粒子物理發(fā)展史話課件

粒子物理發(fā)展史話鄭志鵬中科院高能物理研究所2008.10粒子物理發(fā)展史話1

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。粒子物理，又稱高能物理，是研究物質(zhì)組成2粒子物理發(fā)展史話3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)提綱夸克有幾種提綱4一夸克有幾種？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)。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)5一夸克有幾種？1974年，丁肇中和Richter發(fā)現(xiàn)了J/ψ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)。

一夸克有幾種？1974年，丁肇中和Richter發(fā)現(xiàn)了J6粒子物理發(fā)展史話7粒子物理發(fā)展史話81977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？1977年，1995年，一夸克有幾種？94.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？4.實(shí)驗(yàn)上夸克存在的證據(jù)一夸克有幾種？10二輕子電子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年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

μ

1936年尼德?tīng)栠~耶在云室中發(fā)現(xiàn)

二輕子電子11

τM.L.Perl在美國(guó)MarkII上發(fā)現(xiàn)了τ輕子。1995年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。

美籍華人蔡永賜在預(yù)言τ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τ二輕子122.中微子

1930年，在解釋“原子核的β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，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2.中微子二輕子13F.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F.Reines在50年代通過(guò)反應(yīng)二輕子1460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：νe和νμ

他們共享了1988年諾貝爾物理獎(jiǎng)二輕子60年代，L.M.Lederman，M.Schwart15本世紀(jì)初，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室找到第三種中微子ντ存在的證據(jù)。雷蒙德·戴維斯（美）和小柴昌?。ㄈ眨┮?yàn)榉謩e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)。二輕子本世紀(jì)初，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室找到第三種中微子ντ存在的證據(jù)。二16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（雖然很小）。二輕子中國(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17

三代夸克

三代輕子三代夸克18三.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：牛頓受蘋果落地的啟示而發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力。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。三.弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W±，Z0的發(fā)現(xiàn)1.四192.四種基本力之間的關(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)<10－17厘米遠(yuǎn)<10－13厘米強(qiáng)度10－3810－1310－21傳遞粒子引力子W±、Z0光子膠子2.四種基本力之間的關(guān)系三.弱作用和電磁作用的統(tǒng)一20三.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)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)三.弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W±，Z0的發(fā)現(xiàn)3.214.弱電統(tǒng)一理論預(yù)言存在W±，Z0中間玻色子。CERN的C.Rubbia和VanDerMeer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)4.弱電統(tǒng)一理論預(yù)言存在W±，Z0中間玻色子。C22粒子物理發(fā)展史話23四

宇稱是否守恒？李政道，楊振寧1956年在解釋?duì)?τ是否同一粒子時(shí)提出宇稱（左右不同對(duì)稱性）不守恒，后被吳健雄的β衰變左右不對(duì)稱所證實(shí)。李、楊獲1957年諾貝爾物理獎(jiǎng)。四宇稱是否守恒？李政道，楊振寧1956年在解釋?duì)?τ24粒子物理發(fā)展史話25粒子物理發(fā)展史話262.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？2.J.W.Cronin和V.L.Fitch在27粒子物理發(fā)展史話283.日本Belle和美國(guó)BaBar2001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:3.日本Belle和美國(guó)BaBar2001發(fā)現(xiàn)中性29五

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)。五量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）Cross等于70年30六

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)象，并對(duì)Anderson的實(shí)驗(yàn)有重大影響。六第一個(gè)反粒子－正電子的發(fā)現(xiàn)1932年，C.D31粒子物理發(fā)展史話32Higgs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Higgs是否存在？(期待LHC證實(shí))七粒子物理面臨的問(wèn)33七粒子物理面臨的問(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）七粒子物理面臨的問(wèn)題9.夸克、輕子是基本組元嗎34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目的進(jìn)展。這是數(shù)以萬(wàn)計(jì)的科學(xué)家，工程師共同奮斗的結(jié)果。這其中一些人在粒子物理發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)刻起了舉足輕重的作用。他們中許多人獲得了諾貝爾獎(jiǎng)；也有一些沒(méi)有獲得這樣的殊榮，但是歷史應(yīng)該記住他們！

只有在科學(xué)道路上攀登，不畏艱險(xiǎn)，勇于創(chuàng)新的人才能抵達(dá)科學(xué)的高峰，只有這些人才能留下歷史，成為所有科技工作者學(xué)習(xí)的榜樣。結(jié)束語(yǔ)半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，粒子物理取35粒子物理發(fā)展史話鄭志鵬中科院高能物理研究所2008.10粒子物理發(fā)展史話36

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。粒子物理，又稱高能物理，是研究物質(zhì)組成37粒子物理發(fā)展史話38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)提綱夸克有幾種提綱39一夸克有幾種？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)。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)40一夸克有幾種？1974年，丁肇中和Richter發(fā)現(xiàn)了J/ψ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)。

一夸克有幾種？1974年，丁肇中和Richter發(fā)現(xiàn)了J41粒子物理發(fā)展史話42粒子物理發(fā)展史話431977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？1977年，1995年，一夸克有幾種？444.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？4.實(shí)驗(yàn)上夸克存在的證據(jù)一夸克有幾種？45二輕子電子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年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。

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1936年尼德?tīng)栠~耶在云室中發(fā)現(xiàn)

二輕子電子46

τM.L.Perl在美國(guó)MarkII上發(fā)現(xiàn)了τ輕子。1995年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。

美籍華人蔡永賜在預(yù)言τ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τ二輕子472.中微子

1930年，在解釋“原子核的β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，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2.中微子二輕子48F.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F.Reines在50年代通過(guò)反應(yīng)二輕子4960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：νe和νμ

他們共享了1988年諾貝爾物理獎(jiǎng)二輕子60年代，L.M.Lederman，M.Schwart50本世紀(jì)初，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室找到第三種中微子ντ存在的證據(jù)。雷蒙德·戴維斯（美）和小柴昌?。ㄈ眨┮?yàn)榉謩e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)。二輕子本世紀(jì)初，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室找到第三種中微子ντ存在的證據(jù)。二51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?。?。二輕子中國(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52

三代夸克

三代輕子三代夸克53三.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：牛頓受蘋果落地的啟示而發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力。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。三.弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W±，Z0的發(fā)現(xiàn)1.四542.四種基本力之間的關(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)<10－17厘米遠(yuǎn)<10－13厘米強(qiáng)度10－3810－1310－21傳遞粒子引力子W±、Z0光子膠子2.四種基本力之間的關(guān)系三.弱作用和電磁作用的統(tǒng)一55三.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)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)三.弱作用和電磁作用的統(tǒng)一以及W±，Z0的發(fā)現(xiàn)3.564.弱電統(tǒng)一理論預(yù)言存在W±，Z0中間玻色子。CERN的C.Rubbia和VanDerMeer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)4.弱電統(tǒng)一理論預(yù)言存在W±，Z0中間玻色子。C57粒子物理發(fā)展史話58四

宇稱是否守恒？李政道，楊振寧1956年在解釋?duì)?τ是否同一粒子時(shí)提出宇稱（左右不同對(duì)稱性）不守恒，后被吳健雄的β衰變左右不對(duì)稱所證實(shí)。李、楊獲1957年諾貝爾物理獎(jiǎng)。四宇稱是否守恒？李政道，楊振寧1956年在解釋?duì)?τ59粒子物理發(fā)展史話60粒子物理發(fā)展史話612.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？2.J.W.Cronin和V.L.Fitch在62粒子物理發(fā)展史話633.日本Belle和美國(guó)BaBar2001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:3.日本Belle和美國(guó)BaBar2001發(fā)現(xiàn)中性64五

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)。五量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）Cross等于70年65六

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)。