《粒子物理基础》PPT课件.ppt
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1、粒子物理基础,世界是由什么组成的?世界是如何组成的?,世界由什么构成?,中国古代有元气说,和阴阳五行说在古希腊有原子说即由一种不能再分的 最小基本单元“原子”构成亚里士多德却认为物质是连续的。正如中国庄子、天下篇所言“一尺之棰,日取其半,万世不竭”,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
2、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。,19世纪未的三大发现,1895年伦琴(W.C.Rntgen)发现X射线1896年贝克勒尔(H.Becquerel)发现放射性1897年汤姆逊(J.J.Thomson)发现电子他们三人也因此分别获得了1901年、1903年和1906年的诺贝尔物理学奖。电子的发现对物理学的影响非常深远物理学对象从宏观转入到了微观领域,“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
3、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。,世界由什么组成?如何组成?最后答案,描述这些基本粒子的理论:标准模型,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 Rntgen 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(heliu
4、m)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,0.0046 u 的质量亏损掉了,变成了能量!,“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
5、”体积的99.999999999999%是空的!,“原子”的大小,原子的有核结构,1911年汤姆逊的学生卢瑟福确立了原子的有核结构1913年卢瑟福的学生丹麦物理学家玻尔建立了量子的原子结构模型1919提出了原子核内存在中子的设想1932年查德威克确认了中子的存在,物质的结构层次:宏观物体 场 分子 原子 原子核 质子 中子 夸克 电子 规范粒子,宇宙形成,人类是认识自然界的主体“米”基本长度单位最小对象是粒子 10-20 m,最大对象是宇宙,哈勃半径,1022 m宇宙的起源:大爆炸宇宙模型100多亿年前,大爆炸。粒子在宇宙诞生的瞬间产生,最大和最小宇宙和粒子连接起来。,世界的层次,宏观系统:尺
6、度在 m以上的客体 因果规律,用牛顿力学或相对论力学描述微观系统:尺度在 m以下的客体 统计规律,用量子力学描述介观系统:呈现微观特性的宏观系统 亚微米尺寸的器件,一定条件下表现出量子效 应,微观特性起主导宇观系统:星系、宇宙,物质的层次结构,Electrons(10-18 m),Atom nucleus nucleon quark10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m,The Component Unit of Matter,物质的层次结构,世界由物质组成,物质存在的基本形式是粒子和场。目前人类所认识的物质客体的空间尺寸,其大小至少跨越了42个数量级。,如何实验研究粒
7、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
8、粒子,现代粒子物理实验的鼻祖:卢瑟福实验,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,二十世纪的主要成就,相对论与时空观念 狭义相对论,高速运动粒子 广义相对论,引力理论,宇宙学量子力学 波粒二象性,微观粒子 量子场论 描述物理世界的基本语言标准模型 物质的基本组成和基本相互作用,基本相互作用引力相互作用电磁相互作用强相互作用 强大的核力维持原子核的稳定性弱相互作用 导致基本粒子的不稳定,引起衰变,粒子之间的相互作用总是通过交换媒介粒子来实现的。,粒子间相互作用的时空图,基本相互作用,现在物理认为,粒子间的
9、相互作用是由场传递的,是依靠交换规范玻色子来实现的。量子场论认为:()每种粒子都有相对应的场,场没有不可入性,对应各种粒子的场相互重叠地充满全空间。()某种场能量最低的状态称为该场的基态。基态场不能通过状态变化释放能量、输出信号。表现为观察不到存在粒子。()场处于激发态时表现为出现相应的粒子,场的不同激发态表现为粒子的数目和运动状态不同。()当所有场都处于基态时,任何一个场都不可能释放能量而给出信号,都不显示粒子物理上的真空。真空并非空无一物而是充满了各种基态场。()基态场和激发态的场都与其他场相互作用,他是粒子间相互作用的来源。,粒子与场的相互关系,粒子之间的四种相互作用:,粒子的相互作用随
10、它们之间的距离而变化用力程来表示,力程是粒子间的有效作用范围,它正比于媒介粒子质量的倒数。,The Four Types of Interactions,Gravity,Weak,Strong,Electromagnetic,相互作用的统一理论,经过某种变换之后,物理规律保持不变,这就是物理规律的对称性。如果一个操作使系统从一个状态变到另一个与之等价的状态,或者说,状态在此操作下不变,我们就说这系统对这个操作是对称的,而这个操作叫作这系统的一个对称操作.,什么是对称性,空间对称性与空间对称性相对称的操作有旋转、平移、镜像(1)旋转对称 圆对于绕过其中心垂直于圆面轴o旋转任意角度的操作都是对称的
11、。对于在圆内加一对相互垂直直径的体系,其对称操作只能是转动/2的整数倍。如果在圆环上加一个小球,其对称操作就只能是转动2的整数倍了。,(2)平移对称,(3)镜象反射对称 通常说的左右对称,本质上就是镜象反射对称,或者说宇称(parity),相应的操作就是空间反射(镜面反射)。,时间对称性1.时间平移对称性一个静止不变或匀速直线运动的体系对任何时间间隔 t 的时间平移表现出不变性。对于一个周期性变化体系(单摆、弹簧振子),对周期 T 及其整数倍的时间平移变换对称。2.时间反演对称性把时间 t 变换到(-t)的变换叫做时间反演操作,相当于时间倒流。当然,现实生活中时间是不会倒流的。但可以想象摄制的
12、录象带倒放时出现的情形:人倒退着走路;弥漫在空气中的烟雾逐渐被收拢到烟斗中去;。武打电视片的摄制者就是利用这一点,让演员从高处往下跳,拍摄下来倒着放,就可以表现出一个人从地面跃起,跳上高墙的场面。诗曰:君不见黄河之水天上来,奔流到海不复回?君不见高堂明镜悲白发,朝如青丝暮成雪?这里,诗人哀叹韶华如流,人生易老,正是时间反演不对称的写照。尽管只有少数理想的体系具有时间反演对称性,但确实有这种理想的体系。,标度变换对称性 所谓标度变换,通俗地讲,就是放大缩小。鹦鹉螺美丽的外壳为标度不变提供了一个很好的范例。在数学中,一条螺线,具有标度不变性的函数关系,这时当这个图形放大或缩小时,只需转过一个角度,
13、就可以与原来的曲线重合。,对称性原理,(1)原因中的对称性必反映在结果中,即结果中的对称性至少有原因中的对称性那样多;(2)结果中的不对称性必在原因中有所反映,即原因中的不对称性至少有结果中的不对称性那样多;(3)在不存在唯一性的情况下,原因中的对称性必反映在全部可能的结果的集合中,即全部可能的结果的集合中的对称性至少有原因中的对称性那样多。从这个原理可以看到,自然规律反映了事物之间的因果关系,其对称性即:等价的原因等价的结果;对称的原因对称的结果,微观世界的对称性,1:洛仑兹不变性这个不变性是狭义相对性原理的数学表述,在狭义相对性原理中指出:一切惯性坐标系都是等价的,物理规律对于一切惯性坐标
14、系都具有相同的形式,狭义相对性原理比伽俐略相对性原理更普遍。不同惯性系中的坐标可以通过洛仑兹变换联系起来,选不同的坐标系相当于施行了一个洛仑兹变换,洛仑兹不变性是自然界中很重要的对称性。2:正反粒子变换(C变换)不变性正反粒子变换有时也称电荷共轭变换,C变换不变性是指将系统中的正反粒子互换,系统的运动规律与原有系统的运动规律相同,表征变换性质的量子数叫C宇称,也只有正负之分。,3:空间反演变换(P变换)不变性空间反演变换不变性也就是镜像对称性,前面已经介绍过了,这里不再赘述。在微观世界里P变换不变性将导致系统的宇称守恒,宇称是描写一个系统的状态在空间反演下的变换方式的量子数。4:时间(T)反演
15、不变性这是一种将时间逆转的变换,即把将来和过去颠倒过来。在T变换下,产生一个粒子变成消灭一个粒子,这种变换没有相应的量子数。5:CP联合反演不变性空间反演P和电荷共轭C联合起来的变换下的不变性,适应于绝大多数弱力过程的物理规律,中微子将变为现实世界中的反中微子。左旋中微子-C-左旋反中微子-P-右旋反中微子左旋中微子-P-右旋中微子-C-右旋反中微子但是在个别情况下,CP对称性有轻度的破坏叫CP破坏,在发现宇称不守恒的1956年就有人讨论过CP破坏的可能性,由于破坏幅度很小,直到1964年在中性K介子的衰变实验中才首次得到验证。,6:CPT变换下的不变性把电荷共轭C,空间反演P,时间反演T这三
16、种分立变换联合起来变换叫CPT变换,这是一个非常普遍,极其完美又十分精确的对称性,例:从它能导出正反粒子有如下的关系:有相同的质量,总寿命值相等,符号相反的电荷共轭等等。实验上对这些关系的验证也是十分有力的。7:同位旋空间中的转动不变性同位旋空间是一个假象的三维空间,它是在研究强作用时,通过与自旋的类比而引入的。同位旋空间中的转动不变性表示同位旋空间各向同性,它将导致同位旋守恒。,对称性与守恒定律,守恒定律的缘起是时空对称性。由时间平移不变性可以导出能量守恒定律,由空间平移不变性可以导出动量守恒定律,由空间各向同性可以导出角动量守恒定律。对称性原理是最高层次的定理,它凌架于牛顿定律、动量定理等
17、这些基本物理规律之上。对某些问题,在不涉及一些具体定律之前,我们往往有可能根据对称性原理和守恒定律作出一些定性的判断,得到一些有用的信息。,守恒量,守恒定律的研究占极重要地位(能量)经典物理:质量,能量,动量,角动量电荷守恒定律粒子物理:同位旋,奇异数,轻子数,P,C,CP等守恒量之分类:相加性与相乘性(P,C,CP,G等无经典对应)严格守恒(对所有相互作用)和近似守恒,对称性的自发破缺,原来具有较高对称性的系统出现不对称因素,其对称程度自发降低,这种现象叫做对称性自发破缺。,餐桌上的对称性破缺 假设餐桌桌面的布置和入席时各人的座位完全对称,如图所示。突然某人先拿起了一双筷子,譬如拿的是右边的
18、筷子,这过程迅速传遍全桌,最后人人都拿起右手边的筷子,左右对称性发生破缺。,1956年,李政道和杨振宁为解释奇异粒子衰变过程中的“疑难”指出,在强作用和电磁作用中宇称守恒是得到实验的判定性检验的,但弱作用过程中宇称守恒并未得到实验的检验,弱作用过程中宇称可以不守恒。1957年美籍华裔女物理学家吴健雄通过10-2K低温下钴60核衰变实验对此结论进行了检验。实验原理是利用核磁共振技术使钴“核自旋方向沿确定方向排列,然后观察其衰变产生的电子数分布是否左右对称,实验情况如图所示,末态电子分布不具有镜像对称性、从而证明了弱作用中宇称不守恒。李政道和杨振宁因此获得1957年诺贝尔物理奖。,弱作用中宇称不守
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