地上和地下21世纪的物理-USTCICTS课件

过去，现在和未来过去，现在和未来天上，地上和地下天上，地上和地下21世纪的物理世纪的物理李学潜南开大学物理科学学院过去，现在和未来天上，地上和地下21世纪的物理李学潜1LHC已经开始运行设计对撞能量为14TeV目前的对撞能量为7TeV，将运行18-24个月，积分亮度为1 fb-1其他加速器，对撞机实验在天文学上有气球，卫星以及地面（我国的西藏羊八井观测站，云南高山站）地下的暗物质，中微子探测 。LHC已经开始运行2什么是物理 物理学归根结底是实验科学，一切物理规律，理论都是来源于观察，实验，如要回归到实验物理的基本规律是不变的，但物理学是在不断前进的。什么是物理3物理分为基础物理和应用物理我们仅涉及基础物理研究。20世纪是创新的世纪，20世纪末随着计算机的高速发展，和互联网的使用，人类的知识积累和认识世界的手段达到了前所未有的水平！物理分为基础物理和应用物理41.天文-宇宙学宇宙学以成为一门可以验证的精确科学！宇宙的历史，起源于130亿年前的大爆炸，演化到今天，宇宙是有边界的。1.天文-宇宙学5地上和地下21世纪的物理-USTCICTS课件6地上和地下21世纪的物理-USTCICTS课件72006年物理学诺贝尔奖两位诺贝尔奖获得者：1.John Mather,Senior astrophysicist at NASAs Goddard Space Flight Center2.George Smoot,Professor of Physics at University of California,Berkeley2006年物理学诺贝尔奖是关于：Nobel prize for Big Bang research2006年物理学诺贝尔奖两位诺贝尔奖获得者：8J.Matehr and G.SmootJ.Mather et al.,1990,Astrophys.J(Letter)354,37;G.Smoot et al.,1992,Astrophys.J(Letter)396,1J.Matehr and G.SmootJ.Mather9Nobel 奖提名Nobel 奖提名10Nobel Prize10-5KNobel Prize10-5K11宇宙形成于热大爆炸2。早期宇宙概况（1）远古的宇宙中不可能有星系（2）星系是均匀宇宙气体碎裂的产物 微小扰动会发展成局域结团（3）膨胀的宇宙来自大爆炸（密度，温度无限？）“Big Bang”!（4）强子，质子，中子从夸克产生，是宇宙演化的产物，E200 MeV(T=1012K)t=10-4 s（5）化学元素也是演化的产物,E=1-10 MeV(T=1010K)3-30 min（6）原子和分子是宇宙演化中产生的,E13.6 eV (T=104 K)宇宙形成于热大爆炸2。早期宇宙概况12几个简单公式3。几个简单公式爱因斯坦广义相对论 空间,时间和物质,真空能的关系为宇宙常数RW度规几个简单公式3。几个简单公式 空间,时间和物质,真空能的关系13Planck 分布Planck 分布中的高能光子数Planck 分布Planck 分布中的高能光子数14黑体辐射黑体辐射 光在黑体中多次散射，成热平衡状态。黑体辐射的光源是 t=2.4X105年时星系为形成前中性原子气体由于这个最后散射面是均匀且等温，观测到的背景辐射应高度各向同性。由于光子从有频繁碰撞到失去碰撞的转化很快，从最后散射面放出的光子动量分布是Planck分布。我们看到的黑体辐射就是宇宙光子背景辐射。黑体辐射黑体辐射15一个故事那么今天的Teff 大约为2.3-2.7K发现和证实：Princeton 大学的 Dicke 和 Peebles 认识到背景辐射对热大爆炸宇宙学的重要，准备寻找，Penzias 和 Wilson在调试频率为4080MHz的角形天线，在没有信号时测定了本底，拟合温度为T()=(4.4+2.3sec)K发现它是无法排除的来自远处的噪声。从而得到诺贝尔奖。但它仅是一个频率上的，由于实验很困难，大气影响很难排除，不能在地球上完成一个故事那么今天的Teff 大约为2.3-2.7K发现和证实16新的Nobel 奖这是COBE 测量的最后结果。在星系形成后的宇宙中，不同部分有了不同温度，宇宙介质已没有了统一的热平衡。例如太阳的热辐射谱合黑体辐射谱相差很大。只有在早期，宇宙才能是整体达到高度热平衡的系统。背景辐射谱与黑体辐射谱的高度一致指出它是来自早期宇宙，支持了热大爆炸理论。新的Nobel 奖这是COBE 测量的最后结果。在星系形成后17星体起源COBE的另一个结果 多极各向异性（偶极各向异性主要是由于银河系运动产生的红移改变）预示宇宙介质不能完全均匀。早期宇宙各处温度和密度有微小起伏，它是后来结构形成的种子。正是因为这种小起伏，由引力构成今天的星体。星体起源COBE的另一个结果18Nobel奖的工作然而从1977年起的十年中，分析四极各向异性的强度，受到精度限制得到零的结果。到80年代末，这上限异缩小到如果测量精度再高一个数量级后仍然得到零结果，那么这样过小的密度起伏奖来不及再今天形成星系，也就没有我们了。COBE使用仪器DMR在1992年测到了微波背景温度的四极各向异性为完全支持了热大爆炸宇宙学理论。Nobel奖的工作然而从1977年起的十年中，分析四极各向异19宇宙中元素大爆炸核合成BBN 这是一个比较复杂的核反应链但大爆炸理论预言中子数与质子数之比为1：7，这个比例是由于中子与质子的质量差为1.29 MeV，转化停止的冻结温度为0.8 MeV。这结果意味今天He丰度为质子的1/4。测量之为大约0.23-0.25。宇宙中元素大爆炸核合成BBN20正反物质不对称性7。宇宙中正反物质的不对称性 观测宇宙中只有质子，中子和带负电的电子，而不存在它们的反粒子。从热大爆炸理论它们应该存在。Sakharov 提出三个必须的条件1 存在破坏重子数（轻子数)守恒的相互作用2 CP破坏3 宇宙对热平衡的偏离（至少在演化某一阶段）正反物质不对称性7。宇宙中正反物质的不对称性21新的问题新的问题22AMS计划但也存在其他可能性，反物质存在于我们广阔宇宙的另一部分，它是和我们居住的部分完全分开的。那么就有可能一些暗物质颗粒会脱离它们的世界而飞到我们这儿来。我们的任务是找到它们。AMS 计划Alpha Magnetic Spectrometer(AMS)由丁肇中领导的庞大的计划在太空中寻找反物质流。AMS计划但也存在其他可能性，反物质存在于我们广阔宇宙的另一23地上和地下21世纪的物理-USTCICTS课件24宇宙学的困难8。暗物质与暗能量宇宙中可观测的发光物质，或重子物质只占宇宙总能量的5以下，暗物质（冷暗物质）占23，70以上是所谓的暗能量。暗物质是什么？历史上开始认为是中微子（热暗物质），现在认为最可能是超对称粒子neutralino，或axion,axionino 等。如何在地球上的探测器上检验暗物质流？宇宙学的困难8。暗物质与暗能量25地上和地下21世纪的物理-USTCICTS课件26宇宙学的困难 方法是让暗物质粒子与探测器中质子或电子碰撞，我们测量带电的质子或电子的反冲轨道。测量是非常困难的。最近在美国明尼苏达的探测器GCRS看到了两个暗物质的事例，但仍不能排除它们不是真的信号的可能性。他们用的是超低温的Ge和Si探测器。价格昂贵，技术复杂，科学意义重大！宇宙学的困难 方法是让暗物质粒子与探测器中质子或电子碰撞，我27我国的暗物质探测计划我国的暗物质探测计划28讲一个有趣的问题：虫洞理论讲一个有趣的问题：虫洞理论29地上和地下21世纪的物理-USTCICTS课件30地上和地下21世纪的物理-USTCICTS课件31哲学，物理学图：大蛇图宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量，非常长的时间，是超出宏观的宇观物理粒子物理研究的是非常小的尺度，非常高的能量（相对而言），非常短的时间，是微观物理。但它们却是紧密相关的。因而我们有可能在地球的探测器上对宇宙学进行研究。哲学，物理学图：大蛇图32粒子物理宇宙学LHC，ILC 和 RHICLHC，14 TeV,2007年开始运行，寻找Higgs，超对称粒子，等新物理的信号ILC，12 TeV，？，精确研究新物理的性质，探索更新的物理世界RHIC，寻找夸克胶子等离子体，模拟早期宇宙(Little bang)为进一步检验理论，提出新的物理思想奠定实验基础粒子物理宇宙学LHC，ILC 和 RHIC33第二部分：基本物质结构和基本相互作用根据我们现在的知识，有四种基本相互作用：1.引力相互作用，2.弱相互作用，3 电磁相互作用，4.强相互作用在宏观领域中只有引力和电磁作用在起作用那么基本的物质结构呢？第二部分：34Fermi Lab1986Fermi Lab35地上和地下21世纪的物理-USTCICTS课件36在粒子物理中有一个“标准模型”SU C(3)xSUL(2)xUY(1)但它一定要破缺，它的机制寄著名的Higgs机制，可以用下图来描写在粒子物理中有一个“标准模型”37现在的势能曲线，真空破缺早期宇宙，温度很高时的势能现在的势能曲线，真空破缺早期宇宙，温度很高时的38Higgs Boson(The Masses)Higgs Boson(The Masses)39在量子力学中有一个测不准原理要“看到”越小的结构，就要求越高的能量，相对论的只能关系也告诉我们，要想“产生”很中的粒子，就要有很高的“质心”能量。这就要我们建造能量很高，亮度很高的加速器，随着科学和社会的进步，新的加速器在不断建造。最新的就是LHC，大型强子对撞机。在量子力学中有一个测不准原理40LHC对撞机在 法国和瑞士交界的欧洲核子研究中心CERNLHC对撞机在 法国和瑞士交界的欧洲核子研究中心CERN41事例一次典型碰撞的事例，许多强子被产生事例一次典型碰撞的事例，许多强子被产生42它的能量为7 TeVx2它在2009年地以完成是运行，今年将开始3.5GeVx2的运行，大约要12-18个月，然后大检修，之后就会达到14TeV的满负荷运行了。机器的困难是难以想象的!它的能量为7 TeVx243LHC物理探测器（1）CMS 寻找Higgs和超对称等新物理（2）ATLAS 寻找Higgs和超对称等新物理（3）LHCb 做有关b物理的工作（4）ALICE 相对论重离子碰撞 还有两个TOTEM和LHCf 是辅助性的探测器LHC物理探测器44寻找希伯斯玻色子寻找希伯斯玻色子45新物理和寻找暗物质和暗能量一样，要解释正反物质的不对称性，需要新物理。已有若干新物理模型，但最终（？）要确定它们，必须依靠实验，LHC将是最好的（至少目前来说）的大型实验装置。新物理和寻找暗物质和暗能量一样，要解释正反物质的不对称性，需46地上和地下21世纪的物理-USTCICTS课件47对撞机毁灭地球之争科学家们将在实验中撞击质子，模拟宇宙大爆炸后一万亿分之一秒内的能量和条件，接着细致分析撞击产生的残骸，用以探求物质本质的线索和自然中新的力量和平衡。但是，沃尔特瓦格纳和刘易斯桑科两个人坚持认为，欧洲核子研究中心的科学家在各种灾难性后果中刻意贬低大型强子对撞机产生黑洞的可能性。他们认为实验产生的黑洞可以吞噬地球。或者，强子对撞机将产生一类名为“奇异微子”(Strangelet)的粒子，将地球变成一团沉寂、收缩的“奇异物质”。他们的讼状还称，欧洲核子研究中心未能按照美国国家环境政策法的规定，提供有关对环境影响的说明书。尽管这一诉讼听起来有些荒诞，但却揭示了一个近年来困扰学者和科学家的严肃问题，即如何评估这次极富创造力的实验的风险性，以及由哪一方去决定是否继续这项实验。对撞机毁灭地球之争科学家们将在实验中撞击质子，模拟宇宙大爆炸48可能吗？最近有人提出在LHC上会产生黑洞（black holes），它会吞没它周围的一切，乃至我们赖以生存的地球，毁灭人类，这可能发生吗？这大概是一个hoax(美国式的），但还是有很多人相信，因而很多理论家做了认真的研究以解除公众的心里障碍。例如：Exclusion of black hole disaster scenarios at the LHC.By Benjamin Koch,Marcus Bleicher(Frankfurt U.),Horst Stocker(Frankfurt U.,FIAS&Darmstadt,GSI)可能吗？最近有人提出在LHC上会产生黑洞（black hol49其他实验目前我国的BEPCII，（BESIII）已经成功完成对撞，今年开始取数据；日本的Belle（B-介子工厂）我国的大亚湾中微子实验；目前RHIC 等等都对人类认识自然提供了实验观测基础。其他实验50天上我们有卫星，飞船，气球等搭载各种精密仪器探测宇宙来的信息，丁肇中先生领导的AMS将探测反物质的存在。目前已发现在50 GeV左右有反常的正电子超出，这可能是暗物质湮没的信号，最近有发现从遥远超新星来的高能光子比低能光子慢，这可能是量子引力效应或什么新物理。天上我们有卫星，飞船，气球等搭载各种精密仪器探测宇宙来的信息51那么地下在做什么？探测中微子，日本的神岗的中微子实验 确认中微子有很小的静止质量，从而解决了太阳中微子刘缺失和大气中微子之谜，而获得了诺贝尔奖。美国在南极做的IceCube实验，主要希望寻找高能中微子，河外超新星爆炸产生的中微子等等。那么地下在做什么？52探寻暗物质流，是让WIMP和物质中的核子散射，通过测量核子的反冲来确认暗物质流。Minnesota 的CDMS探测器就是放在矿井中。这主要是排除宇宙线的影响。岩石曾越厚，宇宙线的背景就越小，实验条件也就越好。我国拟议中的暗物质研究就是在四川利用天然和人工隧道来放置探测器。探寻暗物质流，是让WIMP和物质中的核子散射，通过测量核子53物理细推物理须行乐何用浮名绊此身 杜甫，曲江二首细推物理日复日疑难得解乐上乐 李政道，借杜甫诗意物理细推物理须行乐54The Golden ageis coming!Thanks!谢谢！谢谢！The Golden ageis coming!55