粒子物理学基础

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,粒子物理学基础,1,王淦昌先生,2,李文铸先生,3,汪容先生,4,王凎昌先生和汪容先生,5,粒子物理学,物质的基本组成,物质间的基本相互作用,物质运动的基本规律,6,二十世纪的主要成就,相对论与时空观念,狭义相对论,高速运动粒子,广义相对论,引力理论，宇宙学,量子力学,波粒二象性,微观粒子,量子场论,描述物理世界的基本语言,标准模型,物质的基本组成和基本相互作用,7,基本相互作用,引力相互作用,电磁相互作用,强相互作用,强大的核力维持原子核的稳定性,弱相互作用,导致基本粒子的不稳定,引起衰变,8,9,对称性决定相互作用,电磁相互作用：,U(1),规范对称性,弱电相互作用：,SU(2),U(1),规范对称性,强相互作用：,SU(3),规范对称性,引力相互作用：局域,Lorentz,对称性,规范粒子质量,:,对称性自发破缺,费米子质量,:,Yukawa,耦合,一种参数化,新的物理,10,11,牛顿力学,12,时间，空间,点粒子：位置，速度，加速度,牛顿定律,惯性,作用与反作用,13,一个伟大的发现：,14,15,16,相对性原理与,Galilean,变换,17,电动力学,电磁现象,18,麦克斯韦方程,洛伦兹力,19,相对性原理,洛伦兹变换,20,电磁波,光子,:,质量为零,速度为,c,21,狭义相对论,相对性原理,光速不变,22,Lorentz,变换与原时,:,时空对称性,23,相对论动力学,24,25,量子力学,波粒二象性,态的线性叠加原理,互补性原理,测不准原理,26,量子力学基本原理,States of the system,Relation of commutation,Hermitian operators,Schrodinger equation,Principle of identity,Principle of measurement,27,Schrodinger,方程,Heisenberg,矩阵力学,28,氢原子,29,谐振子,30,相对论,量子力学,Klein-Gordon,方程,电磁相互作用,负能量,负几率,精细结构不正确,31,Dirac,方程,电磁相互作用,正几率,电子的自旋,精细结构正确,Klein,佯谬,负能量,32,反粒子,相对论的预言,高能微观系统的多粒子特性,量子场论的必然,33,基本相互作用,原子核内，质子与质子之间有很强的库仑排斥力，那么是如何维持原子核的稳定性的呢？,要维持原子核的稳定性，核子间必定存在相互吸引的强大的核力：,强作用力,作用范围要小，导致原子结构的不稳定,引起原子核,衰变，有轻子参与的相互作用,弱作用力,34,四种基本相互作用力,对象,强度,范围,交换粒子,电磁力,带电粒子间,10,-2,(,光子,),引力,万物,10,-40,G (,引力子,),强力,强子,1,10,-15,米,g (,胶子,),弱力,有轻子参与,10,-5,10,-18,米,w,z,0,35,非直接、即时相互作用,36,量子场论,描述物理世界的基本语言,量子力学,狭义相对论,37,量子电动力学,38,Tomonaga,39,Schwinger,40,R. Feynman,41,Dyson,42,电子与光子构成简单系统,介子与光子构成简单系统,43,规范对称性与电磁相互作用,44,Feynman,规则,45,Lamb,效应,46,电子反常磁矩,47,Compton,散射,48,49,强相互作用与,夸克（,Quark,）模型,50,Gell-mann,51,Gross,52,Wilczek,53,世界到底由什么构成？,中国古代有元气说，和阴阳五行说,在古希腊有原子说即由一种不能再分的 最小基本单元“原子”构成,亚里士多德却认为物质是连续的。,正如中国,庄子、天下篇,所言“一尺之棰，日取其半，万世不竭”,54,19,世纪未的三大发现,1895,年伦琴（,W.C.Rntgen,）发现,X,射线,1896,年贝克勒尔,(H.Becquerel),发现放射性,1897,年汤姆逊,(J.J.Thomson),发现电子,他们三人也因此分别获得了,1901,年、,1903,年和,1906,年的诺贝尔物理学奖。,电子的发现对物理学的影响非常深远,物理学对象从宏观转入到了微观领域,55,原子的有核结构,1911,年汤姆逊的学生卢瑟福确立了原子的有核结构,1913,年卢瑟福的学生丹麦物理学家玻尔建立了量子的原子结构模型,1919,提出了原子核内存在中子的设想,1932,年查德威克确认了中子,n,的存在,56,物质的层次结构,57,基本粒子的性质,质子和中子的大小约为,1,个费米,质子的质量为,938.3MeV,，中子为,939.6MeV,电子为,0.511MeV,质子和中子称为重子,电子称为轻子,质子的寿命长于亿亿亿亿年,自由中子的寿命却只有,877,秒，中子会衰变成质子、电子和一个新粒子,反中微子,.,这是否预示着质子、中子内部还有结构？,58,众,多的新粒子,1931,年狄拉克预言：存在着反电子,1932,年安德逊发现了正电子，并因此获得了,1936,年的,诺贝尔物理学奖,1931,年泡利预言中存在微子，不带电，质量为零,1935,年汤川秀树预言,介子的存在，,1947,年鲍威尔发现,介子,59,更多的粒子被发现,介子：,J=0,，,，,0,，,，,k,，,k,0,重子,: J=1/2,，,p,，,n,，,，,0,，,，,0,，,且每种粒子都有反粒子，总数达数百种。,然而混乱中存在秩序，类似于元素周期表，上述粒子也满足一定的规律，表明粒子内部还有结构,60,夸克（,Quark,）模型,轻子,(,电荷,),夸克,(,电荷,),第一代,第二代,第三代,61,强子态深度非弹性散射,62,量子色动力学（,QCD,）,63,渐近自由与夸克禁闭,64,65,强子质量谱,66,弱电统一理论,67,Glashow,68,S. Weinberg,69,Salam,70,T Hooft,71,Veltman,72,1896,年贝克勒尔,(H.Becquerel),发现放射性,1931,年,Pauli,提出中微子,1933,年,Fermi,理论,1956,年宇称不守恒（,Lee,Yang,Wu),1958,年,V,A,理论,1963,年,Cabibbo,理论,1967,年,Weinberg,理论,1971,年,t Hooft,Veltman,证明,1972,年,GIM,机制,弱相互作用与粒子的衰变,73,74,二十一世纪,Higgs,粒子,弱电对称性破缺,费米子质量,强、弱、电三种相互作用的统一,超对称理论和超引力理论,量子引力理论,超弦理论,75,76,77,End of the Fifth Lecture,78,