粒子物理期末考试重点.ppt

1 Structureofanatom Whereisthestrongforcemostrelevant Atom nucleus proton neutron quarks gluons 10 10m10 14m10 15m 1fm 10 19m 2 Theoryofstrongforce QuantumChromodynamicscharge color r b g 3constituents quarkmediator gluon Quark ONEcolorchargeGluon TWOcolorchargesOrdinaryhadronsarecolorneutralparticles Mesons 2quarks r rbar Baryons 3quarks r b g Electromagneticforce1lepton quark etcphotonphoton nocharge 3 Colorfactor gluonandquark Quark ONEcolorcharge pionGluon TWOcolorcharges protonDifferencebetweengluonandquarkjetquenching Needgoodhadronidentificationatveryhightransversemomentum 强相互作用及核力 描写强相互作用的成功理论 QCD quantumchromodynamics强相互左右的媒介粒子是胶子 gluon 如 2个u和1个d夸克通过交换胶子构成质子核力是强相互作用的剩余相互作用核力的特点 力程短 10 15m 作用强 快 t 10 23s电荷无关性核力不仅具有中心力的成分 也有与spin相关的非中心力成分具有饱和性 1个核子只与其近旁的少数几个核子发生作用 自旋的确定 介子的自旋为可根据细致平衡原理通过测量可逆反应 镜像核性质 实验发现 镜像核的基态结合能相差很小 且结合能基本上等于镜像核的库伦位能差 我们把pp和nn之间的强相互作用相同称之为核力的电荷对称性把相同状态下 pp np nn之间的强相互作用都相同称之为核力的电荷无关性 不考虑同位旋波函数时得到的结果与引入同位旋波函数时得到的结果是完全相同的 7 1强子态的产生 粒子和粒子的碰撞来产生新的强子态形成实验 生成实验 重子态的命名 基本符号 同位旋划分 如果组成夸克都是普通夸克 u d I 1 2NI 3 2 若组成夸克由2个普通夸克 另一个夸克是由s c bt中的一个I 0 I 1 含c b t的要在右下角标出 3 重子组成夸克之一是u 或者d 另外两夸克由s c b t中的两个构成 这类重子符号都用 表示 有多少c或者b t组成就在 的右下角标上相应的夸克味的符号 例如 dsc对应的重子为 dcc对应的重子为4 若组成夸克没有u和d 用符号 表示 除s外 还含有c b t在 的右下角标上相应夸克味的符号 基本相互作用 设计实验 检验宇宙线的 东西效应 东西效应 在同一观测点来自西方的粒子多于从东方来的东西效应的起因 初级宇宙线带正电荷宇宙线成分未知 可能主要含有 子 光子 质子 重离子 不计成本 不计方式写明实验装置及步骤 高速运动 洛伦兹变换x gama x v t t gama t v x c 2 实验室系与质心系质心系中总动量为零 系统质心系能量的计算m1为静止能量 E1为实验室系总能量 上式左为相对论情形 右为非相对论情形 2粒子静止 洛伦兹不变量 必考内容 三维情况 必考内容 角度的变换 角度的变换 角度的变换 粒子速度 四动量的快度描写 因此 若某粒子的动量p不与x轴平行 则 重要推论 两粒子的快度差是洛伦兹不变的 而速度差不满足洛伦兹不变性 两粒子 相对论 两粒子 相对论 是两个粒子运动方向夹角 Ecm是碰撞后全部粒子质量的上限 是两个粒子运动方向夹角 Ecm是碰撞后全部粒子质量的上限 一般情况下 入射粒子打静止靶 p2 0 两高能粒子对撞 E m 对于2对称粒子 E1 E2 E 此时效率最高 目前已经发现的基本粒子 粒子和场 电子 韧致辐射vs 电离损失 什么是RHICRelativisticHeavyIonCollider什么是STARSolenoidalTrackeratRHIC 两高能粒子对撞 E m 对于2对称粒子 E1 E2 E 此时效率最高 必考内容 阈能反应 必考内容 2为靶 静止状态 E为能量 T为动能 b为靶 静止状态 不变质量谱 中微子 中微子的发现历程奇怪的中微子 只有左旋中微子 弱作用宇称不守恒的原因太阳中微子丢失现象中微子震荡的近期结果 2 从太阳中微子丢失到中微子振荡 太阳的能源来自氢核聚变 通过反应实现的 因而产生大量的电子中微子 中微子通量为 这一过程能很好地用太阳模型描述 测量太阳中微子的先驱是R Davis 在1970年 他用615吨作探测器 通过反应 寻找放射性的原子 他终于找到了 从而探测到了来自太阳的中微子 因此 他获得了2002年的诺贝尔物理学奖 2 从太阳中微子丢失到中微子振荡 他们在测量太阳中微子数量时 发现探测到的中微子数量只有预期的三分之一 三分之二的太阳中微子丢失到哪里去了 一直成为一个谜 令物理学家困惑 为了排除低能太阳中微子没有被探测到的可能 对探测器进行改进 设法降低探测器阈值 人们还检查了太阳模型 没有发现什么问题 中微子振荡 1962年 因信仰共产主义而逃到前苏联的BrunoPontecorvo提出如果中微子质量不严格为零 且中微子的质量本征态与弱作用本征态不同 根据量子力学 不同的中微子之间可以相互转换判断中微子质量是否为零的方法 Rome CimiteroAcattolico Dubna Pontecorvo soffice 中微子发现历程 1930年 Pauli为解决beta衰变中连续能量问题 提出中微子概念 1962年 Lederman Schwarts和Steinberg探测出 子中微子 20世纪90年代 LEP和SLC证明只有三代中微子 2000年 Donut探测到陶子中微子 太阳中微子 1962年 Bruno根据量子力学论述 如果中微子质量不为零 且中微子质量本征态与弱作用本征态不同 则两种中微子可以相互转化 1970年 R Davis探测到太阳中微子 并发现太阳中微子损失了近三分之二 1990年 GALLEX和SAGE再次证明太阳中微子丢失现象 丢失约为50 1998年 超级神冈实验室证明 子中微子在飞行过程中转变为其它味道的中微子 这个实验在2000年被K2K实验再次证实 2001年 SNO证明有2 3的太阳中微子转变为其它中微子 证实中微子振荡理论 2002年 KamLAND实验室证实电子中微子丢失 转变为其它味道的中微子 太阳中微子丢失现象的解释 为了解释这一丢失现象 一种比较被广泛认可的理论是 太阳中微子自发射到地球这段距离 一部分电子中微子转换成另一种中微子 这种由一种轻子到另一种轻子的转换称为振荡 从中微子振荡到中微子质量 1962年日本物理学家Z Maki等人提出了中微子振荡的概念 他们认为中微子在空间传播时会产生振荡或称混合 人们观察到的味道本征态是一个质量本征态的线性组合 每一味道成分有不同发生的频率 当距离增加时 中微子味道成分将随质量本征态相位的变化而变化 这种味道的迁移称为中微子振荡 三代中微子的混合 标准模型认为中微子有三代 因此应该考虑三代中微子的混合 虽然标准模型认为中微子质量为零 而在我们考虑中应允许中微子带有质量 我们观察到的三种中微子 是中微子味道本征态 它是三种中微子质量本征态 带有质量 的线性组合 一个的复数幺正矩阵U将味本征态和质量本征态联系起来 通称U为中微子混合矩阵 三代中微子的混合 在形式上 U与称为夸克混合矩阵的CKM矩阵相似 该矩阵可以用三个混合角 和CP破坏相角来表示 三代中微子的混合 我们从三种中微子的振荡测量中分别可得到 三个中两个是独的 为了精确了解中微子振荡的定量关系和微子的质量 我们需要通过大量实验来精细量混合角和质量差 和可通过太阳中微子振荡实验 可通过大气中微子荡和加速器中微子振荡实验 可通过应堆中微子振荡实验分别给出 三代中微子的混合 目前给出的混合角值为 90 C L 这些精度还不够 特别角因为本身值小 更难测量 关于质量差给出的结为 可以说中微子有质量 但质量很小 三代中微子的混合 中微子质量测量还在其他类型实验中进行 如用氘的谱尾端拟合方法可直接得到的质量 无中微子的双衰变实验得到 宇宙学给出的中微子质量为0 7 1 8eV 威尔金森微波各向异性探测器给出的结果是 以上质量上限都与中微子振荡的结果是不矛盾的 三代中微子的混合 三种中微子混合矩阵U的提出是对标准模型的发展 但从理论高度如何理解 如何给出精确的值 近年来理论家做了大量的工作 但多是唯象的 2006年李政道和R Freidberg从对称性原理推导出U 用3个参数表示6个可测量的量 其结果与实验数据符合得很好 可以说这是从本质上认识三种中微子混合迈进了一大步 未来实验展望 为了得到更精确的值和值 确认是否存在中微子的CP破坏 是否存在第四种中微子 这都需要更多的 更新的数据 一些大型实验已建成 或即将建成 如MINOS OPERA ICARUS和JHFnu等 其特点是加速器束流强 能量高 可产生较多的 探测器尺寸较大 质量大 探测中微子效率高 分辨率高 未来实验展望 在三个混合角中大家十分关心的值 原因是它是混合矩阵重要的参数之一 其值很小 测量的难度也增加了 目前给出的精度很差 只有精确地确定值才能给出完整的U矩阵 才可以了解与CKM矩阵的区别 的大小与中微子CP破坏直接有关 对了解中微子是否存在CP破坏是十分关键的 为此 物理学家进行了大量的努力 提出许多利用反应堆精确测量的计划 未来实验展望 中国物理学家注意到我国大亚湾有大功率原子能发电站群 总功率为12GW 占世界第二位 周围又有许多山体可供屏蔽用 可大大减小本底 于是他们提出利用反应堆产生的中微子 建造相应的探测装置来测量混合角的科研计划 该计划得到美国等国科学家的响应 现已形成国际合作组 并得到了中国科学院 科技部及美国有关单位的支持 该计划正在顺利进行中 最终目标是将的精度提高到1 左右 Bethe Bloch公式的大致图形电磁簇射高能电子 正电子或光子在物质中断续地 即级联地经过多次电磁作用产生大量电子 正电子及光子的现象叫电磁级联簇射 其基本机制是高能电子 或正电子 在物质原子核的电磁场中通过轫致辐射放出一个光子而损失部分能量 高能光子在核电磁场转化为能量较低的正负电子对 这些产生出来的次级电子 正电子及光子 只要能量够高 就会继续上述的过程 直到放出的电子 正电子及光子能量低到被物质吸收为止 这个现象可被用来作为探测初级电子 或光子 能量的原理 向强子注入能量的结果 不是使夸克分开 而是产生新的强子 能量足够高时 这个过程可以持续下去 直到动能被充分耗散 这就是强子簇射 喷注 夸克由于动能增加而强子化的过程 在fm量级的范围内就完成了 因而在实验中并不能直接观察到夸克的分离现象 Gamma射线与物质相互作用 光电效应 康普顿效应 转化为正负电子对 电磁簇射 高能电子在足够厚的介质中产生的辐射通常诱发一种级联过程 称为电磁簇射 当后代电子能量低于临界能量后 它的辐射损失逐渐失去优势 电离损失逐渐占上风 最后终止在介质中 当后代光子的能量低于电子对产生阈 1 02MeV 光子将通过康普顿散射或光电效应逐渐被吸收 电磁簇射的讨论 次级电子数下降的速度比能量沉积下降的速度快 这是因为随着深度增加 电离能损使电子数目的消耗更快 簇射能量的更多部分由光子携带 对于具体的电磁量能器 测量簇射发展的灵敏元件不同 得到的结果也不同 有的接近于电子数分布 有的接近于能量分布 切伦科夫辐射 高速带电粒子在非真空的透明介质中穿行 当粒子速度大于光在这种介质中的相速度 即单一频率的光波在介质中的传播速度 时 就会激发出电磁波 这种现象即切伦科夫辐射 切伦科夫辐射 切伦科夫辐射 强子簇射 瑞利散射 散射光波长等于入射光波长 而且散射粒子远远小于入射光波长 没有频率位移 无能量变化 波长相同 的弹性光散射 瑞利散射光的强度和入射光波长 的4次方成反比 正负电子对产生的阈值 光子的阈值能量在核库仑场中在电子库仑场中 强子 介子 重子的定义 介子是自旋为整数 重子数为零的强子 参与强相互作用 介子属于强子类 它是比电子重的带电或不带电的粒子 根据夸克模型 介子是由一个夸克和一个反夸克组成的束缚态 这一对夸克和反夸克可以是不同味的 例如 ud d J cc F cs 等 自旋为0的介子 在量子场论中是用标量波函数描述 根据其宇称为 1或 1分别称为赝标介子和标量介子 自旋为1的介子 在量子场论中是用矢量波函数描述 根据其宇称为 1或 1分别称为矢量介子或轴矢介子 根据其内部量子数 已发现的介子可分为非奇异介子 J 等 奇异介子 K Q K 等 粲 非奇异介子 D 粲 奇异介子 F 底 非奇异介子 B 等 强子 英语 hadron 是一种亚原子粒子 所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子 按现代的粒子物理学中的标准模型理论而言 强子是由夸克和反夸克组成的 而将夸克连在一起的是量子色动力学中被称为胶子的粒子 而强子是这些粒子连结的产物 亚原子粒子 即比原子还小的粒子 按其组成夸克的不同 常见强子还可以分为以下两大类别 重子由三个夸克或三个反夸克组成 自旋总是半奇数 也就是说 它们是费米子 它们包括人们比较熟悉的组成原子核的质子和中子和一般鲜为人知的超子 比如 和 这些超子一般比核子重 而且寿命非常短 介子由一个夸克和一个反夸克组成 自旋是整数 也就是说 它们是玻色子 介子有许多种 在高空射线与地球空气相互作用时会产生介子 其它很稀有和奇怪的强子 由多于三个但单数的夸克或反夸克组成类似重子的强子 由多于一对夸克 反夸克对组成的类似介子的强子 完全由胶子组成的粒子 Yukawapotential wheregisamagnitudescalingconstant misthemassoftheaffectedparticleandristheradialdistancetotheparticle 在A静止系 能量不确定度 设 E存在的时间间隔为 t 根据能量 动量测不准关系 所以X玻色子传播距离 相互作用力程 光子静止质量为零 因此电磁作用力程是无穷远当交换的玻色子很重 如W Z粒子 时 力程很短 可称之为point interaction 如果把交换的重玻色子作为一个等效势场V r 来处理 则 Yukawapotential 考试内容 g是积分常数 与QED中的电荷e类似定义在r R的力程范围内核力耦合强度为 当一个粒子 平面波 被这样一个势场散射时 动量转移为q在动量空间 散射振幅 取极坐标系 则 当 重子数 质子是稳定粒子 即使是满足能量守恒和动量守恒定律 也不能衰变为介子或轻子人们定义所有重子的重子数为1 所有反重子的重子数为 1 所有非重子的重子数为0违背重子数守恒定律的反应过程都是严格禁戒的 对称性与守恒定律 对称性原理 对称性原理是皮埃尔 居里首先提出来的 原理包含的内容是 原因中的对称性必反映在结果中 即结果中的对称性至少有原因中的对称性那样多 结果中的不对称性必在原因中有所反映 即原因中的不对称性至少有结果中的不对称性那样多 在不存在唯一性的情况下 原因中的对称性必反映在全部可能的结果的集合中 即全部可能的结果的集合中的对称性至少有原因中的对称性那样多 诺特定理 如果运动规律在某一不明显依赖于时间的变换下具有不变性 就必然存在一个与之对应的守恒定律 了解李政道 杨振宁的诺奖了解各种变换的含义 C P T 及CPT 电荷charge 宇称parity 位置position时间time 定理 物理定律似乎对粒子和反粒子一视同仁 更准确地讲 如果粒子用反粒子替换 右手征用左手征替换 以及所有粒子的速度都反向 则物理定律不变 这被称作 定理 并且它是任何合理的理论中都应该成立的基本假设的一个推论 G变换和G宇称守恒 夸克模型的基本思想 夸克带有分数电荷 夸克都是两两成对 或三三成群 不可能单独被观测到 它们之间的结合是靠交换胶子 这就是著名的夸克模型 六种夸克成为六种味道 u夸克 2 3ed夸克 1 3ec粲 魅 夸克 2 3s奇异夸克 1 3t顶 真 夸克 2 3b底 美 夸克 1 3 为何要引入 色 这一新的量子数 重子的夸克结构理论认为 象 和 这样的重子可以由三个相同夸克组成 且都处于基态 自旋方向相同 这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的 强子的命名规则Ordinaryhadronsarecolorneutralparticles Mesons 介子 2quarks r rbar Baryons 重子 3quarks red blue green 7 3 2夸克 色 量子数的引入 SU 2 对称性 把u d看成全同的费米子 SU 3 味对称性把u d s看成全同的费米子 由它们构成的重子的波函数 应该满足 全同 费米子交换反对称的要求 根据量子力学束缚态理论 系统的最低能量态 其空间部分波函数 由相对运动轨道角动量来描述 具有最大可能的对称性即粒子1和2的相对运动轨道角动量l 0 粒子3相对于粒子 1 2 的轨道角动量l 0 因此 不管是味的10重态或者是8重态 它们基态的轨道角动量总是l 0 l 0 总L 0 空间部分波函数是交换完全对称的 味10重态的波函数交换的对称性 粒子的自旋完全是由3个自旋为1 2的夸克来组合 对于SU 3 味10重态 J 3 2 三个夸克的自旋波函数具有交换完全对称的特性 它们的构造方式 违背全同费米子交换反对称的要求 至少必须引入一个新的自由度 量子数 由这自由度所构成的三个夸克的波函数对这个自由度的交换必须是反对称的 这自由度就是 色 即每种夸克具有种颜色 红 R 绿 G 蓝 B 味道 空间和自旋部分波函数对夸克交换都对称 相对论重离子对撞 相对论重离子对撞的主要意义 2010年3月7日 据外国媒体报道 美国能源部 DOE 布鲁克海文国家实验室 BrookhavenNationalLaboratory 下属的研究小组利用相对论重离子对撞机 RHIC 成功制造出有史以来最高温度 并制造出物质极端状态 产生的物质约为4万亿摄氏度 是太阳核心温度的25万倍 QGP这种类型的科学研究包括理解最原始的所有 原生汤 信息 这种物质创造出了现存世界的所有其他物质 研究夸克胶子等离子体有利于获得对宇宙四种基本力量之一的 强相互作用力 更深层次 更全面的理解 强相互作用力 将原子核约束在各自位置 并将其组成部分即质子和中子中的夸克束缚在一起 宇宙大爆炸之初产生了等量的物质和反物质 而现今所能观测到的宇宙几乎全部是由物质所构成的 什么原因造成了物质和反物质的不对称性 反物质在哪里 这仍是困扰物理学家的一个未解之谜 RHIC提供的相对论重离子对撞 为人类打开了一扇研究夸克胶子等离子体的大门 在Q quark G gluon P plasma 中 胶子能损 夸克能损 三代轻子 三代夸克的符号 电荷 自旋四种相互租用的名称 传播子 光子 电磁 胶子 电荷为零 但自旋是1 强相互作用 W及Z玻色子 W玻色子有两种 分别有 1 W 和 1 W 单位电荷 W 是W 的反粒子 而Z玻色子 Z0 则为电中性的 且为自身的反粒子 这三种粒子皆十分短命 其半衰期约为秒 这些玻色子在各种基本粒子之中属重型的一类 W的质量为80 4GeV 而Z则为91 2GeV 它们差不多是质子质量的一百倍 比铁原子还要重 玻色子的质量是十分重要的 因其限制了弱核力的相用范围 相对地 电磁力的相用范围无限远因为光子无质量 弱相互作用 引力子 为了传递引力 引力子必须永远相吸 作用范围无限远及以无限多的型态出现 在量子力学中 引力子被设想为一个自旋为2 质量为零的玻色子 引力相互作用 力程Higgs的大概质量 200GeV 希格斯玻色子是标量玻色子 自旋为零一些常见粒子的夸克组成 人们发现共有6种夸克 上夸克 下夸克 奇异夸克 粲夸克 charmquark 顶夸克 topquark 和底夸克 bottomquark 后四种夸克高度不稳定 大多数物质是由前两种夸克组成的 所有的重子都是由三个夸克组成的 比如质子uud 中子 udd o uds uus dss sss 介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态 这