物理数学好图 基本粒子物理漫谈 杨金民 “夸克”---目前没有发现其内部结构，是“基本”的 粒子,世界上的一切物质，从星系到山

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基本粒子物理漫谈






世界是由什么组成的 ？

世界是如何组成的 ？


杨 金 民






第一部分：世界由什么组成？


为什么世界上不同的物质具有相同的特征？

因为世界上的物质是由几个基本的砖块组成的


---简单、没有内部结构！



从远古时代，人类就开始

这样想。比如认为世界是

由“水、火、土、气”组成。


“基本砖块”






世界的基本砖块？原子 ？


今天人们知道“水、火、土、气”并不“基本”，它们是由“原子”组成的。


在1900年前后，人们认为“原子”是可穿透的球，内部有一些电荷在跳动。





“原子”是基本的吗？


人们很快就发现：可以根据其化学性质把“原子”分类----〈元素周期表〉






这表明“原子”有内部结构，是由更小的砖块组成的。








“原子”是由带正电的、重

而小的“原子核”和围绕它

的带负电的“电子云”组成


实验表明：






“原子核”是基本的吗？


“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本的粒子。


后来，人们发现“原子核”并不基本，是由带正电的“质子”和不带电的“中子”组成。







“质子”和“中子”是基本的吗？


人们发现“质子”和“中子”并不基本，

是有更小的粒子---“夸克” 组成。




“夸克”---目前没有发现其内部结构，是“基本”的 粒子






现代的“原子”图像








注意： “原子”体积的99.999999999999%

是空的 ！









“原子”的大小









众多的“复合粒子”


人们一直在寻找粒子，目前已发现200
多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合

粒子”。

这些粒子的名称“五花八门”。
费米(Enrico Fermi) 对他的学生
莱德曼(Leon Lederman)说：




"Young man, if I could remember the names of

these particles, I would have been a botanist!"






标准模型


世界有什么组成？如何组成？

-----标准模型


6 种轻子
6 种夸克
传递力的粒子





世界由什么组成？


世界上的一切物质，从星系到山川河流，都是由 “轻子” 和 “夸克” 组成。





“反物质”（“反粒子”）


对应于每一种“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区别是 电荷反号。
“粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮灭”，
变成能量。







夸克









“夸克”名称的由来


1964年 Murray Gell-Mann 和 George Zweig 建议用三个基本粒子的不同组合来解释所发现的几百个粒子。Gell-Mann 把这三个粒子叫作“Quark”


“Quark” 一词来自 James Joyce 的小说 “Finnegan’s Wake”


不同种类的“夸克”称作不同的“味道”





的“夸克”称作 “上” （up)

和 “下” (down):



称为 “奇” (strange), 它组成的

粒子“K”粒子具有“奇怪”的长寿命


称作“璨”（Charm），1974年在斯坦福

（SLAC)和布鲁海文实验室(BNL)发现


称作“底”(bottom)，1977年在费米实验室发现



称作“顶”(top)，1995年在费米实验室发现.


两个最轻


第三个


第四个


第五个


第六个






强子（重子、介子）


正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成的复合粒子叫“强子”
虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数
虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色
强子（Hadron） 有两类：


重子（Baryon） 介子（Meson）






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

带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电的轻子（中

微子）象附着在这些动物身上的跳骚，难以看到






带电轻子的衰变


→


→


→






中微子





→


→


→


→






中微子的特点


不带电荷、色荷，和物质的作用非常弱；
绝大多数可以穿过地球，而不和地球的物质发生作用；
可以在很多过程中产生，特别是粒子的衰变，(正是从粒子的衰变中推断其存在）；
由于在宇宙形成的初期中微子大量产生，并且它们和物质的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它们虽然很轻，但因为数众多，所以对宇宙的质量有不可忽视的贡献，影响宇宙的膨胀。





物质的“代”


第二、三代的费米子衰变很快，我们周围的物质中没有它们。为什

么它们还存在呢？当轻子被发现时，I.I.Rabi 叹道：“Who odered that ?”






世界由什么组成？答案









第二部分：世界如何组成？


世界由夸克和
轻子组成。

是什么把夸克
和轻子组合成

物质？

 四种作用！






物质如何相互作用？


物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁的吸引或排斥


物质间通过力场发生相互作用通过交换携带力的粒子！





电磁力


电磁力引起“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由电磁力引起。






电磁力的携带粒子是“光子”，不同能量的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，以光速传播。





残余电磁力


“原子”含有相同数目的“质子”和“电子”是电中性的，它们如何形成分子呢？原来一个“原子”中的“电子”跟另外一个“原子”中的质子还有作用，这种原子间“残余电磁力”使不同的“原子”结合成“分子”。所以，正是“电子”和“质子”带有异号的电荷使得我们的世界得以形成 ！





原子核如何形成 ？


“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，为什么它们不因排斥

而散开 呢？




这个问题用电磁力无法回答 !






强作用力


夸克带有“电荷” ，还带有“色荷”；带“电荷”的粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”的粒子之间有“强作用”。
“强作用力”使夸克形成“强子”
“强作用力”的携带粒子叫“胶子”
（“强作用”象“胶”一样把夸克粘在一起！）





“强作用”与“电磁作用”不同，“胶子”本身带有“色荷”，而“光子”本身不带“电荷”；
虽然“夸克”带“色荷”，它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。





色荷


带色荷的粒子（夸克、胶子）通过交换胶子发生强作用
夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷
夸克带色荷，反夸克带反色荷 ，胶子带一对“色荷-反色荷”








组成重子的三个夸克分别带有“红、绿、蓝”色荷，所以是色中性的
组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红”）和反色荷（如“反红”），所以也是色中性的
色荷在作用过程中是守恒的





夸克禁闭


带色的粒子不能单独存在，夸克总是
和别的夸克囚禁在一起而形成色中性

的强子



强子中的夸克疯狂的交换胶子进行强
作用，它们存在于由胶子组成的色场中：

当胶子场获得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克






夸克禁闭未被严格证明！


--Steven Weinberg






夸克发射胶子


夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证色荷守恒。如带有“红”色荷的夸克发射了一个带有“红-反蓝”的胶子后，自身的色荷变成了“蓝”。


→


→


→


→






残余的强作用：原子核的形成


虽然组成原子核的核子（质子和中子）都是色中性的，它们之间有“残余的强作用”，这种作用远远超过质子之间的电磁斥力，原子核由此而形成。






弱作用


虽然有6种夸克和6种轻子，但我们周围除了3种中微子单独的存在着外，所有物质都是由最轻的2种夸克(u,d)和1种最轻的带电轻子（电子）组成，较重的夸克和带电轻子呢?
较重的夸克（s,c,b,t)和带电轻子(,）在宇宙
形成的初期就衰变掉了，衰变成了最轻的夸克

和轻子。这些衰变（即味道的改变）都是通过

弱作用进行的。

弱作用的携带粒子是W+ ,W- ,Z
标准模型把弱作用和电磁作用
统一到了一个理论框架中。







电磁作用和弱作用的统一


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(10-18 米）或非常大能标(100 GeV)
情况下，弱作用的强度和电磁作用的强度在同一

水平。

随着尺度的增加或能标的降低，弱作用将远远弱于
电磁作用。

弱作用的携带粒子是重达100 GeV的粒子，是一种短
距作用






引力


引力很是奇怪。虽然它是一种基本的力，标准模型却不能描述它。如何把它也统一进来是当今物理学的一大难题。
引力的携带粒子—引力子，至今未被发现。





自然界基本作用力的总结






量子力学


原子和亚原子粒子的性质与我们日常生活中的物体完全不一样，它们不是跳动的小球，它们不仅具有粒子性，还具有波的性质 （波粒二象性），它们的运动规律用“量子力学”描述。


量子力学中物理量只能取分离的值：量子化。

常见的量子数：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

的几率 .

"God doesn't play dice!”

(Einstein was wrong.)



量子数：


几率：






世界由什么组成？如何组成？--最后答案


We have answered the questions, "What is the world made of?" and "What holds it together?“


The world is made of 6 quarks and 6 leptons. Everything we see is a conglomeration of quarks

and leptons.


There are four fundamental forces and there are

force carrier particles associated with each force



描述这些基本粒子的理论：标准模型






第三部分：粒子的衰变和湮灭


原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核





基本粒子的衰变：一个基本粒子变成几个较轻的基本粒子


→


→


→


→


→


→






放射性的发现


1800年代的晚期，德国物理学家Wilhelm Röntgen 发现：当电子束打到金属片上时，会有奇怪的射线发出，他称之为 X-射线


两个月后，法国物理学家Henri Becquerel 发现有些矿石（如铀）会自然的放出射线。不稳定的原子核衰变而放出射线—放射性





射线的种类


 射线：氦（helium）核（2p,2n)


 射线：高速电子


 射线： 高能光子



 射线可以被纸片挡住

 射线可以被铝片挡住

 射线只能用铅板来档










铀的衰变


→


→


→


→


→


一大块铀的衰

变（半衰期）


单个铀的衰变（几率）






铀为什么会衰变？


残余的强力把相 互排 斥的

核子束缚在一起形成原子核




微观粒子只能以几率的方式描述：量子力学



核子团（比如)逃逸出原子核的几率很小；

对大原子核（如铀）这种几率比较大。







衰变中的质量亏损


→


238.0508



234.0436



4.0026



0.0046 u 的质量亏损掉了，变成了能量 ！






衰变中的“中介子”


衰变






正反粒子的湮灭(I)






正反粒子的湮灭(II)






第四部分：如何实验研究粒子


今天知道的粒子的绝大部分都是不稳定的粒子，它们在宇宙形成的初期都曾经存在过，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的性质。


粒子产生的方法：
宇宙线

对撞机


粒子探测的工具：
探测器






宇宙线






对撞机（加速器）


直线加速


回旋加速


固定靶


对撞机






当今世界上的加速器


Fermilab （费米实验室，美国）
SLAC (斯坦福直线加速器中心，美国)
BNL (布鲁海文实验室，美国）
CESR (康奈尔正负电子储存环，美国）
CERN (欧洲粒子物理实验室，瑞士)
KEK （高能加速器研究机构，日本）
DESY (电子回旋加速器，德国）
IHEP (高能物理所，中国）





粒子探测器






如何识别不同粒子






现代粒子物理实验的鼻祖:鲁瑟夫实验


Beam: 粒子


Target: 金箔


Detector: 硫化锌屏幕






一点历史


--Steven Weinberg






观测世界的手段：总结






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的理论，有一些理论问题无法解释：


有关费米子“代”和“味道”的问题


“大统一”和更小尺度的物理


“暗物资”和“暗能量”


黑格斯粒子的本质


水平方向的：


竖直方向的：


来自天上的：


来自地狱的：






“暗物质”和”暗能量”


标准模型无法解释






费米子“代”和“味道”之谜


为什么恰好有三代 ？
为什么有不同的质量?
CP 破坏问题 ？
物质和反物质不对称





物质和反物质不对称问题（宇宙形成）






宇宙形成






黑格斯粒子


标准模型中所有粒子的质量都来自于黑格斯机制；黑格斯粒子至今还未发现。
黑格斯粒子是基本粒子还是复合粒子？
为什么黑格斯粒子的质量平方是负的 ？


V


Im(H)


Re(H)






大统一和更小尺度的物理


基本粒子物理的一个主要目标就是把各种作用力统一起来

---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







通向新物理的拦路虎：等级问题


电弱能标


标准模型只能到此


新物理


短距离


100 GeV


1 TeV


1015 GeV(?)


mH2 = (m0 H)2 +CL2


～100 GeV


～1015 GeV


～1015 GeV









精细调节 ！！！






新物理方向 I：超对称






新物理方向 II：额外维空间


G






统一引力：超弦理论






“统一”


“统一”






最终理论：






谢谢 ！