粒子物理基础

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,*,粒子物理,基础,世界是由什么组成的 ？,世界是如何组成的 ？,世界由什么构成？,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”,世界由什么组成？,为什么世界上不同的物质具有相同的特征？,因为世界上的物质是由几个基本的砖块组成的,-简单、没有内部结构！,从远古时代，人类就开始,这样想。比如认为世界是,由,“水、火、土、气”,组成。,“基本砖块”,世界的基本砖块？原子 ？,今天人们知道“水、火、土、气”并不“基本”，它们是由“原子”组成的。,在1900年前后，人们认为“原子”是可穿透的球，内部有一些电荷在跳动。,“,原子,”,是基本的吗？,人们很快就发现：可以根据其化学性质把“原子”分类,元素周期表,这表明“原子”有内部结构，是由更小的砖块组成的。,19世纪未的三大发现,1895年伦琴（W.C.R,ntgen）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,“原子”是由带正电的、重,而小的“原子核”和围绕它,的带负电的“电子云”组成,实验表明：,“,原子核,”,是基本的吗？,“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本的粒子。,后来，人们发现“原子核”并不基本，是由带正电的“质子”和不带电的“中子”组成。,世界由什么组成？如何组成？最后答案,We have answered the questions, What is the world made of? and What holds it together?“,The world is made of,6,quarks,and,6,leptons,. Everything we see is a conglomeration of quarks,and leptons.,There are,four fundamental forces,and there are,force carrier particles,associated with each force,描述这些基本粒子的理论：标准模型,粒子的衰变和湮灭,原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核,基本粒子的衰变：一个基本粒子变成几个较轻的基本粒子,放射性的发现,1800年代的晚期，德国物理学家,Wilhelm Rntgen,发现：当电子束打到金属片上时，会有奇怪的射线发出，他称之为 X-射线,两个月后，法国物理学家,Henri Becquerel,发现有些矿石（如铀）会自然的放出射线。不稳定的原子核衰变而放出射线放射性,射线的种类, 射线：氦（helium）核（2p,2n), 射线：高速电子, 射线： 高能光子, 射线可以被纸片挡住, 射线可以被铝片挡住, 射线只能用铅板来档,铀的衰变,一大块铀的衰,变（半衰期）,单个铀的衰变（几率）,铀为什么会衰变？,残余的强力把相互排斥的,核子束缚在一起形成原子核,微观粒子只能以几率的方式描述：量子力学,核子团（比如,)逃逸出原子核的几率很小；,对大原子核（如铀）这种几率比较大。,衰变中的质量亏损,238.0508,234.0436,4.0026,0.0046 u 的质量亏损掉了，变成了能量,！,“,质子,”,和,“,中子,”,是基本的吗？,人们发现“质子”和“中子”并不基本，,是有更小的粒子-“夸克” 组成。,“夸克”-目前没有发现其内部结构，是“基本”的 粒子,现代的,“,原子,”,图像,注意： “原子”体积的,99.999999999999%,是空的 ！,“,原子,”,的大小,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的存在,物质的结构层次：,宏观物体 场,分子,原子,原子核,质子 中子,夸克 电子 规范粒子,宇观,宏观,介观,微观,人,地球,山,原子核,原子,星系,星,太阳系,夸克,天体物理,粒子物理,两大尖端紧密衔接,DNA,10,10,10,5,10,-15,10,-20,10,15,10,25,1,m,10,20,10,-5,1,-10,up,宇宙形成,人类是认识自然界的主体“米” 基本长度单位,最小对象是粒子,10,-20,m,，,最大对象是宇宙，哈勃半径，,10,22,m,宇宙的起源：大爆炸宇宙模型,100,多亿年前，大爆炸。粒子在宇宙诞生的瞬间产生，,最大和最小,宇宙和粒子连接起来。,世界的层次,宏观系统：尺度在,m,以上的客体,因果规律，用牛顿力学或相对论力学描述,微观系统：尺度在,m,以下的客体,统计规律，用量子力学描述,介观系统：呈现微观特性的宏观系统,亚微米尺寸的器件，一定条件下表现出量子效,应，微观特性起主导,宇观系统：星系、宇宙,物质的层次结构,Electrons (10,-18,m ),Atom,nucleus nucleon,quark,10,-10,m,10,-14,m 10,-15,m,10,-18,m,The Component Unit of Matter,物质的层次结构,世界由物质组成，物质存在的基本形式是粒子和场。目前人类所认识的物质客体的空间尺寸，其大小至少跨越了42个数量级。,如何实验研究粒子,今天知道的粒子的绝大部分都是不稳定的粒子，它们在宇宙形成的初期都曾经存在过，但很快就衰变掉了，要研究粒子物理，就必须产生出这些粒子，并用探测器研究这些粒子的性质。,粒子产生的方法：,宇宙线,对撞机,粒子探测的工具：,探测器,宇宙线,对撞机（加速器）,直线加速,回旋加速,固定靶,对撞机,当今世界上的加速器,Fermilab （费米实验室，美国）,SLAC (斯坦福直线加速器中心，美国),BNL (布鲁海文实验室，美国）,CESR (康奈尔正负电子储存环，美国）,CERN (欧洲粒子物理实验室，瑞士),KEK （高能加速器研究机构，日本）,DESY (电子回旋加速器，德国）,IHEP (高能物理所，中国）,粒子探测器,如何识别不同粒子,现代粒子物理实验的鼻祖:,卢瑟福,实验,Beam:,粒子,Target:,金箔,Detector:,硫化锌屏幕,一点历史,-Steven Weinberg,观测世界的手段：总结,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,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,空间,粒子,2,粒子,1,媒介子,时间,粒子之间的相互作用,总是通过交换媒介粒子来实现的。,粒子间相互作用的时空图,基本相互作用,现在物理认为，粒子间的相互作用是由场传递的，是依靠交换规范玻色子来实现的。量子场论认为：,（）每种粒子都有相对应的场，场没有不可入性，对应各种粒子的场相互重叠地充满全空间。,（）某种场能量最低的状态称为该场的基态。基态场不能通过状态变化释放能量、输出信号。表现为观察不到存在粒子。,（）场处于激发态时表现为出现相应的粒子，场的不同激发态表现为粒子的数目和运动状态不同。,（）当所有场都处于基态时，任何一个场都不可能释放能量而给出信号，都不显示粒子,物理上的真空。真空并非空无一物而是充满了各种基态场。,（）基态场和激发态的场都与其他场相互作用，他是粒子间相互作用的来源。,粒子与场的相互关系,类别,相对强度,距离,(m),作用时间,(,s,),媒介粒子,强作用,1, 10,-15,10,-23,胶子,电磁作用,10,-2,r,-,2,长程,10,-20,10,-16,光子,弱相互,作用,10,-13, 10,-17, 10,-8,中间玻色子,引力作用,10,-39,r,-2,长程,引力子,粒子之间的,四种相互作用：,粒子的相互作用随它们之间的距离而变化,用力程来表示，力程是粒子间的有效作用范围，它正比于媒介粒子质量的倒数。,The Four Types of Interactions,Gravity,Weak,Strong,Electromagnetic,相互作用的统一理论,经过某种变换之后，物理规律保持不变，这就是物理规律的对称性。,如果一个操作使系统从一个状态变到另一个与之等价的状态，或者说，状态在此操作下不变，我们就说这系统对这个操作是对称的，而这个操作叫作这系统的一个对称操作,.,什么是对称性,空间对称性,与空间对称性相对称的操作有旋转、平移、镜像,（,1,）,旋转对称,圆对于绕过其中心垂直于圆面轴,o,旋转任意角度的操作都是对称的。对于在圆内加一对相互垂直直径的体系，其对称操作只能是转动,/2,的整数倍。如果在圆环上加一个小球，其对称操作就只能是转动,2,的整数倍了。,（,2,）,平移对称,（,3,）,镜象反射对称,通常说的左右对称，本质上就是镜象反射对称，或者说宇称,(parity),，相应的操作就是空间反射,(,镜面反射,),。,时间对称性,1.,时间平移对称性,一个静止不变或匀速直线运动的体系对任何时间间隔,t,的时间平移表现出不变性。对于一个周期性变化体系,(,单摆、弹簧振子,),，对周期,T,及其整数倍的时间平移变换对称。,2.,时间反演对称性,把时间,t,变换到,(-,t,),的变换叫做时间反演操作，相当于时间倒流。当然，现实生活中时间是不会倒流的。但可以想象摄制的录象带倒放时出现的情形：人倒退着走路；弥漫在空气中的烟雾逐渐被收拢到烟斗中去；,。武打电视片的摄制者就是利用这一点，让演员从高处往下跳，拍摄下来倒着放，就可以表现出一个人从地面跃起，跳上高墙的场面。,诗曰：,君不见黄河之水天上来， 奔流到海不复回？,君不见高堂明镜悲白发，,朝如青丝暮成雪？,这里，诗人哀叹韶华如流，人生易老，正是时间反演不对称的写照。尽管只有少数理想的体系具有时间反演对称性，但确实有这种理想的体系。,标度变换对称性,所谓,标度变换,通俗地讲，就是放大缩小。鹦鹉螺美丽的外壳为标度不变提供了一个很好的范例。在数学中，一条螺线，具有标度不变性的函数关系 ，这时当这个图形放大或缩小时，只需转过一个角度，就可以与原来的曲线重合。,对称性原理,(1),原因中的对称性必反映在结果中，即结果中的对称性至少有原因中的对称性那样多；,(2),结果中的不对称性必在原因中有所反映，即原因中的不对称性至少有结果中的不对称性那样多；,(3),在不存在唯一性的情况下,原因中的对称性必反映在全部可能的结果的集合中，即全部可能的结果的集合中的对称性至少有原因中的对称性那样多。,从这个原理可以看到，自然规律反映了事物之间的因果关系，其对称性即：,等价的原因,等价的结果；对称的原因,对称的结果,微观世界的对称性,1,：洛仑兹不变性,这个不变性是狭义相对性原理的数学表述，在狭义相对性原理中指出：一切惯性坐标系都是等价的，物理规律对于一切惯性坐标系都具有相同的形式，狭义相对性原理比伽俐略相对性原理更普遍。不同惯性系中的坐标可以通过洛仑兹变换联系起来，选不同的坐标系相当于施行了一个洛仑兹变换，洛仑兹不变性是自然界中很重要的对称性。,2,：正反粒子变换（C变换）不变性,正反粒子变换有时也称电荷共轭变换，C变换不变性是指将系统中的正反粒子互换，系统的运动规律与原有系统的运动规律相同，表征变换性质的量子数叫C宇称，也只有正负之分。,3,：空间反演变换（,P,变换）不变性,空间反演变换不变性也就是镜像对称性，前面已经介绍过了，这里不再赘述。在微观世界里,P,变换不变性将导致系统的宇称守恒，宇称是描写一个系统的状态在空间反演下的变换方式的量子数。,4,：时间（,T,）反演不变性,这是一种将时间逆转的变换，即把将来和过去颠倒过来。在,T,变换下，产生一个粒子变成消灭一个粒子，这种变换没有相应的量子数。,5:,CP,联合反演不变性,空间反演,P,和电荷共轭,C,联合起来的变换下的不变性，适应于绝大多数弱力过程的物理规律，中微子将变为现实世界中的反中微子。 左旋中微子,-C-,左旋反中微子,-P-,右旋反中微子左旋中微子,-P-,右旋中微子,-C-,右旋反中微子但是在个别情况下，,CP,对称性有轻度的破坏叫,CP,破坏，在发现宇称不守恒的,1956,年就有人讨论过,CP,破坏的可能性，由于破坏幅度很小，直到,1964,年在中性,K,介子的衰变实验中才首次得到验证。,6,:,CPT,变换下的不变性,把电荷共轭,C,，空间反演,P,，时间反演,T,这三种分立变换联合起来变换叫,CPT,变换，这是一个非常普遍，极其完美又十分精确的对称性，例：从它能导出正反粒子有如下的关系：有相同的质量，总寿命值相等，符号相反的电荷共轭等等。实验上对这些关系的验证也是十分有力的。,7:,同位旋空间中的转动不变性,同位旋空间是一个假象的三维空间，它是在研究强作用时，通过与自旋的类比而引入的。同位旋空间中的转动不变性表示同位旋空间各向同性，它将导致同位旋守恒。,对称性与守恒定律,守恒定律的缘起是时空对称性。由,时间,平移不变性可以导出,能量,守恒定律，由,空间,平移不变性可以导出,动量,守恒定律，由,空间各向同性,可以导出,角动量,守恒定律。,对称性原理是最高层次的定理，它凌架于牛顿定律、动量定理等这些基本物理规律之上。对某些问题，在不涉及一些具体定律之前，我们往往有可能根据对称性原理和守恒定律作出一些定性的判断，得到一些有用的信息。,守恒量,守恒定律的研究占极重要地位（能量）,经典物理: 质量,能量,动量,角动量电荷守恒定律,粒子物理: 同位旋,奇异数,轻子数,P,C,CP,等,守恒量之分类：,相加性与相乘性（,P,C,CP,G,等无经典对应）,严格守恒（对所有相互作用）和近似守恒,对称性的自发破缺,原来具有较高对称性的系统出现不对称因素，其对称程度自发降低,这种现象叫做对称性自发破缺。,餐桌上的对称性破缺,假设餐桌桌面的布置和入席时各人的座位完全对称，如图所示。突然某人先拿起了一双筷子，譬如拿的是右边的筷子，这过程迅速传遍全桌，最后人人都拿起右手边的筷子，,左右对称性发生破缺。,1956,年，李政道和杨振宁为解释奇异粒子衰变过程中的“ 疑难”指出，在强作用和电磁作用中宇称守恒是得到实验的判定性检验的，但弱作用过程中宇称守恒并未得到实验的检验，弱作用过程中宇称可以不守恒。,1957,年美籍华裔女物理学家吴健雄通过,10,-2,K,低温下钴,60,核衰变实验对此结论进行了检验。实验原理是利用核磁共振技术使钴“核自旋方向沿确定方向排列，然后观察其衰变产生的电子数分布是否左右对称,实验情况如图所示，末态电子分布不具有镜像对称性、从而证明了弱作用中宇称不守恒。李政道和杨振宁因此获得,1957,年诺贝尔物理奖。,弱作用中宇称不守恒,上帝是个左撇子？ 当,“,宇称不守恒,”,在上世纪,50,年代被提出时，大多数人对,“,完美和谐,”,的宇称守恒定律受到挑战不以为然。在吴健雄实验之前，当时著名的理论物理学权威泡利教授甚至说：,“,我不相信上帝是一个软弱的左撇子，我已经准备好一笔大赌注，我敢打赌实验将获得对称的结论。,”,然而，严谨的实验证明，泡利教授的这一次赌打输了。,近代微生物学之父巴斯德曾经说过：,“,生命向我们显示的乃是宇宙不对称的功能。宇宙是不对称的，生命受不对称作用支配。,”,自然界或许真的不是那么对称和完美，大自然除了偏爱物质、嫌弃反物质之外，它对左右也有偏好。,自然界的,20,种氨基酸中，有,19,种都存在两种构型，即左旋型和右旋型。在非生物反应产生氨基酸的实验中，左旋和右旋两种类型出现的几率是均等的，但在生命体中，,19,种氨基酸惊人一致地全部呈现左旋型,除了极少数低级病毒含有右旋型氨基酸。无疑，生命对左旋型有着强烈的偏爱。,正如著名的德国哲学家莱布尼茨所说，世界上没有两片完全相同的树叶。仔细观察树叶中脉,(,即树叶中间的主脉,),的细微结构，你会发现就连同一片叶子两边叶脉的数量和分布、叶缘缺刻或锯齿的数目和分布也都是不同的。绝大多数人的面部发育都不对称，,66%,的人左耳稍大于右耳，,56%,的人左眼略大，,59%,的人右半侧脸较大；人的躯干、四肢也不完全对称，左肩往往较高，,75%,的人右侧上肢较左侧长。,引力是一种长程力，在所有物质间均存在。,引力在四种基本相互作用中是最弱的,粒子质量很小，在粒子世界引力忽略；,宏观领域，尤其是天体，质量很大，引力起主要作用。,(1),引力相互作用,引力子,粒子,1,粒子,2,(2),电磁相互作用,只存在于带电粒子之间，是一种长程力，在宏观和微观都起作用。例如：光子的吸收、发射、散射；电子与原子核结合为原子；弹力、摩擦力、压力、浮力,基态粒子,光子发射,激发态粒子,光子吸收,基态粒子,激发态粒子,e,-,虚光子,e,-,e,-,e,-,e,e,e,+,e,-,(3),强相互作用,强度大，力程短，是粒子间最重要的相互作用力。粒子间距为,-15,.,m,时表现为引力，距离再小表现为斥力。正是强力将夸克束缚在一起组成质子和中子，并将质子和中子束缚在一起组成原子核。,0,介子,n,p,n,p,+,介子,n,p,p,n,-,介子,p,n,n,p,(4),弱相互作用,力程比强作用更短，力也更弱。除光子外，轻子间，轻子与介子间，轻子与重子间，介子与介子间存在。,W,-,e,p,e,n,弱相互作用的交换媒介子是中间波色子,W,，中间波色子可以是中性的，也可以是正负电荷,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？,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,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,众多的,“,复合粒子,”,人们一直在寻找粒子，目前已发现200,多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合,粒子”,。,这些粒子的名称“五花八门”。,费米(Enrico Fermi) 对他的学生,莱德曼(Leon Lederman)说：,Young man, if I could remember the names of,these particles, I would have been a botanist!,标准模型,世界有什么组成？如何组成？,-,标准模型,6 种轻子,6 种夸克,传递力的粒子,夸克（Quark）模型,轻子 (电荷) 夸克 (电荷),第一代,第二代,第三代,世界由什么组成？,世界上的一切物质，从星系到山川河流，都是由,“轻子”,和,“夸克”,组成。,“,反物质,”,（,“,反粒子,”,）,对应于每一种“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区别是 电荷反号。,“粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮灭”，,变成能量。,夸克,“,夸克,”,名称的由来,1964年,Murray Gell-Mann,和,George Zweig,建议用,三个基本粒子,的不同组合来解释所发现的几百个粒子。Gell-Mann 把这三个粒子叫作“Quark”,“Quark” 一词来自,James Joyce,的小说,“Finnegans Wake”,不同种类的“夸克”称作不同的,“味道”,的“夸克”称作 “上” （up),和 “下” (down):,称为 “奇” (strange), 它组成的,粒子“K”粒子具有“奇怪”的长寿命,称作“璨”（Charm），1974年在斯坦福,（SLAC)和布鲁海文实验室(BNL)发现,称作“底”(bottom)，1977年在费米实验室发现,称作“顶”(top)，1995年在费米实验室发现.,两个最轻,第三个,第四个,第五个,第六个,强子（重子、介子）,正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成的复合粒子叫“强子”,虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数,虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色,强子（Hadron） 有两类：,重子（Baryon） 介子（Meson）,轻子（Lepton）,夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在,带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电的轻子（中,微子）象附着在这些动物身上的跳骚，难以看到,带电轻子的衰变,中微子,太阳上质子聚变,大量中微子，地球,很少且呈周期性变化。,是否存在中微子振荡？,发光星体质量只占空间物质总质量的一小部分，大部分质量以“暗物质”形式存在。,中微子是暗物质吗？中微子质量是否为零？有无磁矩？有没有中微子星？,宇宙大爆炸遗留下来的中微子充满整个宇宙，其密度与光子差不多,中微子能畅行无阻的穿出庞大的星球，把星球内部的信息传递出来。有别于星光，日光,中微子之迷,中微子的自旋方向与运动方向相反；反中微子的自旋方向与运动方向一致。,v,v,中微子的特点,不带电荷、色荷，和物质的作用非常弱；,绝大多数可以穿过地球，而不和地球的物质发生作用；,可以在很多过程中产生，特别是粒子的衰变，(正是从粒子的衰变中推断其存在）；,由于在宇宙形成的初期中微子大量产生，并且它们和物质的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它们虽然很轻，但因为数众多，所以对宇宙的质量有不可忽视的贡献，影响宇宙的膨胀。,物质的,“,代,”,第二、三代的费米子衰变很快，我们周围的物质中没有它们。为什,么它们还存在呢？当,轻子被发现时，I.I.Rabi,叹道：“Who odered,t,hat ?”,世界由什么组成？答案,世界如何组成？,世界由夸克和,轻子组成。,是什么把夸克,和轻子组合成,物质？, 四种作用！,物质如何相互作用？,物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁的吸引或排斥,物质间通过力场发生相互作用,通过交换,携带力的粒子,！,电磁力,电磁力引起“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由电磁力引起。,电磁力的携带粒子是“光子”，不同能量的光子形成了电磁波谱，如 X射线、可见光和无线电波。,光子没有质量，以光速传播。,残余电磁力,“,原子,”,含有相同数目的,“,质子,”,和,“,电子,”,是电中性的，它们如何形成分子呢？原来一个,“,原子,”,中的,“,电子,”,跟另外一个,“,原子,”,中的质子还有作用，这种原子间,“,残余电磁力,”,使不同的,“,原子,”,结合成,“,分子,”,。所以，正是,“,电子,”,和,“,质子,”,带有异号的电荷使得我们的世界得以形成 ！,原子核如何形成 ？,原子核由质子和中子组成，质子带正电而相互排斥，中子不带电，为什么它们不因排斥而散开呢？,这个问题用电磁力无法回答 !,强作用力,夸克带有“电荷” ，还带有“色荷”；带“电荷”的粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”的粒子之间有“强作用”。,“强作用力”使夸克形成“强子”,“强作用力”的携带粒子叫“胶子”,（“强作用”象“胶”一样把夸克粘在一起！）,“强作用”与“电磁作用”不同，“胶子”本身带有“色荷”，而“光子”本身不带“电荷”；,虽然“夸克”带“色荷”，它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。,色荷,带色荷的粒子（夸克、胶子）通过交换胶子发生强作用,夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷,夸克带色荷，反夸克带反色荷 ，胶子带一对“色荷-反色荷”,组成重子的三个夸克分别带有“,红,、,绿,、,蓝,”色荷，所以是色中性的,组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红”）和反色荷（如“反红”），所以也是色中性的,色荷在作用过程中是守恒的,夸克禁闭,带色的粒子不能单独存在，夸克总是,和别的夸克囚禁在一起而形成色中性,的强子,强子中的夸克疯狂的交换胶子进行强,作用，它们存在于由胶子组成的色场中：,当胶子场获得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克,渐近自由与夸克禁闭,夸克禁闭未被严格证明！,-Steven Weinberg,夸克发射胶子,夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证色荷守恒。如带有“红”色荷的夸克发射了一个带有“红-反蓝”的胶子后，自身的色荷变成了“蓝”。,残余的强作用：原子核的形成,虽然组成原子核的核子（质子和中子）都是色中性的，它们之间有“残余的强作用”，这种作用远远超过质子之间的电磁斥力，原子核由此而形成。,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（LeeYangWu),1958年VA理论,1963年Cabibbo理论,1967年Weinberg理论,1971年t HooftVeltman证明,1972年GIM机制,弱相互作用与粒子的衰变,弱作用,虽然有6种夸克和6种轻子，但我们周围除了3种中微子单独的存在着外，所有物质都是由最轻的2种夸克(u,d)和1种最轻的带电轻子（电子）组成，较重的夸克和带电轻子呢?,较重的夸克（s,c,b,t)和带电轻子(,）在宇宙,形成的初期就衰变掉了，衰变成了最轻的夸克,和轻子。这些衰变（即味道的改变）都是通过,弱作用进行的。,弱作用的携带粒子是W,+,W,-,Z,标准模型把弱作用和电磁作用,统一到了一个理论框架中。,电磁作用和弱作用的统一,标准模型把电磁和弱作用统一描述，称为电弱理论,在非常小尺度(10,-18,米）或非常大能标(100 GeV),情况下，弱作用的强度和电磁作用的强度在同一,水平。,随着尺度的增加或能标的降低，弱作用将远远弱于,电磁作用。,弱作用的携带粒子是重达100 GeV的粒子，是一种短,距作用,分类,自旋量子数,泡利不相容原理,统计规律,费米子,(,电子 质子 中子 各种重子,),半整数,1/2,，,3/2,，,服从,费米,狄拉克统计分布,玻色子,(,光子,介子,K,介子、,介子,),整数,1,，,2,，,不服从,玻色,爱因斯坦统计分布,希格斯粒子,0,寻求中,按自旋量子数,总之，按标准模型理论，基本粒子世界由,62,种粒子组成：,13,种规范玻色子，,48,种费米子（包括,12,种轻子和,36,种夸克）和一种希格斯粒子。其中引力子和希格斯粒子的存在尚未被实验证实。,引力,引力很是奇怪。虽然它是一种基本的力，标准模型却不能描述它。如何把它也统一进来是当今物理学的一大难题。,引力的携带粒子引力子，至今未被发现。,自然界基本作用力的总结,量子力学,原子和亚原子粒子的性质与我们日常生活中的物体完全不一样，它们不是跳动的小球，它们不仅具有粒子性，还具有波的性质 （波粒二象性），它们的运动规律用“量子力学”描述。,量子力学中物理量只能取分离的值：量子化。,常见的量子数：电荷、色荷、味道、自旋,量子力学,只能预言粒子在某,一时刻出现在某处,的几率 .,God doesnt play dice!”,(Einstein was wrong.),量子数：,几率：,衰变中的,“,中介子,”,衰变,正反粒子的湮灭(I),正反粒子的湮灭(II),未解之谜,标准模型取得了巨大成功，但它仍不是一个基本的理论，有一些理论问题无法解释：,有关费米子“代”和“味道”的问题,“大统一”和更小尺度的物理,“暗物资”和“暗能量”,黑格斯粒子的本质,水平方向的：,竖直方向的：,来自天上的：,来自地狱的：,“,暗物质,”,和,”,暗能量,”,标准模型无法解释,费米子,“,代,”,和,“,味道,”,之谜,为什么恰好有三代 ？,为什么有不同的质量?,CP 破坏问题 ？,物质和反物质不对称,物质和反物质不对称问题（宇宙形成）,黑格斯粒子,标准模型中所有粒子的质量都来自于黑格斯机制；黑格斯粒子至今还未发现。,黑格斯粒子是基本粒子还是复合粒子？,为什么黑格斯粒子的质量平方是负的 ？,V,Im(H),Re(H),大统一和更小尺度的物理,基本粒子物理的一个主要目标就是把各种作用力统一起来,-大统一理论,爱因斯坦晚年致力于把电磁力和引力统一起来,但没有成功,至今，人们仍在探索大统一理论,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,通向新物理的拦路虎：等级问题,电弱能标,标准模型只能到此,新物理,短距离,100 GeV,1 TeV,10,15,GeV,(?),m,H,2,= (m,0,H,),2,+C,L,2,100 GeV,10,15,GeV,10,15,GeV,精细调节 ！,新物理方向 I：超对称,新物理方向 II：额外维空间,G,统一引力：超弦理论,“统一”,“统一”,最终理论：,质量的起源是什么？中微子的质量是否是零？,夸克和轻子的“代”是如何产生的？还有没有更多代的夸克和轻子？,能否打破夸克的“紧闭”，实现夸克胶子等离子体？,夸克和轻子又无内部结构？能否在亚夸克层次将二者统一起来？,能否实现基本力的统一？还有没有尚未发现的基本力？,是否存在磁单极？,寻找引力子；量子理论与引力理论的协调。,科学探索是没有尽头的，是从？到？,解决.,