粒子物理标准模型

标准模型简介第1页引言自古以来，寻找宇宙终极规律一直是人们梦想。近代科学发觉，宏观尺度上宇宙和微观尺度上基本粒子存在一些紧密地联络。所以，微观尺度上粒子基本模型也就成为了解释宇宙奥秘钥匙。第2页什么是标准模型

自然界有四种基本作用力，万有引力，电磁力，弱作用力跟强作用力。电磁力跟弱作用力已经被统一成为电弱理论。标准模型便是在次原子尺度下希望统合电弱作用力跟强作用力理论。

第3页什么是标准模型原子原子核中子夸克近几十年来，经过基本粒子物理学家不停努力，人造加速器发展，以及借着外层空间高能宇宙射线，建立了一套学说，以解释宇宙中最基本组成份子以及其间交互作用力，这就是所谓标准模型(StandardModel)。第4页我们已知基本粒子能够分为两个家族—夸克(Quarks)和轻子(Leptons)，这两个家族各有六个组员，组成三个世代。第一世代粒子质量最轻，而第三世代粒子最重。另外还有四种媒介交互作用媒介子(Mediator)，用来传递粒子之间交互作用力。现存物质，主要是由第一世代基本粒子所组成，而第二第三世代粒子大多已经衰变成为第一代基本粒子。什么是标准模型第5页什么是夸克20世纪60年代，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本单元——夸克(quark)组成。它们含有分数电荷，是电子电量2/3或-1/3倍，自旋为1/2。第6页夸克由来

“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根通宵祭》(Finnegan‘sWake)中诗句。最初解释强相互作用粒子理论需要三种夸克，叫做夸克三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇异夸克(strange,s)。1974年发觉了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发觉了Υ粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发觉第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最终一个夸克。

第7页发觉夸克

１９６４年，美国物理学家盖尔曼和茨威格各自独立地提出了三夸克模型，认为重子和介子都是由夸克组成。

１９６９年，美国斯坦福直线加速器中心验证了夸克存在，并在普通物质或宇宙线中发觉了能够证实上夸克、下夸克和奇异夸克存在证据。１９７４年，美国丁肇中试验室和里克特试验组，各自独立地发觉由一对正反粲夸克组成介子，从而证实了粲夸克存在，所以分享了１９７６年诺贝尔物理学奖。

１９７７年，美国莱德曼试验组发觉了底夸克存在证据。

１９９４年，费米试验室发觉了顶夸克。第8页什么是轻子

轻子就是不参加强相互作用费米子，它们参加弱相互作用与电磁作用。它们自旋为1/2。至今试验上还没有发觉轻子有任何结构，所以通常被认为自然界最基本粒子之一。已经发觉轻子包含电子、μ子、τ子三种带一个单位负电荷粒子，分别以e-、μ-、τ-表示，以及它们分别对应电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不带电中微子，分别以νe、νμ、ντ表示。加上以上六种粒子各自反粒子，共计12种轻子。第9页发觉轻子

１８９７年，英国物理学家汤姆孙发觉电子，所以荣获１９０６年诺贝尔物理学奖。这是人类认识第一个基本粒子，不但打破了道尔顿“不可分”原子，而且打破了物质结构“终极”观念，把科学研究引上了一条出人意料道路。于是，在２０世纪前夕，科学家面临着一个完全陌生而又非常奇特世界。

１９５３年，美国物理学家莱因斯和柯万一起取得了开拓性成就，发觉了电子型中微子，所以取得了１９９５年诺贝尔物理学奖。

１９６２年美国哥伦比亚大学莱德曼等人，在布鲁克海文国家试验室里，发出了μ子和μ子型中微子，而且发觉中微子有不一样类型，所以取得了１９８８年诺贝尔物理学奖。

１９７５年，美国物理学家佩尔等人试验发觉了重轻子即τ轻子，所以取得了１９９５年诺贝尔物理学奖。２０００年，由美日韩希腊等国５４人组成国际科研小组，利用美国费米试验室加速器经过３年合作研究，首次发觉了表明τ中微子存在直接证据。至此，粒子物理学标准模型中１２种基本粒子经百余年探索，终于被人类全部发觉。

第10页什么是媒介子如前所述，物质之间存在相互作用，而传递这种作用粒子称为媒介子1强相互作用，媒介子为介子或胶子

2弱相互作用，媒介子为中间玻色子

3电磁相互作用，媒介子为光子

4万有引力，媒介子为引力子

第11页相关引力子当前，前三种相互作用媒介子都已在试验上证实了或者最少找到存在证据了。

而第四种，引力子还未在试验上发觉。在量子色动力学标准模型下，万有引力是靠引力子传输，假如这种引力子存在，也就在一定程度上解释了万有引力根源。而引力子至今未发觉存在证据。至于有没有引力子，依然是个迷。第12页引力和电磁力引力和电磁力在此不再赘述第13页弱相互作用有两种弱相互作用，一个是有轻子(电子e，中微子ν，μ子以及它们反粒子)参加反应，如β衰变，μ子衰变以及π介子衰变等；另一个是Κ介子和∧超子衰变。这两种弱相互作用强度相同，都比强相互作用弱1012倍，相互作用时间约为10^(-6)～10^(-8)s。第14页强相互作用强相互作用是作用于强子之间力，是所知四种宇宙间基本作用力最强，也是作用距离最短（大约在10-15m范围内）。核子间核力就是强相互作用，它抵抗了质子之间强大电磁力，维持了原子核稳定。现在物理学家认为强相互作用产生与夸克、胶子相关。

第15页第16页Higgs粒子光子g和中间玻色子(w+、w-及z0)分别是电磁相互作用和弱相互作用媒介子，在电弱统一理论中，这四种粒子都是电弱作用场量子，它们都是零质量粒子。不过因为对称性破缺，只有一个媒介子(g光子)保持了零质量，而其它三种取得了巨大质量。致使对称性破缺机制，称为希格斯(higgs)机制。所以理论上确信，必定还存在一个被称为希格斯粒子粒子。

传递引力相互作用媒介子是引力子g，是引力场量子，它是自旋为2零质量粒子。希格斯粒子和引力子，是理论上被预言而在试验中还未得到存在直接证据两个粒子。第17页Higgs粒子

英国物理学家希格斯最早在30年前预言了希格斯玻色子存在，但科学至今没找到它踪迹。希格斯玻色子被认为是物质质量之源，是电子和夸克等形成质量基础。按理论假设，其它粒子在希格斯玻色子组成“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。希格斯玻色子对完善粒子物理学理论有主要意义。经过长时间研究和索，科学家们曾建立起被称为标准模型粒子物理学理论。该标准模型以夸克、轻子作为基本粒子，以弱电统一和量子色动力学理论为主要框架。标准模型预言了62种基本粒子存在，这些粒子几乎都已被试验所证实，希格斯玻色子是最终一个未被发觉基本粒子。所以，寻找该粒子，被有些人比喻为粒子物理学领域“圣杯”。第18页从试验上讲，即使标准模型没有对Higgs粒子质量作出直接预言，但标准模型本身成功，尤其是基于Higgs机制对W±和Z0粒子高精度质量预言给Higgs机制提供了很强间接支持。Higgs粒子因为Higgs粒子对高能物理中许多反应过程有贡献，且这种贡献与Higgs质量相关，伴随试验精度提升，Higgs粒子搜索范围正变得越来越窄。第19页标准模型之父

格拉肖(sheldonleeglashow)1975年，他和合作者一起在电弱统一理论和量子色动力学基础上，提出了把弱相互作用、电磁相互作用、强相互作用统一起来大统一理论，在基本粒子和场论理论研究以及宇宙学研究中都有较大影响。正是因为这些成就，他与S.温伯格、A.萨拉姆共同取得了1979年诺贝尔物理学奖。粒子物理标准模型堪称是二十世纪物理学取得最重大成就之一。格拉肖教授是粒子物理标准模型奠基人之一，也是大统一理论开创者，他还成功地预言了粲夸克存在。第20页1999NobelPrice

粒子物剪发展到今天这种程度，尤其是将强、电磁和弱三种相互作用全都统一标准模型，在实验和理论两方面都取得了巨大成功，霍夫特和韦尔特曼就是其中两位出色理论家.早在70年代早期，他们用自己提出正规化方案，在特定规范下对电弱统一理论给出了完整微扰计算方法和严格地证实了这理论可重整性。他们另外两项开拓性研究结果——维数正规化方案和图论(diagrammar)在研究非阿贝尔规范场论中也发挥了巨大作用.“为粒子物理学理论提供了更坚实数学基础”和“提供了很好能够用于预计新粒子特征‘理论机器’”，他们获此殊荣是当之无愧.第21页NobelPrice戴维·格罗斯、戴维·波利茨、弗兰克·威尔茨克在对相关强作用力研究方面作出了重要理论发觉。他们数字计算解释说明夸克之间越靠近，强作用力越弱。当夸克之间非常靠近时，强作用力是如此之弱，方便到它们完全能够作为自由粒子活动。这种现象叫作“渐近自由”，即渐近不缚性。这三位科学家1973年经过一个完善数学模型公布了这一发觉。这一发觉造成了一个全新理论，即量子色动力学。这一理论对标准模型作出了主要贡献。标准模型形容了与电磁力、强作用力、弱作用力相关全部物理现象。在量子色动力学家帮助下，物理学家终于能够解释为何夸克只有在极高能情况下它才会表现为自由粒子。在质子和中