8.02am强子物理乔从丰.ppt

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1、强子物理 Hadron Physics,乔 从 丰,二0一二年八月二日,申请人基本情况,乔从丰：中科院“百人计划”教授、博导、政府特殊津贴获得者,强子物理,报告提纲 I,强子物理概述,夸克偶素产生,夸克偶素衰变,奇特态研究,强子物理,报告提纲,强子物理概述,夸克偶素产生,夸克偶素衰变,奇特态研究,强子物理,强子物理,自从文明出现以后，人类就没有停止过对身处的这个世界的探索。这种探索的欲望，并不仅仅局限于人类为了谋求更好的生存条件，还很大程度上来源于我们内心对未知的好奇和对真理的渴望,强子物理,就如同著名印象派画家高更（Gauguin）的经典作品:我们从哪里来（Where Do We Come

2、From?）？我们是谁（What Are We?）？我们往哪里去(Where Are We Going?)？一样，千万年来人类在不断地问着同样的问题,强子物理,Where Do We Come From?What Are We?Where Are We Going?-Paul Gauguin,强子物理,从原始人 古人 现代人 从朴素的好奇 坚定的探索精神,探索自然界的愿望,强子物理,物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式，它们的性质以及相互作用和转化规律等方面的科学。二十世纪以前，人类对客观世界的认识水平，在物理学领域集中体现在今天我们称之为经典物理学的范畴,强子物理,万物都由原子组成,古希腊德

3、谟克利特,至小无内谓之小一,中国战国惠施,朴素原子论,向微观进军：古人的朴素观点,强子物理,物质之间的联系：中国的五行学说这些观点不是严格物理实验得出的结论，具有相当的不足和局限性,向微观进军：古代之朴素唯物主义,强子物理,向微观进军：近代的原子和分子学说,原子学说第一次从推测转变为科学概念,引入分子概念：单质的分子是由同种原子构成的，化合物的分子是由几种不同的原子构成,英国科学家布朗（Robert Brown，1773-1858）通过实验证实了分子的存在和分子运动的存在,问题：原子是否具有内部结构？,道尔顿,阿伏伽德罗,强子物理,经典物理学包括牛顿（Newton）力学、热学、麦克斯韦（Max

4、well）电磁理论、几何光学和经典统计力学等方面，它可以解释几乎当时人们所能观测得到的所有物理现象,强子物理,然而，十九世纪末，电子、放射性和X射线等一系列发现表明，经典物理学并非物理学发展的终结，现代物理学的序幕才刚刚拉开,强子物理,进入二十世纪，量子力学和相对论的出现奠定了现代物理学的基础。随着研究的深入，现代物理学中一个专门研究物质深层次结构的分支-粒子物理学出现了,强子物理,原子的内部结构,1897年，英国科学家汤姆逊（Joseph John Thomson，1856-1940）发现了带负电的电子，只占原子质量很小的一部分,1911年，英国科学家卢瑟福（Ernest Rutherfor

5、d，1871-1937）发现了带正电的原子核，体积很小，却携带绝大部分原子质量,原子=原子核+核外电子,问题1：原子的稳定性问题？问题2：原子核是否具有内部结构？,强子物理,粒子物理实验最早可以追朔到卢瑟福（Rutherford）的alpha 粒子实验1909年卢瑟福指导他的学生做了一个著名物理实验。他们用alpha粒子轰击金箔，发现绝大多数alpha粒子与金原子的散射角很小，但也有少数alpha粒子散射角很大，甚至大于90度,强子物理,他们由此推断，金原子内大部分空间是空的，质量较大并带有正电荷的部分集中在很小的，称之为核的区域这个实验推翻了汤姆逊（Thomson）认为正电荷在原子内部均匀分

6、布的“葡萄干布丁原子核模型”，为稍后量子力学的建立打下了基础,强子物理,在卢瑟福alpha粒子实验中，碰撞粒子内部每个核子的质心能量大约就是其质量，EcmMp1 GeV。以现代的眼光来衡量，这个实验的能量还没有高到能够探测出金核的大小，属于低能粒子物理实验,强子物理,1PM=11015m(拍米)；1cmm=110(-5)m（忽米）1Mm=1106m(兆米)；1m=110(-6)m（微米）1km=1103m(千米)；1nm=110(-9)m（纳米）1dm=110(-1)m(分米)；1pm=110(-12)m（皮米）1cm=110(-2)m(厘米)；1fm=110(-15)m（飞米）1mm=110

7、(-3)m(毫米);1am=110(-18)m（阿米）1dmm=110(-4)m(丝米)1A=110(-10)m（埃）1光年9.46531012km,现代物理学中常用的长度单位,强子物理,自然界展现的多尺度,强子物理,简单的物理实验和逻辑推理即可以解释这一尺度的物理规律,人类最熟悉的是与自身大小相仿的尺度,由中间尺度到两端,强子物理,原子分子光谱,粒子加速器,要回答的问题：我们的世界由什么组成？其基本运行规律如何？,对更小（微观）尺度的探索从来就没有停止,原子核的内部结构：质子和中子,1914年，卢瑟福发现氢原子的原子核质子,1932年，英国科学家查德威克（James Chadwick，189

8、1-1974）发现了与质子质量相仿的中性粒子,德国科学家海伯森（Werner Karl Heisenberg，1907-1976）以及前苏联科学家伊凡宁柯各自独立提出，原子核是由质子和中子组成的。,原子核=质子+中子,问题1：带正电的质子为何被束缚在一起？问题2：质子和中子是否具有内部结构？,强子物理,原子核内的相互作用发现介子,1935年，日本科学家汤川秀树（Yukawa Hideki，1907-1981）提出了“交换粒子”的概念，作为新相互作用理论的基本概念。,1936年，美国科学家安德森在宇宙线中发现一种比电子约重207倍的粒子，当时误认为就是介子，后来发现这种粒子其实并不参与强相互作用

9、是一种轻子，所以改名为子。,1947年，英国物理学家鲍威尔在宇宙射线发现了汤川所预言的介子，被命名为介子。,1.核力的发现2.原子核=质子+中子+介子,强子物理,“基本粒子”有内部结构,到上世纪五十年代，共发现了100余种粒子，大部分为强子，是否都为基本粒子？,元素周期表中100余种元素都由质子、中子和电子构成。新发现的这些粒子是否会有这样的性质？,强子物理,八重法分类和夸克模型,1961年，盖尔曼和内曼各自独立地提出了强作用对称性的理论八重法（eightfold way）,将当时已发现的强子按其物理性质排列成图,问题：内在规律是什么？,强子物理,八重法分类和夸克模型,1964年，盖尔曼和兹韦

10、格在强子分类八重法的基础上分别提出夸克模型，认为中子、质子这一类强子是由更基本的单元夸克（quark）组成的,当时的夸克模型：1.三种（味道）的夸克，u，d，s；2.两个正反夸克组成介子，三个正（反）夸克组成重子；3.可以解释当时发现的全部强子；4.成功预言了当时并未发现的Omega粒子,质子=u+u+d中子=u+d+dOmega=s+s+s,强子物理,更多的夸克,1974年，丁肇中与Richter分别在实验中发现了一种新粒子，称为J/粒子。由第四代夸克charm构成。,1977年，莱德曼又发现了一种长寿命的新介子，只能引入第五种夸克进行解释，成为bottom（底）或beauty（美）夸克,1

11、994年，美国费米实验室的CDF组在质子-反质子对撞机上发现了一个最重的夸克，质量为176 GeV，取名为顶夸克（top）。,迄今为止，共发现三代，六种味道的夸克,强子物理,强子物理,轻子家族,第一个轻子电子,1931年，泡利为了解释衰变中的能量失踪现象，预言了一种未知的极其微小的中性粒子带走了衰变中那一部分能量和动量，最终被费米命名为“中微子”（Neutrino）。,1933年，费米指出：衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个 反中微子。中微子只参与弱作用，具有最强的穿透力。由于中微子与物质间的相互作用极其微弱，中微子的检测非常困难。,1.陆续发现了与电子类似mu子

12、和tau子（带-1电子电荷）2.这三种轻子都有各自相伴的轻子中微子（电中性）,对标准模型的认识,强子物理,目前人类所认识的基本粒子：,其中，粲(C)夸克、底(b)夸克和顶(t)夸克称为重夸克,强子物理,夸克和轻子的未来,是否还有更多的夸克和轻子？夸克和轻子有没有再深的内部结构？,夸克间相互作用,根据目前人类的认识，自然界有四种基本相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、万有引力,强子物理,量子色动力学（QCD）是目前人类认识到的，自然界中最基本的四种相互作用之一，是描述基本粒子之间强相互作用的量子理论。,强相互作用,强子物理,1964年，Greenberg引入了夸克的一种自由度“颜色”

13、（color）夸克带颜色荷。每味夸克就有三种颜色分别是红、绿和蓝（RGB）。,1973年，Gross，Politzer和Wilczek证明了量子色动力学（QCD）具有“渐近自由”的性质。QCD成为描述强相互作用的正确理论。,1.强相互作用通过交换胶子（gluon）进行，胶子有八种。2.强相互作用有禁闭效应，无法观测到自由的夸克与胶子。3.原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余 效应。,强子物理与QCD,强子物理,虽然QCD作为描述强相互作用的基 本理论已毋庸置疑，但无论是理论本 身还是其应用过程，都有大量未解难 题解决这些问题，对人类正确认识自然 界基本构成及其运行规律有重要意义,强

14、子物理与QCD,强子物理,正由于此，在目前运行或即将运行的高能对撞机实验中，如美国费米实验室的TEVATRON、布鲁克海文实验室的RHIC、欧洲核子中心的LHC、美国Stanford大学的SLAC和日本KEK的B介子工厂、中国高能物理研究所的BEPCII等，强子物理或与QCD相关的研究均是重要物理目标之一。,大型实验装置,强子物理,位于日内瓦欧洲核子中心的大强子对撞机LHC,研究背景与意义,强子物理,大型实验装置,强子物理,Birds Eye View of BEPC,我国高能物理大科学工程装置-北京正负电子对撞机（BEPC）,报告提纲,强子物理概述,夸克偶素产生,夸克偶素衰变,奇特态研究,强

15、子物理,研究背景与意义,强子物理,自从1974年在实验上发现由正反粲夸克构成的J/粒子之后，夸克偶素的研究就成为了粒子物理理论与实验研究持久不衰的研究重点之一。实验结果来揭示强子的物理性质及量子色动力学的非微扰特性。,由于夸克偶素由正反重夸克对组成，它们在强子内部的相对运动是非相对论性的，人们可以利用势模型等接近于传统量子力学的方法来研究夸克偶素谱,研究背景与意义,强子物理,夸克偶素研究主要基于QCD的基本性质，利用量子场论微扰方法及夸克模型，对高能物理实验中重夸克偶素的一些重要的产生和衰变过程进行计算，结合实验结果来揭示强子的物理性质及量子色动力学的非微扰特性。,重夸克偶素适合用微扰量子色动

16、力学（QCD）计算同时又涉及QCD的非微扰性质；夸克偶素的产生、衰变过程的实验测量较为精确。,研究背景与意义,强子物理,夸克偶素丰富的能谱结构为研究QCD及有关理论模型提供了可能。,夸克偶素的产生、衰变过程的实验测量较为精确，特别是其轻子衰变过程，为通过夸克偶素的产生衰变过程研究其它物理问题成为可能。,例如作为实验中校准（Calibration）、夸克胶子等离子体（QGP)信号、新物理寻找、核子的部分子分布函数研究（PDF），等。,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物

17、理,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,强子物理,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,强子物理,强子物理,夸克偶素能谱,强子物理,强子物理,夸克偶素能谱,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,夸克偶素产生,强子物理,强子物理,强子物理,Typical Feynman Diagrams of Quarkonium HadroProduction i

18、n High energy,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,强子物理,CDF,Phys.Rev.Lett.99:132001,2007,Polarization measurement.(a)For J/and(b)for,强子物理,强子物理,二十世纪见证了人类在认识微观、宇观世界 的历程中取得的巨大进步二十一世纪的前期无疑将在人类探索微观、宇观世界的历程中留下浓重的印记强子（夸克偶素）物理仍然是一个非常活跃的研究领域，其成果对于丰富人类对自然界的认识有着非常重要的影响,粲夸克偶素物理总结,强子物理,There are many open questions remaining in

19、the Hadron Physics(Quarkonium Physics),e.g.,rho-pi puzzle c decaysNew resononces,the so-called exotic states(3770)to non D barD decay glueball,粲夸克偶素物理总结,等待着你们去解决,谢谢留意！,强子物理,祝学业有成！,强子物理,强子物理,Backup,主要研究内容、创新点和科学意义,强子物理,主要研究内容、创新点和科学意义,例：etac到矢量介子对衰变过程及其在测量量子理论非定域性问题上的应用,强子物理,主要研究内容、创新点和科学意义,例：etac到矢量

20、介子对衰变过程及其在测量量子理论非定域性问题上的应用,强子物理,主要研究内容、创新点和科学意义,例：etac到矢量介子对衰变过程及其在测量量子理论非定域性问题上的应用,强子物理,中科院研究生教育,中国科学院研究生院教育,世界各国高等教育概况,总结,东北师范大学,历史沿革,东北师范大学,1951年，科学院和教育部联合发出“招收研究 实习员和研究生管理办法”，计划招生500名，实际招收276名，其中中科院95名，开创了新中国研究生教育的先河1955年，政务院批准了中国科学院研究生暂行条例，新中国的第一个研究生培养条例1962年，赵九章先生向科学院提出，开办研究生院1964年，试办成立了“中国科学院

21、研究生院”,历史沿革,东北师范大学,1977年，中科院向中央递交关于招收研究生的请示报告，并很快得到批准，恢复了研究生招生1978年3月，党中央国务院批准成立,“中国科技大学研究生院”，我国最早的研究生院1982年5月，科学院批准“中国科技大学研究生院”同时使用“中国科学院研究生院”名称2000年12月，国务院学位委员会、教育部批准更名成立“中国科学院研究生院”,历史沿革,东北师范大学,中国科学院研究生院培养了我国第一个理学博士、第一个工学博士、第一个女博士、第一个双学位博士资源整合后形成的中国科学院研究生院，英文名称：Graduate University of Chinese Academ

22、y of Sciences，拥有以研究所为基础的高水平导师队伍和一流的科研实践条件目前有320余位两院院士、4200余名博士生导师、3900余名硕士生导师,历史沿革,东北师范大学,中国科学院研究生院培养机构包括分布在全国各地22个行政省市的117个研究院所和16个研究生院直属中心中国科学院研究生院目前在学研究生3.5万，2012年7月9258名学生获中科院研究生院硕士博士学位目前拥有学位授予权的学科专业分布在理学、工学、农学等10个学科门类，共有博士授权的一级学科26个，二级学科博士点113个、二级学科硕士点131个；还有工程硕士专业学位授予权领域17个，以及工商管理硕士学位授权,历史沿革,东

23、北师范大学,中国科学院研究生院成立之初，从各研究所和著名大学陆续评请了一批教学经验十分丰富的教师组成了专职教师，以及一批在活跃在各学科研究领域前沿的兼职教师以物理学为例，“两弹元勋”彭桓武院士可设了理论力学；国家最高科技奖获得者黄昆院士开设了固体物理学；诺贝尔奖获得者李政道开设了粒子物理和统计物理，杨振宁开设了相位与近代物理；等这些课程在国内学术界产生过巨大的影响,机遇、挑战、愿景,东北师范大学,机遇、挑战、愿景,东北师范大学,机遇、挑战、愿景,1977年以来高考参加人数、录取人数及录取率变化,东北师范大学,机遇、挑战、愿景,2008年考生达最高1050万；2009、2010、2011、201

24、2年考生比前一年分别减少30、63、28、18万，招生人数分别增加30万、28万、18万和10万，录取率分别达到62、69、72；2012年预计超过75。,东北师范大学,机遇、挑战、愿景,东北师范大学,机遇、挑战、愿景,研究生院历年招生基本情况,东北师范大学,现有研究生导师12000余名，其中博导5300余名,机遇、挑战、愿景,国外一楼大学成功的模式不尽相同，但有一点是一致的，就是开放、包容和学术自由,东北师范大学,Princeton University,机遇、挑战、愿景,东北师范大学,愿景：欧美综合性大学与国家实验室的模型+中国特色的管理体制=世界一流的研究生大学,中科院研究生院期待着有理想、有抱负的青年才俊加入，去实现你的人生梦想,美丽的雁栖湖园区欢迎您！,强子物理,