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1、基本粒子物理漫谈基本粒子物理漫谈世界是由什么组成的世界是由什么组成的？世界是如何组成的世界是如何组成的？第一部分：世界由什么组成？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？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！简单、没有内部结构！从远古时代，人类就开始从远古时代，人类就开始这样想。比如认为世界是这样想。比如认为世界是由由“水、火、土、气水、火、土、气”组成。组成。“基本砖块”世界的基本砖块？原子世界的基本砖块？原子？今天人们知道今天人们知道“水、火、土、气水、火、土、气
2、”并不并不“基基本本”，它们是由，它们是由“原子原子”组成的。组成的。在在1900年前后，人们认为年前后，人们认为“原子原子”是可穿透是可穿透的球，内部有一些电荷在跳动。的球，内部有一些电荷在跳动。“原子原子”是基本的吗？是基本的吗？人们很快就发现：可以根据其化学性质把人们很快就发现：可以根据其化学性质把“原子原子”分类分类-元素周期表元素周期表这表明这表明“原子原子”有内部结构，是由更小的砖有内部结构，是由更小的砖块组成的。块组成的。“原子原子”是由带正电的、重是由带正电的、重而小的而小的“原子核原子核”和围绕它和围绕它的带负电的的带负电的“电子云电子云”组成组成实验表明：实验表明：“原子核
3、原子核”是基本的吗？是基本的吗？v“原子核原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本的粒子。认为是基本的粒子。v后来，人们发现后来，人们发现“原子核原子核”并不基本，是由带并不基本，是由带正电的正电的“质子质子”和不带电的和不带电的“中子中子”组成。组成。“质子质子”和和“中子中子”是基本的吗是基本的吗？人们发现人们发现“质子质子”和和“中子中子”并不基本，并不基本，是有更小的粒子是有更小的粒子-“夸克夸克”组成。组成。“夸克夸克”-目前没有发现目前没有发现其内部结构，是其内部结构，是“基本基本”的的 粒子粒子现代的现代的“原子原子”图像图像注意：注意：“原
4、子原子”体积的体积的99.999999999999%是空的是空的！“原子原子”的大小的大小众多的众多的“复合粒子复合粒子”v人们一直在寻找粒子，目前已发现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多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合复合 粒子粒子”。v这些粒子的名称这些粒子的名称“五花八门五花八门”。v费米费米(Enrico Fermi)对他的学生对他的学生 莱德曼莱德曼(Leon Lederman)说：说：标准模型标准模型世界有什么组成？如何组成？世界有什么组成？如何组成？-标准模型标准模型 6 种轻子种轻子 6 种夸克种夸克 传递力的粒子传递力的粒子世界由什么组成？世
5、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yan灭”，变成能量。夸克夸克“夸克夸克”名称的由来名称的由来1964年年 Murray Gell-Mann 和和 George Zweig 建议用建议用三三个基本粒子个基本粒子的不同组合来解释所发现的几百个粒子。的不同组合来解释所发现的几百个粒子。Gell-Mann 把这三个粒子叫作把这三个粒子叫作“Quark”不同种类的不同种类的“夸克夸克”称作不同的称作不同的“味道味道”的的“夸克夸克”称作称作“
6、上上”（up)和和“下下”(down):称为称为“奇奇”(strange),它组成的它组成的 粒子粒子“K”粒子具有粒子具有“奇怪奇怪”的长寿命的长寿命 称作称作“璨璨”（Charm），），1974年在斯坦福年在斯坦福 （SLAC)和布鲁海文实验室和布鲁海文实验室(BNL)发现发现 称作称作“底底”(bottom)，1977年在费米实验室发年在费米实验室发现现 称作称作“顶顶”(top)，1995年在费米实验室发年在费米实验室发现现.两个最轻两个最轻第三个第三个第四个第四个第五个第五个第六个第六个强子（重子、介子）强子（重子、介子）v正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所正如群居
7、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形成的复合粒子叫“强子强子”v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分数电荷，但强子的电荷是整数v虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色v强子（强子（Hadron）有两类：有两类：重子（重子（Baryon）介子（介子（Meson）轻子（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，难以看到微子）象附着在
8、这些动物身上的跳骚，难以看到带电轻子的衰变带电轻子的衰变中微子中微子的特点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。世界由什么组成？答案世界由什么组成？答案第二部分：世界如何组成？第二部分：世界如何组成？v世界由夸克和轻子组成。v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？物质如何相互作用
9、？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携带力的粒子！电磁力电磁力电磁力引起“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
10、使得我们的世界得以形成！原子核如何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!强作用力强作用力v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”。v“强作用力”使夸克形成“强子”v“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！）v“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”；v虽然“夸克”带“色荷”，它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。色荷色荷v带色荷的粒子（夸
11、克、胶子）通过交换胶子发生强作用带色荷的粒子（夸克、胶子）通过交换胶子发生强作用v夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷v夸克带色荷，反夸克带反色荷夸克带色荷，反夸克带反色荷，胶子带一对，胶子带一对“色荷色荷-反色荷反色荷”v 组成重子的三个夸克分别带有组成重子的三个夸克分别带有“红红、绿绿、蓝蓝”色荷，所以是色色荷，所以是色中性的中性的v 组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红红”）和反）和反色荷（如色荷（如“反红反红”），所以也是色中性的），所以也是色中性的 v 色荷在作用过程中是守恒的色荷在作用过程中
12、是守恒的夸克禁闭夸克禁闭带色的粒子不能单独存在，夸克总是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和别的夸克囚禁在一起而形成色中性 的强子的强子强子中的夸克疯狂的交换胶子进行强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：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当胶子场获得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克反夸克夸克禁闭未被严格证明！夸克禁闭未被严格证明！-StevenWeinberg夸克发射胶子夸克发射胶子夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证色荷守
13、恒。如带有色荷守恒。如带有“红红”色荷的夸克发射了一个带有色荷的夸克发射了一个带有“红红-反蓝反蓝”的胶子后，自身的色荷变成了的胶子后，自身的色荷变成了“蓝蓝”。残余的强作用：原子核的形成残余的强作用：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。弱作用弱作用v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?v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
14、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。v弱作用的携带粒子是W+,W-,Zv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 在非常小尺度在非常小尺度(10-18 米）或非常大能标米）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情况下，弱作用的强度和电磁作用的强度在同一 水平。水平。随着尺度的增加或能标的降低，弱作用将远远弱于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。电磁作用。弱作用的携带粒子是重达弱作用的携带粒子是
15、重达100 GeV的粒子，是一种短的粒子，是一种短 距作用距作用引力引力引力很是奇怪。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自然界基本作用力的总结量子力学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 doesnt play dice!”(E
16、instein was wrong.)量子数：量子数：几率：几率：世界由什么组成？如何组成？世界由什么组成？如何组成？-最后答案最后答案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
17、 are force carrier particles associated with each force第三部分：粒子的衰变和湮灭第三部分：粒子的衰变和湮灭v原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核v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的种类
18、 射线：氦（射线：氦（helium）核（）核（2p,2n)射线：高速电子射线：高速电子 射线：射线：高能光子高能光子 射线可以被纸片挡住射线可以被纸片挡住 射线可以被铝片挡住射线可以被铝片挡住 射线只能用铅板来档射线只能用铅板来档衰变中的质量亏损238.0508 234.04364.00260.0046u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)正反粒子的湮灭正反粒子的湮灭(II)物质和反物质相遇会彼此消灭。但是物理学家们一直难以解释的是：既然在发生宇宙大撞击的时候，很明显正物质和反物质的量是相等的，那么我们由物质构成的宇宙，为什么又能够存在到今天，而不是早早就灰飞
19、烟灭了呢？第四部分：如何实验研究粒子v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。v粒子产生的方法：宇宙线对撞机v粒子探测的工具：探测器宇宙线对撞机（加速器）对撞机（加速器）直线加速直线加速回旋加速回旋加速固定靶固定靶对撞机对撞机当今世界上的加速器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）高能物理所，中国）粒子探测器粒子探测器现代粒子物理实验的鼻祖:鲁瑟夫实验Beam:粒子粒子Target:金箔金箔Detector:硫化锌屏幕硫化锌屏幕观测世界的手段：总结观测世界的手段：总结物质和反物质不对称问题（宇宙形成）宇宙形成宇宙形成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Thats all,Thank you！