基本粒子物理

基本粒子物理第1页，共72页，2023年，2月20日，星期四第一部分：世界由什么组成？为什么世界上不同的物质具有相同的特征？

因为世界上的物质是由几个基本的砖块组成的

---简单、没有内部结构！从远古时代，人类就开始这样想。比如认为世界是由“水、火、土、气”组成。“基本砖块”第2页，共72页，2023年，2月20日，星期四世界的基本砖块？原子？今天人们知道“水、火、土、气”并不“基本”，它们是由“原子”组成的。在1900年前后，人们认为“原子”是可穿透的球，内部有一些电荷在跳动。第3页，共72页，2023年，2月20日，星期四“原子”是基本的吗？人们很快就发现：可以根据其化学性质把“原子”分类----〈元素周期表〉这表明“原子”有内部结构，是由更小的砖块组成的。

第4页，共72页，2023年，2月20日，星期四

“原子”是由带正电的、重而小的“原子核”和围绕它的带负电的“电子云”组成实验表明：第5页，共72页，2023年，2月20日，星期四“原子核”是基本的吗？“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本的粒子。后来，人们发现“原子核”并不基本，是由带正电的“质子”和不带电的“中子”组成。

第6页，共72页，2023年，2月20日，星期四“质子”和“中子”是基本的吗？

人们发现“质子”和“中子”并不基本，是有更小的粒子---“夸克”组成。“夸克”---目前没有发现其内部结构，是“基本”的粒子第7页，共72页，2023年，2月20日，星期四现代的“原子”图像

注意：“原子”体积的99.999999999999%

是空的！第8页，共72页，2023年，2月20日，星期四“原子”的大小

第9页，共72页，2023年，2月20日，星期四众多的“复合粒子”人们一直在寻找粒子，目前已发现200

多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合粒子”。这些粒子的名称“五花八门”。费米(EnricoFermi)对他的学生莱德曼(LeonLederman)说："Youngman,ifIcouldrememberthenamesoftheseparticles,Iwouldhavebeenabotanist!"第10页，共72页，2023年，2月20日，星期四标准模型世界有什么组成？如何组成？

-----标准模型

6种轻子

6种夸克

传递力的粒子第11页，共72页，2023年，2月20日，星期四世界由什么组成？世界上的一切物质，从星系到山川河流，都是由“轻子”和“夸克”组成。第12页，共72页，2023年，2月20日，星期四“反物质”（“反粒子”）对应于每一种“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区别是电荷反号。“粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮灭”，变成能量。第13页，共72页，2023年，2月20日，星期四夸克

第14页，共72页，2023年，2月20日，星期四“夸克”名称的由来1964年MurrayGell-Mann

和GeorgeZweig

建议用三个基本粒子的不同组合来解释所发现的几百个粒子。Gell-Mann把这三个粒子叫作“Quark”

“Quark”一词来自JamesJoyce

的小说“Finnegan’sWake”

不同种类的“夸克”称作不同的“味道”第15页，共72页，2023年，2月20日，星期四

的“夸克”称作“上”（up)

和“下”(down):

称为“奇”(strange),它组成的粒子“K”粒子具有“奇怪”的长寿命称作“璨”（Charm），1974年在斯坦福（SLAC)和布鲁海文实验室(BNL)发现

称作“底”(bottom)，1977年在费米实验室发现

称作“顶”(top)，1995年在费米实验室发现.两个最轻第三个第四个第五个第六个第16页，共72页，2023年，2月20日，星期四强子（重子、介子）正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成的复合粒子叫“强子”虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色强子（Hadron）有两类：重子（Baryon）介子（Meson）第17页，共72页，2023年，2月20日，星期四轻子（Lepton）

夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电的轻子（中微子）象附着在这些动物身上的跳骚，难以看到第18页，共72页，2023年，2月20日，星期四带电轻子的衰变→→→第19页，共72页，2023年，2月20日，星期四中微子

→

→→→第20页，共72页，2023年，2月20日，星期四中微子的特点不带电荷、色荷，和物质的作用非常弱；绝大多数可以穿过地球，而不和地球的物质发生作用；可以在很多过程中产生，特别是粒子的衰变，(正是从粒子的衰变中推断其存在）；由于在宇宙形成的初期中微子大量产生，并且它们和物质的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它们虽然很轻，但因为数众多，所以对宇宙的质量有不可忽视的贡献，影响宇宙的膨胀。第21页，共72页，2023年，2月20日，星期四物质的“代”第二、三代的费米子衰变很快，我们周围的物质中没有它们。为什么它们还存在呢？当轻子被发现时，I.I.Rabi叹道：“Whooderedthat?”第22页，共72页，2023年，2月20日，星期四世界由什么组成？答案

第23页，共72页，2023年，2月20日，星期四第二部分：世界如何组成？世界由夸克和轻子组成。是什么把夸克和轻子组合成物质？

四种作用！第24页，共72页，2023年，2月20日，星期四

物质如何相互作用？物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁的吸引或排斥物质间通过力场发生相互作用通过交换携带力的粒子！第25页，共72页，2023年，2月20日，星期四电磁力电磁力引起“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由电磁力引起。电磁力的携带粒子是“光子”，不同能量的光子形成了电磁波谱，如X—射线、可见光和无线电波。光子没有质量，以光速传播。第26页，共72页，2023年，2月20日，星期四残余电磁力“原子”含有相同数目的“质子”和“电子”是电中性的，它们如何形成分子呢？原来一个“原子”中的“电子”跟另外一个“原子”中的质子还有作用，这种原子间“残余电磁力”使不同的“原子”结合成“分子”。所以，正是“电子”和“质子”带有异号的电荷使得我们的世界得以形成！第27页，共72页，2023年，2月20日，星期四原子核如何形成？

“原子核”由“质子”和“中子”组成，“质子”带正电而相互排斥，“中子”不带电，为什么它们不因排斥而散开呢？

这个问题用电磁力无法回答!

第28页，共72页，2023年，2月20日，星期四强作用力夸克带有“电荷”，还带有“色荷”；带“电荷”的粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”的粒子之间有“强作用”。“强作用力”使夸克形成“强子”“强作用力”的携带粒子叫“胶子”（“强作用”象“胶”一样把夸克粘在一起！）

“强作用”与“电磁作用”不同，“胶子”本身带有“色荷”，而“光子”本身不带“电荷”；虽然“夸克”带“色荷”，它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。第29页，共72页，2023年，2月20日，星期四色荷带色荷的粒子（夸克、胶子）通过交换胶子发生强作用夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷夸克带色荷，反夸克带反色荷，胶子带一对“色荷-反色荷”

组成重子的三个夸克分别带有“红、绿、蓝”色荷，所以是色中性的

组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红”）和反色荷（如“反红”），所以也是色中性的

色荷在作用过程中是守恒的第30页，共72页，2023年，2月20日，星期四夸克禁闭带色的粒子不能单独存在，夸克总是和别的夸克囚禁在一起而形成色中性的强子强子中的夸克疯狂的交换胶子进行强作用，它们存在于由胶子组成的色场中：当胶子场获得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克第31页，共72页，2023年，2月20日，星期四夸克禁闭未被严格证明！--StevenWeinberg第32页，共72页，2023年，2月20日，星期四夸克发射胶子

夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证色荷守恒。如带有“红”色荷的夸克发射了一个带有“红-反蓝”的胶子后，自身的色荷变成了“蓝”。→→→→第33页，共72页，2023年，2月20日，星期四残余的强作用：原子核的形成

虽然组成原子核的核子（质子和中子）都是色中性的，它们之间有“残余的强作用”，这种作用远远超过质子之间的电磁斥力，原子核由此而形成。第34页，共72页，2023年，2月20日，星期四弱作用虽然有6种夸克和6种轻子，但我们周围除了3种中微子单独的存在着外，所有物质都是由最轻的2种夸克(u,d)和1种最轻的带电轻子（电子）组成，较重的夸克和带电轻子呢?较重的夸克（s,c,b,t)和带电轻子(,）在宇宙形成的初期就衰变掉了，衰变成了最轻的夸克和轻子。这些衰变（即味道的改变）都是通过弱作用进行的。

弱作用的携带粒子是W+,W-,Z

标准模型把弱作用和电磁作用统一到了一个理论框架中。第35页，共72页，2023年，2月20日，星期四电磁作用和弱作用的统一

标准模型把电磁和弱作用统一描述，称为电弱理论

在非常小尺度(10-18

米）或非常大能标(100GeV)

情况下，弱作用的强度和电磁作用的强度在同一水平。

随着尺度的增加或能标的降低，弱作用将远远弱于电磁作用。

弱作用的携带粒子是重达100GeV的粒子，是一种短距作用第36页，共72页，2023年，2月20日，星期四引力引力很是奇怪。虽然它是一种基本的力，标准模型却不能描述它。如何把它也统一进来是当今物理学的一大难题。引力的携带粒子—引力子，至今未被发现。第37页，共72页，2023年，2月20日，星期四自然界基本作用力的总结第38页，共72页，2023年，2月20日，星期四量子力学原子和亚原子粒子的性质与我们日常生活中的物体完全不一样，它们不是跳动的小球，它们不仅具有粒子性，还具有波的性质（波粒二象性），它们的运动规律用“量子力学”描述。

量子力学中物理量只能取分离的值：量子化。常见的量子数：电荷、色荷、味道、自旋

量子力学只能预言粒子在某一时刻出现在某处的几率."Goddoesn'tplaydice!”(Einsteinwaswrong.)量子数：几率：第39页，共72页，2023年，2月20日，星期四世界由什么组成？如何组成？--最后答案Wehaveansweredthequestions,"Whatistheworldmadeof?"and"Whatholdsittogether?“Theworldismadeof6quarksand6leptons.Everythingweseeisaconglomerationofquarksandleptons.Therearefourfundamentalforcesandthereare

forcecarrierparticlesassociatedwitheachforce描述这些基本粒子的理论：标准模型第40页，共72页，2023年，2月20日，星期四第三部分：粒子的衰变和湮灭原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核基本粒子的衰变：一个基本粒子变成几个较轻的基本粒子→→→→→→第41页，共72页，2023年，2月20日，星期四放射性的发现1800年代的晚期，德国物理学家WilhelmRöntgen发现：当电子束打到金属片上时，会有奇怪的射线发出，他称之为X-射线两个月后，法国物理学家HenriBecquerel发现有些矿石（如铀）会自然的放出射线。不稳定的原子核衰变而放出射线—放射性第42页，共72页，2023年，2月20日，星期四射线的种类射线：氦（helium）核（2p,2n)射线：高速电子

射线：高能光子

射线可以被纸片挡住

射线可以被铝片挡住

射线只能用铅板来档

第43页，共72页，2023年，2月20日，星期四铀的衰变→→→→→一大块铀的衰变（半衰期）单个铀的衰变（几率）第44页，共72页，2023年，2月20日，星期四铀为什么会衰变？

残余的强力把相互排斥的核子束缚在一起形成原子核微观粒子只能以几率的方式描述：量子力学核子团（比如)逃逸出原子核的几率很小；对大原子核（如铀）这种几率比较大。第45页，共72页，2023年，2月20日，星期四衰变中的质量亏损→238.0508

234.0436

4.0026

0.0046u的质量亏损掉了，变成了能量！第46页，共72页，2023年，2月20日，星期四衰变中的“中介子”衰变第47页，共72页，2023年，2月20日，星期四正反粒子的湮灭(I)第48页，共72页，2023年，2月20日，星期四正反粒子的湮灭(II)第49页，共72页，2023年，2月20日，星期四第四部分：如何实验研究粒子今天知道的粒子的绝大部分都是不稳定的粒子，它们在宇宙形成的初期都曾经存在过，但很快就衰变掉了，要研究粒子物理，就必须产生出这些粒子，并用探测器研究这些粒子的性质。粒子产生的方法：宇宙线对撞机粒子探测的工具：探测器

第50页，共72页，2023年，2月20日，星期四宇宙线第51页，共72页，2023年，2月20日，星期四对撞机（加速器）直线加速回旋加速固定靶对撞机第52页，共72页，2023年，2月20日，星期四当今世界上的加速器Fermilab（费米实验室，美国）SLAC(斯坦福直线加速器中心，美国)BNL(布鲁海文实验室，美国）CESR(康奈尔正负电子储存环，美国）CERN(欧洲粒子物理实验室，瑞士)KEK（高能加速器研究机构，日本）DESY(电子回旋加速器，德国）IHEP(高能物理所，中国）第53页，共72页，2023年，2月20日，星期四粒子探测器第54页，共72页，2023年，2月20日，星期四如何识别不同粒子第55页，共72页，2023年，2月20日，星期四现代粒子物理实验的鼻祖:鲁瑟夫实验Beam:粒子Target:金箔Detector:硫化锌屏幕第56页，共72页，2023年，2月20日，星期四一点历史--StevenWeinberg第57页，共72页，2023年，2月20日，星期四观测世界的手段：总结第58页，共72页，2023年，2月20日，星期四第五部分：理论未解之谜

标准模型取得了巨大成功，但它仍不是一个基本的理论，有一些理论问题无法解释：

有关费米子“代”和“味道”的问题

“大统一”和更小尺度的物理

“暗物资”和“暗能量”黑格斯粒子的本质

水平方向的：

竖直方向的：

来自天上的：

来自地狱的：第59页，共72页，2023年，2月20日，星期四“暗物质”和”暗能量”标准模型无法解释第60页