理论物理前沿讲座.ppt

物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 2 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 世界是由什么构成的 和 它们是如何相互作用的 3 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 基本粒子概念的发展 古代对物质结构的猜想我国夏朝 金 木 水 火 土五行学说古希腊 水 火 土 空气组成物质 德谟克利特 提出了原子论 公元前3世纪 近代对物质结构的认识道尔顿的原子论 每一种元素都代表一种特定的原子 不同元素的原子的性质不同 4 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 原子的结构1896年 贝克勒尔发现发射性 原子是不稳定的 1897年 汤姆生的阴极射线管实验发现电子 1909年 卢瑟福的阿尔法粒子散射实验发现原子的质量必須集中在一個很小的区域內 原子的构造如太阳系一般 电子绕原子核运行 5 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 原子核的结构1932年 查德威克 Chadwick 用阿尔法粒子撞击铂金属实验发現与质子质量相近的中性粒子 中子 neutron 强相互作用的开始1934年 汤川 Yukawa 提出强相互作用的概念 用来解释质子与中子如何结合成原子核 交换强作用力的粒子称为介子 meson 6 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 强子世界 1947年 鲍威尔及其合作者发现了汤川预言的 介子 0 1947 1949年 在宇宙线中 发现了 V 粒子 p K 1950 s 高能加速器建成 许多新粒子被发现 除了稳定粒子外 还发现不稳定的共振态 寿命很短 10 23秒左右 1956年 美国科学家张伯伦等在加速器的实验中发现了反质子 即质量和质子相同 自旋量子数也是1 2 带一个单位负电荷的粒子 接着又发现了反中子 7 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 介子 玻色子 pion 0 kaonK K K0 K0 重子 费米子 核子p n 超子 0 0 0 介子共振态 重子共振态 强子 大小1fm 参与强相互作用的粒子叫强子 8 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 它们都是最基本的吗 9 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 对称性 系统在一种操作或变换下保持不变 我们说系统对于这种操作或变换具有对称性 诺特 Noether 定理 对称性守恒量 10 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 物理中的对称性 连续对称性 空间平移不变性动量守恒时间平移不变性能量守恒空间转动不变性角动量守恒 分立对称性 C 电荷共轭粒子 反粒子P 宇称左 右T 时间反演过去 未来 11 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 规范对称性 整体规范对称性定域规范对称性置换对称性 玻色子遵守玻色 爱因斯坦统计费米子遵守费米 狄拉克统计 守恒荷 量子数 相互作用 12 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 同位旋 I 1930 s Heisenberg引入同位旋的概念 在强相互作用中 质子和中子没有差别 pn同位旋Iz 1 2 1 2 13 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 奇异数 S Gell Mann 1953 超子 S 1 K S 1 K S 1协同产生理论认为 由强力产生的奇异粒子只能同时成对地产生 重子数 B 重子 B 1反重子 B 1介子 B 0在反应过程中 总的重子数守恒 量子数还有粲数 c 底数 b 超荷 Y 等等 S 00 11 B 0110 Q 1100 14 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 强子的构成模型 CompositemodelsofHadrons Itisnoteasytobringinnewparticles evenifitseemstobetheobviousthingtodofromhindsight Researchersusuallyavoidnewtheoriesunlessabsolutelynecessary Thisisinaccordancewiththetraditionofnaturalsciencewhichvaluesevidenceaboveall 15 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 费米 杨模型 1949 介子由一个核子和反核子构成 pn np 0 pp nn 坂田 Sakata 模型 1956 所有的强子由p n 组成 K p K p pn 0 n 16 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 夸克模型1964年 Gell Mann和Zweig独立地提出夸克模型 强子不是最基本的 而是由更小的 更基本的夸克构成 介子由夸克和反夸克组成 重子由三个夸克组成 qq qqq 17 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 夸克名称的由来 Gell Mann给新粒子命名quark Zweig ace 这场命名之战中 Gell Mann获胜 Gell Mann在语言学方面有相当的造诣 他创造的词汇有 奇异性 strangeness 夸克 quark 颜色 color 等 Gell Mann受到杰姆斯 乔伊斯 JamesJoyce 的小说 芬尼根彻夜祭 中的一句话 对着马斯特 马克的三声夸克 的启发 夸克代表一种鸥的叫声 18 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 Gell Mann 24岁发现了基本粒子的一个新量子数 奇异数 32岁提出了强子分类的八重态法 相当于介子和重子的门捷列夫周期表 35岁创立了夸克模型 4O岁荣获诺贝尔物理学奖 盖尔曼深邃的洞察力与旺盛的创造力使他主导了20世纪60年代的粒子物理理论 作为一个理论物理学家 我的研究对象是构成物质的基本粒子 与实验物理学家不同 我不必呆在大型加速器旁或地下深处的实验室里 我不需要直接精密的仪器 也用不着大的学术团体 我至多用得着一枝铅笔 一些纸张和一个废纸篓 而往往连这些也不需要 让我好好睡一觉 没有什么分心的事 拥有时间 没有忧虑和职责之类的问题来困扰 我就可以工作 不管是站在雨中 或半睡半醒地坐在晚班飞机上 还是漫步在荒野小道上 我都能工作 夸克与美洲豹 19 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 20 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 夸克的特征1 味道 flavor u up c charm t top 上粲顶d down s strange b bottom 下奇异底夸克是自旋1 2的费米子 夸克质量 GeV 0 0021 31700 0050 154 5 21 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 2 颜色 color 红蓝绿3 电荷 u d c s t b 2 3 1 3 强子无色 22 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 强子的夸克模型介子 23 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 24 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 重子 25 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 质量公式预言m 1670MeV实验m 1672 45 0 29MeV 26 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 轻子家族 轻子是不参与强相互作用而参与弱相互作用或电磁相互作用的基本粒子 电子是第一个被发现的轻子 1897年 随着研究的深入 科学家们陆续发现了其它轻子 1936年 安德森在宇宙线中发现的比电子约重207倍的粒子 当时误认为是介子 后来发现这种粒子其实并不参与强相互作用是一种轻子 称为 子 1975年 美国科学家佩尔等人在美国SLAC实验室的正负电子对撞机上发现了一个比质子重两倍 比电子重3500倍的新粒子 其特性类似于电子和 子 经过反复检验 证明是在电子和 子之外的又一种轻子 以希腊字母 表示 27 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 轻子 共12种 迄今的实验尚未发现轻子有内部结构 人们认为轻子是与夸克属于同一层次的粒子 28 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 四种基本相互作用 1 四种基本相互作用的性质 2 相互作用是通过交换一定粒子实现的 29 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 基本粒子 30 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 2008年物理学诺贝尔奖 美国芝加哥大学恩里科 费米研究所的南部阳一郎日本高能加速器研究组织的小林诚日本京都大学汤川理论物理研究所的益川敏英 31 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 现代物理学理论认为 宇宙大爆炸时应产生同等数量的粒子与反粒子 二者相遇会湮灭 同时释放能量 如果真是如此 整个纷繁复杂的物质世界 包括人类自身都将不会存在 为何当今的世界只有物质 32 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 获得今年诺贝尔物理学奖的三位科学家提出的有关理论 为解释宇宙的构成提供了重要线索 据测算 宇宙中物质粒子的数量只比反物质粒子多出百亿分之一 就足以形成我们今天的物质世界 但为什么会出现这种对称性的微小 偏离 物质粒子的质量又是如何形成的 一直是科学家未能揭开的谜团 33 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 自然界中出现的对称 自然界充满了各种对称性例如 许多动物的左右对称性 太阳的转动对称性 海星的五重对称性 雪花的六重对称性 34 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 各类艺术 建筑都有较高的对称性 35 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 在物理学中对称性的概念是逐步发展的 今天它已具有十分广泛的含义 如果一个操作使系统从一个状态变到另一个与之等价的状态 或者说 状态在此操作下不变 我们就说这系统对于这个操作是 对称的 而这个操作叫做这系统的一个 对称操作 物理学中的对称性 36 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 空间操作有平移 转动 镜像反射 标度变换 尺度放大或缩小 等 时间操作有时间平移 时间反演等 除时空操作外 物理学中还涉及到许多其他的对称操作 如置换 规范变换 和某些动力学变换等 最常见的对称操作是时空操作 37 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 对称性与守恒定律 对称性 对应 对应 物理学中存在着许多守恒定律 如能量守恒 动量守恒 角动量守恒 这些守恒定律的存在并不是偶然的 它们是物理规律具有各种对称性的结果 时间平移对称性 能量守恒定律 空间平移对称性 动量守恒定律 守恒量 守恒定律 38 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 粒子物理学的基本理论描述了三种类型的对称 另外 还有对于粒子系统内部的规范变换所带来的对称性 时间对称 T 是指将时间反演 时间倒流 下系统的性质不变 电荷对称 C 是指将粒子换成对应的反粒子 系统的性质不变 镜像对称 P 是指在空间反演 镜像反射 下系统性质不变 39 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 对称性与相互作用 规范对称性 决定 相互作用形式 在粒子物理场论模型中 如 量子电动力学 QED 量子色动力学 QCD 电子系统 QED 夸克系统 QCD 规范对称性 电子间的电磁相互作用 规范对称性 夸克间的强相互作用 40 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 许多年来 物理学家们一直在寻找隐藏在纷繁表象下的自然法则 他们认为 自然法则应该是完美对称和唯一的 从麦克斯韦的电磁学方程到爱因斯坦的质能守恒定律到规范场理论 物理学中的对称性不仅仅只具备审美意义 它们还能简化许多复杂的计算 并在用数学公式描述自然世界中起着决定性的重要作用 对称性和其对应的守恒定律是自然世界背后所遵循的一般法则 41 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 对称中的破缺 最先对宇宙的对称性提出质疑的是两位理论物理学家 1956年 当李政道和杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒的理论时 几个月后 华人物理学家吴健雄等通过实验证明了这个理论 世界为之震惊 一年后 两人即获得诺贝尔物理学奖 42 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 弱作用中宇称不守恒强作用下宇称守恒得到实验证实 但对 和 粒子的衰变 它们质量相等 电荷相同 寿命也一样 但它们衰变的产物却不相同 1956年 李政道杨振宁为解决 难题 提出弱作用中宇称可以不守恒 43 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 1964年 美国科学家詹姆斯 克罗宁和瓦尔 菲奇在这个实验中观察到了在一种陌生粒子的衰变中宇称和电荷对称都被打破了 CP破环 然而 当时物理学界还是认为 宇称和电荷的对称 CP对称 不可能同时被打破 这说明自发性破缺早在宇宙形成之初就已经存在 物理学家彻底被震撼 他们无法解释这种现象 44 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 这种状况在1972年得到了解释 当时 名古屋大学28岁的小林诚博士和32岁的益川敏英合作 提出 小林 益川理论 在标准模型的框架内解释了对宇称和电荷破缺现象 CP破环 小林 益川理论 提出夸克的种类有6种 分为三代 他们认为 造成宇宙中正粒子多于反粒子的原因是夸克的反应衰变速率不同 45 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 粒子物理标准模型 基本粒子 以6种夸克 轻子和相应的中微子为组成物质的基本粒子 相互作用 光子 胶子和规范玻色子 标准模型 建立在SU 3 SU 2 U 1 的规范对称性基础上的量子场论模型 但是在初期 模型中所有的规范量子都是零质量的 46 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 现实世界中基本粒子的都是有质量的 质量究竟从哪里来 47 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 1960年 美国芝加哥大学的理论物理学家南部阳一郎指出了一种可能让粒子产生质量的方式 他率先把超导的理论中的对称性自发破缺引进粒子物理学中 并且意识到真空态适合于对称性自发破缺的研究 所谓自发对称性破缺是指在一个物理系统中 概括整个系统动力学状态的函数拉格朗日量具有某种对称性 而描述系统最低能级的真空态却不具有该对称性 对称性自发破缺 48 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 比如 一支以笔尖直立于水平面上的铅笔 它在每个方向上都具有完美的对称 但铅笔会朝某一个方向倒下 对称虽被打破了 但铅笔处于了最稳定的状态 49 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 再比如 真空好像放在山顶的一个球 这个球处于完全对称的状态 然而 其状态是不稳定的 因为极轻微的扰动力就可以让球沿一特定方向滚下山 球滚动到最低点达到最稳定 对应真空基态 然而因为球滚动的方向具有区别于其他任何方向的特征 此时 对称性被破坏 50 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 南部 戈德斯通定理 Nambu GoldstoneTheorem 指连续性整体对称性被自发破缺后必存在零质量玻色粒子这一定论 此粒子被称为戈德斯通玻色子 或称南部 戈德斯通玻色子 南部阳一郎的理论启发了英国物理学家希格斯 P W Higgs 希格斯在1964年在 物理快报 和 物理评论快报 上连续发表两篇短篇论文 提出了宇宙质量起源的理念 51 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 希格斯质量来源的猜想 在宇宙大爆炸之初 所有的力在各个方向都是对称的 所有粒子的质量都是零 但希格斯场就像直立的铅笔一样 是不稳定的 当宇宙温度开始冷却时 希格斯场跌落到最低能量状态 即真空态 这时对称性消失 希格斯场变成了一锅 粒子汤 粒子们吸收不同能量的力场并获得不同的质量 物质因此如此纷繁复杂 52 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 宇宙极早期 完全对称统一 体积膨胀 温度降低 对称破缺 产生时空 粒子 原子 物质 物质世界来源于不对称性 53 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 希格斯粒子就是希格斯场的代表 它被认为是物质的质量之源 是粒子物理标准模型的基石 1988年 诺贝尔物理学奖获得者莱德曼将这种粒子称为 上帝的粒子 称它是 指挥着宇宙交响曲的粒子 54 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 欧洲核子研究中心的 大型强子对撞机 LHC 全长约27公里长 建在瑞士和法国边境地下100米深的环形隧道内 它是来自30多个国家的5000多名科学家和工程师 投下将近20年的时间建成的 大型强子对撞机 LHC 55 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 欧洲核子研究中心9月10日启动LHC 希望借助这台世界最大的粒子加速器 以接近光的速度和力量撞击质子 让宇宙大爆炸再次上演 借助于强子对撞机的巨大能量 发现在粒子物理理论模型中形成物质质量的 上帝粒子 希格斯粒子 56 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 粒子物理与高能物理简介 目前对所能探测到的物质结构最深层次的研究称为粒子物理学 又称为高能物理学 在20世纪20年代末 人们曾经认为电子和质子是基本粒子 后来又发现了中子 在宇宙射线研究和后来利用高能加速器进行的实验研究中 又发现了数以百计的不同种类的粒子 这些粒子的性质很有规律性 所以现在将基本两字去掉 统称为粒子 57 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 在现阶段 粒子加速技术已有了新的进展 由于重离子加速技术的发展 人们已能有效地加速从氢到铀所有元素的离子 其能量可达到十亿电子伏每核子 这就大大扩展了人们对物质微观结构的深入认识 这些加速粒子加速器就像显微镜一样帮助人们进一步研究物质的微观结构和存在形态 58 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 通过电子高能探针 重离子高能碰撞来探测粒子的微观结构 59 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 粒子物理研究中最基本的粒子 夸克 电子 中微子 60 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 一个粒子里有一个宇宙 61 物理学科前沿讲座 粒子物理与宇宙学 粒子物理和宇宙学 随着对探索物质深层次结构和宇宙大尺度演化的实验和理论研究的不断深入 粒子物理和宇宙学两者看起来似