《基本粒子物理漫谈》PPT课件.ppt

基本粒子物理漫谈,世界是由什么组成的 ？ 世界是如何组成的 ？,杨 金 民,第一部分：世界由什么组成？,为什么世界上不同的物质具有相同的特征？ 因为世界上的物质是由几个基本的砖块组成的 -简单、没有内部结构！ 从远古时代，人类就开始 这样想。比如认为世界是 由“水、火、土、气”组成。,“基本砖块”,世界的基本砖块？原子 ？,今天人们知道“水、火、土、气”并不“基本”，它们是由“原子”组成的。 在1900年前后，人们认为“原子”是可穿透的球，内部有一些电荷在跳动。,“原子”是基本的吗？,人们很快就发现：可以根据其化学性质把“原子”分类-元素周期表 这表明“原子”有内部结构，是由更小的砖块组成的。,“原子”是由带正电的、重 而小的“原子核”和围绕它 的带负电的“电子云”组成,实验表明：,“原子核”是基本的吗？,“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本的粒子。 后来，人们发现“原子核”并不基本，是由带正电的“质子”和不带电的“中子”组成。,“质子”和“中子”是基本的吗？,人们发现“质子”和“中子”并不基本， 是有更小的粒子-“夸克” 组成。,“夸克”-目前没有发现其内部结构，是“基本”的 粒子,现代的“原子”图像,注意： “原子”体积的99.999999999999% 是空的 ！,“原子”的大小,众多的“复合粒子”,人们一直在寻找粒子，目前已发现200 多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合 粒子”。 这些粒子的名称“五花八门”。 费米(Enrico Fermi) 对他的学生 莱德曼(Leon Lederman)说：,“Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist!“,标准模型,世界有什么组成？如何组成？ -标准模型 6 种轻子 6 种夸克 传递力的粒子,世界由什么组成？,世界上的一切物质，从星系到山川河流，都是由 “轻子” 和 “夸克” 组成。,“反物质”（“反粒子”）,对应于每一种“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区别是 电荷反号。 “粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮灭”， 变成能量。,夸克,“夸克”名称的由来,1964年 Murray Gell-Mann 和 George Zweig 建议用三个基本粒子的不同组合来解释所发现的几百个粒子。Gell-Mann 把这三个粒子叫作“Quark” “Quark” 一词来自 James Joyce 的小说 “Finnegans Wake” 不同种类的“夸克”称作不同的“味道”,的“夸克”称作 “上” （up) 和 “下” (down): 称为 “奇” (strange), 它组成的 粒子“K”粒子具有“奇怪”的长寿命 称作“璨”（Charm），1974年在斯坦福 （SLAC)和布鲁海文实验室(BNL)发现 称作“底”(bottom)，1977年在费米实验室发现 称作“顶”(top)，1995年在费米实验室发现.,两个最轻,第三个,第四个,第五个,第六个,强子（重子、介子）,正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成的复合粒子叫“强子” 虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数 虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色 强子（Hadron） 有两类： 重子（Baryon） 介子（Meson）,轻子（Lepton）,夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在 带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电的轻子（中 微子）象附着在这些动物身上的跳骚，难以看到,带电轻子的衰变,中微子,中微子的特点,不带电荷、色荷，和物质的作用非常弱； 绝大多数可以穿过地球，而不和地球的物质发生作用； 可以在很多过程中产生，特别是粒子的衰变，(正是从粒子的衰变中推断其存在）； 由于在宇宙形成的初期中微子大量产生，并且它们和物质的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它们虽然很轻，但因为数众多，所以对宇宙的质量有不可忽视的贡献，影响宇宙的膨胀。,物质的“代”,第二、三代的费米子衰变很快，我们周围的物质中没有它们。为什 么它们还存在呢？当轻子被发现时，I.I.Rabi 叹道：“Who odered that ?”,世界由什么组成？答案,第二部分：世界如何组成？,世界由夸克和 轻子组成。 是什么把夸克 和轻子组合成 物质？ 四种作用！,物质如何相互作用？,物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁的吸引或排斥 物质间通过力场发生相互作用通过交换携带力的粒子！,电磁力,电磁力引起“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由电磁力引起。 电磁力的携带粒子是“光子”，不同能量的光子形成了电磁波谱，如 X射线、可见光和无线电波。 光子没有质量，以光速传播。,残余电磁力,“原子”含有相同数目的“质子”和“电子”是电中性的，它们如何形成分子呢？原来一个“原子”中的“电子”跟另外一个“原子”中的质子还有作用，这种原子间“残余电磁力”使不同的“原子”结合成“分子”。所以，正是“电子”和“质子”带有异号的电荷使得我们的世界得以形成 ！,原子核如何形成 ？,“原子核”由“质子”和“中子”组成，“质子”带正电而 相互排斥，“中子”不带电，为什么它们不因排斥 而散开 呢？ 这个问题用电磁力无法回答 !,强作用力,夸克带有“电荷” ，还带有“色荷”；带“电荷”的粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”的粒子之间有“强作用”。 “强作用力”使夸克形成“强子” “强作用力”的携带粒子叫“胶子” （“强作用”象“胶”一样把夸克粘在一起！） “强作用”与“电磁作用”不同，“胶子”本身带有“色荷”，而“光子”本身不带“电荷”； 虽然“夸克”带“色荷”，它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。,色荷,带色荷的粒子（夸克、胶子）通过交换胶子发生强作用 夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷 夸克带色荷，反夸克带反色荷 ，胶子带一对“色荷-反色荷” 组成重子的三个夸克分别带有“红、绿、蓝”色荷，所以是色中性的 组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红”）和反色荷（如“反红”），所以也是色中性的 色荷在作用过程中是守恒的,夸克禁闭,带色的粒子不能单独存在，夸克总是 和别的夸克囚禁在一起而形成色中性 的强子 强子中的夸克疯狂的交换胶子进行强 作用，它们存在于由胶子组成的色场中： 当胶子场获得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克,夸克禁闭未被严格证明！,-Steven Weinberg,夸克发射胶子,夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证色荷守恒。如带有“红”色荷的夸克发射了一个带有“红-反蓝”的胶子后，自身的色荷变成了“蓝”。,残余的强作用：原子核的形成,虽然组成原子核的核子（质子和中子）都是色中性的，它们之间有“残余的强作用”，这种作用远远超过质子之间的电磁斥力，原子核由此而形成。,弱作用,虽然有6种夸克和6种轻子，但我们周围除了3种中微子单独的存在着外，所有物质都是由最轻的2种夸克(u,d)和1种最轻的带电轻子（电子）组成，较重的夸克和带电轻子呢? 较重的夸克（s,c,b,t)和带电轻子(,）在宇宙 形成的初期就衰变掉了，衰变成了最轻的夸克 和轻子。这些衰变（即味道的改变）都是通过 弱作用进行的。 弱作用的携带粒子是W+ ,W- ,Z 标准模型把弱作用和电磁作用 统一到了一个理论框架中。,电磁作用和弱作用的统一,标准模型把电磁和弱作用统一描述，称为电弱理论 在非常小尺度(10-18 米）或非常大能标(100 GeV) 情况下，弱作用的强度和电磁作用的强度在同一 水平。 随着尺度的增加或能标的降低，弱作用将远远弱于 电磁作用。 弱作用的携带粒子是重达100 GeV的粒子，是一种短 距作用,引力,引力很是奇怪。虽然它是一种基本的力，标准模型却不能描述它。如何把它也统一进来是当今物理学的一大难题。 引力的携带粒子引力子，至今未被发现。,自然界基本作用力的总结,量子力学,原子和亚原子粒子的性质与我们日常生活中的物体完全不一样，它们不是跳动的小球，它们不仅具有粒子性，还具有波的性质 （波粒二象性），它们的运动规律用“量子力学”描述。 量子力学中物理量只能取分离的值：量子化。 常见的量子数：电荷、色荷、味道、自旋 量子力学 只能预言粒子在某 一时刻出现在某处 的几率 . “God doesnt play dice!” (Einstein was wrong.),量子数：,几率：,世界由什么组成？如何组成？-最后答案,描述这些基本粒子的理论：标准模型,第三部分：粒子的衰变和湮灭,原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核 基本粒子的衰变：一个基本粒子变成几个较轻的基本粒子,放射性的发现,1800年代的晚期，德国物理学家Wilhelm Rntgen 发现：当电子束打到金属片上时，会有奇怪的射线发出，他称之为 X-射线 两个月后，法国物理学家Henri Becquerel 发现有些矿石（如铀）会自然的放出射线。不稳定的原子核衰变而放出射线放射性,射线的种类, 射线：氦（helium）核（2p,2n) 射线：高速电子 射线： 高能光子 射线可以被纸片挡住 射线可以被铝片挡住 射线只能用铅板来档,铀的衰变,一大块铀的衰 变（半衰期）,单个铀的衰变（几率）,铀为什么会衰变？,残余的强力把相 互排 斥的 核子束缚在一起形成原子核 微观粒子只能以几率的方式描述：量子力学 核子团（比如)逃逸出原子核的几率很小； 对大原子核（如铀）这种几率比较大。,衰变中的质量亏损,0.0046 u 的质量亏损掉了，变成了能量 ！,衰变中的“中介子”,衰变,正反粒子的湮灭(I),正反粒子的湮灭(II),第四部分：如何实验研究粒子,今天知道的粒子的绝大部分都是不稳定的粒子，它们在宇宙形成的初期都曾经存在过，但很快就衰变掉了，要研究粒子物理，就必须产生出这些粒子，并用探测器研究这些粒子的性质。 粒子产生的方法： 宇宙线 对撞机 粒子探测的工具： 探测器,宇宙线,对撞机（加速器）,直线加速,回旋加速,固定靶,对撞机,当今世界上的加速器,Fermilab （费米实验室，美国） SLAC (斯坦福直线加速器中心，美国) BNL (布鲁海文实验室，美国） CESR (康奈尔正负电子储存环，美国） CERN (欧洲粒子物理实验室，瑞士) KEK （高能加速器研究机构，日本） DESY (电子回旋加速器，德国） IHEP (高能物理所，中国）,粒子探测器,如何识别不同粒子,现代粒子物理实验的鼻祖:鲁瑟夫实验,Beam: 粒子,Target: 金箔,Detector: 硫化锌屏幕,一点历史,-Steven Weinberg,观测世界的手段：总结,第五部分：理论未解之谜,标准模型取得了巨大成功，但它仍不是一个基本的理论，有一些理论问题无法解释： 有关费米子“代”和“味道”的问题 “大统一”和更小尺度的物理 “暗物资”和“暗能量” 黑格斯粒子的本质,水平方向的：,竖直方向的：,来自天上的：,来自地狱的：,“暗物质”和”暗能量”,标准模型无法解释,费米子“代”和“味道”之谜,为什么恰好有三代 ？ 为什么有不同的质量? CP 破坏问题 ？ 物质和反物质不对称,物质和反物质不对称问题（宇宙形成）,宇宙形成,黑格斯粒子,标准模型中所有粒子的质量都来自于黑格斯机制；黑格斯粒子至今还未发现。 黑格斯粒子是基本粒子还是复合粒子？ 为什么黑格斯粒子的质量平方是负的 ？,V,Im(H),Re(H),大统一和