金立刚物质的结构：从原子到夸克.ppt

1、1,物质的结构：从原子到夸克 高能物理学简介,金立刚 南京师范大学物理科学与技术学院,主要内容,“基本”粒子的变迁 四种基本相互作用 高能理论方面的进展 高能实验技术方面的进展,2,高能物理的研究对象,3,高能物理 中子 Chadwick 1932年（ 1935 Nobel Prize ）,根据量子力学的知识，粒子的德布罗意波长为,13,核力将众多质子和中子束缚成原子核,原子的稳定依赖于交换光子的电磁相互作用. 类似地，汤川秀树（Yukawa）假定：原子核的稳定依赖于交换Pion粒子的核力 （1935年）. Pion粒子在1947年被发现.,Yukawa 1949 Nobel Prize,p，

2、n,p，n,p，n,p，n,“灾难” 更多“基本”粒子的发现,质子和中子是基本的吗?,1964年，盖尔曼（Gell-Mann）提出夸克模型 根据夸克模型，质子和中子各包含三个夸克. 其它粒子（如pion）也由夸克组成. (重子: (qqq) ,介子: (qq) ),Proton = ( u u d ) u = 上夸克（up quark） Neutron = ( u d d ) d = 下夸克（down quark）,Gell-Mann, 1969 Nobel Prize,夸克,有三对夸克. 上夸克和下夸克组成质子和中子，从而组成大量熟悉的物质. 其它粒子可以通过高能亚原子碰撞产生.,1974

3、, Ting, Richer 发现charm夸克. 1976 Nobel Prize 1977, Lederman发现bottom夸克. 1995, Fermilab发现top夸克.,胶子将夸克束缚成质子、中子等,Gross, Wilczek, Politzer, 2004 Nobel Prize,Gross, Wilczek, Politzer, 2004 Nobel Prize,胶子将夸克束缚成质子、中子等,核力是剩余的强相互作用,与原子的情形类似，尽管夸克带“色”，但构成的质子和中子不带“色”，因此距离较远（原子核以外）时，感受不到强相互作用，这种力不出现在我们日常的生活中. 但在原子核

4、内部，剩余的胶子强相互作用可以平衡质子之间的电磁排斥力，形成稳定的原子核.,到目前为止, 我们知道,小结:现代的原子模型,由夸克构成的质子和中子形成原子核，电子在周围永不停息的运动，其中需要有光子和胶子参与的电磁和强相互作用.,质子内部仍是一片“空旷”,超过99.9999999%质子内部空间是“空”的! 质子的质量主要来自于这片空旷的空间.,(uud)夸克仅贡献1.3%的质子质量 98.7%的质子质量来源于夸克间的相互作用,总能量包括动能和势能以及静止能量，根据爱因斯坦的理论，质量和能量联系在一起 E = M c2,“Emptiness” is not “void”.,空 非 空,反物质,在上

5、世纪二十年代，Dirac结合狭义相对论和量子力学后建立了一个关于电子的理论，它预言: 电子存在质量相等，电荷相反的反粒子，即正电子. 纯粹的能量只要足够，就可以产生一对正反粒子 当物质与反物质相遇时可以转化为纯粹的能量! 在质子内部的“空旷”区，随时随地都在发生者正反粒子的产生与湮灭!,（Anderson, 1936 Nobel Prize）,Top夸克和反Top夸克的发现,Discovered in 1995 at Fermilab,为什么现在物质远多于反物质？（未知）,10,000,000,001,10,000,000,000,物质,反物质,早期宇宙,中子衰变与弱相互作用,传播弱相互作用的

6、W粒子以及Z粒子在1983年被发现 (Rubbia, van der Meer， 1984 Nobel Prize),27,太阳发光与弱相互作用,在太阳内部存在着重要反应 这是交换 W 粒子的弱相互作用，反应强度有一个 (E/MW)4 的压低 MW 是质子质量的 80 多倍 对于太阳，10-32 导致太阳能持续发光几十亿年 当 MW 有 5% 的改变，将导致太阳的寿命有两个量级的改变,为什么弱相互作用会这么弱，或者说为什么 W 会这么重?,Neutrinos from the Sun,Question: How many neutrinos from the Sun are passing t

7、hrough your fingernail in one second?,Answer: 40 billion! day and night since neutrinos can pass right through the Earth without interacting,Photo of Sun taken underground using neutrinos,(1956 Cowan, Reines，1995 Nobel Prize),predicted by Pauli, 1933,弱相互作用和宇称破坏,( Lee and Yang, Nobel prize 1957),与射出的

8、子弹一样，夸克、电子和中微子还会以运动方向为轴作“自转”.,在有W粒子参与的弱相互作用中，夸克、电子和中微子的“自转”与运动方向构成左手螺旋，而不会有右手螺旋 左右不对称或镜像不对称.,自然界目前只发现左手的中微子，而不存在右手的中微子.,小结,物质的基本构成. 和 基本“砖块”之间的相互作用.,31,目前，我们认为是基本的粒子,夸克有分数电荷，且总是结合成复合粒子 轻子有整数电荷，能自由存在 已知宇宙的稳定物质的组成 上夸克, 下夸克和电子. 第二、三代的夸克和轻子都是不稳定的.,1 万有引力,3 弱相互作用,2 电磁相互作用,4 强相互作用,Newton,Faraday,目前，我们发现的四

9、种基本相互作用,35,经典力学 宏观（原子尺度） 低速（光速）,量子力学 微观（原子尺度） 低速（光速）,狭义相对论 宏观（原子尺度） 任意速度,量子场论 任意尺度 任意速度,量子电动力学 量子色动力学等,对高能物理现象的理论描述,自然界“应该”是简洁、优雅的,目前，理论粒子物理的一个重要目标是寻求四种相互作用的统一描述.,大统一理论,电现象,磁现象,电磁理论,光学现象,三合一,James Clerk Maxwell (1864),现代语言描述,电磁相互作用 弱相互作用 电弱相互作用,电磁作用与弱作用的统一描述,Weinberg, Glashow, Salam, 1979 Nobel Priz

10、e；,对称性破缺，Nambu, 2008 Nobel Prize,t Hooft, Veltman，1999 Nobel Prize,粒子物理中的标准模型,电弱理论 量子色动力学 标准模型. 描述已知基本粒子之间的相互作用（不包括引力）. 标准模型不是完美的，它不能回答,为什么有三代的夸克和轻子存在. 质量的起源 为什么宇宙中的反物质如此少 为什么引力这么弱，如何实现四种相互作用的真正统一 近期宇宙观测得到的惊人结论,CP 破坏问题 (Cronin, Fitch, 1980 Nobel Prize; Kobayashi, Maskawa, 2008 Nobel Prize),42,“黑暗的”宇

11、宙,近期宇宙学的观测数据揭示了我们宇宙的构成 各类星球与星系(普通物质) 0.5% 其它普通物质 3.5% 暗物质 23% 暗能量 (充满宇宙空间) 73%,标准模型不能解释暗物质和暗能量.,高能物理中的实验手段,宇宙射线. 各类对撞机,Hess, 1936 Nobel Prize,44,45,高能（例如 7 TeV ）质子的获得,原则上很简单: 将 7 万亿伏特 的电势加到质子上 很难达到且不安全（如此的电场足以撕裂原子）,500 kV,1600 kV,46,线性加速器原理,空腔内的电场方向不断变化,47,线性加速器,原则上只要建造得足够长，就能够获得想要的高能质子 但不现实，如果要达到7

12、TeV 需要240公里 耗费 $750亿,费米实验室的质子线性加速器,中国高能所BEPC总体简图,直线加速器 200 米,储存环周长 240 米,主要能量区域 35 GeV,主要研究对象 轻子和粲物理,研究微扰和非微扰QCD及其过渡阶段性质,2007年 BEPCII 运行,回旋加速器,( Lawrence, Nobel prize 1939),Wrigley Field,质子、反质子对撞 总能量 eV 周长 6.28 km 1995年发现 Top夸克 2000年发现 Tau中微子,费米实验室Tevatron对撞机（美国）,欧洲核子中心的LHC,质子、质子对撞 总能量 14 TeV，质子的速度 0.999999991 c 周长 27 km 2008年试运行,52,LHC探测 TeV 物理现象,相当于大爆炸后0.00000000001 s.,1 GeV = 109 eV,1 TeV = 1012 eV,53,强磁场与超导,需要磁场 9 Tesla 磁场由12000安培电流产生 普通导线的直径需要35厘米，但仍产生大量焦耳热 超导是最好的选择 保持低温1.9K,54,探