粒子物理學(xué)的發(fā)展PPT

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1、,*,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)、運動、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.實驗研究:,主要是通過高能粒子的相互碰撞,用實驗手段發(fā) 現(xiàn)新粒子。到目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了300多種。,采用的試驗設(shè)備有加速器、對撞機、探測器、計算機和數(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

2、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,吳健雄的實驗驗證,吳健雄做了極化鈷60原子核衰變實驗,將鈷60置于0.01K的低溫環(huán)境中的磁場內(nèi),實驗說明了 衰變規(guī)律宇稱不守恒,使楊、李的觀點得到了驗證,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

3、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,而且還能解出實驗的自旋值和磁矩值,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,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,組成一個反原子。,1995年開始,歐洲粒子研究中心的科學(xué)家,在(LEAR

4、)低能反質(zhì)子環(huán)中,產(chǎn)生了9個反氫原子,雖然它們存在的時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。,強子:,直接參與強相互作用的粒子統(tǒng)稱為強子,強子也參與弱作用,帶電強子也參與電

5、磁相互作用。強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、,強子結(jié)構(gòu)和夸克理論,1.坂田模型,最早提出強子結(jié)構(gòu)模型的是費米和楊振寧,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”:強子都是由質(zhì)子、中子和超子以及它們的反

6、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)對稱性對強子進(jìn)行分類的“八重法”。這一方法概括了當(dāng)時已經(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年被實驗證實。,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):,夸克必須是費米

7、子。,因為費米子可以構(gòu)成費米子,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相互作用的強弱程度。,標(biāo)準(zhǔn)模型:,中子,由2個下夸克和1個上夸克構(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),。在強子內(nèi)部,夸克通過膠子傳遞強相互作用。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,把極為復(fù)雜的事情變得非常簡

8、單,而且在說明強子分類和質(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。,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,在布魯克海文實驗室的質(zhì)子加速器(能量為3.31010eV)上發(fā)現(xiàn)了一個新粒子,將其命名為“J”,并于11月份宣布。同時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粒子。為此,丁肇中和里克特容獲1976年諾貝爾物理學(xué)獎。,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

9、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/粒子是由一個桀夸克和一個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,費米實驗室利用Tevatron對撞

10、機(加速器長6.4公里)尋找頂夸克,參加實驗的是兩個國際性合作組:CDF和D0,共800多人。1994年終于觀察到頂夸克的實驗證據(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)作為一個基本常數(shù),它是根據(jù)實驗數(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)成強子時,夸克之間的作用還要借助膠子,就象傳遞電磁作用的媒介

11、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,介子由一個夸克和一個反夸克構(gòu)成,重子由三個夸克構(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,從實驗情況看,人們從未發(fā)現(xiàn)單個、自由的夸克,只有2個或3個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,粒子加速器上的實驗,卻顯示質(zhì)

12、子中的夸克粒子間,好像并沒有相互作用力。這是當(dāng)時科學(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),才有可能得到單個的自由夸克,從而解決這個難題。,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)找到了一個與量子場論無關(guān)的函數(shù),它能很好的描述強子的許多特征。但如果用這個函數(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,

13、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。重子中的三個夸克則由三個“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)椤白杂煽淇恕薄?淇酥荒茉凇跋摇钡目刂葡?,在距離較近時,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,它能通過端點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”

14、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的夸克。同樣根據(jù)“漸近自由”理論,強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,將近乎自由地進(jìn)行運動。,這個發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了“量子色動力學(xué)”(

15、QCD)的誕生,這是一個關(guān)于強相互作用的理論。,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。諾貝爾獎評選委員會稱頌這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)家花費了巨大的財力、物力和人力,設(shè)計出了多種夸克模型,建造高能電子對撞機。雖然一些實驗現(xiàn)象“證實”夸克(或?qū)幼樱┑拇嬖冢欢鴨蝹€的夸克(或?qū)幼樱┲两裎?找到。對此,粒子學(xué)家們的解釋是:因為夸克(層子)是極不穩(wěn)定的、”壽命極短的粒子,它只能

16、在束縛態(tài)內(nèi)穩(wěn)定存在,而不能單個存在。,1996年2月26日,光明日報發(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”,提出了一個全新的理論,即復(fù)合時空論。按照這個理論,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實際上是一個數(shù)學(xué)符號,并不代表“實在的”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日的一個講演中指出:“另一個謎是,所有強作用的粒子都是由夸克組成的,但是我們卻不能把單個的夸克分離出來?!痹缭?993年李政道在清華大學(xué)講演時也提出了這一問題。,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:“夸克是物理實在的粒子的信條是一個真正的科學(xué)欺騙,特別是由所謂專家說出來的時候。實際上夸克只能在SU(3)

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