《粒子物理简介》PPT课件.ppt

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1、1,2,*本章目录,5.1 粒子的分类,5.2 反粒子,5.3 场和媒介子,5.4 相互作用和守恒定律，宇称,5.5 更深的层次夸克模型,注：本章内容参看书第一册P1 P12“基本粒子”,3,5.1 粒子的分类,1.轻子,不参与强相互作用,自旋,现有400多种粒子可按寿命,、自旋、,质量、,参与的相互作用,分为轻子、强子和媒介子。,带电的轻子还可参与电磁相互作用,4,轻子 m(MeV)Q(e)J(),5,轻子质量不一定小，,精确测定 的意义：,电磁作用耦合常数是 e,弱作用耦合常数是 g,按92年以前数据得到,1992年BEPC结果：,这样三个 g 就一致了，支持了粒子的标准模型。,6,李政道

2、：19911992年高能物理最重要的,m 是否为0？,这涉及宇宙前途！,1998年日本实验发现 和 e 之间有振荡，,结果就是m 的精确测量。,表明 m0（10-2 eV）。,中性，穿透力极强。1956年首次探测到。,太阳辐射大量，每秒能有1014个 穿过人体。,1982年苏联实验发现：14eV m 40eV,后来曾公认：m 7.3 eV，无下限,7,2.强子,强子能参与强相互作用，也参与其他作用，,介子：J=0，整数 玻色子,重子：J=半整数 费米子,如：n，p，,如：，0，K，K0，,按自旋分为介子和重子两大类。,8,3.媒介子（传播子）,媒介子传播相互作用，是相互作用的媒介。,9,5.2

3、 反粒子,正能解，粒子E 0；负能解，粒子E 0。,若动量 p=0，,两个能区被2 m0c2,则能量E=m0c2，,所隔开。,10,Dirac的“空穴”理论：,构成了一个无所不在的背景，故感受不到。,把负能态的电子激发到正能态。负能态上就少了负能量和负电荷。于是就出现了正能量和正电荷。,电子负能态都填满了，,真空被激发，,激发：,复合：,11,1931 发现了e+，,以后：K+，K，+，,1959产生了,每种粒子都有反粒子，光子的反粒子就是自身。,反粒子 反核 反原子 反世界,1995年9月 欧洲核子研究中心，制造了9个反氢原子，存在了410-8s。,（自旋与磁矩同向），,2002年8月欧洲核

4、子研究中心成功地制造出了约5万个低能状态的反氢原子，,这是人类首次在受控条件下大批量制造反物质。,12,Dirac的空穴理论并不完整（对玻色子），,但有启发 真空是场的基态。,按照量子场论：每种粒子都相应一种物质场,（电子场、光子场、介子场）,场处于基态 无粒子,5.3 场和媒介子,场的基态构成真空，,光子 电磁场的激发态,+介子 介子场的激发态,13,介子场处于激发态，,表现为有一个介子。,通过相互作用，介子场把激发能传给正电子和中微子场使其激发。,介子消失，产生了正电子和中微子。,是+和 e+、e间的弱作用引起的。,+e+e,14,传递相互作用的场被激发媒介子。,电子电子相互 作用交换电磁

5、场（放出、吸收光子）,n p通过核力相 互作用交换 介子,交换中多了能量 E=mc2，,若传递时间为t，,按不确定关系估算（量级）：,15,所以 t 应非常小，,则应能观察到交换的粒子（E.M）、，,则应观察不,若t 非常小，以至,若t足够小，则E 足够大，以至使E=mc2，,实际上是观察不到交换的粒子，,且满足关系,这说明交换的是“虚粒子”（交换，但看不到）,按作用速度为c来估计作用力程：,可认为力程数量级为,到交换的粒子。,16,电磁,长程力,强,短程力,由此估算出,后来实验发现,弱,短程力,由此估算出,实验给出中间玻色子,引力,长程力,由此反推出,21015 m,m 102MeV,101

6、8 10 17m,m=139MeV,m 10 100GeV,m 80 90GeV,m引=0,17,四种作用强弱比较,18,5.4 相互作用和守恒定律，宇称,这就使我们可以通过守恒定律来揭示粒子,由于对粒子间作用的规律不完全清楚，,不可能建立粒子的动力学规律。,因此，寻找粒子在反应过程中的守恒量，,就成为了一项重要的研究方法。,正是由于粒子的反应过程必须遵从一系,列守恒定律，,才限制了某些过程的发生。,的某些内禀性质。,19,除此之外，对于粒子还有一些与内禀性质相联系的的守恒定律，如宇称，同位旋，奇异数、重子数、轻子数等守恒定律，,实验证明，在所有相互作用中，能量、动量、角动量和电荷这四个量的守

7、恒定律是严格成立的。,它们不一定在每一种相互作用中都成立，,下面只介绍一下宇称和宇称守恒定律。,物理量是否守恒和相互作用的性质有关。,20,一.对称性和守恒定律,对称性：物体状态在一定变换下具有的不变性,物理学中的对称性,状态的对称性,规律的对称性,21,研究物理规律的对称性的意义：在探索未知的物理规律的时候，可以以普,它所服从的物理规律不变。,所谓物理规律的对称性就是物理规律在一,定变换下的不变性。,即某种物理状态或过程,在一定的变换下（例如转动、平移等等），,遍的对称性规律作为指引；,22,空间平移不变性 动量守恒 空间转动不变性 角动量守恒 时间平移不变性 能量守恒 空间反演不变性 宇称

8、守恒 整体规范不变性 电荷守恒,物理规律的每一种对称性（即不变性）,通常都相应于一种守恒定律。,23,二.空间反演不变性和宇称守恒,所以空间反演实质上和镜像反射变换等价。,（x，y，z）（x，y，z）,空间反演：,1.空间反演不变性,由于物理规律对旋转的变换保持不变，,24,镜像反射把左手变成右手，左 右对称。,规律的空间反演不变性。,的物理规律，,在自然界中都同样能存在或发生。,左右对称的两个状态或两种过程都服从同样,尽管在镜像反射下，物理过程的状态变化了，,但它们服从的物理规律却没有变，,这就是物理,25,量子力学：空间反演不变性 宇称守恒,例如在空间反演变换（等价镜像反射）下：,力学的基

9、本规律不变！,反映对称性的物理量叫宇称(parity)。,或者说宇称就是坐标反演下的对称性。,26,一种运动状态,相应的反演状态,2.宇称守恒,对于微观粒子：,（A）,本征方程,p为本征值(宇称),（B）,（A）、（B）比较：,设反演算符为,则,27,偶宇称,奇宇称,28,体系具有确定的宇称，且保持不变。,如果一个孤立体系具有偶宇称，,宇称守恒定律。,变性,（实质上是代表相互作用能量的哈密顿,则微观粒子,只要微观粒子的运动规律具有空间反演不,算符在空间反演变换下不变），,偶宇称，,如果具有奇宇称，,则永远是奇宇称,则永远是,量子力学证明：,29,3.体系的总宇称和部分宇称,一个粒子体系，例如（

10、a+b+c）组成的体系，,若a、b、c粒子状态波函数分别为,粒子间相对运动状态的波函数为,系的总波函数为,因此，若a、b、c 各自运动状态和相对运动状,即体系的总宇称应为其部分宇称的乘积。,则粒子体系的总宇称应该为 p=pa pb pc pr。,态的波函数的宇称分别为 pa、pb、pc 和 pr，,=a b c r。,a、b、c，,r,则粒子体,，,30,即相对运动波函数的宇称 pr=(1)l,则相应的波函数就是球谐函数Yl m。,若 l=0，1，2，3,则 pr=+1，1，+1，1,若粒子体系的相互作用是中心力，,于它们共同质心运动的轨道角动量量子数为l，,而相对,31,例如对于介子，+、0

11、 的宇称p=1,4.粒子的内禀宇称,每一种粒子都应具有一种确定的宇称值，,这宇称又称为粒子的内禀宇称或本征宇称。,故规定：,利用p、n、参加的反应和宇称守恒定律，,就可以确定其他粒子的宇称。,pp=pn=p=+1,32,实验证明：在强相互作用中，反应前后粒,但是在弱相互作用,中如何呢？,子体系的宇称是守恒的，,+、+都是上世纪50年代初期发现的重介子，,5.弱作用宇称不守恒问题（之谜）,它们的自旋都是0，质量、寿命也基本上相同。,+：质量(966.72)me，寿命(1.210.02)10-8s,+：质量(966.32)me，寿命(1.190.05)10-8 s,因此，应该认为+和+是同一种粒子

12、。,33,但是，+和+的衰变方式却不同：,而,经实验分析，,而根据角动量守恒分析，,故两种情况都有 pr=(1)0=+1，,若认为衰变前后,若+和+为同种粒子，则内禀宇称有矛盾。,宇称守恒，,+衰变的3个介子相对运动的,轨道量子数 l=0，,+衰变的两个介子的轨道量子数也应是 l=0，,则：,34,当时有很多人反对此假说（朗道，泡利）。,（李政道 杨振宁假说）。,在1956年大胆地提出，、应是同一种粒子,他们还建议在原子核的衰变和基本粒子衰变中，可以通过哪些实验来检验宇称是否守恒。,宇称不守恒的假说,李政道和杨振宁在 疑难的启发下，,（即今K介子）。,从而提出弱相互作用过程中,（T.D.Lee

13、 and C.N.Yang,Phys Rev 104,254，1956）,6.李政道 扬振宁假说和吴键雄实验,35,李、杨假说很快被吴健雄的极化Co60衰变实验,就说明此衰,如果是图示的两种情况,所证实。,皆存在，,说明宇称守恒。,如果是图示的两种情况,只存在一种，,即该衰变中宇称不守恒。,变不具有空间反演对称性，,36,低温下加磁场可大量原子核的磁矩（自旋）都沿磁场方向排列起来 极化。,沿自旋正反方向的 射线强度。,宇称不守恒!,实验的结果：,沿正反两方向射线强度不同，,且只存在图示的衰变情况。,（若实验的结果是沿自旋正反方向的 射线强度相同，,则说明必存在镜像反射对称，宇称守恒。）,然后测

14、量,吴键雄的实验：,37,李、杨二人的杰出工作获得了1957年的诺贝尔物理学奖。,后来的实验证明，在介子衰变过程中宇称也不守恒。,这样宇称守恒定律就被证明在整个弱相互作用中都是不成立的了。,“一个矛盾的实验结果就足以推翻一种理论”,这正如爱因斯坦所说：,38,杨振宁（1922）,李政道（1926）,1956年诺贝尔物理奖获得者,提出弱相互作用下宇称不守恒,39,吴健雄在做Co60 衰变实验,吴健雄在做学术报告,40,杨振宁对吴键雄的评价,41,60年代发现 后，弱作用中宇称不,它们都不存在相应的镜像对称物。,守恒得到了更直接的证明。,42,5.5 更深的层次夸克(Quark)模型,三种夸克：,

15、上 u，,重子,介子,1974年发现了J/粒子(丁肇中，里希特)，,下 d，,奇异 s,以后这些统称为夸克模型。,1977年又提出了底夸克 b和顶夸克 t。,1964年美国人盖尔曼等人提出夸克模型，,同年中国物理学家提出了层子模型，而且是,相对论化的，,必须引入第4种夸克 粲夸克 c。,43,默里.盖尔曼（美国）,（Murray Gell-Mann，1929）,著名理论物理学家。,1950年提出关于奇异粒子的八重态理论等。,1960年代中期最先提出夸克（quark）假设。,1969年获诺贝尔物理学奖。,这是2002年6月17日在清华大学举办的前沿科学国际研讨会（庆贺杨振宁先生80华诞）上，盖尔

16、曼教授做学术报告。,题为,“Some Pathways in Theoretical Physics”,44,丁肇中和里希特同获 1976年诺贝尔物理奖,丁肇中（1936）,里希特（1931）,2002.6.17在清华大学主持前沿科学国际研讨会,45,46,1,0,-1,+1,1/2,1/2,0,0,p,n,p,p+,u夸克：J=1/2，Q=2e/3；d 夸克：J=1/2，Q=e/3,47,夸克的颜色,，Q=2，J=3/2，,组成应为3个u夸克,夸克是费米子，一定有另外一种性质不同 颜色不同。,？,绿,重子（q q q）无色。,反夸克有反色，,介子（）也无色。,红绿蓝混合则无色，,红,蓝,48

17、,两个有色粒子之间的作用力叫色力，,用理论中起着十分重要的作用。,夸克之间的相互作用力。,色在夸克的相互作,夸克囚禁,夸克只在粒子中，没有自由夸克。,距离越大力也越大，,一种解释：,夸克间的作用力类似弹簧的,拉力，,距离小反而自由。,它就是,49,粒子物理的研究内容主要有两个方面：,一是粒子的内部结构；一是粒子间的相互作用、运动和变化规律。,从电子发现到现在的一个多世纪中，共发现,规范粒子属于深一层次的粒子。,了400余种粒子，,其中只有轻子、夸克和一些,50,整个的物质世界就是由三代轻子和三代夸克所组成：,高能加速器是研究粒子的有力武器。,51,研究粒子结构，需要“探针”的波长短：,若以电子为探测粒子，,能量很高时,要求满足条件,x 粒子线度d,xp h,p p,（x“探针”线度）,52,核子,电子,加速粒子打固定靶,对撞机,原子核,d 1014 m,E 102 MeV,d 1015 m,E 1GeV,d 1018 m,E 1TGV,原子,E 104eV,d 10 10 m,53,BEPC（北京正负电子对撞机）,54,美国费米实验室,对撞机,E 1TeV,轨道周长 6.3km,（1016K）,作用时间10 11s,55,超高能加速器的作用：,第五章结束,