專題四粒子物理學

粒子物理簡介陳紹龍華中師范大學“世界是由什么組成的？”&“它們是怎樣組成這個世界？”四基本元素五行恩貝多克利490-430B.C.,希臘哲學家原子論古希臘哲學家“原子論”Byconventionthereiscolor,

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Butinrealitythereare

atomsandspace.

-Democritus(c.400BCE)（德謨克利特）原子論1869年門捷列夫的元素周期表加深了原子論的設想。1802年，道爾頓正式提出了所有物質是由原子組成的理論;原子是基本的么？JosephThomson(1906Nobel)發(fā)現了原子中存在負電荷，質量很輕的電子，認為原子是有質子和被束縛的電子組成。[GeorgeThomson(1937Nobel)

證明了電子波動性。(電子衍射)]盧瑟福（Rutherford,1908Nobel)實驗證明了質子集中在緊密的原子核中。1932年，Chadwick(1935Nobel)

發(fā)現了中子。原子核是質子和中子組成，電子在原子核外運動(盧瑟福實驗，玻爾模型)原子核是基本的么？質子和中子是由夸克組成粒子物理學粒子物理學物質基本結構和基本相互作用從極小到極大宇宙的歷史尋找基本粒子粒子物理學家一直在尋找基本粒子。宇宙射線，加速器人們已經發(fā)現200多種粒子，當然大多數不是基本粒子，是復合粒子。Quark模型

蓋爾曼-西島(Gell-MannandNishijima)

味SU(3)：粒子物理標準模型6種夸克(quarks)6種輕子(leptons):(比如電子)規(guī)范玻色子:(比如光子)傳遞相互作用Quarks&Leptons物質由夸克和輕子組成，每種夸克和輕子都有相應的反物質粒子和反粒子粒子和反粒子除了不同電荷，其他性質一樣。當物質碰到反物質，湮滅變成能量。反粒子？Fermi實驗室15英尺氣泡云室實驗相片Quark6種夸克和反夸克

(6個味)(上，下，粲，奇異，頂，底)分數電荷:(2/3,-1/3)3個顏色

(red,green,blue)強子(Hadron)Baryon(重子)meson(介子)顏色SU(3):輕子中除了帶電的電子，繆子muon，tau子，還有各自的中微子。1930年，onlyknownparticle:electron&protonBetaDecay(氚到氦3)中微子（Neutrino）中微子（Neutrino）3體衰變和中微子假設中微子（Neutrino）WolfgangPauli1930LettertothephysicalInstituteoftheFederalInstituteofTechnology,Zurich1932年，Chadwick

發(fā)現了中子。Pauli說的“neutron”被Fermi改成“l(fā)ittleneutralone”,成為今天常說的“Neutrino”中微子（Neutrino）中微子（Neutrino）Solvay1933PhysicsConference(Brussels,Belgium)Pauli報告了他的中微子設想探測中微子反beta衰變過程來探測中微子。（HansBethe）Reines和Cowan在1956年探測到了中微子，得到了1995年的Nobel物理獎。王淦昌(Kan-ChangWang)王淦昌最早提出用K電子俘獲來探測中微子。FermionandBoson費米子：遵守Pauli不相容原理玻色子：不遵守Pauli不相容原理FermionandBoson費米子：遵守Pauli不相容原理玻色子：不遵守Pauli不相容原理FermionandBoson費米子：遵守Pauli不相容原理玻色子：不遵守Pauli不相容原理FermionandBoson費米子：遵守Pauli不相容原理自旋為1/2的奇數倍粒子玻色子：不遵守Pauli不相容原理自旋為整數粒子基本相互作用相互反應：引力，斥力，衰變，湮滅，…。伽利略，牛頓，麥克斯韋，法拉第，…四種基本相互作用：引力電磁力強相互作用弱相互作用傳遞力的中間玻色子麥克斯韋電磁統(tǒng)一弱作用中宇稱破缺李-楊提出弱作用中宇稱不守恒！(1956)1957年被實驗證實。粒子物理標準模型電磁力：光子強相互作用：膠子弱相互作用：W，Z中間玻色子基本粒子質量譜一個質子重1GeV被成功檢驗的標準模型W，Z中間玻色子，膠子，底夸克，頂夸克，tau中微子等粒子在標準模型建立后被發(fā)現。在能標100GeV下0.1%以下精度被檢驗。The“God”Particle:

HiggsHiggs粒子是粒子物理標準模型中唯一一個沒有被探測到的基本粒子。理論上提出Higgs粒子存在是為了解釋標準模型中大部分基本粒子有質量---質量起源。歐洲大型強子對撞機(the

Large

Hadron

Collider)正是為了尋找Higgs而建立。標準模型：成功但不完整中微子有質量宇宙中正反物質不對稱暗物質粒子引力……中微子振蕩太陽中微子缺失：1968年Homestake實驗:RaymondDavis&JohnBahcall實驗結果比理論預言少了1/3SuperK大氣中微子振蕩：1998超級神崗：地下1000米，50000頓純凈水SNO太陽中微子實驗:2002證實了太陽中微子在到地球的途中在三種不同“味”之間發(fā)生了轉化直徑12米，1000頓重水，地下2100米KamLAND：核反應堆中微子實驗地下，13米直徑，1000頓礦物油,苯13代耦合角：

深圳大亞灣中微子實驗中微子質量和蹺蹺板機制蹺蹺板機制也意味著是一個通向更高能標的窗子宇宙正反物質不對稱正物質世界意味著宇宙早期有很小的正反不對稱么？重子物質起源三個重子起源條件：重子數破壞，電荷宇稱破壞，熱平衡退耦超出標準模型！

宇宙大爆炸暗物質（darkmatter）VeraRubin1970’sFritzZwicky1933星體旋轉曲線暗物質引力透鏡暗物質性質暗物質是什么粒子？電中性不是重子物質有質量，非相對論相互作用很弱穩(wěn)定或者壽命很長暗物質直接探測直接探測暗物質和原子的彈性散射。信號：熱，光，電年調制效應CJPLCDEXPandaX暗物質間接探測暗物質在宇宙中湮滅產生正反電子，正反質子，光子，中微子大統(tǒng)一：愛因斯坦之夢歐洲大型強子對撞機

通向新物理的時間機器？能量和尺度加速器：強力的“顯微鏡”高能加速的粒子束，幫助我們看清細微的結構低能量粒子束高能量粒子束CMS：

長21米，高15米，寬15米，12.5千頓ATLAS：

長46米，高25米，寬25米，7千頓The“God”Particle:Higgs粒子暗物質？尋找第四代粒子?LHCLHC尋找超對稱粒子?

還有別的基本相互作用？

存在別的基本對稱性么？

暗物質是什么粒子？

有幾種暗物質粒子？

Higgs粒子存在么？有幾個Higgs粒子？

質量是怎么來的？