粒子物理發(fā)展史話

1、粒子物理發(fā)展史話第1頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二 粒子物理，又稱高能物理，是研究物質(zhì)組成最小單元 基本粒子的性質(zhì)和其相互作用規(guī)律的一門(mén)學(xué)科。 經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的努力，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)組成原子核的中子和質(zhì)子不是基本的， 物質(zhì)是由夸克組成的。 夸克與輕子組成基本粒子世界。第2頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二第3頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二夸克有幾種輕子弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W，Z0 的發(fā)現(xiàn)宇稱是否守恒量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）第一個(gè)反粒子 正電子的發(fā)現(xiàn)粒子物理面臨的問(wèn)題結(jié)束語(yǔ)提 綱第4頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20

2、日，17點(diǎn)14分，星期二一 夸克有幾種？60年代初，人們對(duì)強(qiáng)子排隊(duì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)有某些規(guī)律，可排成 “八重態(tài)”， “十重態(tài)”。 Gellmann 用三種夸克可 很好解釋這種排列，以 后事實(shí)證明他是正確的。 他獲得了1969年諾貝爾 物理學(xué)獎(jiǎng)。第5頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二一 夸克有幾種？1974年，丁肇中和Richter發(fā)現(xiàn)了J/ 粒子，這是第四種夸克發(fā)現(xiàn)的證據(jù)。 為此，他們獲得了1976年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 第6頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二第7頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二第8頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日

3、，17點(diǎn)14分，星期二1977年，1995年， 分別發(fā)現(xiàn)了第五種 和第六種夸克。 迄今為止， 夸克共有六種。一 夸克有幾種？第9頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二4. 實(shí)驗(yàn)上夸克存在的證據(jù) 20世紀(jì)70年代，J.I. Friedman , H.W.Kendall 和 R.E. Taylor三人在電子與質(zhì)子深度非彈實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子內(nèi)部有“硬心”，他們獲1990年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 一 夸克有幾種？ 第10頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二二 輕子電子 1897年，J.J.Thomson 發(fā)現(xiàn)由電子組成 “陰極射線”，他測(cè)量了電子的荷質(zhì)比，獲得了1906年的

4、諾貝爾物理獎(jiǎng)。 1936年尼德?tīng)栠~耶在云室中發(fā)現(xiàn) 第11頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二 M.L.Perl 在美國(guó) MarkII 上發(fā)現(xiàn)了 輕子。 1995年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。 美籍華人蔡永賜在預(yù)言 輕子存在，計(jì)算其衰變分支比方面做出了突出貢獻(xiàn)。 輕子總共只有三種。二 輕子第12頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二2. 中微子1930年，在解釋“原子核的衰變的電子能量譜是連續(xù)的”這一事實(shí)時(shí)，物理學(xué)家泡利提出一假設(shè)：存在一個(gè)不帶電的粒子，稱為中微子。但由于它與物質(zhì)發(fā)生相互作用的可能性很小，因而極不容易探測(cè)，長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)它的存在始終是一個(gè)謎。數(shù)十年后，

5、人們終于探測(cè)到它，并且發(fā)現(xiàn)中微子有不同的類型（以上都獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)）。二 輕子第13頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二F. Reines 在50年代通過(guò)反應(yīng) 找到中微子存在的證據(jù)， 獲得1995年諾貝爾物理獎(jiǎng)二 輕子第14頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二60年代，L.M. Lederman， M. Schwartz 和 J. Steinberger 通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明： 中微子至少有兩種：e 和 他們共享了1988年諾貝爾物理獎(jiǎng)二 輕子第15頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二本世紀(jì)初，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室找到第三種中微子存在的證據(jù)

6、。雷蒙德戴維斯（美）和 小柴昌?。ㄈ眨┮?yàn)榉?別探測(cè)來(lái)自太陽(yáng)的中微 子和來(lái)自大氣、超新星 爆發(fā)的中微子獲得2002 年諾貝爾物理獎(jiǎng)。二 輕子第16頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二中國(guó)物理學(xué)家王淦昌早在40年代提出用核反沖法測(cè)量中微子的方法。三種中微子可以互相轉(zhuǎn)變，即中微子有振蕩，因此導(dǎo)致中微子有質(zhì)量（雖然很?。６?輕子第17頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二 三代夸克 三代輕子第18頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二三. 弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W，Z0 的發(fā)現(xiàn)1. 四種基本力引力：牛頓受蘋(píng)果落地的啟示而發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力

7、。電磁力：指南針在地磁作用下的偏移。弱力：中子及其它粒子衰變過(guò)程中出現(xiàn)。強(qiáng)力：夸克之間的作用力。第19頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二2. 四種基本力之間的關(guān)系 這四種力之間可能是相互關(guān)聯(lián)的。 目前實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)弱力和電磁力是統(tǒng)一的。有跡象表明，弱、電磁和強(qiáng)力是統(tǒng)一的。三. 弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W，Z0 的發(fā)現(xiàn)力的類型引力弱力電磁力強(qiáng)力作用距離非常遠(yuǎn)1017厘米遠(yuǎn)1013厘米強(qiáng)度103810131021傳遞粒子引力子W、Z0光子膠子第20頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二三. 弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W，Z0 的發(fā)現(xiàn)3. 弱作用和電磁作用是統(tǒng)

8、一的，理論上做出貢獻(xiàn)的 S.L. Glashow，S. Weinberg 和 A. Salam 獲1979年諾貝爾物理獎(jiǎng)第21頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二4. 弱電統(tǒng)一理論預(yù)言存在 W，Z0 中間玻色子。CERN 的 C. Rubbia 和 Van Der Meer 因發(fā)現(xiàn) W 和 Z0 而獲1984年諾貝爾物理獎(jiǎng)。三 弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W，Z0 的發(fā)現(xiàn)第22頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二第23頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二四 宇稱是否守恒？李政道，楊振寧 1956年在解釋 - 是否同一粒子時(shí)提出宇稱

9、（左右不同對(duì)稱性）不守恒，后被吳健雄的 衰變左右不對(duì)稱所證實(shí)。李、楊獲1957年諾貝爾物理獎(jiǎng)。第24頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二第25頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二第26頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二2. J.W. Cronin 和 V.L. Fitch 在 60年代發(fā)現(xiàn)中性 K 介子 CP （正、反粒子和空間聯(lián)合反演）不守恒，獲1980年諾貝爾物理獎(jiǎng)。四 宇稱是否守恒？第27頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二第28頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二3. 日本

10、Belle 和美國(guó) BaBar 2001發(fā)現(xiàn)中性 B 介 子也存在 CP 不守恒。四 宇稱是否守恒？世界平均值:第29頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二五 量子色動(dòng)力學(xué) （QCD） Cross 等于 70年代提出描述強(qiáng)作用的理論 QCD，被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，獲 2004年諾貝爾物理獎(jiǎng)。第30頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二六 第一個(gè)反粒子 正電子的發(fā)現(xiàn) 1932年，C.D. Anderson 在云室中發(fā)現(xiàn)與電子質(zhì)量相同但電荷相反的粒子 正電子而獲1936年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 很遺憾，我國(guó)物理學(xué)家趙忠堯卻失之交臂。趙在 30年代初首次觀察到正電子湮沒(méi)和產(chǎn)生現(xiàn)

11、象，并對(duì) Anderson 的實(shí)驗(yàn)有重大影響。第31頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二第32頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二Higgs是否存在？(期待LHC證實(shí))超對(duì)稱粒子（*注）是否存在？膠子球存在的證據(jù)，四夸克態(tài)、五夸克態(tài)、六夸克態(tài)和奇特態(tài)的尋找。暗物質(zhì)的探測(cè)（可觀察物質(zhì)僅占4，23為暗物質(zhì)）暗能量（占73）的理解和尋找反物質(zhì)的尋找（AMS）CP破壞的本質(zhì)是什么？粒子為什么有質(zhì)量？（從1eV到176GeV）*注：超對(duì)稱粒子是指夸克、輕子自旋為整數(shù)，傳播子自旋為半整數(shù)。七 粒子物理面臨的問(wèn)題第33頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二七 粒子物理面臨的問(wèn)題9. 夸克、輕子是基本組元嗎？10. 夸克、輕子只有三代嗎？11. 中微子振蕩的存在說(shuō)明中微子有質(zhì)量，在標(biāo)準(zhǔn)模型框架中不能解釋。12. 夸克、膠子等離子體是否存在？（期待RHIC上發(fā)現(xiàn)）13. 為什么宇宙中物質(zhì)反物質(zhì)是不對(duì)稱的？14. 弦與超對(duì)稱理論的發(fā)展和被實(shí)驗(yàn)的證實(shí)15. 是否存在標(biāo)準(zhǔn)模型之外的模型？（標(biāo)準(zhǔn)模型遠(yuǎn)不能說(shuō)完備，它有17個(gè)參數(shù)之多）第34頁(yè)，共35頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)14分，星期二結(jié) 束 語(yǔ) 半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，粒子物理取得了舉世矚