原子物理atom11

1、第第11章章: 基本粒子基本粒子Chapter 11: Fundamental Particles 质子、中子、电子和它们的反粒子及质子、中子、电子和它们的反粒子及 子、子、 介子、介子、K介子等。到目前为止，介子等。到目前为止， 已经发现了已经发现了800800多种多种“基本基本”粒子粒子( (包括共振态粒子包括共振态粒子) )。基本粒子：基本粒子：构成物质世界的基本单元。构成物质世界的基本单元。正粒子和反粒子具有相同的质量、自旋、寿命，但电正粒子和反粒子具有相同的质量、自旋、寿命，但电荷等值反号，磁矩大小相等方向相反。从理论上说，荷等值反号，磁矩大小相等方向相反。从理论上说，还应该有这些反

2、粒子组成的反原子核、反原子、反物还应该有这些反粒子组成的反原子核、反原子、反物质等。质等。 11.1 什么是基本粒子什么是基本粒子 11.2 粒子年谱粒子年谱 11.3 高能粒子源高能粒子源宇宙射线宇宙射线加速器、对撞机加速器、对撞机美国费米实验室美国费米实验室 1995 Top Quark 费米国立加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，缩写：Fermilab或 FNAL，简称费米国家实验室或者费米实验室。），是隶属于美国能源部的一所美国国家实验室，位于美国伊利诺斯州巴达维亚附近的草原上。欧洲核子中心欧洲核子中心斯坦福直线加速器斯坦福直线加速

3、器Stanford Linear Accelerator SLAC3kmRelativistic Heavy Ion ColliderBrookhaven National Lab, NY可把重离子加速至可把重离子加速至 200GeV( (v=0.99995c) )对对撞，温度于极短時撞，温度于极短時间达到间达到1012 K，重塑宇宙初开时的狀況。，重塑宇宙初开时的狀況。1km由前表可知由前表可知“基本基本”粒子包括粒子包括: : 光子（属于规范玻色子）。光子（属于规范玻色子）。 轻子轻子 不参与强相互作用的费米子。不参与强相互作用的费米子。1 1 强子强子 一切参与强相互作用的粒子通称为强子

4、。一切参与强相互作用的粒子通称为强子。 强子又强子又包括介子和重子。包括介子和重子。此外还有一些寿命极短的共振态。基本粒子相互碰撞时，可此外还有一些寿命极短的共振态。基本粒子相互碰撞时，可以产生一种状态，即两、三个粒子短时结合在一起，成为一以产生一种状态，即两、三个粒子短时结合在一起，成为一个粒子，这称为共振态。个粒子，这称为共振态。发现的共振态已有好几百种，如果把它们都作为发现的共振态已有好几百种，如果把它们都作为“基本基本”粒粒子，那末连同前表中的粒子，粒子数将超过子，那末连同前表中的粒子，粒子数将超过800800种种! ! 11.4 “基本基本”粒子的分类粒子的分类稳定稳定2.32.2中

5、中微微子子电子电子子子子子稳定稳定-1 +10-1 +1-1 +1-1 +10001/2轻轻 子子寿命寿命10-6s轻子数轻子数重子数重子数B电荷量电荷量e自旋自旋正反正反粒子粒子分类分类eeeeLLLe 轻子（轻子（共共6 6种，计及反粒子共种，计及反粒子共1212种种） 子的质量是电子的子的质量是电子的倍；倍； 子的质量大约是电子的倍！子的质量大约是电子的倍！中微子是中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。中微子是中性粒子，质量为零，只参与弱相互作用。中微子的自旋方中微子的自旋方向（按右螺旋法向（按右螺旋法则）与运动方向则）与运动方向相反；反中微子相反；反中微子的自旋方向与运的自旋方向与运动

6、方向一致。动方向一致。 v v vv1988年，美国物理学家莱德曼年，美国物理学家莱德曼(左左)(Leon Lederman)、施瓦茨、施瓦茨(中中)(Melvin Schwartz)和瑞士物理学家斯坦博格和瑞士物理学家斯坦博格(右右)(Jack Steinberger)由于对中微子由于对中微子性质的研究被授予性质的研究被授予Nobel物理奖。物理奖。 中微子是泡利于中微子是泡利于1930年预言的，年预言的，1954年美国物理学家莱因斯年美国物理学家莱因斯(右右)(Frederick Reines)探测到了中微子的存在，他因此探测到了中微子的存在，他因此与与 子的发现人珀尔子的发现人珀尔(左左

7、)(Martin Perl)共同共同获得获得 1995年年Nobel物理奖。物理奖。小柴昌俊在得奖后说：小柴昌俊在得奖后说：“我是以我是以倒数第一倒数第一的成绩毕业的，但东的成绩毕业的，但东京大学却接受我当了讲师、教授，我非常感谢东大的知遇之京大学却接受我当了讲师、教授，我非常感谢东大的知遇之恩。恩。” 2002年，美国物理学家戴维斯年，美国物理学家戴维斯(左左)(Raymond Davis)和日本物理学家小柴和日本物理学家小柴昌俊昌俊(中中)(Masatoshi Koshiba)由于在探测宇宙中微子方面取得的成就，由于在探测宇宙中微子方面取得的成就，与在发现宇宙射线源方面取得重要成就的美国物

8、理学家贾科尼与在发现宇宙射线源方面取得重要成就的美国物理学家贾科尼(右右) (Riccardo Giacconi)，分享了，分享了Nobel物理奖。物理奖。分类分类粒子名称粒子名称自旋自旋介子介子 、 、 K介子等介子等整数整数玻色子玻色子重子重子核子核子质子、中子及其反粒子质子、中子及其反粒子1/2(超子超子 3/2)费米子费米子超子超子超子及反粒子超子及反粒子 强子强子K 介子和各种超子称为奇异粒子。实验中发现以下现象介子和各种超子称为奇异粒子。实验中发现以下现象 协同产生协同产生: : 一个超子总是和一个或几个一个超子总是和一个或几个K K介子同时产生。介子同时产生。奇异粒子协同产生的过

9、程极快奇异粒子协同产生的过程极快( (约为约为1010-23-23s),s),表明是在强表明是在强 相互作用下进行的；而衰变过程很慢相互作用下进行的；而衰变过程很慢( (寿命约为寿命约为1010-8 -8 1010-10-10s)s)，表明是在弱相互作用下进行的。，表明是在弱相互作用下进行的。 1959年，我国物理学家王淦昌在年，我国物理学家王淦昌在苏联杜布纳联合原子核研究所领导一苏联杜布纳联合原子核研究所领导一个研究小组，在世界上首次发现了反个研究小组，在世界上首次发现了反西格马负超子（即西格马负超子（即 ）。）。 王淦昌（王淦昌（1907- -1998），江苏常），江苏常熟人，中国实验原子

10、核物理、宇宙射熟人，中国实验原子核物理、宇宙射线及基本粒子物理研究的主要奠基人线及基本粒子物理研究的主要奠基人和开拓者，在国际上享有很高的声誉。和开拓者，在国际上享有很高的声誉。中国中国“两弹一星元勋两弹一星元勋” 之一。之一。实验证明，除轻子还未发现有任何内部结构外，核子、超子、实验证明，除轻子还未发现有任何内部结构外，核子、超子、介子即介子即所有的强子都还能细分所有的强子都还能细分。 1963年，盖尔曼等人提出强子由夸克组成的模型。几乎同年，盖尔曼等人提出强子由夸克组成的模型。几乎同时，我国部分物理学家也提出类似的层子模型。时，我国部分物理学家也提出类似的层子模型。 夸克模型夸克模型( (

11、或层子模型或层子模型) )认为，所有的重子都由三种夸克组成，认为，所有的重子都由三种夸克组成，所有反重子都由三种反夸克组成，所有的介子都由一种夸克与所有反重子都由三种反夸克组成，所有的介子都由一种夸克与一种反夸克组成。一种反夸克组成。 当初提出的夸克有：上夸克当初提出的夸克有：上夸克( (记作记作u)u)、下夸克、下夸克(d)(d)和奇异夸和奇异夸(s)(s)，后来又提出粲夸克，后来又提出粲夸克(c)(c)，最后提出底夸克，最后提出底夸克(b)(b)和顶夸克和顶夸克(t)(t)。 后两种夸克有时使用更具艺术性的新名称：美夸克和真夸后两种夸克有时使用更具艺术性的新名称：美夸克和真夸克。这六种夸克

12、被称作带有六种克。这六种夸克被称作带有六种“味道味道”的夸克，并被分为三的夸克，并被分为三“代代”。 11.5 强子的夸克模型强子的夸克模型原子原子原子核原子核质子质子/中子中子夸克夸克 夸克一词是盖尔曼取自夸克一词是盖尔曼取自爱尔兰著名作家爱尔兰著名作家詹姆斯詹姆斯乔埃斯乔埃斯( (James Joyce) )的小说的小说芬尼根彻夜祭芬尼根彻夜祭( (Finnegans Wake, ,也有人译为也有人译为芬尼根守灵夜芬尼根守灵夜) )中的一段怪诞的诗句：中的一段怪诞的诗句： 三五海鸟把脖子伸直，三五海鸟把脖子伸直， 向着绅士马克三呼向着绅士马克三呼夸克夸克。 除了三声除了三声“夸克夸克”，

13、马克一无所获；马克一无所获； 除了冀求的目标，除了冀求的目标， 全部都归马克。全部都归马克。 夸克在该作品中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的夸克在该作品中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声。盖尔叫声。盖尔- -曼为了说明这些粒子的神秘莫测，就取了曼为了说明这些粒子的神秘莫测，就取了“夸夸克克”这个名字。这个名字。+n+基本粒子基本粒子原子核原子核原子原子duu原子核原子核中子中子由質子和中子組成由質子和中子組成由原子核與電子組成由原子核與電子組成質子和中子各由三個夸克組成質子和中子各由三個夸克組成質子質子夸克夸克電子電子由基本粒子到原子由基本粒子到原子M. Gell-Mann，因对因对基

14、本粒子及其相互作基本粒子及其相互作用的分类荣获用的分类荣获1969年年诺贝尔物理奖。诺贝尔物理奖。M. Gell-Mann：“我对父亲说我要学习语言学或人类学，他却说：我对父亲说我要学习语言学或人类学，他却说：那你会饿死的！那你会饿死的！他建议我学工程，但我回答：他建议我学工程，但我回答：我情愿饿我情愿饿着！着！. . 父亲和我只好来了个折中：父亲和我只好来了个折中：那你就学物理吧！那你就学物理吧！我我在耶鲁大学开始学物理的时候，简直是特别的头痛，真是一点也不喜在耶鲁大学开始学物理的时候，简直是特别的头痛，真是一点也不喜欢欢.”.”M. Gell-Mann极具语言极具语言天赋，会多种语言，甚天

15、赋，会多种语言，甚至至“包括狗的语言包括狗的语言”！ 人们发现：像人们发现：像 -和和 +，都由三个同类夸克组成，夸克是，都由三个同类夸克组成，夸克是费米子，这就不可能满足泡利原理。为了解决这一矛盾，格费米子，这就不可能满足泡利原理。为了解决这一矛盾，格林伯格林伯格(O. Greenberg)在在1964年提出每种夸克有三种颜色：年提出每种夸克有三种颜色：红、黄、蓝。这里的红、黄、蓝。这里的“颜色颜色”与宏观的意义当然不同，只不与宏观的意义当然不同，只不过是指三种不同的量子数罢了。这样一来，问题自然得到解过是指三种不同的量子数罢了。这样一来，问题自然得到解决，但付出的代价是，夸克的数目增加为原

16、来的三倍。决，但付出的代价是，夸克的数目增加为原来的三倍。 1974年，丁肇中和里克特年，丁肇中和里克特(B. Richter )独立地发现了一个独立地发现了一个新颖粒子，他们分别称它为新颖粒子，他们分别称它为J粒子和粒子和 粒子，现在统称粒子，现在统称J 粒粒子。它的质量比质子大三倍，它以共振态形式出现，但是寿子。它的质量比质子大三倍，它以共振态形式出现，但是寿命却比普通的强子共振态长命却比普通的强子共振态长100倍这是十分奇特的粒子。正倍这是十分奇特的粒子。正像丁肇中所说：像丁肇中所说：“发现了高寿一万岁的新人种。发现了高寿一万岁的新人种。”理论计算理论计算很快地证实，很快地证实，J 是由

17、一个粲夸克与一个反粲夸克组成的。是由一个粲夸克与一个反粲夸克组成的。 粲夸克在普通强子中是不存在的，它由格拉肖等人在粲夸克在普通强子中是不存在的，它由格拉肖等人在1970年从理论上预言。年从理论上预言。J 粒子是第一次从实验上显出粲夸克的粒子是第一次从实验上显出粲夸克的存在，从而为夸克模型的真实性提供有力的证据正由于粲存在，从而为夸克模型的真实性提供有力的证据正由于粲夸克与普通夸克性质不同，难以转化，因此夸克与普通夸克性质不同，难以转化，因此J 粒子的寿命粒子的寿命特别长。特别长。丁肇中丁肇中(Samuel C. C. Ting)，因，因J/ 粒子的发现而荣获粒子的发现而荣获1976年年诺诺贝

18、尔物理奖。贝尔物理奖。Pandacharm-quark有人用熊猫比作粲夸克，因为熊猫很重、很美，又很罕见。有人用熊猫比作粲夸克，因为熊猫很重、很美，又很罕见。 自从提出夸克模型以来，人们已用了各种办法企图寻找自由自从提出夸克模型以来，人们已用了各种办法企图寻找自由夸克，不过，至今尚无结果然而，夸克模型的结果与一系列夸克，不过，至今尚无结果然而，夸克模型的结果与一系列实验事实相符很好，使得人们相信夸克是存在的那末夸克为实验事实相符很好，使得人们相信夸克是存在的那末夸克为什么老是不露面呢什么老是不露面呢?理论家已提出了各种夸克禁闭理论，不过，理论家已提出了各种夸克禁闭理论，不过，我们至今不能说对它

19、已有了基本的了解我们至今不能说对它已有了基本的了解“看不见夸克看不见夸克”与与“对称性的破缺对称性的破缺”可以算为当代物理学前沿的两大世界难题可以算为当代物理学前沿的两大世界难题 夸克靠什么作用组成强子呢夸克靠什么作用组成强子呢?人们提出：这是一种真正的强人们提出：这是一种真正的强相互作用，其传播子是胶子相互作用，其传播子是胶子.1979年丁肇中领导的小组首次找年丁肇中领导的小组首次找到了支持胶子存在的证据，从而证明了与此相联系的到了支持胶子存在的证据，从而证明了与此相联系的“量子色量子色动力学动力学”(QCD)的巨大成功的巨大成功 11.6 标准模型与相互作用标准模型与相互作用 标准模型是最

20、近三、四十年里逐步建立发展起来的粒子物标准模型是最近三、四十年里逐步建立发展起来的粒子物理体系，它综合了粒子物理已取得的实验和理论成果。理体系，它综合了粒子物理已取得的实验和理论成果。标推标推模型认为物质的基本组成单元是三代轻子与夸克。模型认为物质的基本组成单元是三代轻子与夸克。它们之间它们之间存在四种基本相互作用；即引力存在四种基本相互作用；即引力(引力子传递，目前尚未发引力子传递，目前尚未发现现)，电磁相互作用，电磁相互作用(光子传递光子传递)，弱相互作用，弱相互作用(由中间玻色子传由中间玻色子传递递)，和强相互作用，和强相互作用(由胶子传递由胶子传递)；描述强相互作用的理论为；描述强相互作用的理论为量子色动力学，把电磁和弱相互作用统一起来描写的理论则量子色动力学，把电磁和弱相互作用统一起来描写的理论则是弱电统一理论。是弱电统一理论。粒子物理标准模型粒子物理标准模型微观物质基微观物质基本相互作用本相互作用基本粒子分类基本粒子分类 强强(色色)相互作用相互