粒子物理學(xué)的發(fā)展PPT

,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,粒子物理學(xué)的發(fā)展,粒子物理(高能物理),是研究場和粒子的性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、相互作用和相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的學(xué)科，也是研究粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)規(guī)律的學(xué)科，是當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的前沿。,1.實(shí)驗(yàn)研究:,主要是通過高能粒子的相互碰撞，用實(shí)驗(yàn)手段發(fā) 現(xiàn)新粒子。到目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了300多種。,采用的試驗(yàn)設(shè)備有加速器、對撞機(jī)、探測器、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。,2.理論基礎(chǔ),是量子場論，是解釋微觀現(xiàn)象的基本理論。,楊振寧、李政道大膽提出粒子在弱相互作用中，宇稱不一定守恒，粒子和粒子可能是同一種粒子,李政道和楊振寧,粒子物理學(xué)的發(fā)展,吳健雄的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,吳健雄做了極化鈷60原子核衰變實(shí)驗(yàn)，將鈷60置于0.01K的低溫環(huán)境中的磁場內(nèi)，實(shí)驗(yàn)說明了 衰變規(guī)律宇稱不守恒，使楊、李的觀點(diǎn)得到了驗(yàn)證，打破了人們的傳統(tǒng)觀念。,吳 健 雄,粒子物理學(xué)的發(fā)展,一、,粒子的分類,在粒子物理學(xué)的發(fā)展過程中，提出過不同的分類方案，如,早期按粒子的質(zhì)量分類：光子（0）、輕子（輕）、介子（輕子和重子之間）、重子（重）；,按粒子的壽命分為穩(wěn)定粒子（平均壽命10-18s)和不穩(wěn)定粒子（平均壽命在10-20-10-24S）；,分為粒子和反粒子。,反粒子：,反粒子的質(zhì)量、壽命、自旋等與粒子相同，而電荷等相加性量子數(shù)與粒子異號。,首先從理論上預(yù)言反粒子存在的人，是英國人狄拉克。25歲時(shí)狄拉克對量子力學(xué)就做出了令人矚目的貢獻(xiàn)。此后他致力于建立相對論性電子理論。終于他提出了著名的狄拉克方程。該方程不僅簡潔、優(yōu)美，而且還能解出實(shí)驗(yàn)的自旋值和磁矩值，精細(xì)結(jié)構(gòu)，將量子力學(xué)中的康普頓散射、塞曼效應(yīng)等事實(shí)，通過相對論電子理論統(tǒng)一起來。,粒子物理學(xué)的發(fā)展,1955年賽格雷、張伯倫在高能加速器上獲得了反質(zhì)子。1956年發(fā)現(xiàn)反中子。1959年，我國科學(xué)家王淦昌發(fā)現(xiàn)了反西格馬負(fù)超子（）。人們又開始想到能否用反質(zhì)子、反中子、正電子，組成一個(gè)反原子。,1995年開始，歐洲粒子研究中心的科學(xué)家，在(LEAR)低能反質(zhì)子環(huán)中，產(chǎn)生了9個(gè)反氫原子，雖然它們存在的時(shí)間僅為三億分之四秒，但是，卻將人們對物質(zhì)的認(rèn)知領(lǐng)域大大擴(kuò)展了,。,賽格雷像,張伯倫像,粒子物理學(xué)的發(fā)展,現(xiàn)在公認(rèn)的科學(xué)分類方法是,按粒子參與相互作用的類型來分,。粒子共參與四種相互作用：強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、引力相互作用。由于相互作用和前三種相比太弱，因此粒子物理學(xué)中不考慮它。,輕子：,主要參與弱作用，帶電的輕子也參與電磁作用，自旋都是1/2，所以是費(fèi)米子；輕子必定以粒子與反粒子對的形式生成湮滅。電子等6種是輕子，加上它們的反粒子，輕子共12種。,強(qiáng)子：,直接參與強(qiáng)相互作用的粒子統(tǒng)稱為強(qiáng)子，強(qiáng)子也參與弱作用，帶電強(qiáng)子也參與電磁相互作用。強(qiáng)子又分為介子和重子兩類：自旋為整數(shù)或零的稱為介子，如、K、等；自旋為半整數(shù)的稱為重子，如p、n、等；,規(guī)范玻色子：,是傳遞各種相互作用的中介者，它們是傳遞電磁作用的光子；傳遞弱作用的W、Z0，傳遞強(qiáng)作用的膠子。膠子至今未發(fā)現(xiàn)。規(guī)范玻色子都是玻色子。,粒子物理學(xué)的發(fā)展,二、,強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和夸克理論,1.坂田模型,最早提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)模型的是費(fèi)米和楊振寧，1949年他們提出，介子是由核子（質(zhì)子、中子）和它們的反粒子（反質(zhì)子和反中子）組成。由于當(dāng)時(shí)反質(zhì)子和反中子尚未發(fā)現(xiàn)，所以，這一模型的提出需要一定的知識積累和膽識。,1955年，坂田昌一提出“坂田模型”：強(qiáng)子都是由質(zhì)子、中子和超子以及它們的反粒子組成。這些粒子稱為基礎(chǔ)粒子。,2.八重法,1961年，美國物理學(xué)家蓋爾曼(M.Gell-Mann)和尼曼(Y.Neeman)提出用SU(3)對稱性對強(qiáng)子進(jìn)行分類的“八重法”。這一方法概括了當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的大量粒子，并預(yù)言了-1粒子的存在。這一預(yù)言于1964年被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。,粒子物理學(xué)的發(fā)展,3.夸克理論,1964年蓋爾曼進(jìn)一步提出假設(shè)，即作為SU(3)群的物理基礎(chǔ)的三重態(tài)，不僅僅是某種數(shù)學(xué)框架，而是三種不同的粒子：上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)。并提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的“夸克”模型：他認(rèn)為夸克是自然界中更基本的組成粒子，所有強(qiáng)子都是由三種夸克和它們的反粒子組成。,夸克性質(zhì)：,夸克必須是費(fèi)米子。,因?yàn)橘M(fèi)米子可以構(gòu)成費(fèi)米子，也可以構(gòu)成玻色子；而玻色子只能構(gòu)成玻色子，不能構(gòu)成費(fèi)米子。,夸克具有分?jǐn)?shù)電荷。,上夸克的電荷為2e/3，下夸克的電荷為-e/3，奇異夸克的電荷也為-e/3。,夸克帶有色荷,：紅色(R)、黃色(Y)、綠色(G)。這些色荷決定夸克參與強(qiáng)相互作用的強(qiáng)弱程度。,標(biāo)準(zhǔn)模型：,中子,由2個(gè)下夸克和1個(gè)上夸克構(gòu)成，寫作,(udd)；,質(zhì)子,則由2上夸克和1下夸克構(gòu)成，記為,(uud),。在強(qiáng)子內(nèi)部，夸克通過膠子傳遞強(qiáng)相互作用。膠子帶有色荷，彼此有相互作用，可以形成膠子-膠子束縛態(tài)（即膠球）。,粒子物理學(xué)的發(fā)展,由于夸克模型能夠成功的解釋許多已知事實(shí)，把極為復(fù)雜的事情變得非常簡單，而且在說明強(qiáng)子分類和質(zhì)量譜等方面非常成功，所以這一模型為大多數(shù)人所接受。1969年，蓋爾曼獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,蓋爾曼像,粒子物理學(xué)的發(fā)展,4.桀夸克的發(fā)現(xiàn),1974年8月，,丁肇中,領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，在布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子加速器（能量為3.31010eV）上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新粒子，將其命名為“J”，并于11月份宣布。同時(shí)在美國西海岸的斯坦福大學(xué)直線加速器中心的,里克特,小組也發(fā)現(xiàn)了類似的粒子，并將其命名為“”。因此，這個(gè)粒子就命名為“J/”。不久在意大利和德國的加速器上也相繼觀察到這個(gè)粒子。為此，丁肇中和里克特容獲1976年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,J/粒子是自旋為1的玻色子，質(zhì)量很大，比質(zhì)子質(zhì)量還大3倍多。它的電荷是2e/3；但壽命卻出奇的長，達(dá)到10-20秒，是類似能量的典型強(qiáng)子的1000多倍。,為了說明J/粒子的性質(zhì)，人們提出了一種新的夸克-桀夸克（c夸克）。J/粒子是由一個(gè)桀夸克和一個(gè)反桀夸克組成的束縛態(tài)。,里克特,粒子物理學(xué)的發(fā)展,5.底夸克(b)和頂夸克(t),根據(jù)基本粒子的發(fā)現(xiàn)歷史，可將夸克分為三代，第一代夸克為上夸克和下夸克(u、d)；第二代為奇異夸克和桀夸克(s、c)。,從20世紀(jì)70年代，人們開始尋找第三代夸克-底夸克(b)和頂夸克(t)。1984年，歐洲核子中心（CERN）發(fā)現(xiàn)了頂夸克的痕跡。但真正找到它們卻非常困難。1992年5月，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室利用Tevatron對撞機(jī)(加速器長6.4公里)尋找頂夸克，參加實(shí)驗(yàn)的是兩個(gè)國際性合作組：CDF和D0，共800多人。1994年終于觀察到頂夸克的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并測定了其質(zhì)量。但它比同一代的底夸克重30多倍，是質(zhì)子質(zhì)量的180多倍，是最輕的上夸克的30000多倍，大大出乎人們的預(yù)料。,在標(biāo)準(zhǔn)模型中，質(zhì)量認(rèn)作為一個(gè)基本常數(shù)，它是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，人為的加到理論中去的。,但為什么夸克有三代的劃分？三代間的質(zhì)量為什么相差懸殊？有沒有第四代？是什么因素決定了它們的質(zhì)量的大小等等問題都在等待答案。,粒子物理學(xué)的發(fā)展,6.夸克囚禁,在目前的認(rèn)識水平上，夸克是最小的物質(zhì)粒子，在構(gòu)成強(qiáng)子時(shí)，夸克之間的作用還要借助膠子，就象傳遞電磁作用的媒介粒子-光子一樣。由于夸克所帶色荷有三種，所以膠子有8種。一般地，介子由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克構(gòu)成，重子由三個(gè)夸克構(gòu)成。這些正反夸克之間的相互作用是通過交換膠子來完成的。約束核子在原子核內(nèi)的力是核力，約束夸克在重子和介子內(nèi)的力是“色力”。不同的是核力對核子的約束是有限的，在外界作用下，如放射性元素，核子脫離原子核并不是非常困難。但是色力卻使夸克不可跨越，從實(shí)驗(yàn)情況看，人們從未發(fā)現(xiàn)單個(gè)、自由的夸克，只有2個(gè)或3個(gè)夸克的集合體才能處于自由狀態(tài)，通常情況下，夸克總是被約束在質(zhì)子和中子內(nèi)部?？淇艘獩_破色力的束縛成為自由夸克幾乎是不可能的。這種現(xiàn)象稱作“夸克囚禁”。,但與此同時(shí)，粒子加速器上的實(shí)驗(yàn)，卻顯示質(zhì)子中的夸克粒子間，好像并沒有相互作用力。這是當(dāng)時(shí)科學(xué)研究無法完全解釋的問題。只有了解夸克之間的相互作用力的性質(zhì)，才有可能得到單個(gè)的自由夸克，從而解決這個(gè)難題。,粒子物理學(xué)的發(fā)展,“弦”模型：,關(guān)于“夸克囚禁”，意大利和美國物理學(xué)家曾提出“弦”模型來解釋。1968年，意大利的,維尼基亞諾,(Vineziano)找到了一個(gè)與量子場論無關(guān)的函數(shù)，它能很好的描述強(qiáng)子的許多特征。但如果用這個(gè)函數(shù)描述粒子的性質(zhì)，粒子將等效成一根一維弦。這意味著粒子的點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)將被一根“弦”來代替。最初引用“弦”概念的是美國加州理工學(xué)院的,許瓦茲,(J.G.Schwarz)和,舍科,(Sherk)。由于舊弦理論存在很多問題，從1979年起，許瓦茲又和格林(M.B.Green)合作(舍科已去世)，共同致力于弦理論的改造。在這個(gè)模型中，介子中的正反夸克就象系于一根“弦”的兩端。重子中的三個(gè)夸克則由三個(gè)“弦”連系著。這樣，夸克間的距離越遠(yuǎn)，,弦,的張力就越大，即色力隨著距離的增大而增大，因此夸克不可能掙脫“弦”的作用而變?yōu)椤白杂煽淇恕??？淇酥荒茉凇跋摇钡目刂葡拢诰嚯x較近時(shí)，獲得“漸進(jìn)自由”。,弦有開弦和閉弦兩種，弦的線度為普朗克長度。單弦的每一振動(dòng)模式，都對應(yīng)一種粒子，粒子間的基本相互作用就是弦的分裂和接合。當(dāng)兩段單弦相碰時(shí)，它能通過端點(diǎn)的接合形成第三根弦，第三根弦又形成最終的兩根弦。,粒子物理學(xué)的發(fā)展,“漸近自由”理論：,1973年，正在普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位的,維爾切克,和其導(dǎo)師,格羅斯,共同發(fā)表了一篇論文，提出強(qiáng)作用理論中的“漸近自由”現(xiàn)象。同年，正在哈佛大學(xué)攻讀博士學(xué)位的,波利策也,獨(dú)立發(fā)表的一篇論文，提出了同樣的理論。,“漸近自由”理論，用數(shù)學(xué)模型解釋了夸克的上述神秘行為。理論認(rèn)為，強(qiáng)作用力會隨夸克彼此間距離的增加而增大，因此沒有夸克可以從原子核中向外遷移獲得真正的自由。這些夸克會永久地被結(jié)合在一起，因此不可能找到單個(gè)的夸克。同樣根據(jù)“漸近自由”理論，強(qiáng)作用力會隨夸克間距離變小而減弱，這就意味著約束在質(zhì)子等內(nèi)部的夸克，在彼此距離足夠小時(shí)，將近乎自由地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。,這個(gè)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了“量子色動(dòng)力學(xué)”(QCD)的誕生，這是一個(gè)關(guān)于強(qiáng)相互作用的理論。,粒子物理學(xué)的發(fā)展,這三位美國科學(xué)家戴維格羅斯、戴維波利策和弗蘭克維爾切克，因發(fā)現(xiàn)粒子強(qiáng)相互作用理論中的漸近自由現(xiàn)象，榮獲2004年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾獎(jiǎng)評選委員會稱頌這3位粒子物理學(xué)家的發(fā)現(xiàn)為：“夸克世界中的一個(gè)燦爛發(fā)現(xiàn)”。,粒子物理學(xué)的發(fā)展,7.質(zhì)疑,自從 60年代科學(xué)家們提出夸克這一設(shè)想后，全世界的物理學(xué)家花費(fèi)了巨大的財(cái)力、物力和人力，設(shè)計(jì)出了多種夸克模型，建造高能電子對撞機(jī)。雖然一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“證實(shí)”夸克（或?qū)幼樱┑拇嬖?，然而單個(gè)的夸克（或?qū)幼樱┲两裎?找到。對此，粒子學(xué)家們的解釋是：因?yàn)榭淇耍▽幼樱┦菢O不穩(wěn)定的、”壽命極短的粒子，它只能在束縛態(tài)內(nèi)穩(wěn)定存在，而不能單個(gè)存在。,1996年2月26日，光明日報(bào)發(fā)表了天津大學(xué)崔君達(dá)教授的文章夸克存在嗎，向“夸克說”提出了質(zhì)疑。崔說，早在1979年3月，他在全國第一次數(shù)學(xué)物理討論會上，對SU3（夸克模型）中的“3”，提出了一個(gè)全新的理論，即復(fù)合時(shí)空論。按照這個(gè)理論，夸克模型中的夸克，層子模型中的層子，以及Higgs粒子都是不存在的！“人們不論上天入地去尋找，夸克總是杳無蹤影”。,粒子物理學(xué)的發(fā)展,崔還特別提到：1994年，首先提出夸克模型之一的M蓋爾曼寫了一本夸克與美洲豹的書。他在書中說，他提出的SU3中的U3實(shí)際上是一個(gè)數(shù)學(xué)符號，并不代表“實(shí)在的”夸克這東西，物理學(xué)家們把它誤解了。他最后宣稱：“我不相信夸克是有的?！?李政道教授在1996年10月3日的一個(gè)講演中指出：“另一個(gè)謎是，所有強(qiáng)作用的粒子都是由夸克組成的，但是我們卻不能把單個(gè)的夸克分離出來。”早在1993年李政道在清華大學(xué)講演時(shí)也提出了這一問題。,美國基礎(chǔ)科學(xué)研究所所長RMSantilli為崔的文章寫的評論中說：“夸克是物理實(shí)在的粒子的信條是一個(gè)真正的科學(xué)欺騙，特別是由所謂專家說出來的時(shí)候。實(shí)際上夸克只能在SU（3）