基本粒子物理漫談--中國科學(xué)院理論物理研究所楊金民研究員

1、基本粒子物理漫談,,世界是由什么組成的 ？世界是如何組成的 ？,楊 金 民,第一部分：世界由什么組成？,為什么世界上不同的物質(zhì)具有相同的特征？ 因為世界上的物質(zhì)是由幾個基本的磚塊組成的 ---簡單、沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)！從遠(yuǎn)古時代，人類就開始這樣想。比如認(rèn)為世界是由“水、火、土、氣”組成。,“基本磚塊”,世界的基本磚塊？原子 ？,今天人們知道“水、

2、火、土、氣”并不“基本”，它們是由“原子”組成的。在1900年前后，人們認(rèn)為“原子”是可穿透的球，內(nèi)部有一些電荷在跳動。,“原子”是基本的嗎？,人們很快就發(fā)現(xiàn)：可以根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)把“原子”分類----〈元素周期表〉這表明“原子”有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由更小的磚塊組成的。,“原子”是由帶正電的、重而小的“原子核”和圍繞它的帶負(fù)電的“電子云”組成,實驗表明：,“原子核”是基本的嗎？,“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人們認(rèn)為是

3、基本的粒子。后來，人們發(fā)現(xiàn)“原子核”并不基本，是由帶正電的“質(zhì)子”和不帶電的“中子”組成。,“質(zhì)子”和“中子”是基本的嗎？,人們發(fā)現(xiàn)“質(zhì)子”和“中子”并不基本， 是有更小的粒子---“夸克” 組成。,“夸克”---目前沒有發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是“基本”的 粒子,現(xiàn)代的“原子”圖像,注意： “原子”體積的99.999999999999% 是空的 ！,,“原子”的大小,,眾多的“復(fù)合粒子”,

4、人們一直在尋找粒子，目前已發(fā)現(xiàn)200 多個粒子，這些粒子絕大多數(shù)是“復(fù)合 粒子”。這些粒子的名稱“五花八門”。費(fèi)米(Enrico Fermi) 對他的學(xué)生 萊德曼(Leon Lederman)說：,"Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist!",標(biāo)準(zhǔn)模型

5、,世界有什么組成？如何組成？ -----標(biāo)準(zhǔn)模型 6 種輕子 6 種夸克 傳遞力的粒子,世界由什么組成？,世界上的一切物質(zhì)，從星系到山川河流，都是由 “輕子” 和 “夸克” 組成。,“反物質(zhì)”（“反粒子”）,對應(yīng)于每一種“物質(zhì)粒子”，存在其“反物質(zhì)粒子”，唯一區(qū)別是 電荷反號?！傲Ｗ印迸c”反粒子”相遇時，會發(fā)生“湮滅”， 變成能量。,夸克,,,“夸克”名稱的由來,1964年 Murray Gell-Mann

6、和 George Zweig 建議用三個基本粒子的不同組合來解釋所發(fā)現(xiàn)的幾百個粒子。Gell-Mann 把這三個粒子叫作“Quark” “Quark” 一詞來自 James Joyce 的小說 “Finnegan’s Wake” 不同種類的“夸克”稱作不同的“味道”,的“夸克”稱作 “上” （up) 和 “下” (down):

7、 稱為 “奇” (strange), 它組成的 粒子“K”粒子具有“奇怪”的長壽命 稱作“璨”（Charm），1974年在斯坦福

8、 （SLAC)和布魯海文實驗室(BNL)發(fā)現(xiàn) 稱作“底”(bottom)，1977年在費(fèi)米實驗室發(fā)現(xiàn) 稱作“頂”(top)，1995年在費(fèi)米實驗室發(fā)現(xiàn).,兩個最輕,第三個,第四個,第五個,第六

9、個,強(qiáng)子（重子、介子）,正如群居的大象，夸克也群居，從不單獨(dú)存在，他們?nèi)壕铀纬傻膹?fù)合粒子叫“強(qiáng)子”雖然夸克帶有分?jǐn)?shù)電荷，但強(qiáng)子的電荷是整數(shù)雖然夸克帶有顏色，但強(qiáng)子沒有顏色強(qiáng)子（Hadron） 有兩類： 重子（Baryon） 介子（Meson）,輕子（Lepton）,夸克總是群居而以束縛態(tài)形式存在；輕子則單個存在 帶電輕子象貓科動物，

10、易看到；而不帶電的輕子（中 微子）象附著在這些動物身上的跳騷，難以看到,帶電輕子的衰變,→,→,→,中微子,,→,→,→,→,中微子的特點,不帶電荷、色荷，和物質(zhì)的作用非常弱；絕大多數(shù)可以穿過地球，而不和地球的物質(zhì)發(fā)生作用；可以在很多過程中產(chǎn)生，特別是粒子的衰變，(正是從粒子的衰變中推斷其存在）；由于在宇宙形成的初期中微子大量產(chǎn)生，并且它們和物質(zhì)的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它們雖然很輕，但因為

11、數(shù)眾多，所以對宇宙的質(zhì)量有不可忽視的貢獻(xiàn)，影響宇宙的膨脹。,物質(zhì)的“代”,第二、三代的費(fèi)米子衰變很快，我們周圍的物質(zhì)中沒有它們。為什么它們還存在呢？當(dāng)?輕子被發(fā)現(xiàn)時，I.I.Rabi 嘆道：“Who odered that ?”,世界由什么組成？答案,,第二部分：世界如何組成？,世界由夸克和輕子組成。是什么把夸克和輕子組合成物質(zhì)？ ? 四種作用！,物質(zhì)如何相互作用？,物質(zhì)勿需接觸就發(fā)生相互作用：如太陽吸引地球、兩磁鐵的吸引

12、或排斥物質(zhì)間通過力場發(fā)生相互作用?通過交換攜帶力的粒子！,電磁力,電磁力引起“同種電荷相排斥，異種電荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由電磁力引起。電磁力的攜帶粒子是“光子”，不同能量的光子形成了電磁波譜，如 X—射線、可見光和無線電波。光子沒有質(zhì)量，以光速傳播。,殘余電磁力,“原子”含有相同數(shù)目的“質(zhì)子”和“電子”是電中性的，它們?nèi)绾涡纬煞肿幽?？原來一個“原子”中的“電子”跟另外一個“原子”中的質(zhì)子還

13、有作用，這種原子間“殘余電磁力”使不同的“原子”結(jié)合成“分子”。所以，正是“電子”和“質(zhì)子”帶有異號的電荷使得我們的世界得以形成 ！,原子核如何形成 ？,“原子核”由“質(zhì)子”和“中子”組成，“質(zhì)子”帶正電而 相互排斥，“中子”不帶電，為什么它們不因排斥 而散開 呢？ 這個問題用電磁力無法回答 !,強(qiáng)作用力,夸克帶有“電荷” ，

14、還帶有“色荷”；帶“電荷”的粒子之間有“電磁作用”，帶“色荷”的粒子之間有“強(qiáng)作用”?！皬?qiáng)作用力”使夸克形成“強(qiáng)子”“強(qiáng)作用力”的攜帶粒子叫“膠子” （“強(qiáng)作用”象“膠”一樣把夸克粘在一起?。?“強(qiáng)作用”與“電磁作用”不同，“膠子”本身帶有“色荷”，而“光子”本身不帶“電荷”； 雖然“夸克”帶“色荷”，它們組成的“強(qiáng)子”都不帶“色荷”，是色中性的。,色荷,帶色荷的粒子（夸克、膠子）通過交換膠子發(fā)生強(qiáng)作用夸克發(fā)射

15、或吸收膠子時改變自身所帶的色荷夸克帶色荷，反夸克帶反色荷 ，膠子帶一對“色荷-反色荷” 組成重子的三個夸克分別帶有“紅、綠、藍(lán)”色荷，所以是色中性的 組成介子的一對夸克和反夸克分別帶有色荷（如“紅”）和反色荷（如“反紅”），所以也是色中性的 色荷在作用過程中是守恒的,夸克禁閉,帶色的粒子不能單獨(dú)存在，夸克總是 和別的夸克囚禁在一起而形成色中性 的強(qiáng)子強(qiáng)子中的夸克瘋狂的交換膠子進(jìn)行強(qiáng)

16、 作用，它們存在于由膠子組成的色場中： 當(dāng)膠子場獲得足夠能量時，就會折斷成一對夸克-反夸克,夸克禁閉未被嚴(yán)格證明！,--Steven Weinberg,,夸克發(fā)射膠子,夸克發(fā)射或吸收膠子時，本身的色荷要改變，以保證色荷守恒。如帶有“紅”色荷的夸克發(fā)射了一個帶有“紅-反藍(lán)”的膠子后，自身的色荷變成了“藍(lán)”。,→,→,→,→,殘余的強(qiáng)作用：原子核的形成,雖然組成原子核的核子（質(zhì)子和中子）都是色中性的，它們之間有“殘余的強(qiáng)作用”

17、，這種作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過質(zhì)子之間的電磁斥力，原子核由此而形成。,弱作用,雖然有6種夸克和6種輕子，但我們周圍除了3種中微子單獨(dú)的存在著外，所有物質(zhì)都是由最輕的2種夸克(u,d)和1種最輕的帶電輕子（電子）組成，較重的夸克和帶電輕子呢?較重的夸克（s,c,b,t)和帶電輕子(?,?）在宇宙 形成的初期就衰變掉了，衰變成了最輕的夸克 和輕子。這些衰變（即味道的改變）都是通過 弱作用進(jìn)行的。 弱作用的攜帶粒子是W+ ,W-

18、 ,Z 標(biāo)準(zhǔn)模型把弱作用和電磁作用 統(tǒng)一到了一個理論框架中。,電磁作用和弱作用的統(tǒng)一,標(biāo)準(zhǔn)模型把電磁和弱作用統(tǒng)一描述，稱為電弱理論 在非常小尺度(10-18 米）或非常大能標(biāo)(100 GeV) 情況下，弱作用的強(qiáng)度和電磁作用的強(qiáng)度在同一 水平。 隨著尺度的增加或能標(biāo)的降低，弱作用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于 電磁作用。 弱作用的攜帶粒子是重達(dá)100 GeV的粒子，是一種短 距作用,引力,引

19、力很是奇怪。雖然它是一種基本的力，標(biāo)準(zhǔn)模型卻不能描述它。如何把它也統(tǒng)一進(jìn)來是當(dāng)今物理學(xué)的一大難題。引力的攜帶粒子—引力子，至今未被發(fā)現(xiàn)。,自然界基本作用力的總結(jié),量子力學(xué),原子和亞原子粒子的性質(zhì)與我們?nèi)粘Ｉ钪械奈矬w完全不一樣，它們不是跳動的小球，它們不僅具有粒子性，還具有波的性質(zhì) （波粒二象性），它們的運(yùn)動規(guī)律用“量子力學(xué)”描述。 量子力學(xué)中物理量只能取分離的值：量子化。

20、 常見的量子數(shù)：電荷、色荷、味道、自旋 量子力學(xué)只能預(yù)言粒子在某一時刻出現(xiàn)在某處的幾率 ."God doesn't play dice!” (Einstein was wrong.),量子數(shù)：,幾率：,世界由什么組成？如何組成？--最后答案,描述這些基本粒子的理論：標(biāo)準(zhǔn)模型,第三部分：粒子的衰變和湮滅,原子核的衰變：一個大原子核變成幾個小原子核基本粒

21、子的衰變：一個基本粒子變成幾個較輕的基本粒子,→,→,→,→,→,→,放射性的發(fā)現(xiàn),1800年代的晚期，德國物理學(xué)家Wilhelm Röntgen 發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電子束打到金屬片上時，會有奇怪的射線發(fā)出，他稱之為 X-射線兩個月后，法國物理學(xué)家Henri Becquerel 發(fā)現(xiàn)有些礦石（如鈾）會自然的放出射線。不穩(wěn)定的原子核衰變而放出射線—放射性,射線的種類,? 射線：氦（helium）核（2p,2n)? 射線：高速電子

22、 ? 射線： 高能光子 ? 射線可以被紙片擋住 ? 射線可以被鋁片擋住 ? 射線只能用鉛板來檔,鈾的衰變,→,→,→,→,→,一大塊鈾的衰變（半衰期）,單個鈾的衰變（幾率）,鈾為什

23、么會衰變？,殘余的強(qiáng)力把相 互排 斥的 核子束縛在一起形成原子核微觀粒子只能以幾率的方式描述：量子力學(xué)核子團(tuán)（比如?)逃逸出原子核的幾率很?。粚Υ笤雍耍ㄈ玮櫍┻@種幾率比較大。,衰變中的質(zhì)量虧損,→,0.0046 u 的質(zhì)量虧損掉了，變成了能量 ！,衰變中的“中介子”,?衰變,正反粒子的湮滅(I),正反粒子的湮滅(II),第四部分：如何實驗研究粒子,今天知道的

24、粒子的絕大部分都是不穩(wěn)定的粒子，它們在宇宙形成的初期都曾經(jīng)存在過，但很快就衰變掉了，要研究粒子物理，就必須產(chǎn)生出這些粒子，并用探測器研究這些粒子的性質(zhì)。粒子產(chǎn)生的方法： 宇宙線 對撞機(jī)粒子探測的工具： 探測器,宇宙線,對撞機(jī)（加速器）,直線加速,回旋加速,固定靶,對撞機(jī),當(dāng)今世界上的加速器,Fermilab （費(fèi)

25、米實驗室，美國）SLAC (斯坦福直線加速器中心，美國)BNL (布魯海文實驗室，美國）CESR (康奈爾正負(fù)電子儲存環(huán)，美國）CERN (歐洲粒子物理實驗室，瑞士)KEK （高能加速器研究機(jī)構(gòu)，日本）DESY (電子回旋加速器，德國）IHEP (高能物理所，中國）,粒子探測器,如何識別不同粒子,現(xiàn)代粒子物理實驗的鼻祖:魯瑟夫?qū)嶒?Beam: ?粒子,Target: 金箔,Detector: 硫化鋅屏幕,一點歷史,,,,,

26、,--Steven Weinberg,觀測世界的手段：總結(jié),第五部分：理論未解之謎,標(biāo)準(zhǔn)模型取得了巨大成功，但它仍不是一個基本的理論，有一些理論問題無法解釋： 有關(guān)費(fèi)米子“代”和“味道”的問題 “大統(tǒng)一”和更小尺度的物理 “暗物資”和“暗能量”

27、 黑格斯粒子的本質(zhì),水平方向的：,豎直方向的：,來自天上的：,來自地獄的：,“暗物質(zhì)”和”暗能量”,標(biāo)準(zhǔn)模型無法解釋,費(fèi)米子“代”和“味道”之謎,為什么恰好有三代 ？為什么有不同的質(zhì)量?CP 破壞問題 ？物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱,物質(zhì)和反物質(zhì)不對稱問題（宇宙形成）,宇宙形成,黑格斯粒子,標(biāo)準(zhǔn)模型中所有粒子的質(zhì)量都來自于黑格斯機(jī)制；黑格斯粒子至今還未發(fā)現(xiàn)。黑格斯粒子是基本粒子還是

28、復(fù)合粒子？為什么黑格斯粒子的質(zhì)量平方是負(fù)的 ？,,,,V,Im(H),Re(H),大統(tǒng)一和更小尺度的物理,基本粒子物理的一個主要目標(biāo)就是把各種作用力統(tǒng)一起來 ---大統(tǒng)一理論愛因斯坦晚年致力于把電磁力和引力統(tǒng)一起來,但沒有成功至今，人們?nèi)栽谔剿鞔蠼y(tǒng)一理論,通向新物理的攔路虎：等級問