粒子物理与对称性PPT演示课件

粒子物理与对称性,1,参考资料,1L.Ryder,Elementaryparticlesandsymmetries(粒子物理与对称性，宋孝同等译）2W.M.Gibson,B.R.Pollard,Symmetryprinciplesinelementaryparticlephysics,（基本粒子物理学中的对称性原理，丁里译）3李政道，场论与粒子物理,19794黄克孙，夸克、轻子与规范场,19825许咨宗，课件：粒子物理中的守恒定律（中科大）6戴又善，粒子物理讲义（浙大）6R.Casalbuoni,QuantumFieldTheory,(1997)7来自Wikipedia的资料9郑恒阳，粒子物理中的对称性和对称性破缺（山大，PPT报告）10陆埮,罗辽复,物质探微从电子到夸克,(2005,科普读物),2,大纲,1.基本粒子简介2.经典和量子的对称性原理3.洛仑兹不变性（协变性）4.宇称（）、空间反演对称性、角动量5.电荷共轭对称性（）、CP对称性及破缺6.时间反演对称性（）、定理7.同位旋、规范对称性、手征对称性、对称性自发破缺以下讲座夸克模型、标准模型、强子共振态，介子衰变、G宇称(?)超对称Ads/CFT（？）iggs粒子与重正化（？）手征对称性与标量场（？）,3,1.基本粒子简介1.1发展简史,物质的基本单元和基本结构的思辨探索殷（前1600年）周（前1027）时期的古代五行说，金木水火土战国墨子：“端”是无同也，莫能破古印度：风火水土，四大皆空古希腊：恩培多克勒（约公元前490430）柏拉图（公元前427347）水、气、火、土四元素。古希腊：德谟克利特（前四世纪），原子近代：1807年道尔顿，提出原子论1869年门捷列夫，元素周期律,4,现代粒子物理与核物理的发展,1895年，放射性：X射线（W.C.Rontgen伦琴）1896、1898年天然放射性（A.H.Becquerel贝克勒尔；M.Curie居里夫妇)1897年，电子（J.J.Tohmson汤姆生）1911年，Rutherford：散射实验-原子核式结构；R.A.Millikan油滴实验1926年，P.A.Dirac:相对论量子力学，真空，反粒子1930年，正电子发现：赵忠尧；1932年，Anderson（1936年，NobelPrize)1932年，中子的发现：Chadwick1930年，中微子：泡利Pauli，费米Fermi（理论），王淦昌（实验建议），莱茵斯（1955年,NobelPrize）1935年，介子：汤川秀树H.Yukawa1950年代，强子共振态,200多种（宇宙线、加速器）1954年，杨-Mills规范场，W,Z介子,胶子:弱、强作用1957年,李政道，杨振宁：NobelPrize,弱作用宇称不守恒,5,1964年，M.Gell-Mann强子结构的夸克模型1967年，S.Wemberg,A.Salam,S.L.Glashow,弱电统一理论，W，Z波色子1983年，西欧核子中心（CERN）发现W，Z波色子1970年代，量子色动力学（QCD）亚夸克，前子（Preon），毛子(Maon,1977Glashow基于Onion-layerstratonmodel的提议)？,6,1.2粒子分类,轻子e,;；及其反粒子强子a)重子：b)介子：规范波色子Higgs粒子?,7,共振态,右图：KersonHuang,Quarks，Leptons自旋虽然是内禀自由度,但与时空性质相关.内部自由度对称性给出相加量子数.,66,光子荷称,0荷称,67,广义泡利原理,68,5.3C变换对称性的检验,1.电磁相互作用C-宇称守恒,C(-1)L+S(-1)n,正负电子系统湮灭为末态光子数目n的奇偶取决于L+S的奇偶,电磁过程C宇称守恒在相当高的精度上得到检验。,69,比较下列两个互为电荷共轭过程,末态两个互为介子反介子具有完全的对称性。特别是对于单举过程+（-），C对称，截面角分布有对称性：而P-Pbar湮灭产生的0是关于=90。对称分布的。,矢量介子强衰变,JPC10-0-0-+L11C1-1+1P-1-1+1,2.强相互作用过程C宇称守恒,70,3.弱相互作用过程电荷共轭变换对称性破缺，联合变换对称,P：左旋右旋；C：正反,71,5.4CP对称性破缺与中性K介子衰变,1.背景,然而，对于中性K介子衰变，情况发生了重要的变化。,-,纯K0,72,S（Y）+101,奇异数（超荷）不是弱作用的守恒量子数，K0、K0bar是强作用的本征态不是弱作用的本征态。弱作用的本征态可以由它们混合构成。,弱作用的本征态:,（见M.Gell-MannandA.Pais的工作（Phys.Rev.97,1387,1955.）,73,实验上观察到这种振荡，即在强产生的纯K0束中观察到K0-bar引起的反应,-+p,-,纯K0,p,纯K0,K2,74,3.CP破缺,1964年，Christenson,Cronin,Fitch,Turlay等研究中性K介子衰变证实了CP联合变换对称性破缺(Phys.Rev.Lett.,13,138(1964).),同一种粒子衰变成具有相反CP的态CP破缺！,解决方案：,75,（1）混合导致的CP破缺,唯象理论可用下面3个与振幅和宽度相关的参数来描述长寿命KL的CP不守恒的衰变,如果KL中K0K0Bar等幅混合，0,76,有确定CP宇称的K1和K2,而CP奇偶宇称混合的KS和KL,由于的不对称混合导致的CP破缺，称为超弱理论的CP破缺：,p=q，等量混合，CP对称,Gw,Gw,Gsw,K0,K0,77,（2）直接CP破缺,直接比较K0反K0到达同位旋为I的介子末态的衰变振幅的差异,是末态的相移。如果变换不变性成立，必须为实数。破缺的观测量和混合参数以及衰变振幅的参数通过以下式子来联系,78,实验表明：,1,实验得到：,中性K衰变，直接CP破缺不重要。,如果的虚部很小,79,of2008NobelPrizeCP1932年，Wigner采用了类似于自旋的表述，1937年取名为同位旋（Isotopicspin,Isobaricspin今天为Isospin).这在1937年为实验证实，19461955年间为更精确的实验证实VppVnn和Vpp=Vnn=Vnp的准确性分别大于99和98,93,94,核子同位旋,95,介子同位旋,96,超荷与奇异性,粒子电荷与同位旋第三分量,97,介子和重子的量子数,98,SU（2）对称性与生成元,同位旋守恒：I,H=0.,99,7.2规范场对称性,规范变换的一个经典例子,Maxwell方程在规范变换下,不变，即方程有规范对称性。,整体规范对称性：,因此，拉氏量0在局域规范变换下不是不变的.,100,这里，e可看作U（1）群的生成元，电磁场A即为遵循U(1)规范变换的规范场。,101,Yang-Mills场,102,规范不变：,标准模型（弱电统一、QCD）的基础.,103,7.3手征对称性,104,Noethertheorem:给定系统的Lagrangian，有,对于内部对称性，,105,7.4对称性自发破缺（spontaneousbreaking),物理真空能量最低态模型真空，破缺的真空对称性自发破缺通常是指在对称操作下系统能量最低态不是不变的。例子：超导中的光子质量弱电统一理论中的规范场的质量，宇宙大暴涨的标量场真空破缺，手征模型的自发破缺等等,106,两种破缺模式,Goldstonemode对于整体对称性，每个破缺的生产元导致一个零质量的标量粒子（Goldstoneparticle)，如晶体中的声子（phonon).,参数化：,107,两种破缺模式,2.Higgsmode对于局域对称性破缺，规范场可获得质量：光子有质量吗？,利用Euler-Lagrange方程，得到,如超导中的光子获得了质量.,108,NobelPrize2008,forthediscoveryofthemechanismofspontaneousbrokensymmetryinsubatomicphysics,YoichiroNambu1/2oftheprizeEnricoFermiInstitute,UniversityofChicagoChicago,IL,USA,其他重要贡献的物理学家J.GoldstoneHiggsWeinberg,Salam,Glashow,109,粒子物理诺贝尔奖（不完全列表）,2008Symmetry&Symmetrybreakinginparticlephysics:Nambu,Kobayashi,Maskawa2004AsymptoticfreedominQCD:Gross,Politzer&Wilczek2002Neutrinosdetection:Davis&Koshiba1999Electroweakinteractions:Hooft&Veltman1995tau&neutrino:Perl&Reines1992Multiwireproportionalchamber:Charpak1990Quarkmodel:Friedman,Kendall&Taylor1988Muonneutrino:Lederman,Schwartz&Steinberger1984W&Z0:Rubbia&v