学教科版选修35 3.7粒子物理学简介 课件（3）（55张）.ppt

1 粒子物理学简介 2 本章目录 5 1粒子的分类 5 2反粒子 5 3场和媒介子 5 4相互作用和守恒定律 宇称 5 5更深的层次 夸克模型 注 本章内容参看书第一册p1 p12 基本粒子 3 5 1粒子的分类 1 轻子 不参与强相互作用 自旋 现有400多种粒子可按寿命 自旋 质量 参与的相互作用 分为轻子 强子和媒介子 带电的轻子还可参与电磁相互作用 4 轻子m mev q e j 5 轻子质量不一定小 精确测定的意义 电磁作用耦合常数是e 弱作用耦合常数是g 按92年以前数据得到 1992年bepc结果 这样三个g就一致了 支持了粒子的标准模型 6 李政道 1991 1992年高能物理最重要的 m 是否为0 这涉及宇宙前途 1998年日本实验发现 和 e之间有振荡 结果就是m 的精确测量 表明m 0 10 2ev 中性 穿透力极强 1956年首次探测到 太阳辐射大量 每秒能有1014个 穿过人体 1982年苏联实验发现 14ev m 40ev 后来曾公认 m 7 3ev 无下限 7 2 强子 强子能参与强相互作用 也参与其他作用 介子 j 0 整数 玻色子 重子 j 半整数 费米子 如 n p 如 0 k k0 按自旋分为介子和重子两大类 8 3 媒介子 传播子 媒介子传播相互作用 是相互作用的媒介 9 5 2反粒子 正能解 粒子e 0 负能解 粒子e 0 若动量p 0 两个能区被2m0c2 则能量e m0c2 所隔开 10 dirac的 空穴 理论 构成了一个无所不在的背景 故感受不到 把负能态的电子激发到正能态 负能态上就少了负能量和负电荷 于是就出现了正能量和正电荷 电子负能态都填满了 真空被激发 激发 复合 11 1931发现了e 以后 k k 1959产生了 每种粒子都有反粒子 光子的反粒子就是自身 反粒子 反核 反原子 反世界 1995年9月欧洲核子研究中心 制造了9个反氢原子 存在了4 10 8s 自旋与磁矩同向 2002年8月欧洲核子研究中心成功地制造出了约5万个低能状态的反氢原子 这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质 12 dirac的空穴理论并不完整 对玻色子 但有启发 真空是场的基态 按照量子场论 每种粒子都相应一种物质场 电子场 光子场 介子场 场处于基态 无粒子 5 3场和媒介子 场的基态构成真空 光子 电磁场的激发态 介子 介子场的激发态 13 介子场处于激发态 表现为有一个 介子 通过相互作用 介子场把激发能传给正电子和中微子场使其激发 介子消失 产生了正电子和中微子 是 和e e间的弱作用引起的 e e 14 传递相互作用的场被激发 媒介子 电子 电子相互作用交换电磁场 放出 吸收光子 n p通过核力相互作用交换 介子 交换中多了能量 e mc2 若传递时间为 t 按不确定关系估算 量级 15 所以 t应非常小 则应能观察到交换的粒子 e m 则应观察不 若 t非常小 以至 若 t足够小 则 e足够大 以至使 e mc2 实际上是观察不到交换的粒子 且满足关系 这说明交换的是 虚粒子 交换 但看不到 按作用速度为c来估计作用力程 可认为力程数量级为 到交换的粒子 16 电磁 长程力 强 短程力 由此估算出 后来实验发现 弱 短程力 由此估算出 实验给出中间玻色子 引力 长程力 由此反推出 2 10 15m m 102mev 10 18 10 17m m 139mev m 10 100gev m 80 90gev m引 0 17 四种作用强弱比较 18 5 4相互作用和守恒定律 宇称 这就使我们可以通过守恒定律来揭示粒子 由于对粒子间作用的规律不完全清楚 不可能建立粒子的动力学规律 因此 寻找粒子在反应过程中的守恒量 就成为了一项重要的研究方法 正是由于粒子的反应过程必须遵从一系 列守恒定律 才限制了某些过程的发生 的某些内禀性质 19 除此之外 对于粒子还有一些与内禀性质相联系的的守恒定律 如宇称 同位旋 奇异数 重子数 轻子数等守恒定律 实验证明 在所有相互作用中 能量 动量 角动量和电荷这四个量的守恒定律是严格成立的 它们不一定在每一种相互作用中都成立 下面只介绍一下宇称和宇称守恒定律 物理量是否守恒和相互作用的性质有关 20 一 对称性和守恒定律 对称性 物体状态在一定变换下具有的不变性 物理学中的对称性 状态的对称性 规律的对称性 21 研究物理规律的对称性的意义 在探索未知的物理规律的时候 可以以普 它所服从的物理规律不变 所谓物理规律的对称性就是物理规律在一 定变换下的不变性 即某种物理状态或过程 在一定的变换下 例如转动 平移等等 遍的对称性规律作为指引 22 空间平移不变性 动量守恒 空间转动不变性 角动量守恒时间平移不变性 能量守恒 空间反演不变性 宇称守恒 整体规范不变性 电荷守恒 物理规律的每一种对称性 即不变性 通常都相应于一种守恒定律 23 二 空间反演不变性和宇称守恒 所以空间反演实质上和镜像反射变换等价 x y z x y z 空间反演 1 空间反演不变性 由于物理规律对旋转的变换保持不变 24 镜像反射把左手变成右手 左 右对称 规律的空间反演不变性 的物理规律 在自然界中都同样能存在或发生 左右对称的两个状态或两种过程都服从同样 尽管在镜像反射下 物理过程的状态变化了 但它们服从的物理规律却没有变 这就是物理 25 量子力学 空间反演不变性 宇称守恒 例如在空间反演变换 等价镜像反射 下 力学的基本规律不变 反映对称性的物理量叫宇称 parity 或者说宇称就是坐标反演下的对称性 26 一种运动状态 相应的反演状态 2 宇称守恒 对于微观粒子 a 本征方程 p为本征值 宇称 b a b 比较 设反演算符为 则 27 偶宇称 奇宇称 28 体系具有确定的宇称 且保持不变 如果一个孤立体系具有偶宇称 宇称守恒定律 变性 实质上是代表相互作用能量的哈密顿 则微观粒子 只要微观粒子的运动规律具有空间反演不 算符在空间反演变换下不变 偶宇称 如果具有奇宇称 则永远是奇宇称 则永远是 量子力学证明 29 3 体系的总宇称和部分宇称 一个粒子体系 例如 a b c 组成的体系 若a b c粒子状态波函数分别为 粒子间相对运动状态的波函数为 系的总波函数为 因此 若a b c各自运动状态和相对运动状 即体系的总宇称应为其部分宇称的乘积 则粒子体系的总宇称应该为p papbpcpr 态的波函数的宇称分别为pa pb pc和pr a b c r a b c r 则粒子体 30 即相对运动波函数的宇称pr 1 l 则相应的波函数就是球谐函数ylm 若l 0 1 2 3 则pr 1 1 1 1 若粒子体系的相互作用是中心力 于它们共同质心运动的轨道角动量量子数为l 而相对 31 例如对于 介子 0的宇称p 1 4 粒子的内禀宇称 每一种粒子都应具有一种确定的宇称值 这宇称又称为粒子的内禀宇称或本征宇称 故规定 利用p n 参加的反应和宇称守恒定律 就可以确定其他粒子的宇称 pp pn p 1 32 实验证明 在强相互作用中 反应前后粒 但是在弱相互作用 中如何呢 子体系的宇称是守恒的 都是上世纪50年代初期发现的重介子 5 弱作用宇称不守恒问题 之谜 它们的自旋都是0 质量 寿命也基本上相同 质量 966 7 2 me 寿命 1 21 0 02 10 8s 质量 966 3 2 me 寿命 1 19 0 05 10 8s 因此 应该认为 和 是同一种粒子 33 但是 和 的衰变方式却不同 而 经实验分析 而根据角动量守恒分析 故两种情况都有pr 1 0 1 若认为衰变前后 若 和 为同种粒子 则内禀宇称有矛盾 宇称守恒 衰变的3个 介子相对运动的 轨道量子数l 0 衰变的两个 介子的轨道量子数也应是l 0 则 34 当时有很多人反对此假说 朗道 泡利 李政道 杨振宁假说 在1956年大胆地提出 应是同一种粒子 他们还建议在原子核的 衰变和基本粒子衰变中 可以通过哪些实验来检验宇称是否守恒 宇称不守恒的假说 李政道和杨振宁在 疑难的启发下 即今k介子 从而提出弱相互作用过程中 t d leeandc n yang physrev104 254 1956 6 李政道 扬振宁假说和吴键雄实验 35 李 杨假说很快被吴健雄的极化co60衰变实验 就说明此衰 如果是图示的两种情况 所证实 皆存在 说明宇称守恒 如果是图示的两种情况 只存在一种 即该衰变中宇称不守恒 变不具有空间反演对称性 36 低温下加磁场可大量原子核的磁矩 自旋 都沿磁场方向排列起来 极化 沿自旋正反方向的 射线强度 宇称不守恒 实验的结果 沿正反两方向 射线强度不同 且只存在图示的衰变情况 若实验的结果是沿自旋正反方向的 射线强度相同 则说明必存在镜像反射对称 宇称守恒 然后测量 吴键雄的实验 37 李 杨二人的杰出工作获得了1957年的诺贝尔物理学奖 后来的实验证明 在介子衰变过程中宇称也不守恒 这样宇称守恒定律就被证明在整个弱相互作用中都是不成立的了 一个矛盾的实验结果就足以推翻一种理论 这正如爱因斯坦所说 38 杨振宁 1922 李政道 1926 1956年诺贝尔物理奖获得者 提出弱相互作用下宇称不守恒 39 吴健雄在做co60衰变实验 吴健雄在做学术报告 40 杨振宁对吴键雄的评价 41 60年代发现后 弱作用中宇称不 它们都不存在相应的镜像对称物 守恒得到了更直接的证明 42 5 5更深的层次 夸克 quark 模型 三种夸克 上 u 重子 介子 1974年发现了j 粒子 丁肇中 里希特 下 d 奇异 s 以后这些统称为夸克模型 1977年又提出了底夸克 b和顶夸克 t 1964年美国人盖尔曼等人提出夸克模型 同年中国物理学家提出了层子模型 而且是 相对论化的 必须引入第4种夸克 粲夸克c 43 默里 盖尔曼 美国 murraygell mann 1929 著名理论物理学家 1950年提出关于奇异粒子的八重态理论等 1960年代中期最先提出夸克 quark 假设 1969年获诺贝尔物理学奖 这是2002年6月17日在清华大学举办的前沿科学国际研讨会 庆贺杨振宁先生80华诞 上 盖尔曼教授做学术报告 题为 somepathwaysintheoreticalphysics 44 丁肇中和里希特同获1976年诺贝尔物理奖 丁肇中 1936 里希特 1931 2002 6 17在清华大学主持前沿科学国际研讨会 45 46 1 0 1 1 1 2 1 2 0 0 p n p p u夸克 j 1 2 q 2e 3 d夸克 j 1 2 q e 3 47 夸克的颜色 q 2 j 3 2 组成应为3个u夸克 夸克是费米子 一定有另外一种性质不同 颜色不同 绿 重子 qqq 无色 反夸克有反色 介子 也无色 红绿蓝混合则无色 红 蓝 48 两个有色粒子之间的作用力叫色力 用理论中起着十分重要的作用 夸克之间的相互作用力 色在夸克的相互作 夸克囚禁 夸克只在粒子中 没有自由夸克 距离越大力也越大 一种解释 夸克间的作用力类似弹簧的 拉力 距离小反而自由 它就是 49 粒子物理的研究内容主要有两个方面 一是粒子的内部结构 一是粒子间的相互作用 运动和变化规律 从电子发现到现在的一个多世纪中 共发现 规范粒子属于深一层次的粒子 了400余种粒子 其中只有轻子 夸克和一些 50 整个的物质世界就是由三代轻子和三代夸克所组成 高能加速器是研究粒子的有力武器 5