上帝粒子的发展与研究.ppt

在展示我们研究性小组的课题前 我先说明 这个课题将有些枯燥 但 你将看到一个 完全不同的世界 1 1强子对撞模拟图 1 2球状星云 1 3 1 4质子对撞图 1 5 1 6质子对撞图 1 7 1 8LHC 欧洲大型强子对撞机 霍金的战败 希格斯玻色子 大连八中高一十班 课题 上帝粒子的发展与研究 一 什么是希格斯玻色子 上帝粒子 二 上帝粒子 的研究背景 三 基本理论 四 基本 标准 模型 五 发现与发展前景 一 什么是希格斯玻色子 希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子 至今尚未在实验中观察到 它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子 物理学家希格斯提出了希格斯机制 在此机制中 希格斯场引起自发对称性破缺 并将质量赋予规范传播子和费米子 希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发 它通过自相互作用而获得质量 2012年7月2日 美国能源部下属的费米国家加速器实验室宣布 该实验室最新数据接近证明被称为 上帝粒子 的希格斯玻色子的存在 玻色子简要概述 玻色子 英语 boson 是依随玻色 爱因斯坦统计 自旋为整数的粒子 玻色子不遵守泡利不相容原理 在低温时可以发生玻色 爱因斯坦凝聚 玻色子 在相互作用中不守恒的基本粒子 其行为遵守1920年由萨蒂恩德拉 玻色 Satyendrabose 1894 1974 和阿尔伯特爱因斯坦发展的 波色 爱因斯坦统计法 的统计规则 二 上帝粒子 的研究背景 1964年 英国物理学家彼得 希格斯 P W Higgs 发表了一篇学术理论文章 提出一种粒子场的存在 预言一种能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子的存在 他认为 这种玻色子是物质的质量之源 是电子和夸克等形成质量的基础 其他粒子在这种粒子形成的场中游弋并产生惯性 进而形成质量 构筑成大千世界 希格斯提出了希格斯机制 在此机制中 希格斯场引起电弱相互作用的对称性自发破缺 并将质量赋予规范玻色子和费米子 费米子简要概述 自旋为半整数 1 2 3 2 的粒子统称为费米子 服从费米 狄拉克统计 费米子满足泡利不相容原理 即不能两个以上的费米子出现在相同的量子态中 轻子 核子和超子的自旋都是1 2 因而都是费米子 自旋为3 2 5 2 7 2等的共振粒子也是费米子 根据标准理论 其他有质量的非基本粒子 都由费米子组成 例如中子 质子都是由三种夸克组成 自旋为1 2 三 基本理论 科学家们建立起被称为标准模型的粒子物理学理论 它把基本粒子分成3大类 夸克 轻子与玻色子 标准模型的缺陷 就是该模型无法解释物质质量的来源 在本质上 这个场就像一池黏黏的蜜糖 除了非质量的基本粒子 通过此场的时候 会将粒子转变成带有质量的粒子 就像是原子的成分 在标准模型中 希格斯粒子包含了一个中性与两个带电成分的区域 两个带电和一个中性区域皆是Goldstone玻色子 是纵向三极化分量带质量的W W 和Z玻色子 维持中性成分的量子对应到具有质量的希格斯粒子 既然希格斯场是一个标量场 希格斯粒子没有自旋 也就没有内在的角动量 标准模型没有预测希格斯玻色子的质量 如果质量在115和180GeV c2之间 则标准模型的能量等级可以有效直到普朗克尺度 1016TeV 普朗克尺度简要概述 经典广义相对论 的奇性不可避免 所以标准大爆炸模型中时空存在着零点 给了上帝一个容身之地 但是考虑到量子力学的测不准原理 一些基本量度 譬如长度和时间具有测不准性 测不准的程度由普朗克常数确定 从该常数可以定出最小的长度量子 即普朗克长度 为10E 33厘米 这远远小于原子核的尺度 测量任何长度不可能比这个更精确 而且比普朗克长度更短的长度是没有意义的 同样 作为时间量子的最小间隔 即普朗克时间 为10E 43秒 四 基本 标准 模型 标准模型包含费米子及玻色子两类 费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理 这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态 的粒子 玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理 简单地说 费米子组成物质的粒子 而玻色子负责传递各种作用力 电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一 这些理论都基于规范场论 即把费米子跟玻色子配对起来 以描述费米子之间的力 由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变 所以这些中介玻色子就被称为 规范玻色子 标准模型所包含的玻色子有 负责传递电磁力的光子 负责传递弱核力的W及Z玻色子 负责传递强核力的8种胶子 五 发现与发展前景 欧洲核子研究中心1991年开始设计兴建欧洲大型强子对撞机 LargeHadronCollider简称LHC 于2008年9月10日正式开始调试运行 2011年7月22日 LHC的两个实验区域对撞超过180万亿个质子 各自发现约30个疑似上帝粒子 其质量都是约143十亿电子伏特 GeV 此外 美国芝加哥的Tevatron粒子加速器也在142至148GeV之间出现 大量粒子 而这一切如果属实的话 人类或许可能改变对这个世界的认知 LHC上地表面貌 欧洲核子研究中心 CERN 2013年3月14日发布公告称 对更多数据的分析显示 该中心2012年宣布发现的一种新粒子 看起来越来越像 希格斯玻色子 CERN2012年7月4日宣布 该中心的两个强子对撞实验项目 ATLAS和CMS发现了同一种新粒子 它的许多特征与科学家寻找多年的希格斯玻色子一致 对撞演示 Inconclusion 关于希格斯粒子 它只有理论意义 对理论研究有帮助 但它不是 真实粒子 就象虚数 它有重要的理论作用 但它不是实数 只有通过其它 数 的作用在现实中才找到虚数的真实意义 希格斯机制象虚数一样 它不是真实粒子 但