高中物理《重核的裂变》课件5（38张PPT）（新人教版选修3-5）

欢迎进入物理课堂 2 暗物质粒子和宇宙线 北京大学物理学院高崇寿宇宙中的暗物质暗物质的微观结构宇宙线中新粒子的探寻云南宇宙射线站的奇特事例Kolar金矿实验事例宇宙线中探寻新粒子 3 宇宙中冷暗物质和重子物质的平均密度宇宙线中质子和质子 冷暗物质粒子碰撞的平均自由程暗物质粒子的碰撞产生膝现象的一个可能来源 2020 4 8 4 重元素中微子星体氢和氦暗物质暗能量 73 23 宇宙物质的构成 5 宇宙中的暗物质 宇宙中有许多星系 螺旋状星云 这是一些在万有引力作用下旋转的星系 观察其中不靠近中心的某一部分的运动速度v 按照力学估算 引力等于向心力得出v2r GNM r 其中M r 是星云中处于这部分星体里面部分的总质量 r是到星云中心的距离 6 如果星云质量比较集中在中心区 则外部星体的速度应该随r的增加而减少 射电天文望远镜的发展使天文观测可以观测星云中弥散的星际气体发的射电波 中性氢 HI 可以发射频率为1420MHz的窄谱线 即著名的21cm波 通过21cm波的观测给出星云转动的速度分布 上一世纪70年代以后精确地观测给出星际气体显示的星云中心区以外转动速度并不随r的增加而减少 2020 4 8 7 8 9 实际观测给出 1 直接观测到的星云的质量分布确实是中心密 外面稀 如果星云质量比较集中在中心区 则外部星体的速度应该随r的增加而减少 2 许多星云的v2随r变化不大 从观察到的60多个螺旋状星云来看 都显示出在相当大的范围内 在几万光年或大于几万光年的范围内 v不随r变化 并且都在一个典型值附近v 每秒200公里 10 NGC3198v 150km sNGC6503v 118km s银河系v 220km s这表明实际上在相当大的范围内 星云中半径r的球体区域内的总质量M随r的增加而增加 实际上还有许多未被观测到的物质也在起引力的作用 这些物质数量多 并且分布范围比看到的星云的分布范围要大 在这个范围内 螺旋状星云的总质量约为观测到的质量的3 10倍 2020 4 8 11 观察到的矮螺旋状星云M33的转动曲线伸展远远超出它的光学像分布的区域范围 2020 4 8 12 要给出这样的转动速度分布 可以假定星云的全部物质体密度分布为 太阳系在银河系里离银河系中心约26000光年的地方 它绕银河系中心运动的速度是每秒220公里 这样估计出银河系中比太阳系更近于中心部分的总质量为太阳质量的900亿倍 实际观测到的星云中星体质量总和远小于这个值 这表明星云的质量分布中 大量的质量是暗物质 2020 4 8 13 实际上在银河系里物质总量的增长至少到489300光年的范围 含有的物质总质量约为15x1011msun 即相当于太阳质量的15x1011倍 但银河系里明亮物质的质量总量不会超过1 2x1011msun 所以我们银河系的质量中超过90 是暗物质 暗物质 不能提供任何直接的电磁作用信号 但可以有引力效应的物质 这是弥散状态存在的暗物质 2020 4 8 14 宇宙中还存在聚集状态的暗物质 黑洞 是属于 暗物质 的星体 这类星体在宇宙中存在 但暗物质星体的总量在宇宙中物质的总量中是一个很小的百分数 通常说的暗物质就是指以弥散形式存在的非重子物质的暗物质 大量存在的是弥散形式存在的暗物质 其构成不是来自重子物质 它们的总质量至少比明亮物质的总和还要大一个数量级 即10倍以上 2020 4 8 15 暗物质的微观结构 非重子物质的暗物质的微观结构 是由电中性的 有静止质量的 稳定的或其平均寿命长于宇宙年龄的粒子结团构成 这些粒子不直接参与电磁相互作用 但可以参与弱相互作用 弥散形式存在的暗物质可以分为热暗物质和冷暗物质 冷暗物质是其组成粒子以低速运动的暗物质 2020 4 8 16 热暗物质是其组成粒子以接近真空光速运动的暗物质 宇宙中的暗物质大部分是冷暗物质 暗物质粒子是什么粒子 从标准模型中给出的粒子中 如果中微子有静止质量 则可能是 热 暗物质粒子 2002年诺贝尔物理奖授予雷蒙德 戴维斯 RaymondDavis 和小柴昌俊 MasatoshiKoshiba 以表彰他们在发现中微子振荡现象方面做出的先驱性贡献 2020 4 8 17 中微子振荡现象的存在说明中微子有不为零的静止质量 中微子的静止质量可以很小 但是肯定不为零 有质量的中微子可能是热暗物质粒子 但标准模型中没有一种粒子可以是 冷 暗物质粒子的候选者 宇宙中大量存在的 其总量比明亮物质大一个数量级的暗物质的主要部分 冷暗物质的微观组成粒子 冷暗物质粒子还有待探寻和发现 2020 4 8 18 宇宙线中新粒子的探寻 云南宇宙射线站的奇特事例Kolar金矿实验事例宇宙线中探寻新粒子 2020 4 8 19 云南宇宙射线站的奇特事例 宇宙中非重子物质的暗物质总量比重子物质的总量要大一个数量级 在原始宇宙射线中可能也包含了非重子物质的暗物质粒子的成分 可以在高能宇宙射线的实验中探测寻找暗物质粒子 暗物质粒子是中性的 不直接参与强相互作用和电磁相互作用 可以参与弱相互作用 其相互作用性质像一个重的中微子 和重子物质的相互作用很弱 从而很难直接探测和观察 2020 4 8 20 如果高能暗物质粒子和重子碰撞 通过弱相互作用反应 将会产生带电粒子从而被观察到 这样的碰撞反应表现为像是一个高能重中微子引起的反应 1972年云南落雪山宇宙射线站观察到一个奇特的事例 从宇宙线中来一个能量大于300GeV的粒子 和石蜡中粒子碰撞 产生3个带电粒子 a 介子b p质子c 质量远重于质子 寿命很长 已知粒子中没有一个具有这性质 2020 4 8 21 如果碰撞后没有未被记录到的中性粒子 则这个新的带电重粒子的性质为 质量m 43GeV 寿命t 0 406x10 9sec 如果C 不稳定 则它应可作弱衰变C C0 e neC 寿命长于0 406x10 9sec要求m m042 7GeV 2020 4 8 22 这个C 实际上可能就是宇宙线中C0粒子和石蜡中的质子p碰撞产生的 C0粒子的性质符合冷暗物质粒子的全部要求 无论是观察到的C 还是推测其可能存在的C0 都肯定是超出标准模型的粒子 可惜只有一个事例 还不能做判定 2020 4 8 23 Kolar金矿实验事例 1975年和1979年印度和日本物理学家合作在印度Kolar金矿矿井中做超高能中微子引起的反应 观察到了7个奇特事例 当时他们把这些事例解释为超高能中微子引起的反应 产生了一些质量大于质子2倍的稳定粒子 但在确定粒子速度的运动学分析上遇到了不自洽的矛盾 1979年Kolar金矿矿井实验中观察到的奇特事例是 双芯 事例 表现为两个能量分别约为100GeV和80GeV的簇射 它们之间的夹角是26度 2020 4 8 24 如果这事例是来自一个重粒子的衰变 则这个重粒子的质量的下限是40 2GeV 如果这事例是来自一个粒子和核子的碰撞 不先验地假定是由零质量的中微子引起的反应 则定出这个入射粒子质量的下限是35 8GeV Kolar金矿实验的分析也表明可能有长寿命或稳定的重的带电的或中性的粒子存在 其质量也至少是质子质量的数十倍以上 也印证了可能在宇宙线中有重的稳定的粒子存在 有可能这些粒子是暗物质的组成粒子 可以肯定的是这些粒子的存在超出了粒子物理的标准模型 2020 4 8 25 宇宙线中探寻新粒子 既然宇宙中暗物质的总量比重子物质大一个数量级 因此在宇宙太空中弥漫着大量的暗物质 原始宇宙射线粒子来自太空穿行于暗物质粒子之间 不断和暗物质粒子发生碰撞 这样的热交换的后果 使太空中的暗物质粒子的平均能量大体上等于原始宇宙射线粒子的平均能量 在大量原始宇宙射线粒子射向地球时 还有大量相同能量的暗物质粒子也射向地球 可以在原始宇宙射线中探寻这种未知的新粒子 2020 4 8 26 可以估计这种新粒子的性质和行为 它们可能是中性的或带电的 它们的质量很重 很可能是质子的几十倍 动能比较大 是原始宇宙射线粒子能量的量级 取云南宇宙射线站事例作为一个典型值的估计 如果这种新粒子的质量为50GeV 动能为300GeV 则这个粒子的动量为296GeV 运动速度为0 956c 如果这种新粒子的质量为100GeV 则这个粒子的动量为283GeV 运动速度为0 943c 但是如果这种新粒子的质量为150GeV 则这个粒子的动量为260GeV 运动速度为0 866c 2020 4 8 27 再对Kolar金矿事例做一个估计 如果这种新粒子的质量为40 2GeV 则这个粒子的能量约为180GeV 运动速度约为0 976c 由此可见 需要探寻的是能量很高 质量很重 运动速度小于真空光速 有可能远小于真空光速的 带电或中性的超出标准模型的新粒子 已经建立了我国科学家发起组织的国际合作组L3C 正在日内瓦进行在高能宇宙线物理实验中探测寻找新粒子的国际合作研究 2020 4 8 28 宇宙物质的构成 暗能量 很可能不以微观粒子聚集形式出现 冷暗物质 主要是冷暗物质粒子聚集组成 重子物质 主要是质子 电子 还有少量原子核 2020 4 8 29 宇宙中冷暗物质和重子物质的平均密度 宇宙中暗能量的密度大约为3 878GeV m3 即相当于每立方米有4个质子的静止能量 这是宇宙真空中固有的能量密度 作为对比 宇宙中暗物质的平均密度大约为1 222GeV m3 宇宙中重子物质的平均密度大约为0 2125GeV m3 尽管重子物质和暗物质比暗能量少得多 但它们都是可以移动 聚集的 它们可以聚集成星体星云 至于粒子数密度 则为 冷暗物质粒子数平均密度1 222 GeV MX m3重子物资粒子数平均密度0 2265 m3由于冷暗物质粒子质量远重于质子 冷暗物质粒子数平均密度远小于重子物质粒子数平均密度 2020 4 8 30 宇宙线中质子和质子 冷暗物质粒子碰撞的平均自由程 宇宙中的物质构成主要是冷暗物质和重子物质 宇宙中物质的微观构成粒子主要是冷暗物质粒子和质子 原始宇宙线粒子主要是质子 它和质子碰撞的平均自由程是它和冷暗物质粒子数密度碰撞的平均自由程是 2020 4 8 31 在宇宙中传播时 质子和质子碰撞的平均自由程约是这表明如果宇宙是均匀分布的质子气体 则这个质子在穿过整个宇宙时平均只碰撞一次 质子和暗物质粒子碰撞的平均自由程数量级上远大于这个值 质子在穿过整个宇宙时基本不和暗物质粒子碰撞 2020 4 8 32 暗物质粒子的碰撞产生 高能宇宙线质子碰撞可以产生暗物质粒子 它的产生是成对产生的 最简单的过程为 考虑高能质子碰撞接近静止的质子 产生一对冷暗物质粒子的反应计算产生这个反应入射质子的阈能量E 这时入射质子的动量为 系统的质心系总能量的平方为宇宙物质的构成 2020 4 8 33 它应该等于末态粒子质量和的平方 即 其中冷暗物质粒子的质量为 由此得到即考虑高能质子碰撞接近静止的冷暗物质粒子 产生一对冷暗物质粒子的反应计算产生这个反应入射质子的阈能量E 这时入射质子的动量为 系统的质心系总能量的平方为 2020 4 8 34 它应该等于末态粒子质量和的平方 即 由此得到即宇宙中物质主要的微观结构是质子和暗物质粒子 从质量上看 两者的比例大体上是4 23 但是由于暗物质粒子远远重于质子 从粒子数来说 很可能宇宙中质子数要比暗物质粒子数要多 2020 4 8 35 膝现象的一个可能来源 原始宇宙线中主要成分是质子 如果它的能量高到一定程度时 就有可能碰撞质子或暗物质粒子而产生暗物质粒子 上面给出的是阈能 它与暗物质粒子的质量有关 这个碰撞可能是原始宇宙线分布的膝现象产生的物理原因 如果如此 可以根据膝的位置来估计暗物质粒子的质量 现在观测给出膝的位置在1015 1016eV范围 由质子 质子碰撞给出列如下表 2020 4 8 36 E GeV M c GeV E GeV M c GeV 1000000683 997260000001676 8031500000837 932865000001745 3112000000967 706570000001811 23025000001082 03975000001874 83430000001185 40480000001936 35135000001280 45885000001995 97440000001368 93290000002053 86745000001452 02995000002110 17450000001530 623100000002165 01755000001605 377105000002218 505 2020 4 8 37 L 0的物理效应 1 所有空间中都存在固有的 暗能量 它的密度正比于L 是全宇宙统一的 这种 暗能量 是固定在空间体积上的 因此不能稀释 也不能设法浓聚 2 暗能量对其它物质的相互作用表现为一种 万有斥力 在宇宙演化早期 宇宙体积小 万有斥力不显现明显的效应 现在在大尺度距离会显现效应 远方星系的 后退速度 离开Hubble定律的线性估计 2020 4 8 38 3 可以通过现在的观测结果 估计宇宙常数L的值 可以进而估计出现在观测宇宙中真空物质的总量 随着宇宙的膨胀 暗能量的总量是在不断地增加的 但宇宙中其它物质 重子物质 暗物质并不增加 4 暗能量是 固定 于空间体积上的 因此它不是由任何粒子组成 因为任何粒子都可以通过它所参与的相互作用而移动 运动 使之浓聚或稀释 2020 4 8 39 谢谢 如果膝现象产生的物理原因确实如此 则由此推测 暗物质粒子的质量将在1 0 1 6TeV范围 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全