《基本粒子物理》PPT課件.ppt

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基本粒子物理漫談,,世界是由什么組成的？世界是如何組成的？,楊金民,第一部分：世界由什么組成？,為什么世界上不同的物質(zhì)具有相同的特征？因為世界上的物質(zhì)是由幾個基本的磚塊組成的---簡單、沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)！從遠(yuǎn)古時代，人類就開始這樣想。比如認(rèn)為世界是由“水、火、土、氣”組成。,“基本磚塊”,世界的基本磚塊？原子？,今天人們知道“水、火、土、氣”并不“基本”，它們是由“原子”組成的。在1900年前后，人們認(rèn)為“原子”是可穿透的球，內(nèi)部有一些電荷在跳動。,“原子”是基本的嗎？,人們很快就發(fā)現(xiàn)：可以根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)把“原子”分類----〈元素周期表〉這表明“原子”有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由更小的磚塊組成的。,“原子”是由帶正電的、重而小的“原子核”和圍繞它的帶負(fù)電的“電子云”組成,實驗表明：,“原子核”是基本的嗎？,“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人們認(rèn)為是基本的粒子。后來，人們發(fā)現(xiàn)“原子核”并不基本，是由帶正電的“質(zhì)子”和不帶電的“中子”組成。,“質(zhì)子”和“中子”是基本的嗎？,人們發(fā)現(xiàn)“質(zhì)子”和“中子”并不基本，是有更小的粒子---“夸克”組成。,“夸克”---目前沒有發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是“基本”的粒子,現(xiàn)代的“原子”圖像,注意：“原子”體積的99.999999999999%是空的！,,“原子”的大小,,眾多的“復(fù)合粒子”,人們一直在尋找粒子，目前已發(fā)現(xiàn)200多個粒子，這些粒子絕大多數(shù)是“復(fù)合粒子”。這些粒子的名稱“五花八門”。費米(EnricoFermi)對他的學(xué)生萊德曼(LeonLederman)說：,"Youngman,ifIcouldrememberthenamesoftheseparticles,Iwouldhavebeenabotanist!",標(biāo)準(zhǔn)模型,世界有什么組成？如何組成？-----標(biāo)準(zhǔn)模型6種輕子6種夸克傳遞力的粒子,世界由什么組成？,世界上的一切物質(zhì)，從星系到山川河流，都是由“輕子”和“夸克”組成。,“反物質(zhì)”（“反粒子”）,對應(yīng)于每一種“物質(zhì)粒子”，存在其“反物質(zhì)粒子”，唯一區(qū)別是電荷反號?！傲Ｗ印迸c”反粒子”相遇時，會發(fā)生“湮滅”，變成能量。,夸克,,,“夸克”名稱的由來,1964年MurrayGell-Mann和GeorgeZweig建議用三個基本粒子的不同組合來解釋所發(fā)現(xiàn)的幾百個粒子。Gell-Mann把這三個粒子叫作“Quark”“Quark”一詞來自JamesJoyce的小說“Finnegan’sWake”不同種類的“夸克”稱作不同的“味道”,的“夸克”稱作“上”（up)和“下”(down):稱為“奇”(strange),它組成的粒子“K”粒子具有“奇怪”的長壽命稱作“璨”（Charm），1974年在斯坦福（SLAC)和布魯海文實驗室(BNL)發(fā)現(xiàn)稱作“底”(bottom)，1977年在費米實驗室發(fā)現(xiàn)稱作“頂”(top)，1995年在費米實驗室發(fā)現(xiàn).,兩個最輕,第三個,第四個,第五個,第六個,強子（重子、介子）,正如群居的大象，夸克也群居，從不單獨存在，他們?nèi)壕铀纬傻膹?fù)合粒子叫“強子”雖然夸克帶有分?jǐn)?shù)電荷，但強子的電荷是整數(shù)雖然夸克帶有顏色，但強子沒有顏色強子（Hadron）有兩類：重子（Baryon）介子（Meson）,輕子（Lepton）,夸克總是群居而以束縛態(tài)形式存在；輕子則單個存在帶電輕子象貓科動物，易看到；而不帶電的輕子（中微子）象附著在這些動物身上的跳騷，難以看到,帶電輕子的衰變,→,→,→,中微子,,→,→,→,→,中微子的特點,不帶電荷、色荷，和物質(zhì)的作用非常弱；絕大多數(shù)可以穿過地球，而不和地球的物質(zhì)發(fā)生作用；可以在很多過程中產(chǎn)生，特別是粒子的衰變，(正是從粒子的衰變中推斷其存在）；由于在宇宙形成的初期中微子大量產(chǎn)生，并且它們和物質(zhì)的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它們雖然很輕，但因為數(shù)眾多，所以對宇宙的質(zhì)量有不可忽視的貢獻(xiàn)，影響宇宙的膨脹。,物質(zhì)的“代”,第二、三代的費米子衰變很快，我們周圍的物質(zhì)中沒有它們。為什么它們還存在呢？當(dāng)?輕子被發(fā)現(xiàn)時，I.I.Rabi嘆道：“Whooderedthat?”,世界由什么組成？答案,,第二部分：世界如何組成？,世界由夸克和輕子組成。是什么把夸克和輕子組合成物質(zhì)？?四種作用！,物質(zhì)如何相互作用？,物質(zhì)勿需接觸就發(fā)生相互作用：如太陽吸引地球、兩磁鐵的吸引或排斥物質(zhì)間通過力場發(fā)生相互作用?通過交換攜帶力的粒子！,電磁力,電磁力引起“同種電荷相排斥，異種電荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由電磁力引起。電磁力的攜帶粒子是“光子”，不同能量的光子形成了電磁波譜，如X—射線、可見光和無線電波。光子沒有質(zhì)量，以光速傳播。,殘余電磁力,“原子”含有相同數(shù)目的“質(zhì)子”和“電子”是電中性的，它們?nèi)绾涡纬煞肿幽?？原來一個“原子”中的“電子”跟另外一個“原子”中的質(zhì)子還有作用，這種原子間“殘余電磁力”使不同的“原子”結(jié)合成“分子”。所以，正是“電子”和“質(zhì)子”帶有異號的電荷使得我們的世界得以形成！,原子核如何形成？,“原子核”由“質(zhì)子”和“中子”組成，“質(zhì)子”帶正電而相互排斥，“中子”不帶電，為什么它們不因排斥而散開呢？這個問題用電磁力無法回答!,強作用力,夸克帶有“電荷”，還帶有“色荷”；帶“電荷”的粒子之間有“電磁作用”，帶“色荷”的粒子之間有“強作用”?！皬娮饔昧Α笔箍淇诵纬伞皬娮印薄皬娮饔昧Α钡臄y帶粒子叫“膠子”（“強作用”象“膠”一樣把夸克粘在一起！）“強作用”與“電磁作用”不同，“膠子”本身帶有“色荷”，而“光子”本身不帶“電荷”；雖然“夸克”帶“色荷”，它們組成的“強子”都不帶“色荷”，是色中性的。,色荷,帶色荷的粒子（夸克、膠子）通過交換膠子發(fā)生強作用夸克發(fā)射或吸收膠子時改變自身所帶的色荷夸克帶色荷，反夸克帶反色荷，膠子帶一對“色荷-反色荷”組成重子的三個夸克分別帶有“紅、綠、藍(lán)”色荷，所以是色中性的組成介子的一對夸克和反夸克分別帶有色荷（如“紅”）和反色荷（如“反紅”），所以也是色中性的色荷在作用過程中是守恒的,夸克禁閉,帶色的粒子不能單獨存在，夸克總是和別的夸克囚禁在一起而形成色中性的強子強子中的夸克瘋狂的交換膠子進(jìn)行強作用，它們存在于由膠子組成的色場中：當(dāng)膠子場獲得足夠能量時，就會折斷成一對夸克-反夸克,夸克禁閉未被嚴(yán)格證明！,--StevenWeinberg,,夸克發(fā)射膠子,夸克發(fā)射或吸收膠子時，本身的色荷要改變，以保證色荷守恒。如帶有“紅”色荷的夸克發(fā)射了一個帶有“紅-反藍(lán)”的膠子后，自身的色荷變成了“藍(lán)”。,→,→,→,→,殘余的強作用：原子核的形成,雖然組成原子核的核子（質(zhì)子和中子）都是色中性的，它們之間有“殘余的強作用”，這種作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過質(zhì)子之間的電磁斥力，原子核由此而形成。,弱作用,雖然有6種夸克和6種輕子，但我們周圍除了3種中微子單獨的存在著外，所有物質(zhì)都是由最輕的2種夸克(u,d)和1種最輕的帶電輕子（電子）組成，較重的夸克和帶電輕子呢?較重的夸克（s,c,b,t)和帶電輕子(?,?）在宇宙形成的初期就衰變掉了，衰變成了最輕的夸克和輕子。這些衰變（即味道的改變）都是通過弱作用進(jìn)行的。弱作用的攜帶粒子是W+,W-,Z標(biāo)準(zhǔn)模型把弱作用和電磁作用統(tǒng)一到了一個理論框架中。,電磁作用和弱作用的統(tǒng)一,標(biāo)準(zhǔn)模型把電磁和弱作用統(tǒng)一描述，稱為電弱理論在非常小尺度(10-18米）或非常大能標(biāo)(100GeV)情況下，弱作用的強度和電磁作用的強度在同一水平。隨著尺度的增加或能標(biāo)的降低，弱作用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于電磁作用。弱作用的攜帶粒子是重達(dá)100GeV的粒子，是一種短距作用,引力,引力很是奇怪。雖然它是一種基本的力，標(biāo)準(zhǔn)模型卻不能描述它。如何把它也統(tǒng)一進(jìn)來是當(dāng)今物理學(xué)的一大難題。引力的攜帶粒子—引力子，至今未被發(fā)現(xiàn)。,自然界基本作用力的總結(jié),量子力學(xué),原子和亞原子粒子的性質(zhì)與我們?nèi)粘Ｉ钪械奈矬w完全不一樣，它們不是跳動的小球，它們不僅具有粒子性，還具有波的性質(zhì)（波粒二象性），它們的運動規(guī)律用“量子力學(xué)”描述。量子力學(xué)中物理量只能取分離的值：量子化。常見的量子數(shù)：電荷、色荷、味道、自旋量子力學(xué)只能預(yù)言粒子在某一時刻出現(xiàn)在某處的幾率."Goddoesntplaydice!”(Einsteinwaswrong.),量子數(shù)：,幾率：,世界由什么組成？如何組成？--最后答案,描述這些基本粒子的理論：標(biāo)準(zhǔn)模型,第三部分：粒子的衰變和湮滅,原子核的衰變：一個大原子核變成幾個小原子核基本粒子的衰變：一個基本粒子變成幾個較輕的基本粒子,→,→,→,→,→,→,放射性的發(fā)現(xiàn),1800年代的晚期，德國物理學(xué)家WilhelmRntgen發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電子束打到金屬片上時，會有奇怪的射線發(fā)出，他稱之為X-射線兩個月后，法國物理學(xué)家HenriBecquerel發(fā)現(xiàn)有些礦石（如鈾）會自然的放出射線。不穩(wěn)定的原子核衰變而放出射線—放射性,射線的種類,?射線：氦（helium）核（2p,2n)?射線：高速電子?射線：高能光子?射線可以被紙片擋住?射線可以被鋁片擋住?射線只能用鉛板來檔,鈾的衰變,→,→,→,→,→,一大塊鈾的衰變（半衰期）,單個鈾的衰變（幾率）,鈾為什么會衰變？,殘余的強力把相互排斥的核子束縛在一起形成原子核微觀粒子只能以幾率的方式描述：量子力學(xué)核子團(tuán)（比如?)逃逸出原子核的幾率很??；對大原子核（如鈾）這種幾率比較大。,衰變中的質(zhì)量虧損,→,0.0046u的質(zhì)量虧損掉了，變成了能量！,衰變中的“中介子”,?衰變,正反粒子的湮滅(I),正反粒子的湮滅(II),第四部分：如何實驗研究粒子,今天知道的粒子的絕大部分都是不穩(wěn)定的粒子，它們在宇宙形成的初期都曾經(jīng)存在過，但很快就衰變掉了，要研究粒子物理，就必須產(chǎn)生出這些粒子，并用探測器研究這些粒子的性質(zhì)。粒子產(chǎn)生的方法：宇宙線對撞機(jī)粒子探測的工具：探測器,宇宙線,對撞機(jī)（加速器）,直線加速,回旋加速,固定靶,對撞機(jī),當(dāng)今世界上的加速器,Fermilab（費米實驗室，美國）SLAC(斯坦福直線加速器中心，美國)BNL(布魯海文實驗室，美國）CESR(康奈爾正負(fù)電子儲存環(huán)，美國）CERN(歐洲粒子物理實驗室，瑞士)KEK（高能加速器研究機(jī)構(gòu)，日本）DESY(電子回旋加速器，德國）IHEP(高能物理所，中國）,粒子探測器,如何識別不同粒子,現(xiàn)代粒子物理實驗的鼻祖:魯瑟夫?qū)嶒?Beam:?粒子,Target:金箔,Detector:硫化鋅屏幕,一點歷史,,,,,,--StevenWeinberg,觀測世界的手段：總結(jié),第五部分：理論未解之謎,標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大成功，但它仍不是一個基本的理論，有一些理論問題無法解釋：有關(guān)費米子“代”和“味道”的問題“大統(tǒng)一”和更小尺度的物理“暗物資”和“暗能量”黑格斯粒子的本質(zhì),水平方向的：,豎直方向的：,來自天上的：,來自地獄的：,“暗物質(zhì)”和”暗能量”,標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋,費米子“代”和“味道”之謎,為什么恰好有三代？為什么有不同的質(zhì)量?CP破壞問題？物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱,物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱問題（宇宙形成）,宇宙形成,黑格斯粒子,標(biāo)準(zhǔn)模型中所有粒子的質(zhì)量都來自于黑格斯機(jī)制；黑格斯粒子至今還未發(fā)現(xiàn)。黑格斯粒子是基本粒子還是復(fù)合粒子？為什么黑格斯粒子的質(zhì)量平方是負(fù)的？,,,,V,Im(H),Re(H),大統(tǒng)一和更小尺度的物理,基本粒子物理的一個主要目標(biāo)就是把各種作用力統(tǒng)一起來---大統(tǒng)一理論愛因斯坦晚年致力于把電磁力和引力統(tǒng)一起來,但沒有成功至今，人們?nèi)栽谔剿鞔蠼y(tǒng)一理論,通向新物理的攔路虎：等級問題,,,,,電弱能標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)模型只能到此,新物理,短距離,100GeV,1TeV,1015GeV(?),mH2=(m0H)2+CL2,,～100GeV,,～1015GeV,,～1015GeV,新物理方向I：超對稱,新物理方向II：額外維空間,G,統(tǒng)一引力：超弦理論,,“統(tǒng)一”,“統(tǒng)一”,最終理論：,謝謝！,