The fundamental interactions are exchanges of intermediate vector bosons! P47

Electromagnetic interaction 這就是電磁交互作用 以此為交點畫出所有的圖就是所有的電磁交互作用！

W-

W+

The fundamental interactions between elementary particles

There are four fundamental interactions. 牛頓力學裡的力，現代我們喜歡稱為交互作用 There are four fundamental interactions. Other interactions can be reduced to these fundamental interactions.

Nuclear Force or Strong Force What holds them together?

β Beta Decay 衰變的交互作用： Weak Interaction P23 中子不帶電，所以這個作用不是電磁力。強度又較核力弱很多，比重力強很多，所以只能是一個新的交互作用，稱為弱交互作用。

放射性原子核的衰變就是來自 β 衰變，也就是弱交互作用

恆星的核融合也需要弱交互作用

The fundamental interactions are exchanges of intermediate vector bosons! P47

By Faraday and Maxwell, Newton’s forces at a distance are replaced by fields. Force at a distance + Mediating field

Planck and Einstein taught us waves on the fields must be quantum particles 電磁場的波動 光子 在微觀的尺度 在微觀的尺度 以電磁場為媒介的電磁交互作用 以光子來媒介 + + + γ Photon + +

Electromagnetic interaction + + + γ Photon + +

Intermediate particles 媒介粒子 γ 交互作用是透過交換媒介粒子來進行 特定媒介粒子媒介一個特定交互作用 Phonon is spin 1 and hence it’s a Intermediate Vector Boson.

Attraction is harder to visualize Attraction is harder to visualize. Let’s say, a cloud of mediating particles traps the two ………

媒介粒子 媒介粒子只有在交互作用進行中存在，如果只觀察物體前後變化，就不會看到它。它幾乎不是一個實在的粒子，而是一個虛粒子。 虛粒子即使不穩定地存在，也會透過它所媒介的交互作用，影響實在的世界 So heavy particles, though decay fast and don’t existent in nature, do matter. (they could be virtual)

Feynman’s Diagram The smartest invention ever!

Richard Feynman 1918-1988

Feynman’s Diagram The smartest invention ever! He took this diagram seriously! + + γ Photon + +

Feynman diagram可以分開拆解為元件

元件如果重新組合，可以得到新的過程：

每一種元件對應一個數學式！ 將每一個元件的數學式組合起來（乘起來）就是該事件發生的振幅，平方即是機率

Feynman Rules Components of Feynman Diagrams External Lines 外線 Particle Content (their masses and spins) Internal Lines 內線 propogator Vertex 交點 Interactions Vertex 交點的樣式，就由交互作用來決定 交點上的線，可以是內線或是外線。 交點上的一條線，可以產生一個粒子，或消滅一個粒子 交點上的線的涵義是，一個粒子可以由交點流出，或是一個粒子流入該交點

A toy ABC model Factors Three scalar particle with masses mA, mB ,mC External Lines 1 Internal Lines C Vertex -ig A B 交點上的一條線，可以產生一個粒子，或消滅一個粒子 交點上的一條線的涵義是，一個對應的粒子可以由交點流出， 或是一個對應粒子可以流入該交點 一個圖事實上是八個圖

Draw all diagrams with the appropriate external lines Integrate over all internal momenta Take out an overall momentum conservation. That’s it! It’s so simple.

Draw all diagrams with the appropriate external lines Each extra vertex carries an extra factor of –ig, which is small. Consider first the diagrams with the fewest number of vertices.

Finally…. Feynman Rules for QED

Quantum Electrodynamics QED 量子電動力學 4-columns 4-rows 4 ˣ 4 matrices

4 ˣ 4 matrices 每一條線可以產生或消滅一個對應的粒子 箭頭是電子負電，流的方向，在交點處電荷守恆 下方的電子線可以是一個電子流入交點 如果是一個粒子流出交點，根據電荷，該粒子只能是反電子 一條有箭頭的線流入交點的的涵義是，一個對應的粒子可以流入該交點 或是一個對應的反粒子可以由交點流出， 一個圖事實上是八個圖

4 ˣ 4 matrices 一條有箭頭的線流入交點的的涵義是，一個對應的粒子可以流入該交點 或是一個對應的反粒子可以由交點流出， 一條有箭頭的線流出交點的的涵義是，一個對應的粒子可以由該交點流出 或是一個對應的反粒子可以流入該交點，

注意箭頭流動因電荷守恆不能中斷

Sorry to Ladies!

Electromagnetic interaction 這就是電磁交互作用 以此為交點畫出所有的圖就是所有的電磁交互作用！

Nuclear Force or Strong Force What holds them together?

What holds them together? 此力強度遠較電磁力強。 實驗發現兩個質子只有在非常靠近時才感覺此力，因此範圍極小。 此力不同於電磁力，只能是一個新的較互作用，暫稱為核力。

? γ 光子 可否用同樣的媒介粒子觀點來描述核力？

Pions π Yukawa suggested a new particle mediate the nuclear force. He predicted its mass is between proton and electron ~100Mev.

e π Yukawa suggested a new particle mediate the nuclear force. He predicted its mass is between proton and electron ~100Mev.

e π The pion mass lies between electron and proton. Hence it’s called meson 介子. Electron becomes a member of Leptons 輕子 and Proton of Baryon 重子 At first, the three classes are classified by their masses and easy to distinguish in experiment.

除了不帶電的Pion，還有兩種帶電的Pion，質量非常接近： 由質子與中子散射的結果，以下兩作用的強度相當： n p p n 交互作用不只改變粒子的動量，也可能改變粒子的身分！

Bubble Chamber picture of pions π

弱交互作用也可以想像如核力一樣由一個媒介子來傳播 p e W - n 弱交互作用的媒介粒子：W± boson

Feynman Diagrams are twistable! 入射incoming的外線扭成離開 outgoing的外線後，就變成反粒子！ p e p e W - W - ν n n 一條有箭頭的線流入交點的的涵義是，一個對應的粒子可以流入該交點 或是一個對應的反粒子可以由交點流出，

一條有箭頭的線流入交點的的涵義是，一個對應的粒子可以流入該交點 或是一個對應的反粒子可以由交點流出， 一條有箭頭的線流出交點的的涵義是，一個對應的粒子可以由該交點流出 或是一個對應的反粒子可以流入該交點，

電子與正子的煙滅 入射incoming的外線扭成離開Outgoing的外線後，就變成反粒子！

入射incoming的外線扭成離開Outgoing的外線後，就變成反粒子！ p e p e W - W - ν n 粒子逆著箭頭向外流 n 輕子數沿著箭頭流 輕子數沿著箭頭流向內 向外流的粒子是反微中子

p n p p p

Weak interaction is weak because the mediation particle W’s and Z are too heavy. W, heavy, decaying fast and thus non-existent in nature, does matter. (it mediate the weak force that exist everywhere!)

質子中子都是由夸克組成，因此基本上，β衰變是夸克的衰變：

Weak Interaction 弱交互作用 u e W - d

u e W - d 將圖分解為元件 弱交互作用的交點

這就是弱交互作用 以此為交點畫出所有的圖就是所有的弱交互作用！

W-

W+

W production by proton-antiproton collision 往後的外線扭成往前的外線後，就變成反粒子！ 高速飛出的電子是W 的主要跡象

The first observation of W boson at PP collider, UA1, CERN 1983

CERN

W 在 SPS 找到！

Antiproton accumulator

The first observation of W boson at PP collider, UA1, CERN 1983

W production by electron-positron collision

W production by electron-positron collision

Weak Interaction through Z particle Beta衰變只需要W即可，Z的存在是依據規範對稱的原則在60年代即預測出來，70年代間接證實，80年代才直接找到。

Garmamelle CERN 1973

f 包括輕子及所有夸克 交點的大小個自不同

Z production by proton-antiproton collision

One of the first Z particles observed in UA1. Z → e+e-

基本交互作用交點 交互作用不只改變粒子的動量，也可能改變粒子的身分！

Read 2.2 and 2.4