粒子物理學基礎(chǔ)課件

粒子物理學基礎(chǔ)粒子物理學基礎(chǔ)1王淦昌先生王淦昌先生2李文鑄先生李文鑄先生3汪容先生汪容先生4王凎昌先生和汪容先生王凎昌先生和汪容先生5粒子物理學物質(zhì)的基本組成物質(zhì)間的基本相互作用物質(zhì)運動的基本規(guī)律粒子物理學6二十世紀的主要成就相對論與時空觀念狹義相對論,高速運動粒子廣義相對論,引力理論，宇宙學量子力學波粒二象性,微觀粒子量子場論描述物理世界的基本語言標準模型物質(zhì)的基本組成和基本相互作用

二十世紀的主要成就7基本相互作用引力相互作用電磁相互作用強相互作用強大的核力維持原子核的穩(wěn)定性弱相互作用導致基本粒子的不穩(wěn)定,引起衰變基本相互作用8粒子物理學基礎(chǔ)課件9對稱性決定相互作用電磁相互作用：U(1)規(guī)范對稱性弱電相互作用：SU(2)U(1)規(guī)范對稱性強相互作用：SU(3)規(guī)范對稱性引力相互作用：局域Lorentz對稱性規(guī)范粒子質(zhì)量:對稱性自發(fā)破缺費米子質(zhì)量:Yukawa耦合一種參數(shù)化,新的物理對稱性決定相互作用電磁相互作用：U(1)規(guī)范對稱性10粒子物理學基礎(chǔ)課件11牛頓力學牛頓力學12時間，空間點粒子：位置，速度，加速度牛頓定律慣性

作用與反作用時間，空間13一個偉大的發(fā)現(xiàn)：一個偉大的發(fā)現(xiàn)：14粒子物理學基礎(chǔ)課件15粒子物理學基礎(chǔ)課件16相對性原理與Galilean變換相對性原理與Galilean變換17電動力學電磁現(xiàn)象電動力學18麥克斯韋方程洛倫茲力麥克斯韋方程洛倫茲力19相對性原理,洛倫茲變換相對性原理,洛倫茲變換20電磁波光子:質(zhì)量為零,速度為c電磁波21狹義相對論相對性原理光速不變狹義相對論22Lorentz變換與原時:時空對稱性Lorentz變換與原時:時空對稱性23相對論動力學相對論動力學24粒子物理學基礎(chǔ)課件25量子力學波粒二象性態(tài)的線性疊加原理互補性原理測不準原理量子力學波粒二象性26量子力學基本原理StatesofthesystemRelationofcommutationHermitianoperatorsSchrodingerequationPrincipleofidentityPrincipleofmeasurement量子力學基本原理Statesofthesystem27Schrodinger方程Heisenberg矩陣力學Schrodinger方程28氫原子氫原子29諧振子諧振子30相對論量子力學Klein-Gordon方程電磁相互作用負能量,負幾率,精細結(jié)構(gòu)不正確相對論量子力學31Dirac方程電磁相互作用正幾率,電子的自旋,精細結(jié)構(gòu)正確Klein佯謬,負能量Dirac方程電磁相互作用正幾率,電子的自旋,精細結(jié)構(gòu)正確32反粒子,相對論的預(yù)言高能微觀系統(tǒng)的多粒子特性量子場論的必然反粒子,相對論的預(yù)言33基本相互作用原子核內(nèi)，質(zhì)子與質(zhì)子之間有很強的庫侖排斥力，那么是如何維持原子核的穩(wěn)定性的呢？要維持原子核的穩(wěn)定性，核子間必定存在相互吸引的強大的核力：強作用力作用范圍要小，導致原子結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定引起原子核衰變，有輕子參與的相互作用──弱作用力基本相互作用原子核內(nèi)，質(zhì)子與質(zhì)子之間有很強的庫侖排斥力，那么34四種基本相互作用力

對象強度范圍交換粒子電磁力帶電粒子間10-2

∞γ(光子)引力萬物10-40

∞G(引力子)強力強子110-15米g(膠子)弱力有輕子參與10-5

10-18米w±,z0

四種基本相互作用力對象強度35非直接、即時相互作用非直接、即時相互作用36量子場論描述物理世界的基本語言量子力學狹義相對論量子場論描述物理世界的基本語言37量子電動力學量子電動力學38TomonagaTomonaga39SchwingerSchwinger40R.FeynmanR.Feynman41DysonDyson42電子與光子構(gòu)成簡單系統(tǒng)介子與光子構(gòu)成簡單系統(tǒng)電子與光子構(gòu)成簡單系統(tǒng)介子與光子構(gòu)成簡單系統(tǒng)43規(guī)范對稱性與電磁相互作用規(guī)范對稱性與電磁相互作用44Feynman規(guī)則Feynman規(guī)則45Lamb效應(yīng)Lamb效應(yīng)46電子反常磁矩電子反常磁矩47Compton散射Compton散射48粒子物理學基礎(chǔ)課件49

強相互作用與夸克（Quark）模型強相互作用與50Gell-mannGell-mann51GrossGross52WilczekWilczek53世界到底由什么構(gòu)成？中國古代有元氣說，和陰陽五行說在古希臘有原子說即由一種不能再分的最小基本單元“原子”構(gòu)成亞里士多德卻認為物質(zhì)是連續(xù)的。正如中國《莊子、天下篇》所言“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”世界到底由什么構(gòu)成？中國古代有元氣說，和陰陽五行說5419世紀未的三大發(fā)現(xiàn)1895年倫琴（W.C.R?ntgen）發(fā)現(xiàn)X射線1896年貝克勒爾(H.Becquerel)發(fā)現(xiàn)放射性1897年湯姆遜(J.J.Thomson)發(fā)現(xiàn)電子他們?nèi)艘惨虼朔謩e獲得了1901年、1903年和1906年的諾貝爾物理學獎。電子的發(fā)現(xiàn)對物理學的影響非常深遠物理學對象從宏觀轉(zhuǎn)入到了微觀領(lǐng)域19世紀未的三大發(fā)現(xiàn)1895年倫琴（W.C.R?ntgen）55原子的有核結(jié)構(gòu)1911年湯姆遜的學生盧瑟福確立了原子的有核結(jié)構(gòu)1913年盧瑟福的學生丹麥物理學家玻爾建立了量子的原子結(jié)構(gòu)模型1919提出了原子核內(nèi)存在中子的設(shè)想1932年查德威克確認了中子n的存在原子的有核結(jié)構(gòu)1911年湯姆遜的學生盧瑟福確立了原子的有核結(jié)56物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)57基本粒子的性質(zhì)質(zhì)子和中子的大小約為1個費米質(zhì)子的質(zhì)量為938.3MeV，中子為939.6MeV,電子為0.511MeV質(zhì)子和中子稱為重子,電子稱為輕子質(zhì)子的壽命長于億億億億年,自由中子的壽命卻只有877秒，中子會衰變成質(zhì)子、電子和一個新粒子——反中微子.這是否預(yù)示著質(zhì)子、中子內(nèi)部還有結(jié)構(gòu)？基本粒子的性質(zhì)質(zhì)子和中子的大小約為1個費米58眾多的新粒子1931年狄拉克預(yù)言：存在著反電子1932年安德遜發(fā)現(xiàn)了正電子，并因此獲得了1936年的諾貝爾物理學獎1931年泡利預(yù)言中存在微子，不帶電，質(zhì)量為零1935年湯川秀樹預(yù)言π介子的存在，1947年鮑威爾發(fā)現(xiàn)π介子眾多的新粒子1931年狄拉克預(yù)言：存在著反電子1931年泡59更多的粒子被發(fā)現(xiàn)介子：J=0，π±，

π0，ρ，

k±，

k0重子:J=1/2，p，n，Σ±，Σ0，Ξ±，Ξ0，Λ且每種粒子都有反粒子，總數(shù)達數(shù)百種。然而混亂中存在秩序，類似于元素周期表，上述粒子也滿足一定的規(guī)律，表明粒子內(nèi)部還有結(jié)構(gòu)更多的粒子被發(fā)現(xiàn)介子：J=0，π±，π0，ρ，60

夸克（Quark）模型輕子(電荷)夸克(電荷)第一代第二代第三代夸克（Quark）模型輕子(電荷)61強子態(tài)

深度非彈性散射強子態(tài)

深度非彈性散射62量子色動力學（QCD）量子色動力學（QCD）63漸近自由與夸克禁閉漸近自由與夸克禁閉64粒子物理學基礎(chǔ)課件65強子質(zhì)量譜強子質(zhì)量譜66弱電統(tǒng)一理論弱電統(tǒng)一理論67GlashowGlashow68S.WeinbergS.Weinberg69SalamSalam70T’HooftT’Hooft71VeltmanVeltman721896年貝克勒爾(H.Becquerel)發(fā)現(xiàn)放射性1931年P(guān)auli提出中微子1933年Fermi理論1956年宇稱不守恒（Lee－Yang－Wu)1958年V－A理論1963年Cabibbo理論1967年Weinberg理論1971年’tHooft－Veltman證明1972年GIM機制弱相互作用與粒子的衰變1896年貝克勒爾(H.Becquerel)發(fā)現(xiàn)放射性弱相互73粒子物理學基礎(chǔ)課件74二十一世紀Higgs粒子,弱電對稱性破缺,費米子質(zhì)量強、弱、電三種相互作用的統(tǒng)一超對稱理論和超引力理論量子引力理論超弦理論二十一世紀75粒子物理學基礎(chǔ)課件76粒子物理學基礎(chǔ)課件77EndoftheFifthLectureEndoftheFifthLecture78粒子物理學基礎(chǔ)粒子物理學基礎(chǔ)79王淦昌先生王淦昌先生80李文鑄先生李文鑄先生81汪容先生汪容先生82王凎昌先生和汪容先生王凎昌先生和汪容先生83粒子物理學物質(zhì)的基本組成物質(zhì)間的基本相互作用物質(zhì)運動的基本規(guī)律粒子物理學84二十世紀的主要成就相對論與時空觀念狹義相對論,高速運動粒子廣義相對論,引力理論，宇宙學量子力學波粒二象性,微觀粒子量子場論描述物理世界的基本語言標準模型物質(zhì)的基本組成和基本相互作用

二十世紀的主要成就85基本相互作用引力相互作用電磁相互作用強相互作用強大的核力維持原子核的穩(wěn)定性弱相互作用導致基本粒子的不穩(wěn)定,引起衰變基本相互作用86粒子物理學基礎(chǔ)課件87對稱性決定相互作用電磁相互作用：U(1)規(guī)范對稱性弱電相互作用：SU(2)U(1)規(guī)范對稱性強相互作用：SU(3)規(guī)范對稱性引力相互作用：局域Lorentz對稱性規(guī)范粒子質(zhì)量:對稱性自發(fā)破缺費米子質(zhì)量:Yukawa耦合一種參數(shù)化,新的物理對稱性決定相互作用電磁相互作用：U(1)規(guī)范對稱性88粒子物理學基礎(chǔ)課件89牛頓力學牛頓力學90時間，空間點粒子：位置，速度，加速度牛頓定律慣性

作用與反作用時間，空間91一個偉大的發(fā)現(xiàn)：一個偉大的發(fā)現(xiàn)：92粒子物理學基礎(chǔ)課件93粒子物理學基礎(chǔ)課件94相對性原理與Galilean變換相對性原理與Galilean變換95電動力學電磁現(xiàn)象電動力學96麥克斯韋方程洛倫茲力麥克斯韋方程洛倫茲力97相對性原理,洛倫茲變換相對性原理,洛倫茲變換98電磁波光子:質(zhì)量為零,速度為c電磁波99狹義相對論相對性原理光速不變狹義相對論100Lorentz變換與原時:時空對稱性Lorentz變換與原時:時空對稱性101相對論動力學相對論動力學102粒子物理學基礎(chǔ)課件103量子力學波粒二象性態(tài)的線性疊加原理互補性原理測不準原理量子力學波粒二象性104量子力學基本原理StatesofthesystemRelationofcommutationHermitianoperatorsSchrodingerequationPrincipleofidentityPrincipleofmeasurement量子力學基本原理Statesofthesystem105Schrodinger方程Heisenberg矩陣力學Schrodinger方程106氫原子氫原子107諧振子諧振子108相對論量子力學Klein-Gordon方程電磁相互作用負能量,負幾率,精細結(jié)構(gòu)不正確相對論量子力學109Dirac方程電磁相互作用正幾率,電子的自旋,精細結(jié)構(gòu)正確Klein佯謬,負能量Dirac方程電磁相互作用正幾率,電子的自旋,精細結(jié)構(gòu)正確110反粒子,相對論的預(yù)言高能微觀系統(tǒng)的多粒子特性量子場論的必然反粒子,相對論的預(yù)言111基本相互作用原子核內(nèi)，質(zhì)子與質(zhì)子之間有很強的庫侖排斥力，那么是如何維持原子核的穩(wěn)定性的呢？要維持原子核的穩(wěn)定性，核子間必定存在相互吸引的強大的核力：強作用力作用范圍要小，導致原子結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定引起原子核衰變，有輕子參與的相互作用──弱作用力基本相互作用原子核內(nèi)，質(zhì)子與質(zhì)子之間有很強的庫侖排斥力，那么112四種基本相互作用力

對象強度范圍交換粒子電磁力帶電粒子間10-2

∞γ(光子)引力萬物10-40

∞G(引力子)強力強子110-15米g(膠子)弱力有輕子參與10-5

10-18米w±,z0

四種基本相互作用力對象強度113非直接、即時相互作用非直接、即時相互作用114量子場論描述物理世界的基本語言量子力學狹義相對論量子場論描述物理世界的基本語言115量子電動力學量子電動力學116TomonagaTomonaga117SchwingerSchwinger118R.FeynmanR.Feynman119DysonDyson120電子與光子構(gòu)成簡單系統(tǒng)介子與光子構(gòu)成簡單系統(tǒng)電子與光子構(gòu)成簡單系統(tǒng)介子與光子構(gòu)成簡單系統(tǒng)121規(guī)范對稱性與電磁相互作用規(guī)范對稱性與電磁相互作用122Feynman規(guī)則Feynman規(guī)則123Lamb效應(yīng)Lamb效應(yīng)124電子反常磁矩電子反常磁矩125Compton散射Compton散射126粒子物理學基礎(chǔ)課件127

強相互作用與夸克（Quark）模型強相互作用與128Gell-mannGell-mann129GrossGross130WilczekWilczek131世界到底由什么構(gòu)成？中國古代有元氣說，和陰陽五行說在古希臘有原子說即由一種不能再分的最小基本單元“原子”構(gòu)成亞里士多德卻認為物質(zhì)是連續(xù)的。正如中國《莊子、天下篇》所言“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”世界到底由什么構(gòu)成？中國古代有元氣說，和陰陽五行說13219世紀未的三大發(fā)現(xiàn)1895年倫琴（W.C.R?ntgen）發(fā)現(xiàn)X射線1896年貝克勒爾(H.Becquerel)發(fā)現(xiàn)放射性1897年湯姆遜(J.J.Thomson)發(fā)現(xiàn)電子他們?nèi)艘惨虼朔謩e獲得了1901年、1903年和1906年的諾貝爾物理學獎。電子的發(fā)現(xiàn)對物理學的影響非常深遠物理學對象從宏觀轉(zhuǎn)入到了微觀領(lǐng)域19世紀未的三大發(fā)現(xiàn)1895年倫琴（W.C.R?ntgen）133原子的有核結(jié)構(gòu)1911年湯姆遜的學生盧瑟福確立了原子的有核結(jié)構(gòu)1913年盧瑟福的學生丹麥物理學家玻爾建立了量子的原子結(jié)構(gòu)模型1919提出了原子核內(nèi)存在中子的設(shè)想1932年查德威克確認了中子n的存在原子的有核結(jié)構(gòu)1911年湯姆遜的學生盧瑟福確立了原子的有核結(jié)134物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)135基本粒子的性質(zhì)質(zhì)子和中子的大小約為1個費米質(zhì)子的質(zhì)量為938.3MeV，中子為939.6MeV,電子為0.511MeV質(zhì)子和中子稱為重子,電子稱為輕子質(zhì)子的壽命長于億億億億年,自由中子的壽命卻只有877秒，中子會衰變成質(zhì)子、電子和一個新粒子——反中微子.這是否預(yù)示著質(zhì)子、中子內(nèi)部還有結(jié)構(gòu)？基本粒子的性質(zhì)質(zhì)子和中子的大小約為1個費米136眾多的新粒子1931年狄拉克預(yù)言：存在著反電子1932年安德遜發(fā)現(xiàn)了正電子，并因此獲得了1936年的諾貝爾物理學獎1931年泡利預(yù)言中存在微子，不帶電，質(zhì)量為零1935年湯川秀樹預(yù)言π介子的存在，1947年鮑威爾發(fā)現(xiàn)π介子眾多的新粒子1931年狄拉克預(yù)言：存在著反電子1931年泡137更多的粒子被發(fā)現(xiàn)介子：J=0，π±，

π0，ρ，

k±，

k0重子:J=1/2，p，n，Σ±，Σ0，Ξ±，Ξ0，Λ且每種粒子都有反粒子，總數(shù)達數(shù)百