《物理基本粒子》PPT課件.ppt

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1、物 理 學(xué) 引 論,馬 紅 孺,基本粒子,天外來客 宇宙射線,來自太陽和宇宙的高能量粒子 來自各個方向 當(dāng)這些高能粒子與大氣層的物質(zhì)發(fā)生碰撞，會產(chǎn)生粒子的簇射. 可以產(chǎn)生各種粒子 其中有很不穩(wěn)定的粒子，很快會衰變. 壽命足夠長的粒子可以到達地球表面并被探測到 !,,宇宙射線中的發(fā)現(xiàn),1937 : 發(fā)現(xiàn) muon 子，完全像一個大的電子,1947 : 發(fā)現(xiàn)Pion 子.,趙忠堯（1902年6月27日1998年5月28日） 密立根的學(xué)生，在研究硬射線的吸收中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)對射線的散射有一個非常接近電子質(zhì)量的反常輻射。 這是射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生正負電子對，電子對湮滅產(chǎn)生的輻射。,宇宙線中發(fā)現(xiàn)正電子(19

2、32),,鉛板,正電子,,通過研究鉛板上下的軌跡的彎曲程度，可以推斷: (a) 粒子向上運動. (b) 其電荷為正. 這不是質(zhì)子.,云室照片,大的曲率表明粒子速度較小,,,一個質(zhì)量和電子相同，帶正電的粒子 正電子 !,發(fā)現(xiàn)正電子的重要意義,第一個反物質(zhì)的證據(jù),電子和正電子相遇，湮滅，產(chǎn)生輻射,Carl Andersonaward Nobelprize for thediscovery of thepositron,Carl Anderson1905-1991,物質(zhì) 能量,e+,,E=5 MeV,,,,%*&*,E=5 MeV,,,E=5 MeV,E=5 MeV,l = hc/ E = (6.6

3、x10-34)(3x108) / 8.0 x10-13 = 2.5x10-13 m, 的發(fā)現(xiàn), 1937 由 J. C. Street 和 E. C. Stevenson 在云室中發(fā)現(xiàn) 和電子的性質(zhì)完全相同 除了其質(zhì)量是電子的200余倍 壽命大約是 2x10-6 s = 2 ms (m e + n + n), 能夠從大氣上層到達地面，相對論效應(yīng) !!!,Discovery of the Pion,Bristol 大學(xué)的 Cecil Powell 及其同事利用泡室研究帶電粒子的軌跡. 1947年發(fā)現(xiàn)了p-介子 (p) .,p,,Pion 在此停止并衰變 p m + n + n,

4、m,,兩個中微子發(fā)出,,,e,Muon (m)在此停止并衰變: m e + n + n,兩個中微子發(fā)出,,Cecil Powell1903-19691950 NobelPrize winner,太多的基本粒子,,由于不能控制宇宙線，科學(xué)家建造加速器加速粒子，使之碰撞，產(chǎn)生大量其他粒子. 1950年代, 加速器產(chǎn)生了大量的粒子. 很多這種粒子不穩(wěn)定，很快衰變.1955年，發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子 !,物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)?,,簡單 復(fù)雜 簡單,1930年代, 世界是簡單的 質(zhì)子，中子，電子. 構(gòu)成原子 分子 DNA 人 ! 宇宙簡單而優(yōu)雅,大量基本粒子的發(fā)現(xiàn)，基本粒子 “基本”嗎？,太多的基本粒子，太復(fù)雜?,“If

5、 I could remember the names of all these particles, Id be a botanist.” Enrico Fermi,如果你不能記住所有的基本粒子， 請不要沮喪！,基本粒子？,介子八重態(tài),重子八重態(tài),重 子 十 重 態(tài),夸克（Quarks） ?,The name of the game Murray Gell-Mann 正在閱讀James Joyce 的Finnegans Wake 一書，書中有“three quarks for Muster Mark”這樣一個短語. 他決定把更基本的粒子稱為夸克,Gell-Mann 相信夸克嗎?,在夸克模型提

6、出來的時候，這只是一個方便的，對基本粒子進行歸類的工具.是一個可以對所有發(fā)現(xiàn)的基本粒子進行數(shù)學(xué)描述的方案分數(shù)電荷的粒子是難以接受的 !,散射實驗,Rutherfored, deBroglie, 告訴我們，為了得到物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，我們應(yīng)該用高能粒子（波， 或者 ）去轟擊物質(zhì)，然后觀察所得結(jié)果. 盧瑟福利用alpha粒子的大角度散射得到原子的有核模型. 為了探測物質(zhì)的某個尺度的信息，我們必須使用更短的波長,Rutherford 實驗, 粒子的波長? ma= 6.7x10-27 kg, va= 1.6x107 m/s),l = h/p,動量: p = mv = (6.7x10-27 kg)(1.6

7、x107 m/s) = 1.0 x10-19 kg m/s,l = h/p = 6.6x10-34 / 1x10-19 = 6.2x10-15 m,核子的大小大致是 10 x10-15 , 這個波長能夠告訴我們有一個硬核,對物質(zhì)更深層次的探索,為了探索質(zhì)子和中子的結(jié)構(gòu)，我們需要比質(zhì)子和中子尺寸更小的波長的粒子. l = h/p, 需要高動量的粒子 探測小尺度 質(zhì)子的尺度大約 1x10-15 m, 1960年代，物理學(xué)家學(xué)會如何獲得高能量的電子和質(zhì)子(粒子加速器) 理解 “在最基本的層次上，物質(zhì)是什么？”,質(zhì)子和中子是基本粒子嗎?,1969, Stanford-MIT 協(xié)作組做電子和質(zhì)子的碰

8、撞實驗,大角度散射數(shù)大大超過假定質(zhì)子中電荷均勻分布的結(jié)果.,似乎質(zhì)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu),實驗結(jié)果出人意料, 令人激動!,(X = anything),1969年以來, 做了大量關(guān)于質(zhì)子和中子結(jié)構(gòu)的實驗.所有的實驗都導(dǎo)致相同的結(jié)論： 質(zhì)子和中子是由更小的粒子組成的。這些小的粒子與Gell-Mann 和 Zweig 在 1964預(yù)言的夸克一致.,有無“上”“下”之外的夸克?,,,,物質(zhì)與夸克,,,,,,,,,Fundamental particles,夸克被認為是基本粒子. 增加粒子的動量可以探測更深的層次. 目前的粒子能量 1 TeV = 1x1012 eV. 對應(yīng)的波長?,l =hc/E = (6.

9、6x10-34)(3x108) / 1.6x10-7 = 1.2x10-18m,如果夸克比這個尺寸大，我們可以探測其大小。是質(zhì)子的1/1000 ! 電子的大小似乎與此相同 夸克和電子被認為是基本粒子,強力?,把質(zhì)子和中子約束在一起的力 ???,Strong Force,強子和重子,參與強相互作用的粒子--- 強子! 包含3個夸克的強子稱為重子，如質(zhì)子，中子等,重子,強子和夸克,,其它重子,L0 重子,D++ 重子?,,u,d,s,Charge Q,Mass,+2/3,-1/3,-1/3,5 MeV/c2,10 MeV/c2,200 MeV/c2,Quark,up,down,strange,,,

10、,,,,u,u,d,d,s,s,u,u,d,Q = +1M=938 MeV/c2,d,u,d,Q = 0M=940 MeV/c2,s,u,d,Q = 0M=1116 MeV/c2Lifetime2.6x10-10s,s,u,u,Q = +1M=1189 MeV/c2Lifetime0.8x10-10s,s,d,d,Q = -1M=1197 MeV/c2Lifetime1.5x10-10s,S- 是S+ 的反粒子嗎??,這些粒子已經(jīng)觀察到，壽命很短,,,,介子另一種強子,夸克和反夸克的束縛態(tài).,Q=+1, p+,Q= -1, D-,Q= 0, K0,M140 MeV/c2壽命2.6x10-

11、8 s,M1870 MeV/c2壽命1x10-12 s,M500 MeV/c2壽命0.8x10-10 s,三代夸克,每個夸克有對應(yīng)的反夸克.反夸克和夸克電荷相反,質(zhì)量增加,6 種夸克的發(fā)現(xiàn),,,SLAC = Stanford Linear AcceleratorBNL = Brookhaven National Lab,主要的高能物理實驗室,,Fermilab,,,SLAC,,,,,,,KEK,CERN,,DESY,,BNL,CESR,,,Fermilab 加速器 (30 miles from Chicago),實驗區(qū)域,,,,,Top Quark 1995 在這里發(fā)現(xiàn).,“典型的” 粒子探測

12、器,,, 6 ft,典型的物理學(xué)家？!,Dont ask me what theyre doing !,強 子,Top 夸克壽命太短，很難來得及形成強子,Particle Zoo,,,夸克質(zhì)量,6 不同種類的夸克. 普通物質(zhì)由上下夸克構(gòu)成，再構(gòu)成原子，分子 . 質(zhì)量變化極大(從 0.005 到 175 GeV/c2) 重夸克不穩(wěn)定，向輕夸克衰變,例： t b (10-23 s) b c (10-12 s) c s (10-12 s) su (10-7-10-10 s),,反粒子,每個粒子有對應(yīng)的反粒子!,Quarks,Anti-Quarks,

13、夸克禁閉,夸克禁閉于強子之中 一種奇怪的力 ,質(zhì)子和中子,質(zhì)子： 2/3 + 2/3 + (-1/3) = +1 !中子: (-1/3) + (-1/3) + (2/3) = 0 !,基本粒子家族,+ 反夸克,+反電子,自然界真是這樣 ?,Muons (),發(fā)現(xiàn) (1937). 非常像電子，但質(zhì)量大200余倍,中微子,泡利在認為有一個沒有探測到的粒子帶走了動量，預(yù)言了中微子的存在(n ).,Nobel Laureate: Wolfgang Pauli,中微子的發(fā)現(xiàn),Detector: H2O w/Cadmium Chloride,Fred Reines and Clyde Cowan

14、, 1956,,,光子探測器,,,輕 子,電子， 和他們的中微子, 和夸克一樣，表現(xiàn)為基本粒子，至今沒有 發(fā)現(xiàn)他們有結(jié)構(gòu). 和夸克很不一樣. 整數(shù)電荷(0 or 1). 不會結(jié)合成強子. 不參與強相互作用. 電子, 和中微子屬于新的一類粒子輕子 (Leptons),三 代,1975, 在斯坦福直線加速器上，發(fā)現(xiàn)了第三個輕子， ， 其質(zhì)量是電子質(zhì)量的3500 倍， t-輕子. 2000, Fermi 國家加速器實驗室首次發(fā)現(xiàn)t的伴隨中微子的跡象,三代，與夸克一樣 !!!,基本粒子,夸克和輕子是基本粒子. 上下夸克和電子構(gòu)成了普通的物質(zhì). 其它夸克和輕子在宇宙線和加速器中產(chǎn)生 每個粒子對應(yīng)有一個反

15、粒子.,物 質(zhì) 和 力,,,,,,,,,,,,Matter,Leptons,Charged,Neutrinos,Forces,Weak,EM,Strong,Gravity,A Sense of Scale,夸克和輕子列表,新概念 力,1960年代，新概念力.,傳遞電磁力的粒子是光子(g),Richard Feynman, 1918-19881965 Nobel Prize in Physics,力是相互作用的粒子交換傳遞力的粒子而產(chǎn)生,光子(g),光子是傳遞電磁相互作用的粒子 光子只與帶電粒子發(fā)生作用!!!!!,e+,e-,e+,e-,,,,e+,e-,,e+,e-,e-,e+,e+ + e-

16、 e+ + e-,e-,電子--正電子散射,e+ + e- e+ + e-,電子正電子湮滅,夸克對產(chǎn)生,,,e+ + e- q + q,,夸克對產(chǎn)生,e+,e-,,,e+ + e- q + q,,g,,,,q,q,q,光子轉(zhuǎn)化,g e+ + e-,光子轉(zhuǎn)化,g e+ + e-,,g,g,,e+,e-,e+,e-,e-,e+,夸克反夸克湮滅,q + q e+ + e-,,,,夸克反夸克湮滅,q + q e+ + e -,* Note: Reverse process to quark pair production!,,,,,,,,g,,,e+,e-,e+,e-,

17、e-,e+,Feynman 圖,,夸克對的產(chǎn)生,,,g,,,e+,q,e-,,,,g,,,e+,q,e-,夸克-反夸克湮滅到 電子-正電子對,守恒定律,能量和電荷守恒.,e+e- qq,,質(zhì)子-反質(zhì)子碰撞,BOOM !,夸克反夸克碰撞!,荷,帶電荷是指?,帶有電荷是指粒子具有參與電磁相互作用的特性.,相互作用的強度取決于帶電量.,強力和色,夸克的另一個特性是帶有色荷,顏色的性質(zhì)使夸克與膠子對話 gluon (g).,三種顏色: red, green, blue,膠子帶有色荷!,強力和電磁力,強子的顏色,強子無色,介子只能是上述組合之一!,膠子的顏色,8種色和反色的組合,交換色荷產(chǎn)生

18、相互作用,,,膠子,強力的傳遞著 只與帶色荷的粒子相互作用 膠子與輕子沒有相互作用，輕子不帶色荷!,Feynman 圖 (夸克散射),,,,g,,,u,夸克-反夸克湮滅,,,,g,,,夸克夸克散射 膠子參與,,time,,Position,,,d,d,d,u,u,光子之間無相互作用.光子只與電荷作用，光子不帶電!,膠子帶有色荷，相互之間可有相互作用,夸克囚禁,強力隨距離而增加，所以，夸克之間的距離不能變的很大夸克囚禁在強子內(nèi)部,小 結(jié),強力的性質(zhì)： 色核 3種顏色： 紅, 綠 藍. 夸克具有色核，通過強力的媒介粒子膠子相互作用. 膠子無質(zhì)量, 具有色核，短程作用 膠子具有色核，可以有膠子-膠子

19、相互作用. 夸克和膠子囚禁于強子內(nèi)部. 強力通過強子強子散射來探知,弱 力,弱力：導(dǎo)致產(chǎn)生重夸克到輕夸克的衰變，媒介粒子 有三種，兩種帶電，一種中性； 巨大的質(zhì)量： 90 GeV/c2,W+, W- Z0,t b c s u,+2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3,包含重夸克的介子的衰變,弱力可以發(fā)生于夸克和膠子之間 !!!! 包含重夸克 (c, s, b, t)的強子通過發(fā)射W變?yōu)橄乱粋€次重的夸克,中子衰變,中子壽命 14 分,n p + e - + ne,粒子及其相互作用,quarks,Charged leptons(e,m,t),Neutral

20、leptons(n),Color Charge ?,EM Charge ?,Weak Charge ?,,,,,,,Y,Y,Y,Y,Y,Y,N,N,N,夸克：強，電磁和弱相互作用 ! 夸克和輕子帶弱核. 中微子只帶弱核 !,The Higgs,為什么夸克和輕子具有其質(zhì)量?,獲得質(zhì)量的機制： Higgs 機制. 需要一個Higgs粒子,Higgs 粒子的質(zhì)量 100 GeV/c2,,,,,,,,,,,,Hadrons,Matter,Leptons,Baryons,Mesons,Charged,Neutrinos,Forces,Weak,EM,Strong,Gravity,,,Quarks Anti-Quarks,原子 99.999% 是空的,,,Nucleus,Electron,,,,,g,.,質(zhì)子和中子 99.999% 空,,Proton,,g,,,,,,,,,,,,,u,d,u,,,,,物質(zhì)的強度 ?,力 !!!!,