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The fundamental interactions are exchanges of intermediate vector bosons! P47
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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！
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W-
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W+
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The fundamental interactions between elementary particles
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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.
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Nuclear Force or Strong Force
What holds them together?
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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。
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放射性原子核的衰變就是來自 β 衰變，也就是弱交互作用
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恆星的核融合也需要弱交互作用
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The fundamental interactions are exchanges of intermediate vector bosons! P47
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By Faraday and Maxwell, Newton’s forces at a distance are replaced by fields.
Force at a distance + Mediating field
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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 + +
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Electromagnetic interaction
+ + + γ Photon + +
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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.
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Attraction is harder to visualize
Attraction is harder to visualize. Let’s say, a cloud of mediating particles traps the two ………
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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)
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Feynman’s Diagram The smartest invention ever!
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Richard Feynman
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Feynman’s Diagram The smartest invention ever!
He took this diagram seriously! + + γ Photon + +
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Feynman diagram可以分開拆解為元件
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元件如果重新組合，可以得到新的過程：
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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
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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
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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
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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.
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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.
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Finally…. Feynman Rules for QED
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Quantum Electrodynamics QED 量子電動力學
4-columns 4-rows 4 ˣ 4 matrices
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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
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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，
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注意箭頭流動因電荷守恆不能中斷
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Sorry to Ladies!
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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！
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Nuclear Force or Strong Force
What holds them together?
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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。
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? γ 光子 可否用同樣的媒介粒子觀點來描述核力？
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Pions π Yukawa suggested a new particle mediate the nuclear force. He predicted its mass is between proton and electron ~100Mev.
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e π Yukawa suggested a new particle mediate the nuclear force. He predicted its mass is between proton and electron ~100Mev.
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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.
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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！
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Bubble Chamber picture of pions
π
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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
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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，
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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，
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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！
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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
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p n p p p
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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!)
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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：
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Weak Interaction 弱交互作用
u e W - d
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u e W - d 將圖分解為元件 弱交互作用的交點
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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！
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W-
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W+
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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
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The first observation of W boson at PP collider, UA1, CERN 1983
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CERN
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W 在 SPS 找到！
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Antiproton accumulator
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The first observation of W boson at PP collider, UA1, CERN 1983
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W production by electron-positron collision
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W production by electron-positron collision
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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。
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Garmamelle CERN 1973
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f 包括輕子及所有夸克 交點的大小個自不同
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Z production by proton-antiproton collision
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One of the first Z particles observed in UA1. Z → e+e-
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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！
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Read 2.2 and 2.4
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