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基本粒子物理漫谈

世界是由什么组成？世界是怎样组成？1/58第一部分：世界由什么组成？为何世界上不一样物质含有相同特征？

因为世界上物质是由几个基本砖块组成

---简单、没有内部结构！从远古时代，人类就开始这么想。比如认为世界是由“水、火、土、气”组成。“基本砖块”2/58世界基本砖块？原子？今天人们知道“水、火、土、气”并不“基本”，它们是由“原子”组成。在1900年前后，人们认为“原子”是可穿透球，内部有一些电荷在跳动。3/58“原子”是基本吗？人们很快就发觉：能够依据其化学性质把“原子”分类----〈元素周期表〉这表明“原子”有内部结构，是由更小砖块组成。

4/58

“原子”是由带正电、重而小“原子核”和围绕它带负电“电子云”组成试验表明：5/58“原子核”是基本吗？“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本粒子。以后，人们发觉“原子核”并不基本，是由带正电“质子”和不带电“中子”组成。

6/58“质子”和“中子”是基本吗？

人们发觉“质子”和“中子”并不基本，是有更小粒子---“夸克”组成。“夸克”---当前没有发觉其内部结构，是“基本”粒子7/58当代“原子”图像

注意：“原子”体积99.999999999999%

是空！8/58“原子”大小

9/58众多“复合粒子”人们一直在寻找粒子，当前已发觉200

多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合粒子”。这些粒子名称“五花八门”。费米(EnricoFermi)对他学生莱德曼(LeonLederman)说："Youngman,ifIcouldrememberthenamesoftheseparticles,Iwouldhavebeenabotanist!"10/58标准模型世界有什么组成？怎样组成？

-----标准模型

6种轻子

6种夸克

传递力粒子11/58世界由什么组成？世界上一切物质，从星系到山川河流，都是由“轻子”和“夸克”组成。12/58“反物质”（“反粒子”）对应于每一个“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区分是电荷反号。“粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮yan灭”，变成能量。13/58夸克

14/58“夸克”名称由来1964年MurrayGell-Mann

和GeorgeZweig

提议用三个基本粒子不一样组合来解释所发觉几百个粒子。Gell-Mann把这三个粒子叫作“Quark”

不一样种类“夸克”称作不一样“味道”15/58

“夸克”称作“上”（up)

和“下”(down):

称为“奇”(strange),它组成粒子“K”粒子含有“奇怪”长寿命称作“璨”（Charm），1974年在斯坦福（SLAC)和布鲁海文试验室(BNL)发觉

称作“底”(bottom)，1977年在费米试验室发觉

称作“顶”(top)，1995年在费米试验室发觉.两个最轻第三个第四个第五个第六个16/58强子（重子、介子）正如群居大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成复合粒子叫“强子”即使夸克带有分数电荷，但强子电荷是整数即使夸克带有颜色，但强子没有颜色强子（Hadron）有两类：重子（Baryon）介子（Meson）17/58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；而不带电轻子（中微子）象附着在这些动物身上跳骚，难以看到18/58带电轻子衰变→→→19/58中微子

→

→→→20/58中微子特点不带电荷、色荷，和物质作用非常弱；绝大多数能够穿过地球，而不和地球物质发生作用；能够在很多过程中产生，尤其是粒子衰变，(正是从粒子衰变中推断其存在）；因为在宇宙形成早期中微子大量产生，而且它们和物质作用很弱，在今天宇宙中有很多中微子，它们即使很轻，但因为数众多，所以对宇宙质量有不可忽略贡献，影响宇宙膨胀。21/58世界由什么组成？答案

22/58第二部分：世界怎样组成？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！23/58

物质怎样相互作用？物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁吸引或排斥物质间经过力场发生相互作用经过交换携带力粒子！24/58电磁力电磁力引发“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中很多力（如摩擦、磁力）都是由电磁力引发。电磁力携带粒子是“光子”，不一样能量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，以光速传输。25/58残余电磁力“原子”含有相同数目标“质子”和“电子”是电中性，它们怎样形成份子呢？原来一个“原子”中“电子”跟另外一个“原子”中质子还有作用，这种原子间“残余电磁力”使不一样“原子”结合成“分子”。所以，正是“电子”和“质子”带有异号电荷使得我们世界得以形成！26/58原子核怎样形成？

“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，为何它们不因排斥而散开呢？

这个问题用电磁力无法回答!

27/58强作用力夸克带有“电荷”，还带有“色荷”；带“电荷”粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”粒子之间有“强作用”。“强作用力”使夸克形成“强子”“强作用力”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”不一样，“胶子”本身带有“色荷”，而“光子”本身不带“电荷”；即使“夸克”带“色荷”，它们组成“强子”都不带“色荷”，是色中性。28/58色荷带色荷粒子（夸克、胶子）经过交换胶子发生强作用夸克发射或吸收胶子时改变本身所带色荷夸克带色荷，反夸克带反色荷，胶子带一对“色荷-反色荷”

组成重子三个夸克分别带有“红、绿、蓝”色荷，所以是色中性

组成介子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

色荷在作用过程中是守恒29/58夸克禁闭带色粒子不能单独存在，夸克总是和别夸克囚禁在一起而形成色中性强子强子中夸克疯狂交换胶子进行强作用，它们存在于由胶子组成色场中：当胶子场取得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克30/58夸克禁闭未被严格证实！--StevenWeinberg31/58夸克发射胶子

夸克发射或吸收胶子时，本身色荷要改变，以确保色荷守恒。如带有“红”色荷夸克发射了一个带有“红-反蓝”胶子后，本身色荷变成了“蓝”。→→→→32/58残余强作用：原子核形成

即使组成原子核核子（质子和中子）都是色中性，它们之间有“残余强作用”，这种作用远远超出质子之间电磁斥力，原子核由此而形成。33/58弱作用即使有6种夸克和6种轻子，但我们周围除了3种中微子单独存在着外，全部物质都是由最轻2种夸克(u,d)和1种最轻带电轻子（电子）组成，较重夸克和带电轻子呢?较重夸克（s,c,b,t)和带电轻子(,）在宇宙形成早期就衰变掉了，衰变成了最轻夸克和轻子。这些衰变（即味道改变）都是经过弱作用进行。

弱作用携带粒子是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。34/58电磁作用和弱作用统一

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，弱作用强度和电磁作用强度在同一水平。

伴随尺度增加或能标降低，弱作用将远远弱于电磁作用。

弱作用携带粒子是重达100GeV粒子，是一个短距作用35/58引力引力很是奇怪。即使它是一个基本力，标准模型却不能描述它。怎样把它也统一进来是当今物理学一大难题。引力携带粒子—引力子，至今未被发觉。36/58自然界基本作用力总结37/58量子力学原子和亚原子粒子性质与我们日常生活中物体完全不一样，它们不是跳动小球，它们不但含有粒子性，还含有波性质（波粒二象性），它们运动规律用“量子力学”描述。

量子力学中物理量只能取分离值：量子化。常见量子数：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几率."Goddoesn'tplaydice!”(Einsteinwaswrong.)量子数：几率：38/58世界由什么组成？怎样组成？--最终答案Wehaveansweredthequestions,"Whatistheworldmadeof?"and"Whatholdsittogether?“Theworldismadeof6quarksand6leptons.Everythingweseeisaconglomerationofquarksandleptons.Therearefourfundamentalforcesandthereare

forcecarrierparticlesassociatedwitheachforce39/58第三部分：粒子衰变和湮灭原子核衰变：一个大原子核变成几个小原子核基本粒子衰变：一个基本粒子变成几个较轻基本粒子→→→→→→40/58放射性发觉1800年代晚期，德国物理学家WilhelmRöntgen发觉：当电子束打到金属片上时，会有奇怪射线发出，他称之为X-射线两个月后，法国物理学家HenriBecquerel发觉有些矿石（如铀）会自然放出射线。不稳定原子核衰变而放出射线—放射性41/58射线种类

射线：氦（helium）核（2p,2n)

射线：高速电子

射线：高能光子

射线能够被纸片挡住

射线能够被铝片挡住

射线只能用铅板来档

42/58衰变中质量亏损→238.0508

234.0436

4.0026

0.0046u质量亏损掉了，变成了能量！43/58衰变中“中介子”

衰变44/58正反粒子湮灭(I)45/58正反粒子湮灭(II)46/58物质和反物质相遇会彼此毁灭。不过物理学家们一直难以解释是：既然在发生宇宙大撞击时候，很显著正物质和反物质量是相等，那么我们由物质组成宇宙，为何又能够存在到今天，而不是早早就灰飞烟灭了呢？47/58第四部分：怎样试验研究粒子今天知道粒子绝大部分都是不稳定粒子，它们在宇宙形成早期都曾经存在过，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性质。粒子产生方法：