《粒子物理学简介（选学）》参考课件

7粒子物理学简介(选学)了解构成物质的“基本粒子”及粒子物理的发展史．粒子

“基本粒子”不基本

“基本粒子”：直到19世纪末，人们认为光子、

、质子、

是“基本粒子”，随着科学的发展，一方面逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由

、

、

组成的；另一方面科学家又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构．因此，20世纪后半期，就将“基本”去掉，统称

．电子中子中子质子电子粒子发现新粒子(1)新粒子：1932年发现了

，1937年发现

，1947年发现K介子和π介子及以后的超子、

等．(2)粒子的分类：按照粒子与各种相互作用的关系，可将粒子分为三大类：

、

和

．正电子μ子反粒子强子轻子媒介子夸克反夸克最小单位自由3种典型的粒子加速器 直线加速器

(1)粒子运动轨迹是

．

(2)满足的条件：要保持粒子与高频电场之间的

关系．

(3)优点：粒子束的

． 回旋加速器

(1)粒子运动轨迹：在磁场中的

运动．

(2)满足条件：高频电源的频率

粒子回旋的频率．

(3)优点：粒子被加速到的能量可达

.一条直线强度高匀速圆周等于40MeV谐振对撞机能够实现两束相对运动的粒子

的设备叫对撞机．工作原理：粒子先在

中加速，然后射入对撞机，反向

在轨道交叉处相互

，获得较大能量．对撞同步加速器碰撞回旋对粒子的认识

新粒子的发现及特点发现时间1932年1937年1947年60年代后新粒子反粒子μ子K介子与π介子超子基本特点质量与相对应的粒子相同而电荷及其他一些物理性质相反比质子的质量小质量介于电子与质子之间其质量比质子大

粒子的分类分类参与的相互作用发现的粒子备注强子参与强相互作用质子、中子、介子、超子强子有内部结构，由“夸克”粒子构成的；强子又可分为介子和重子轻子不参与强相互作用电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未发现内部结构媒介子传递各种相互作用光子、中间玻色子、胶子光子、玻色子、胶子分别传递电磁、弱、强相互作用对基本粒子的认识

丁肇中：寻找宇宙中的基本粒子

如何寻找宇宙中最基本的粒子呢？我用四个故事向大家介绍一下，这些故事是我在过去的年里所亲自经历的．

第一个故事是测量电子的半径．现代电磁学的理论认为电子的半径为零.1964年，美国的麻省理工学院和哈佛大学建造了一个当时最大的加速器，这个加速器周长为1000英尺(1英尺为0.3048m)．当时来自哈佛大学和康乃尔大学的世界上很有名的专家，在这个加速器里做一个很重要的实验，实验结果同时证明量子电动力学是错误的，电子是有半径的．这是一个非常重要的实验.1966年，我在德国用不同的方法重新做了这个实验，结果发现电子的半径确实小到不可测量，电子是没有半径的．实验的结果和理论的预期的比值等于1，即是说电子的半径等于零，也就是说以前许多专家所做的实验结果是错误的．

第二个故事是关于新粒子家族的发现．到了20世纪年代，所有已经知道的基本粒子都可归结为由三种夸克组成，所有的现象都可以用三种夸克来解释．我就问为什么宇宙中只有三种夸克？为了寻找新夸克，我决定建造一个高灵敏度的探测器．南京下雨的时候，大概每秒钟有100亿个雨滴，其中有一个是蓝的，要把它找到．后来，在美国的布鲁克海文国家实验室用AGS′做了这个实验．我们发现了一种很新的粒子，完全想像不到的一种粒子．这种粒子在正电子负电子质心系能量达到31亿电子伏特的时候，突然就产生一个很高的峰．

根据以前所有的理论，这个峰是不应该存在的．这说明我们发现了一种全新的夸克．这种新粒子有很特别的性质：第一，它们质量比其他所有已知的粒子都重；第二，它的寿命比其他所有已知粒子的寿命长1000倍．这意味着什么呢？大家知道，如果所有人在世界上活到100岁左右，但你突然发现一个村子里的人能活到10000岁，这就表示这些人可能有特别的性质．当然，有了这第四种夸克，你就可以问有没有第五种、第六种——至今为止，已发现了六种．

第三个故事是关于1979年胶子的发现．大家都知道在原子里有电子和原子核，电子和原子核之间的力由光子传送．在质子里不同的夸克和夸克之间的力在理论上来说是由胶子传递．那时我们正在德国用正电子负电子对撞机做一个量子电动力学的实验．在做这个实验的时候，则可以产生夸克、反夸克和胶子，如果这样的话就会出现三个喷柱的现象．果然，当正负电子对撞的时候，如果胶子能量很小，只有两个喷柱；当胶子的能量增大的时候，就会出现三个喷柱现象．三个喷柱现象的存在就表示胶子是存在的．当年，美国物理学会对这个事例作了详细介绍．虽然最初这套实验仪器并非为这个实验设计的，但却获得了意外的结果．

第四个故事就是寻找反物质的宇宙．这在国际空间站上叫做AMS.反物质的存在，是由玻尔·狄拉克在理论上推导出的，他因此在1933年12月12日获得诺贝尔奖．他注意到，相对论的公式和量子电动力学的公式中，质量是乘平方的，也就是说等于m×m也等于(－m)×(－m)．狄拉克问－m是什么意思？从这儿就推导出反物质的理论．大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，在大爆炸的理论中，宇宙起源时的温度非常高，大爆炸中有一个电子则应该有一个反电子，有一个夸克也应该有一个反夸克，所以在刚爆炸的时候，物质和反物质应该是一样多．问题是经过150亿年之后，由反物质组成的宇宙在什么地方？

第一期AMS(01)于1998年6月搭载美国航天飞机在太空中运行了10天，观测到一些过去没有的现象，这是人类第一次测量这些东西，所以觉得现在的结果很奇怪，美国宇航局决定在2003年5月再次将AMS升空，AMS将作为第一个科学实验搭载安装在空间站上．AMS01原结构中用的中国制造的永久磁铁改为超导磁铁，大幅度提高AMS探测能力，在太空中长时间运行并