專題六粒子物理

專題六粒子物理第一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六與空間對稱性相對稱的操作有旋轉、平移、鏡像1、空間對稱性（1）旋轉對稱(a)(c)(b)任意角度的整數(shù)倍的整數(shù)倍軸對稱，某物體相對于某軸旋轉角度后，與原來的完全重合，則物體具有n次軸對稱。第二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六物理定律具有旋轉對稱性是指空間各個方向對該物理定律等價，沒有一個方向具有對于其他方向的任何內(nèi)在優(yōu)越性，將實驗儀器旋轉一個方位，實驗結果同。（2）平移對稱物理定律的平移對稱性反映空間的均勻性，空間的任何位置對物理定律等價，物理實驗可以在不同地點重復、實驗結果不變。第三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六（3）鏡象反射對稱

通常說的左右對稱，本質上就是鏡象反射對稱，或者說宇稱(parity)，相應的操作就是空間反射(鏡面反射)。如同有一個平面鏡把物體分成兩部分，其中一部分是另一部分的鏡像，這種對稱是對于平面的對稱。第四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六一個靜止不變或勻速直線運動的體系對任何時間間隔t的時間平移表現(xiàn)出不變性。對于一個周期性變化體系(單擺、彈簧振子)，對周期T

及其整數(shù)倍的時間平移變換對稱。2、時間對稱性（1）時間平移對稱性（2）時間反演對稱性把時間t(-t)的變換叫做時間反演操作，相當于時間倒流。當然，現(xiàn)實生活中時間是不會倒流的。但可以想象攝制的錄象帶倒放時出現(xiàn)的情形：人倒退著走路；彌漫在空氣中的煙霧逐漸被收攏到煙斗中去；…。武打電視片的攝制者就是利用這一點，讓演員從高處往下跳，拍攝下來倒著放，就可以表現(xiàn)出一個人從地面躍起，跳上高墻的場面。物理定律的時間平移對稱性是指物理規(guī)律不隨時間流逝發(fā)生變化，物理實驗是可以在不同時間重復的。第五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六二、對稱性原理

對稱性原理是皮埃爾·居里首先提出來的。原理包含的內(nèi)容是：(1)原因中的對稱性必反映在結果中，即結果中的對稱性至少有原因中的對稱性那樣多；

(2)

結果中的不對稱性必在原因中有所反映，即原因中的不對稱性至少有結果中的不對稱性那樣多；

(3)在不存在唯一性的情況下,原因中的對稱性必反映在全部可能的結果的集合中,即全部可能的結果的集合中的對稱性至少有原因中的對稱性那樣多。從這個原理可以看到，自然規(guī)律反映了事物之間的因果關系，其對稱性即：等價的原因

等價的結果

對稱的原因

對稱的結果

第六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六例1.根據(jù)對稱性原理論證拋體運動為平面運動例2.根據(jù)對稱性原理解釋足球場上的“香蕉球”。

原因：重力和初速決定一個平面，無偏離該平面的因素，對該平面鏡像對稱。結果:質點的運動不會偏離該平面，軌道一定在該平面內(nèi)。

結果:足球的運動偏離了重力和初速決定的平面。原因：一定存在對重力和初速所決定的平面不對稱的因素，即球被踢出時是旋轉的。第七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六三、對稱性與守恒定律守恒定律的起緣是時空對稱性。由時間平移不變性可以導出能量守恒定律，由空間平移不變性可以導出動量守恒定律，由空間各向同性可以導出角動量守恒定律。對稱性原理是最高層次的定理，它凌架于牛頓定律、動量定理等這些基本物理規(guī)律之上。對某些問題，在不涉及一些具體定律之前，我們往往有可能根據(jù)對稱性原理和守恒定律作出一些定性的判斷，得到一些有用的信息。第八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六弱作用中宇稱不守恒

1956年，李政道和楊振寧為解釋奇異粒子衰變過程中的“疑難”指出，在強作用和電磁作用中宇稱守恒是得到實驗的判定性檢驗的，但弱作用過程中宇稱守恒并未得到實驗的檢驗，弱作用過程中宇稱可以不守恒。1957年美籍華裔女物理學家吳健雄通過10-2K低溫下鈷60核衰變實驗對此結論進行了檢驗。實驗原理是利用核磁共振技術使鈷“核自旋方向沿確定方向排列，然后觀察其衰變產(chǎn)生的電子數(shù)分布是否左右對稱,實驗情況如圖所示，末態(tài)電子分布不具有鏡像對稱性、從而證明了弱作用中宇稱不守恒。李政道和楊振寧因此獲得1957年諾貝爾物理獎。第九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六由于粒子尺度太小，大多數(shù)粒子壽命又很短，所以人們通過間接的手段研究，利用加速器或對撞機是高能粒子相撞，讓他們的能量和質量聚集到一個很小的區(qū)域中，此時粒子時不穩(wěn)定的，會產(chǎn)生出一些粒子。可以利用探測器對產(chǎn)物進行認定，通過這樣的方式了解粒子間的相互作用的特性和發(fā)現(xiàn)新粒子、新類型的相互作用。粒子物理中用費曼圖（P.P.Feynmann）來描述粒子的碰撞。一、碰撞和衰變e-e+時間e-e+時間第三節(jié)粒子物理的研究手段和發(fā)展方向第十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六目前，只有質子、電子、光子和中微子比較穩(wěn)定，大多數(shù)粒子是不穩(wěn)定的，它們要自動衰變成兩個或更多個具有較小質量的其他粒子。大多數(shù)粒子的壽命在10-6~10-22s范圍。中子是已知不穩(wěn)定粒子中壽命最長的，為887s,而Z0粒子壽命最短，為2.643X10-25s。粒子質量與其壽命有密切關系，是判斷和辨認粒子的重要依據(jù)。e-e+第十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六二、加速器和粒子探測器加速器簡介

使帶電粒子不斷地加速以獲得很大能量的一種裝置叫做加速器。通常由離子源（或電子槍）、加速聚焦系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。加速后粒子的能量一般在10萬電子伏以上，目前最大的加速器能使帶電粒子獲得幾千億電子伏的能量。低能加速器是研究低能原子核物理的主要裝置，在國防工業(yè)及國民經(jīng)濟各部門中也有廣泛應用。例如工業(yè)探傷、醫(yī)療等。至于中、高能加速器，則主要用作探索微觀世界規(guī)律的工具。

第十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六加速器種類：按能量分有：低能加速器（加速粒子的能量在1億電子伏以下）；中能加速器（1億至10億電子伏）；高能加速器（10億至500億電子伏）和超高能加速器（500億電子伏以上）。按粒子運動的軌道分：有直線型加速器和圓形加速器。屬于直線型的有倍壓加速器、靜電加速器和直線加速器；屬于圓形的有電子感應加速器、回旋加速器、電子回旋加速器、穩(wěn)相加速器、電子同步加速器、質子同步加速器和同步穩(wěn)相加速器。按被加速的帶電粒子分：有加速電子、質子、氘核及各種重離子的加速器。對于后兩種加速器，按聚焦類型分，又有弱聚焦和強聚焦兩類。第十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六高能物理加速器實驗觀察工具新粒子的產(chǎn)生第十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六現(xiàn)代加速器原理固定靶實驗對撞實驗直線加速器回旋加速器

早期加速器現(xiàn)代加速器LHC隧道加速器管道第十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六BNL丁肇中發(fā)現(xiàn)新粒子的加速器BNL-AlternatingGradientSynchrotron主要加速器中心：SLAC，F(xiàn)ermilab，CERN，BNL，CESR，DESY，KEK，IHEP第十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六北京正負電子對撞機高能物理研究所（IHEP）BES探測器第十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六1.靜電加速器和串列加速器VandeGraaff靜電加速器V=Q/C能量穩(wěn)定性好電壓連續(xù)可調(diào)第十八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六串列加速器第十九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六靜電加速器第二十頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六回旋加速器回旋加速器的結構回旋加速頻率：粒子能量：第二十一頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六直線加速器直線加速器原理MeV到GeV可加速質子和電子第二十二頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六美國斯坦福直線加速器外貌第二十三頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六同步加速器同步加速器原理：軌道固定、磁場和加速電場調(diào)變增強器：提高注入離子能量，改善能量品質。儲存環(huán)：存儲高能離子第二十四頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六同步加速器同步輻射第二十五頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六同步加速器對撞機：第二十六頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六同步加速器第二十七頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六北京正負電子對撞機北京正負電子對撞機是世界八大高能加速器中心之一。１９８８年１０月１６日，兩束正負電子在北京西郊一個羽毛球拍狀的巨型機器里成功對撞，揭開了我國高能物理研究的新篇章。這是北京正負電子對撞機鳥瞰圖第二十八頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六探測器原理基本粒子的尺度：10-17—10-13cm，而目前最大倍數(shù)的電子顯微鏡的分辨率為10-8cm，因此距離肉眼觀察至少還差10萬倍。（實際上）我們對基本粒子的研究只能借助于“間接觀察”手段。粒子物質微弱信號電子學數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)分析第二十九頁，共三十頁，編輯于2023年，星期六三、粒子物理的未知課題質量的起源是什么