粒子物理学的发展PPT.ppt

粒子物理学的发展 粒子物理 高能物理 是研究场和粒子的性质 运动 相互作用和相互转化规律的学科 也是研究粒子内部结构规律的学科 是当代物理学发展的前沿 1 实验研究 主要是通过高能粒子的相互碰撞 用实验手段发现新粒子 到目前已经发现了300多种 采用的试验设备有加速器 对撞机 探测器 计算机和数据处理系统 2 理论基础是量子场论 是解释微观现象的基本理论 杨振宁 李政道大胆提出粒子在弱相互作用中 宇称不一定守恒 粒子和 粒子可能是同一种粒子 李政道和杨振宁 粒子物理学的发展 吴健雄的实验验证吴健雄做了极化钴60原子核 衰变实验 将钴60置于0 01K的低温环境中的磁场内 实验说明了 衰变规律宇称不守恒 使杨 李的观点得到了验证 打破了人们的传统观念 吴健雄 粒子物理学的发展 一 粒子的分类在粒子物理学的发展过程中 提出过不同的分类方案 如 早期按粒子的质量分类 光子 0 轻子 轻 介子 轻子和重子之间 重子 重 按粒子的寿命分为稳定粒子 平均寿命 10 18s 和不稳定粒子 平均寿命在10 20 10 24S 分为粒子和反粒子 反粒子 反粒子的质量 寿命 自旋等与粒子相同 而电荷等相加性量子数与粒子异号 首先从理论上预言反粒子存在的人 是英国人狄拉克 25岁时狄拉克对量子力学就做出了令人瞩目的贡献 此后他致力于建立相对论性电子理论 终于他提出了著名的狄拉克方程 该方程不仅简洁 优美 而且还能解出实验的自旋值和磁矩值 精细结构 将量子力学中的康普顿散射 塞曼效应等事实 通过相对论电子理论统一起来 粒子物理学的发展 1955年赛格雷 张伯伦在高能加速器上获得了反质子 1956年发现反中子 1959年 我国科学家王淦昌发现了反西格马负超子 人们又开始想到能否用反质子 反中子 正电子 组成一个反原子 1995年开始 欧洲粒子研究中心的科学家 在 LEAR 低能反质子环中 产生了9个反氢原子 虽然它们存在的时间仅为三亿分之四秒 但是 却将人们对物质的认知领域大大扩展了 赛格雷像 张伯伦像 粒子物理学的发展 现在公认的科学分类方法是按粒子参与相互作用的类型来分 粒子共参与四种相互作用 强相互作用 电磁相互作用 弱相互作用 引力相互作用 由于相互作用和前三种相比太弱 因此粒子物理学中不考虑它 轻子 主要参与弱作用 带电的轻子也参与电磁作用 自旋都是1 2 所以是费米子 轻子必定以粒子与反粒子对的形式生成湮灭 电子等6种是轻子 加上它们的反粒子 轻子共12种 强子 直接参与强相互作用的粒子统称为强子 强子也参与弱作用 带电强子也参与电磁相互作用 强子又分为介子和重子两类 自旋为整数或零的称为介子 如 K 等 自旋为半整数的称为重子 如p n 等 规范玻色子 是传递各种相互作用的中介者 它们是传递电磁作用的光子 传递弱作用的W Z0 传递强作用的胶子 胶子至今未发现 规范玻色子都是玻色子 粒子物理学的发展 二 强子结构和夸克理论1 坂田模型最早提出强子结构模型的是费米和杨振宁 1949年他们提出 介子是由核子 质子 中子 和它们的反粒子 反质子和反中子 组成 由于当时反质子和反中子尚未发现 所以 这一模型的提出需要一定的知识积累和胆识 1955年 坂田昌一提出 坂田模型 强子都是由质子 中子和 超子以及它们的反粒子组成 这些粒子称为基础粒子 2 八重法1961年 美国物理学家盖尔曼 M Gell Mann 和尼曼 Y Neeman 提出用SU 3 对称性对强子进行分类的 八重法 这一方法概括了当时已经发现的大量粒子 并预言了 1粒子的存在 这一预言于1964年被实验证实 粒子物理学的发展 3 夸克理论1964年盖尔曼进一步提出假设 即作为SU 3 群的物理基础的三重态 不仅仅是某种数学框架 而是三种不同的粒子 上夸克 u 下夸克 d 奇异夸克 s 并提出强子结构的 夸克 模型 他认为夸克是自然界中更基本的组成粒子 所有强子都是由三种夸克和它们的反粒子组成 夸克性质 夸克必须是费米子 因为费米子可以构成费米子 也可以构成玻色子 而玻色子只能构成玻色子 不能构成费米子 夸克具有分数电荷 上夸克的电荷为2e 3 下夸克的电荷为 e 3 奇异夸克的电荷也为 e 3 夸克带有色荷 红色 R 黄色 Y 绿色 G 这些色荷决定夸克参与强相互作用的强弱程度 标准模型 中子由2个下夸克和1个上夸克构成 写作 udd 质子则由2上夸克和1下夸克构成 记为 uud 在强子内部 夸克通过胶子传递强相互作用 胶子带有色荷 彼此有相互作用 可以形成胶子 胶子束缚态 即胶球 粒子物理学的发展 由于夸克模型能够成功的解释许多已知事实 把极为复杂的事情变得非常简单 而且在说明强子分类和质量谱等方面非常成功 所以这一模型为大多数人所接受 1969年 盖尔曼获得诺贝尔物理学奖 盖尔曼像 粒子物理学的发展 4 桀夸克的发现1974年8月 丁肇中领导的研究小组 在布鲁克海文实验室的质子加速器 能量为3 3 1010eV 上发现了一个新粒子 将其命名为 J 并于11月份宣布 同时在美国西海岸的斯坦福大学直线加速器中心的里克特小组也发现了类似的粒子 并将其命名为 因此 这个粒子就命名为 J 不久在意大利和德国的加速器上也相继观察到这个粒子 为此 丁肇中和里克特容获1976年诺贝尔物理学奖 J 粒子是自旋为1的玻色子 质量很大 比质子质量还大3倍多 它的电荷是2e 3 但寿命却出奇的长 达到10 20秒 是类似能量的典型强子的1000多倍 为了说明J 粒子的性质 人们提出了一种新的夸克 桀夸克 c夸克 J 粒子是由一个桀夸克和一个反桀夸克组成的束缚态 里克特 粒子物理学的发展 5 底夸克 b 和顶夸克 t 根据基本粒子的发现历史 可将夸克分为三代 第一代夸克为上夸克和下夸克 u d 第二代为奇异夸克和桀夸克 s c 从20世纪70年代 人们开始寻找第三代夸克 底夸克 b 和顶夸克 t 1984年 欧洲核子中心 CERN 发现了顶夸克的痕迹 但真正找到它们却非常困难 1992年5月 费米实验室利用Tevatron对撞机 加速器长6 4公里 寻找顶夸克 参加实验的是两个国际性合作组 CDF和D0 共800多人 1994年终于观察到顶夸克的实验证据 并测定了其质量 但它比同一代的底夸克重30多倍 是质子质量的180多倍 是最轻的上夸克的30000多倍 大大出乎人们的预料 在标准模型中 质量认作为一个基本常数 它是根据实验数据 人为的加到理论中去的 但为什么夸克有三代的划分 三代间的质量为什么相差悬殊 有没有第四代 是什么因素决定了它们的质量的大小等等问题都在等待答案 粒子物理学的发展 6 夸克囚禁在目前的认识水平上 夸克是最小的物质粒子 在构成强子时 夸克之间的作用还要借助胶子 就象传递电磁作用的媒介粒子 光子一样 由于夸克所带色荷有三种 所以胶子有8种 一般地 介子由一个夸克和一个反夸克构成 重子由三个夸克构成 这些正反夸克之间的相互作用是通过交换胶子来完成的 约束核子在原子核内的力是核力 约束夸克在重子和介子内的力是 色力 不同的是核力对核子的约束是有限的 在外界作用下 如放射性元素 核子脱离原子核并不是非常困难 但是色力却使夸克不可跨越 从实验情况看 人们从未发现单个 自由的夸克 只有2个或3个夸克的集合体才能处于自由状态 通常情况下 夸克总是被约束在质子和中子内部 夸克要冲破色力的束缚成为自由夸克几乎是不可能的 这种现象称作 夸克囚禁 但与此同时 粒子加速器上的实验 却显示质子中的夸克粒子间 好像并没有相互作用力 这是当时科学研究无法完全解释的问题 只有了解夸克之间的相互作用力的性质 才有可能得到单个的自由夸克 从而解决这个难题 粒子物理学的发展 弦 模型 关于 夸克囚禁 意大利和美国物理学家曾提出 弦 模型来解释 1968年 意大利的维尼基亚诺 Vineziano 找到了一个与量子场论无关的函数 它能很好的描述强子的许多特征 但如果用这个函数描述粒子的性质 粒子将等效成一根一维弦 这意味着粒子的点状结构将被一根 弦 来代替 最初引用 弦 概念的是美国加州理工学院的许瓦兹 J G Schwarz 和舍科 Sherk 由于旧弦理论存在很多问题 从1979年起 许瓦兹又和格林 M B Green 合作 舍科已去世 共同致力于弦理论的改造 在这个模型中 介子中的正反夸克就象系于一根 弦 的两端 重子中的三个夸克则由三个 弦 连系着 这样 夸克间的距离越远 弦的张力就越大 即色力随着距离的增大而增大 因此夸克不可能挣脱 弦 的作用而变为 自由夸克 夸克只能在 弦 的控制下 在距离较近时 获得 渐进自由 弦有开弦和闭弦两种 弦的线度为普朗克长度 单弦的每一振动模式 都对应一种粒子 粒子间的基本相互作用就是弦的分裂和接合 当两段单弦相碰时 它能通过端点的接合形成第三根弦 第三根弦又形成最终的两根弦 粒子物理学的发展 渐近自由 理论 1973年 正在普林斯顿大学攻读博士学位的维尔切克和其导师格罗斯共同发表了一篇论文 提出强作用理论中的 渐近自由 现象 同年 正在哈佛大学攻读博士学位的波利策也独立发表的一篇论文 提出了同样的理论 渐近自由 理论 用数学模型解释了夸克的上述神秘行为 理论认为 强作用力会随夸克彼此间距离的增加而增大 因此没有夸克可以从原子核中向外迁移获得真正的自由 这些夸克会永久地被结合在一起 因此不可能找到单个的夸克 同样根据 渐近自由 理论 强作用力会随夸克间距离变小而减弱 这就意味着约束在质子等内部的夸克 在彼此距离足够小时 将近乎自由地进行运动 这个发现导致了 量子色动力学 QCD 的诞生 这是一个关于强相互作用的理论 粒子物理学的发展 这三位美国科学家戴维 格罗斯 戴维 波利策和弗兰克 维尔切克 因发现粒子强相互作用理论中的渐近自由现象 荣获2004年度诺贝尔物理学奖 诺贝尔奖评选委员会称颂这3位粒子物理学家的发现为 夸克世界中的一个灿烂发现 粒子物理学的发展 7 质疑自从60年代科学家们提出夸克这一设想后 全世界的物理学家花费了巨大的财力 物力和人力 设计出了多种夸克模型 建造高能电子对撞机 虽然一些实验现象 证实 夸克 或层子 的存在 然而单个的夸克 或层子 至今未找到 对此 粒子学家们的解释是 因为夸克 层子 是极不稳定的 寿命极短的粒子 它只能在束缚态内稳定存在 而不能单个存在 1996年2月26日 光明日报 发表了天津大学崔君达教授的文章 夸克存在吗 向 夸克说 提出了质疑 崔说 早在1979年3月 他在全国第一次数学物理讨论会上 对SU3 夸克模型 中的 3 提出了一个全新的理论 即复合时空论 按照这个理论 夸克模型中的夸克 层子模型中的层子 以及Higgs粒子都是不存在的 人们不论上天入地去寻找 夸克总是杳无踪影 粒子物理学的发展 崔还特别提到 1994年 首先提出夸克模型之一的M 盖尔曼写了一本 夸克与美洲豹 的书 他在书中说 他提出的SU3中的U3实际上是一个数学符号 并不代表 实在的 夸克这东西 物理学家们把它误解了 他最后宣称 我不相信夸克是有的 李政道教授在1996年10月3日的一个讲演中指出 另一个谜是 所有强作用的粒子都是由夸克组成的 但是我们却不能把单个的夸克分离出来 早在1993年李政道在清华大学讲演时也提出了这一问题 美国基础科学研究所所长R M Santilli为崔的文章写的评论中说 夸克是物理实在的粒子的信条是一个真正的科学欺骗 特别是由所谓 专家 说出来的时候 实际上夸克只能在SU 3 对称的纯数学的U空间中定义 而不能在实在的时空中定义 夸克或层子是否存在 粒子物理学的发展 ThankYou