粒子物理標準模型

標準模型簡介第1頁引言自古以來，尋找宇宙終極規(guī)律一直是人們夢想。近代科學發(fā)覺，宏觀尺度上宇宙和微觀尺度上基本粒子存在一些緊密地聯(lián)絡。所以，微觀尺度上粒子基本模型也就成為了解釋宇宙奧秘鑰匙。第2頁什么是標準模型

自然界有四種基本作用力，萬有引力，電磁力，弱作用力跟強作用力。電磁力跟弱作用力已經(jīng)被統(tǒng)一成為電弱理論。標準模型便是在次原子尺度下希望統(tǒng)合電弱作用力跟強作用力理論。

第3頁什么是標準模型原子原子核中子夸克近幾十年來，經(jīng)過基本粒子物理學家不停努力，人造加速器發(fā)展，以及借著外層空間高能宇宙射線，建立了一套學說，以解釋宇宙中最基本組成份子以及其間交互作用力，這就是所謂標準模型(StandardModel)。第4頁我們已知基本粒子能夠分為兩個家族—夸克(Quarks)和輕子(Leptons)，這兩個家族各有六個組員，組成三個世代。第一世代粒子質(zhì)量最輕，而第三世代粒子最重。另外還有四種媒介交互作用媒介子(Mediator)，用來傳遞粒子之間交互作用力?，F(xiàn)存物質(zhì)，主要是由第一世代基本粒子所組成，而第二第三世代粒子大多已經(jīng)衰變成為第一代基本粒子。什么是標準模型第5頁什么是夸克20世紀60年代，美國物理學家默里·蓋爾曼和G.茨威格各自獨立提出了中子、質(zhì)子這一類強子是由更基本單元——夸克(quark)組成。它們含有分數(shù)電荷，是電子電量2/3或-1/3倍，自旋為1/2。第6頁夸克由來

“夸克”一詞是由默里·蓋爾曼改編自詹姆斯·喬伊斯小說《芬尼根通宵祭》(Finnegan‘sWake)中詩句。最初解釋強相互作用粒子理論需要三種夸克，叫做夸克三種味，它們分別是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇異夸克(strange,s)。1974年發(fā)覺了J/ψ粒子，要求引入第四種夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年發(fā)覺了Υ粒子，要求引入第五種夸克底夸克(bottom,b)。1994年發(fā)覺第六種夸克頂夸克(top,t)，人們相信這是最終一個夸克。

第7頁發(fā)覺夸克

１９６４年，美國物理學家蓋爾曼和茨威格各自獨立地提出了三夸克模型，認為重子和介子都是由夸克組成。

１９６９年，美國斯坦福直線加速器中心驗證了夸克存在，并在普通物質(zhì)或宇宙線中發(fā)覺了能夠證實上夸克、下夸克和奇異夸克存在證據(jù)。１９７４年，美國丁肇中試驗室和里克特試驗組，各自獨立地發(fā)覺由一對正反粲夸克組成介子，從而證實了粲夸克存在，所以分享了１９７６年諾貝爾物理學獎。

１９７７年，美國萊德曼試驗組發(fā)覺了底夸克存在證據(jù)。

１９９４年，費米試驗室發(fā)覺了頂夸克。第8頁什么是輕子

輕子就是不參加強相互作用費米子，它們參加弱相互作用與電磁作用。它們自旋為1/2。至今試驗上還沒有發(fā)覺輕子有任何結(jié)構(gòu)，所以通常被認為自然界最基本粒子之一。已經(jīng)發(fā)覺輕子包含電子、μ子、τ子三種帶一個單位負電荷粒子，分別以e-、μ-、τ-表示，以及它們分別對應電子中微子、μ子中微子、τ子中微子三種不帶電中微子，分別以νe、νμ、ντ表示。加上以上六種粒子各自反粒子，共計12種輕子。第9頁發(fā)覺輕子

１８９７年，英國物理學家湯姆孫發(fā)覺電子，所以榮獲１９０６年諾貝爾物理學獎。這是人類認識第一個基本粒子，不但打破了道爾頓“不可分”原子，而且打破了物質(zhì)結(jié)構(gòu)“終極”觀念，把科學研究引上了一條出人意料道路。于是，在２０世紀前夕，科學家面臨著一個完全陌生而又非常奇特世界。

１９５３年，美國物理學家萊因斯和柯萬一起取得了開拓性成就，發(fā)覺了電子型中微子，所以取得了１９９５年諾貝爾物理學獎。

１９６２年美國哥倫比亞大學萊德曼等人，在布魯克海文國家試驗室里，發(fā)出了μ子和μ子型中微子，而且發(fā)覺中微子有不一樣類型，所以取得了１９８８年諾貝爾物理學獎。

１９７５年，美國物理學家佩爾等人試驗發(fā)覺了重輕子即τ輕子，所以取得了１９９５年諾貝爾物理學獎。２０００年，由美日韓希臘等國５４人組成國際科研小組，利用美國費米試驗室加速器經(jīng)過３年合作研究，首次發(fā)覺了表明τ中微子存在直接證據(jù)。至此，粒子物理學標準模型中１２種基本粒子經(jīng)百余年探索，終于被人類全部發(fā)覺。

第10頁什么是媒介子如前所述，物質(zhì)之間存在相互作用，而傳遞這種作用粒子稱為媒介子1強相互作用，媒介子為介子或膠子

2弱相互作用，媒介子為中間玻色子

3電磁相互作用，媒介子為光子

4萬有引力，媒介子為引力子

第11頁相關(guān)引力子當前，前三種相互作用媒介子都已在試驗上證實了或者最少找到存在證據(jù)了。

而第四種，引力子還未在試驗上發(fā)覺。在量子色動力學標準模型下，萬有引力是靠引力子傳輸，假如這種引力子存在，也就在一定程度上解釋了萬有引力根源。而引力子至今未發(fā)覺存在證據(jù)。至于有沒有引力子，依然是個迷。第12頁引力和電磁力引力和電磁力在此不再贅述第13頁弱相互作用有兩種弱相互作用，一個是有輕子(電子e，中微子ν，μ子以及它們反粒子)參加反應，如β衰變，μ子衰變以及π介子衰變等；另一個是Κ介子和∧超子衰變。這兩種弱相互作用強度相同，都比強相互作用弱1012倍，相互作用時間約為10^(-6)～10^(-8)s。第14頁強相互作用強相互作用是作用于強子之間力，是所知四種宇宙間基本作用力最強，也是作用距離最短（大約在10-15m范圍內(nèi)）。核子間核力就是強相互作用，它抵抗了質(zhì)子之間強大電磁力，維持了原子核穩(wěn)定。現(xiàn)在物理學家認為強相互作用產(chǎn)生與夸克、膠子相關(guān)。

第15頁第16頁Higgs粒子光子g和中間玻色子(w+、w-及z0)分別是電磁相互作用和弱相互作用媒介子，在電弱統(tǒng)一理論中，這四種粒子都是電弱作用場量子，它們都是零質(zhì)量粒子。不過因為對稱性破缺，只有一個媒介子(g光子)保持了零質(zhì)量，而其它三種取得了巨大質(zhì)量。致使對稱性破缺機制，稱為希格斯(higgs)機制。所以理論上確信，必定還存在一個被稱為希格斯粒子粒子。

傳遞引力相互作用媒介子是引力子g，是引力場量子，它是自旋為2零質(zhì)量粒子。希格斯粒子和引力子，是理論上被預言而在試驗中還未得到存在直接證據(jù)兩個粒子。第17頁Higgs粒子

英國物理學家希格斯最早在30年前預言了希格斯玻色子存在，但科學至今沒找到它蹤跡。希格斯玻色子被認為是物質(zhì)質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量基礎。按理論假設，其它粒子在希格斯玻色子組成“海洋”中游弋，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。希格斯玻色子對完善粒子物理學理論有主要意義。經(jīng)過長時間研究和索，科學家們曾建立起被稱為標準模型粒子物理學理論。該標準模型以夸克、輕子作為基本粒子，以弱電統(tǒng)一和量子色動力學理論為主要框架。標準模型預言了62種基本粒子存在，這些粒子幾乎都已被試驗所證實，希格斯玻色子是最終一個未被發(fā)覺基本粒子。所以，尋找該粒子，被有些人比喻為粒子物理學領域“圣杯”。第18頁從試驗上講，即使標準模型沒有對Higgs粒子質(zhì)量作出直接預言，但標準模型本身成功，尤其是基于Higgs機制對W±和Z0粒子高精度質(zhì)量預言給Higgs機制提供了很強間接支持。Higgs粒子因為Higgs粒子對高能物理中許多反應過程有貢獻，且這種貢獻與Higgs質(zhì)量相關(guān)，伴隨試驗精度提升，Higgs粒子搜索范圍正變得越來越窄。第19頁標準模型之父

格拉肖(sheldonleeglashow)1975年，他和合作者一起在電弱統(tǒng)一理論和量子色動力學基礎上，提出了把弱相互作用、電磁相互作用、強相互作用統(tǒng)一起來大統(tǒng)一理論，在基本粒子和場論理論研究以及宇宙學研究中都有較大影響。正是因為這些成就，他與S.溫伯格、A.薩拉姆共同取得了1979年諾貝爾物理學獎。粒子物理標準模型堪稱是二十世紀物理學取得最重大成就之一。格拉肖教授是粒子物理標準模型奠基人之一，也是大統(tǒng)一理論開創(chuàng)者，他還成功地預言了粲夸克存在。第20頁1999NobelPrice

粒子物剪發(fā)展到今天這種程度，尤其是將強、電磁和弱三種相互作用全都統(tǒng)一標準模型，在實驗和理論兩方面都取得了巨大成功，霍夫特和韋爾特曼就是其中兩位出色理論家.早在70年代早期，他們用自己提出正規(guī)化方案，在特定規(guī)范下對電弱統(tǒng)一理論給出了完整微擾計算方法和嚴格地證實了這理論可重整性。他們另外兩項開拓性研究結(jié)果——維數(shù)正規(guī)化方案和圖論(diagrammar)在研究非阿貝爾規(guī)范場論中也發(fā)揮了巨大作用.“為粒子物理學理論提供了更堅實數(shù)學基礎”和“提供了很好能夠用于預計新粒子特征‘理論機器’”，他們獲此殊榮是當之無愧.第21頁NobelPrice戴維·格羅斯、戴維·波利茨、弗蘭克·威爾茨克在對相關(guān)強作用力研究方面作出了重要理論發(fā)覺。他們數(shù)字計算解釋說明夸克之間越靠近，強作用力越弱。當夸克之間非?？拷鼤r，強作用力是如此之弱，方便到它們完全能夠作為自由粒子活動。這種現(xiàn)象叫作“漸近自由”，即漸近不縛性。這三位科學家1973年經(jīng)過一個完善數(shù)學模型公布了這一發(fā)覺。這一發(fā)覺造成了一個全新理論，即量子色動力學。這一理論對標準模型作出了主要貢獻。標準模型形容了與電磁力、強作用力、弱作用力相關(guān)全部物理現(xiàn)象。在量子色動力學家?guī)椭?，物理學家終于能夠解釋為何夸克只有在極高能情況下它才會表現(xiàn)為自由粒子。在質(zhì)子和中