lái)粒子物理研究最重要的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展之一．
    1．正、反頂夸克之間的強(qiáng)相互作用勢(shì)能可寫(xiě)為，式中是正、反頂夸克之間的距離，是強(qiáng)相互作用耦合常數(shù)，是與單位制有關(guān)的常數(shù)，在國(guó)際單位制中．為估算正、反頂夸克能否構(gòu)成一個(gè)處在束縛狀態(tài)的系統(tǒng)，可把束縛狀態(tài)設(shè)想為正反頂夸克在彼此間的吸引力作用下繞它們連線(xiàn)的中點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)．如能構(gòu)成束縛態(tài)，試用玻爾理論確定系統(tǒng)處于基態(tài)中正、反頂夸克之間的距離．已知處于束縛態(tài)的正、反夸克粒子滿(mǎn)足量子化條件，即
               
式中為一個(gè)粒子的動(dòng)量與其軌道半徑的乘積，為量子數(shù)，為普朗克常量．
    2．試求正、反頂夸克在上述設(shè)想的基態(tài)中做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期．你認(rèn)為正、反頂夸克的這種束縛態(tài)能存在嗎?

Answer 1

解析：

1．相距為的電量為與的兩點(diǎn)電荷之間的庫(kù)侖力與電勢(shì)能公式為

                                         （1）

現(xiàn)在已知正反頂夸克之間的強(qiáng)相互作用勢(shì)能為

               

根據(jù)直接類(lèi)比可知，正反頂夸克之間的強(qiáng)相互作用力為

                                                     （2）

設(shè)正反頂夸克繞其連線(xiàn)的中點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的速率為，因二者相距，二者所受的向心力均為，二者的運(yùn)動(dòng)方程均為

                                                      （3）

由題給的量子化條件，粒子處于基態(tài)時(shí)，取量子數(shù)，得

                                                     （4）

由（3）、（4）兩式解得

                                                      （5）

代入數(shù)值得

                                                    （6）

2. 由（3）與（4）兩式得

                                                   （7）

由和可算出正反頂夸克做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期

                                      （8）

代入數(shù)值得

                                                     （9）

由此可得                                                  （10）

因正反頂夸克的壽命只有它們組成的束縛系統(tǒng)的周期的1／5，故正反頂夸克的束縛態(tài)通常是不存在的．

評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：本題25分

1. 15分。（2）式4分，（5）式9分，求得（6）式再給2分。

2. 10分。（8）式3分。（9）式1分，正確求得（10）式并由此指出正反頂夸克不能形成束縛態(tài)給6分。