基本粒子物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

基本粒子物理漫谈基本粒子物理漫谈 世界是由什么组成世界是由什么组成？世界是怎样组成世界是怎样组成？杨杨 金金 民民第1页第一部分：世界由什么组成？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？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！简单、没有内部结构！从远古时代，人类就开始从远古时代，人类就开始这么想。比如认为世界是这么想。比如认为世界是由由“水、火、土、气水、火、土、气”组成。组成。“基本砖块”第2页世界基本砖块？原子世界基本砖块？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19前后，人们认为“原子”是可穿透球，内部有一些电荷在跳动。第3页“原子原子”是基本吗？是基本吗？人们很快就发觉：能够依据其化学性质把人们很快就发觉：能够依据其化学性质把“原子原子”分类分类-元素周期表元素周期表这表明这表明“原子原子”有内部结构，是由更小砖块有内部结构，是由更小砖块组成。组成。第4页 “原子原子”是由带正电、重是由带正电、重而小而小“原子核原子核”和围绕它和围绕它带负电带负电“电子云电子云”组成组成试验表明：试验表明：第5页“原子核原子核”是基本吗？是基本吗？v“原子核原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本粒子。认为是基本粒子。v以后，人们发觉以后，人们发觉“原子核原子核”并不基本，是由带并不基本，是由带正电正电“质子质子”和不带电和不带电“中子中子”组成。组成。第6页“质子质子”和和“中子中子”是基本吗是基本吗？人们发觉人们发觉“质子质子”和和“中子中子”并不基本，并不基本，是有更小粒子是有更小粒子-“夸克夸克”组成。组成。“夸克夸克”-当前没有发当前没有发觉其内部结构，是觉其内部结构，是“基基本本”粒子粒子第7页当代当代“原子原子”图像图像 注意：注意：“原子原子”体积体积99.999999999999%是空是空！第8页“原子原子”大小大小 第9页众多众多“复合粒子复合粒子”v人们一直在寻找粒子，当前已发觉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多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合复合 粒子粒子”。v这些粒子名称这些粒子名称“五花八门五花八门”。v费米费米(Enrico Fermi)对他学生对他学生 莱德曼莱德曼(Leon Lederman)说：说：第10页标准模型标准模型世界有什么组成？怎样组成？世界有什么组成？怎样组成？-标准模型标准模型 6 种轻子种轻子 6 种夸克种夸克 传递力粒子传递力粒子第11页世界由什么组成？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。第12页“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“湮灭”，变成能量。第13页夸克夸克 第14页“夸克夸克”名称由来名称由来1964年年 Murray Gell-Mann 和和 George Zweig 提议用提议用三三个基本粒子个基本粒子不一样组合来解释所发觉几百个粒子。不一样组合来解释所发觉几百个粒子。Gell-Mann 把这三个粒子叫作把这三个粒子叫作“Quark”“Quark”一词来自一词来自 James Joyce 小说小说 “Finnegans Wake”不一样种类不一样种类“夸克夸克”称作不一样称作不一样“味道味道”第15页 “夸克夸克”称作称作“上上”（up)和和“下下”(down):称为称为“奇奇”(strange),它组成它组成 粒子粒子“K”粒子含有粒子含有“奇怪奇怪”长寿命长寿命 称作称作“璨璨”（Charm），），1974年在斯坦福年在斯坦福 （SLAC)和布鲁海文试验室和布鲁海文试验室(BNL)发觉发觉 称作称作“底底”(bottom)，1977年在费米试验室发年在费米试验室发觉觉 称作称作“顶顶”(top)，1995年在费米试验室发年在费米试验室发觉觉.两个最轻两个最轻第三个第三个第四个第四个第五个第五个第六个第六个第16页强子（重子、介子）强子（重子、介子）v正如群居大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形正如群居大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成复合粒子叫成复合粒子叫“强子强子”v即使夸克带有分数电荷，但强子电荷是整数即使夸克带有分数电荷，但强子电荷是整数v即使夸克带有颜色，但强子没有颜色即使夸克带有颜色，但强子没有颜色v强子（强子（Hadron）有两类：有两类：重子（重子（Baryon）介子（介子（Meson）第17页轻子（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，难以看到微子）象附着在这些动物身上跳骚，难以看到第18页带电轻子衰变带电轻子衰变第19页中微子 第20页中微子特点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。第21页物质物质“代代”第二、三代费米子衰变很快，我们周围物质中没有它们。为什么它们还存在呢？当轻子被发觉时，I.I.Rabi 叹道：“Who odered that?”第22页世界由什么组成？答案世界由什么组成？答案 第23页第二部分：世界怎样组成？第二部分：世界怎样组成？v世界由夸克和轻子组成。v是什么把夸克和轻子组合成物质？四种作用！第24页 物质怎样相互作用？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携带力粒子！第25页电磁力电磁力电磁力引发“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。第26页残余电磁力残余电磁力“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！第27页原子核怎样形成原子核怎样形成？“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!第28页强作用力强作用力v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”。v“强作用力”使夸克形成“强子”v“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！）v“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”；v 即使“夸克”带“色荷”，它们组成“强子”都不带“色荷”，是色中性。第29页色荷色荷v带色荷粒子（夸克、胶子）经过交换胶子发生强作用带色荷粒子（夸克、胶子）经过交换胶子发生强作用v夸克发射或吸收胶子时改变本身所带色荷夸克发射或吸收胶子时改变本身所带色荷v夸克带色荷，反夸克带反色荷夸克带色荷，反夸克带反色荷，胶子带一对，胶子带一对“色荷色荷-反色荷反色荷”v 组成重子三个夸克分别带有组成重子三个夸克分别带有“红红、绿绿、蓝蓝”色荷，所以是色中色荷，所以是色中性性v 组成介子一对夸克和反夸克分别带有色荷（如组成介子一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红红”）和反色）和反色荷（如荷（如“反红反红”），所以也是色中性），所以也是色中性 v 色荷在作用过程中是守恒色荷在作用过程中是守恒第30页夸克禁闭夸克禁闭带色粒子不能单独存在，夸克总是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和别夸克囚禁在一起而形成色中性 强子强子强子中夸克疯狂交换胶子进行强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：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当胶子场取得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克反夸克第31页夸克禁闭未被严格证实！夸克禁闭未被严格证实！-Steven Weinberg第32页夸克发射胶子夸克发射胶子 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。如带有荷守恒。如带有“红红”色荷夸克发射了一个带有色荷夸克发射了一个带有“红红-反蓝反蓝”胶子后，本身色荷变成了胶子后，本身色荷变成了“蓝蓝”。第33页残余强作用：原子核形成残余强作用：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。第34页弱作用弱作用v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?v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。v 弱作用携带粒子是W+,W-,Zv 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 在非常小尺度在非常小尺度(10-18 米）或非常大能标米）或非常大能标(100 GeV)情况下，弱作用强度和电磁作用强度在同一情况下，弱作用强度和电磁作用强度在同一 水平。水平。伴随尺度增加或能标降低，弱作用将远远弱于伴随尺度增加或能标降低，弱作用将远远弱于 电磁作用。电磁作用。弱作用携带粒子是重达弱作用携带粒子是重达100 GeV粒子，是一个短粒子，是一个短 距作用距作用第36页引力引力引力很是奇怪。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。第37页自然界基本作用力总结自然界基本作用力总结第38页量子力学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.Goddoesntplaydice!”(Einsteinwaswrong.)量子数：量子数：几率：几率：第39页世界由什么组成？怎样组成？世界由什么组成？怎样组成？-最终答案最终答案We have answered the questions,What is the world made of?and What holds it together?“Theworldismadeof6 quarksand6 leptons.Everythingweseeisaconglomerationofquarksandleptons.Therearefour fundamental forcesandthereareforce carrier particlesassociatedwitheachforce第40页第三部分：粒子衰变和湮灭第三部分：粒子衰变和湮灭v原子核衰变：一个大原子核变成几个小原子核原子核衰变：一个大原子核变成几个小原子核v基本粒子衰变：一个基本粒子变成几个较轻基本粒子第41页放射性发觉放射性发觉18代晚期，德国物理学家Wilhelm Rntgen 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Henri Becquerel 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第42页射线种类射线种类 射线：氦（射线：氦（helium）核（）核（2p,2n)射线：高速电子射线：高速电子 射线：射线：高能光子高能光子 射线能够被纸片挡住射线能够被纸片挡住 射线能够被铝片挡住射线能够被铝片挡住 射线只能用铅板来档射线只能用铅板来档 第43页铀衰变铀衰变一大块铀衰一大块铀衰变（半衰期）变（半衰期）单个铀衰变（几率）单个铀衰变（几率）第44页铀为何会衰变？残余强力把相 互排 斥 核子束缚在一起形成原子核微观粒子只能以几率方式描述：量子力学核子团（比如)逃逸出原子核几率很小；对大原子核（如铀）这种几率比较大。第45页衰变中质量亏损238.0508234.04364.00260.0046 u 质量亏损掉了，变成了能量！第46页衰变中“中介子”衰变第47页正反粒子湮灭(I)第48页正反粒子湮灭正反粒子湮灭(II)第49页第四部分：怎样试验研究粒子v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。v粒子产生方法：宇宙线 对撞机v粒子探测工具：探测器 第50页宇宙线第51页对撞机（加速器）对撞机（加速器）直线加速直线加速盘旋加速盘旋加速固定靶固定靶对撞机对撞机第52页当今世界上加速器当今世界上加速器Fermilab（费米试验室，美国）SLAC(斯坦福直线加速器中心，美国)BNL(布鲁海文试验室，美国）CESR(康奈尔正负电子储存环，美国）CERN(欧洲粒子物理试验室，瑞士)KEK（高能加速器研究机构，日本）DESY(电子盘旋加速器，德国）IHEP(高能物理所，中国）高能物理所，中国）第53页粒子探测器粒子探测器第54页怎样识别不一样粒怎样识别不一样粒子子第55页当代粒子物理试验鼻祖:鲁瑟夫试验Beam:粒子粒子Target:金箔金箔Detector:硫化锌屏幕硫化锌屏幕第56页一点历史-Steven Weinberg第57页观察世界伎俩：总结观察世界伎俩：总结第58页第五部分：理论未解之谜第五部分：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理论，有一标准模型取得了巨大成功，但它仍不是一个基本理论，有一些理论问题无法解释：些理论问题无法解释：相关费米子相关费米子“代代”和和“味道味道”问题问题 “大统一大统一”和更小尺度物理和更小尺度物理 “暗物资暗物资”和和“暗能量暗能量”黑格斯粒子本质黑格斯粒子本质 水平方向：水平方向：竖直方向：竖直方向：来自天上：来自天上：来自地狱：来自地狱：第59页“暗物质暗物质”和和”暗能量暗能量”标准模型无法解释标准模型无法解释第60页费米子费米子“代代”和和“味道味道”之谜之谜为何恰好有三代为何恰好有三代？为何有不一样质量为何有不一样质量?CP 破坏问题破坏问题？物质和反物质不对称物质和反物质不对称第61页物质和反物质不对称问题（宇宙形成）第62页宇宙形成宇宙形成第63页黑格斯粒子黑格斯粒子标准模型中全部粒子质量都来自于黑格斯机制；标准模型中全部粒子质量都来自于黑格斯机制；黑格斯粒子至今还未发觉。黑格斯粒子至今还未发觉。黑格斯粒子是基本粒子还是复合粒子？黑格斯粒子是基本粒子还是复合粒子？为何黑格斯粒子质量平方是负为何黑格斯粒子质量平方是负？VIm(H)Re(H)第64页大统一和更小尺度物理基本粒子物理一个主要目标就是把各种作用力统一起来基本粒子物理一个主要目标就是把各种作用力统一起来 -大统一理论大统一理论爱因斯坦晚年致力于把电磁力和引力统一起来,但没有成功至今，人们仍在探索大统一理论第65页通向新物理拦路虎：等级问题电弱能标电弱能标标准模型只能到此标准模型只能到此新物理新物理短距离短距离100 GeV1 TeV1015 GeV(?)mH2 =(m0 H)2+CL2100 GeV1015 GeV1015 GeV 精细调整！第66页新物理方向新物理方向 I：超对称：超对称第67页新物理方向新物理方向 II：额外维空间：额外维空间G第68页统一引力：超弦理论统一引力：超弦理论第69页“统一统一”“统一统一”第70页最终理论：第71页谢谢谢谢！第72页