《粒子物理學(xué)簡介（選學(xué)）》參考課件

7粒子物理學(xué)簡介(選學(xué))了解構(gòu)成物質(zhì)的“基本粒子”及粒子物理的發(fā)展史．粒子

“基本粒子”不基本

“基本粒子”：直到19世紀(jì)末，人們認(rèn)為光子、

、質(zhì)子、

是“基本粒子”，隨著科學(xué)的發(fā)展，一方面逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的新粒子，它們都不是由

、

、

組成的；另一方面科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)．因此，20世紀(jì)后半期，就將“基本”去掉，統(tǒng)稱

．電子中子中子質(zhì)子電子粒子發(fā)現(xiàn)新粒子(1)新粒子：1932年發(fā)現(xiàn)了

，1937年發(fā)現(xiàn)

，1947年發(fā)現(xiàn)K介子和π介子及以后的超子、

等．(2)粒子的分類：按照粒子與各種相互作用的關(guān)系，可將粒子分為三大類：

、

和

．正電子μ子反粒子強(qiáng)子輕子媒介子夸克反夸克最小單位自由3種典型的粒子加速器 直線加速器

(1)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡是

．

(2)滿足的條件：要保持粒子與高頻電場(chǎng)之間的

關(guān)系．

(3)優(yōu)點(diǎn)：粒子束的

． 回旋加速器

(1)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡：在磁場(chǎng)中的

運(yùn)動(dòng)．

(2)滿足條件：高頻電源的頻率

粒子回旋的頻率．

(3)優(yōu)點(diǎn)：粒子被加速到的能量可達(dá)

.一條直線強(qiáng)度高勻速圓周等于40MeV諧振對(duì)撞機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)兩束相對(duì)運(yùn)動(dòng)的粒子

的設(shè)備叫對(duì)撞機(jī)．工作原理：粒子先在

中加速，然后射入對(duì)撞機(jī)，反向

在軌道交叉處相互

，獲得較大能量．對(duì)撞同步加速器碰撞回旋對(duì)粒子的認(rèn)識(shí)

新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)時(shí)間1932年1937年1947年60年代后新粒子反粒子μ子K介子與π介子超子基本特點(diǎn)質(zhì)量與相對(duì)應(yīng)的粒子相同而電荷及其他一些物理性質(zhì)相反比質(zhì)子的質(zhì)量小質(zhì)量介于電子與質(zhì)子之間其質(zhì)量比質(zhì)子大

粒子的分類分類參與的相互作用發(fā)現(xiàn)的粒子備注強(qiáng)子參與強(qiáng)相互作用質(zhì)子、中子、介子、超子強(qiáng)子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由“夸克”粒子構(gòu)成的；強(qiáng)子又可分為介子和重子輕子不參與強(qiáng)相互作用電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)媒介子傳遞各種相互作用光子、中間玻色子、膠子光子、玻色子、膠子分別傳遞電磁、弱、強(qiáng)相互作用對(duì)基本粒子的認(rèn)識(shí)

丁肇中：尋找宇宙中的基本粒子

如何尋找宇宙中最基本的粒子呢？我用四個(gè)故事向大家介紹一下，這些故事是我在過去的年里所親自經(jīng)歷的．

第一個(gè)故事是測(cè)量電子的半徑．現(xiàn)代電磁學(xué)的理論認(rèn)為電子的半徑為零.1964年，美國的麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)建造了一個(gè)當(dāng)時(shí)最大的加速器，這個(gè)加速器周長為1000英尺(1英尺為0.3048m)．當(dāng)時(shí)來自哈佛大學(xué)和康乃爾大學(xué)的世界上很有名的專家，在這個(gè)加速器里做一個(gè)很重要的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)證明量子電動(dòng)力學(xué)是錯(cuò)誤的，電子是有半徑的．這是一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn).1966年，我在德國用不同的方法重新做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子的半徑確實(shí)小到不可測(cè)量，電子是沒有半徑的．實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論的預(yù)期的比值等于1，即是說電子的半徑等于零，也就是說以前許多專家所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是錯(cuò)誤的．

第二個(gè)故事是關(guān)于新粒子家族的發(fā)現(xiàn)．到了20世紀(jì)年代，所有已經(jīng)知道的基本粒子都可歸結(jié)為由三種夸克組成，所有的現(xiàn)象都可以用三種夸克來解釋．我就問為什么宇宙中只有三種夸克？為了尋找新夸克，我決定建造一個(gè)高靈敏度的探測(cè)器．南京下雨的時(shí)候，大概每秒鐘有100億個(gè)雨滴，其中有一個(gè)是藍(lán)的，要把它找到．后來，在美國的布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室用AGS′做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)．我們發(fā)現(xiàn)了一種很新的粒子，完全想像不到的一種粒子．這種粒子在正電子負(fù)電子質(zhì)心系能量達(dá)到31億電子伏特的時(shí)候，突然就產(chǎn)生一個(gè)很高的峰．

根據(jù)以前所有的理論，這個(gè)峰是不應(yīng)該存在的．這說明我們發(fā)現(xiàn)了一種全新的夸克．這種新粒子有很特別的性質(zhì)：第一，它們質(zhì)量比其他所有已知的粒子都重；第二，它的壽命比其他所有已知粒子的壽命長1000倍．這意味著什么呢？大家知道，如果所有人在世界上活到100歲左右，但你突然發(fā)現(xiàn)一個(gè)村子里的人能活到10000歲，這就表示這些人可能有特別的性質(zhì)．當(dāng)然，有了這第四種夸克，你就可以問有沒有第五種、第六種——至今為止，已發(fā)現(xiàn)了六種．

第三個(gè)故事是關(guān)于1979年膠子的發(fā)現(xiàn)．大家都知道在原子里有電子和原子核，電子和原子核之間的力由光子傳送．在質(zhì)子里不同的夸克和夸克之間的力在理論上來說是由膠子傳遞．那時(shí)我們正在德國用正電子負(fù)電子對(duì)撞機(jī)做一個(gè)量子電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)．在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，則可以產(chǎn)生夸克、反夸克和膠子，如果這樣的話就會(huì)出現(xiàn)三個(gè)噴柱的現(xiàn)象．果然，當(dāng)正負(fù)電子對(duì)撞的時(shí)候，如果膠子能量很小，只有兩個(gè)噴柱；當(dāng)膠子的能量增大的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)三個(gè)噴柱現(xiàn)象．三個(gè)噴柱現(xiàn)象的存在就表示膠子是存在的．當(dāng)年，美國物理學(xué)會(huì)對(duì)這個(gè)事例作了詳細(xì)介紹．雖然最初這套實(shí)驗(yàn)儀器并非為這個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的，但卻獲得了意外的結(jié)果．

第四個(gè)故事就是尋找反物質(zhì)的宇宙．這在國際空間站上叫做AMS.反物質(zhì)的存在，是由玻爾·狄拉克在理論上推導(dǎo)出的，他因此在1933年12月12日獲得諾貝爾獎(jiǎng)．他注意到，相對(duì)論的公式和量子電動(dòng)力學(xué)的公式中，質(zhì)量是乘平方的，也就是說等于m×m也等于(－m)×(－m)．狄拉克問－m是什么意思？從這兒就推導(dǎo)出反物質(zhì)的理論．大家都知道，宇宙是大爆炸形成的，在大爆炸的理論中，宇宙起源時(shí)的溫度非常高，大爆炸中有一個(gè)電子則應(yīng)該有一個(gè)反電子，有一個(gè)夸克也應(yīng)該有一個(gè)反夸克，所以在剛爆炸的時(shí)候，物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該是一樣多．問題是經(jīng)過150億年之后，由反物質(zhì)組成的宇宙在什么地方？

第一期AMS(01)于1998年6月搭載美國航天飛機(jī)在太空中運(yùn)行了10天，觀測(cè)到一些過去沒有的現(xiàn)象，這是人類第一次測(cè)量這些東西，所以覺得現(xiàn)在的結(jié)果很奇怪，美國宇航局決定在2003年5月再次將AMS升空，AMS將作為第一個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)搭載安裝在空間站上．AMS01原結(jié)構(gòu)中用的中國制造的永久磁鐵改為超導(dǎo)磁鐵，大幅度提高AMS探測(cè)能力，在太空中長時(shí)間運(yùn)行并