粒子物理基礎(chǔ)課件

粒子物理基礎(chǔ)

世界是由什么組成的？世界是如何組成的？粒子物理基礎(chǔ)世界由什么構(gòu)成？中國(guó)古代有元?dú)庹f(shuō)，和陰陽(yáng)五行說(shuō)在古希臘有原子說(shuō)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(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的。正如中國(guó)《莊子、天下篇》所言“一尺之棰，日取其半，萬(wàn)世不竭”粒子物理基礎(chǔ)世界由什么組成？為什么世界上不同的物質(zhì)具有相同的特征？

因?yàn)槭澜缟系奈镔|(zhì)是由幾個(gè)基本的磚塊組成的

---簡(jiǎn)單、沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)！從遠(yuǎn)古時(shí)代，人類(lèi)就開(kāi)始這樣想。比如認(rèn)為世界是由“水、火、土、氣”組成?！盎敬u塊”粒子物理基礎(chǔ)世界的基本磚塊？原子？今天人們知道“水、火、土、氣”并不“基本”，它們是由“原子”組成的。在1900年前后，人們認(rèn)為“原子”是可穿透的球，內(nèi)部有一些電荷在跳動(dòng)。粒子物理基礎(chǔ)“原子”是基本的嗎？人們很快就發(fā)現(xiàn)：可以根據(jù)其化學(xué)性質(zhì)把“原子”分類(lèi)《元素周期表》這表明“原子”有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是由更小的磚塊組成的。

粒子物理基礎(chǔ)19世紀(jì)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(xué)獎(jiǎng)。電子的發(fā)現(xiàn)對(duì)物理學(xué)的影響非常深遠(yuǎn)物理學(xué)對(duì)象從宏觀轉(zhuǎn)入到了微觀領(lǐng)域粒子物理基礎(chǔ)

“原子”是由帶正電的、重而小的“原子核”和圍繞它的帶負(fù)電的“電子云”組成實(shí)驗(yàn)表明：粒子物理基礎(chǔ)“原子核”是基本的嗎？“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人們認(rèn)為是基本的粒子。后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)“原子核”并不基本，是由帶正電的“質(zhì)子”和不帶電的“中子”組成。

粒子物理基礎(chǔ)世界由什么組成？如何組成？最后答案Wehaveansweredthequestions,"Whatistheworldmadeof?"and"Whatholdsittogether?“Theworldismadeof6quarksand6leptons.Everythingweseeisaconglomerationofquarksandleptons.Therearefourfundamentalforcesandthereare

forcecarrierparticlesassociatedwitheachforce描述這些基本粒子的理論：標(biāo)準(zhǔn)模型粒子物理基礎(chǔ)粒子的衰變和湮滅原子核的衰變：一個(gè)大原子核變成幾個(gè)小原子核基本粒子的衰變：一個(gè)基本粒子變成幾個(gè)較輕的基本粒子→→→→→→粒子物理基礎(chǔ)放射性的發(fā)現(xiàn)1800年代的晚期，德國(guó)物理學(xué)家WilhelmR?ntgen發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電子束打到金屬片上時(shí)，會(huì)有奇怪的射線發(fā)出，他稱(chēng)之為X-射線兩個(gè)月后，法國(guó)物理學(xué)家HenriBecquerel發(fā)現(xiàn)有些礦石（如鈾）會(huì)自然的放出射線。不穩(wěn)定的原子核衰變而放出射線—放射性粒子物理基礎(chǔ)射線的種類(lèi)射線：氦（helium）核（2p,2n)射線：高速電子

射線：高能光子

射線可以被紙片擋住

射線可以被鋁片擋住

射線只能用鉛板來(lái)檔

粒子物理基礎(chǔ)鈾的衰變→→→→→一大塊鈾的衰變（半衰期）單個(gè)鈾的衰變（幾率）粒子物理基礎(chǔ)鈾為什么會(huì)衰變？

殘余的強(qiáng)力把相互排斥的核子束縛在一起形成原子核微觀粒子只能以幾率的方式描述：量子力學(xué)核子團(tuán)（比如

)逃逸出原子核的幾率很?。粚?duì)大原子核（如鈾）這種幾率比較大。粒子物理基礎(chǔ)衰變中的質(zhì)量虧損→238.0508

234.0436

4.0026

0.0046u的質(zhì)量虧損掉了，變成了能量！粒子物理基礎(chǔ)“質(zhì)子”和“中子”是基本的嗎？

人們發(fā)現(xiàn)“質(zhì)子”和“中子”并不基本，是有更小的粒子---“夸克”組成。“夸克”---目前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是“基本”的粒子粒子物理基礎(chǔ)現(xiàn)代的“原子”圖像

注意：“原子”體積的99.999999999999%

是空的！粒子物理基礎(chǔ)“原子”的大小

粒子物理基礎(chǔ)原子的有核結(jié)構(gòu)1911年湯姆遜的學(xué)生盧瑟福確立了原子的有核結(jié)構(gòu)1913年盧瑟福的學(xué)生丹麥物理學(xué)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(rèn)了中子的存在粒子物理基礎(chǔ)粒子物理基礎(chǔ)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次：宏觀物體場(chǎng)分子原子原子核質(zhì)子中子夸克電子規(guī)范粒子粒子物理基礎(chǔ)宇觀宏觀介觀微觀人地球山原子核原子星系星太陽(yáng)系夸克天體物理粒子物理兩大尖端緊密銜接DNA101010510-1510-20101510251m102010-51-10up粒子物理基礎(chǔ)宇宙形成粒子物理基礎(chǔ)人類(lèi)是認(rèn)識(shí)自然界的主體——“米”基本長(zhǎng)度單位最小對(duì)象是粒子<10-20m，最大對(duì)象是宇宙，哈勃半徑，1022m宇宙的起源：大爆炸宇宙模型——100多億年前，大爆炸。粒子在宇宙誕生的瞬間產(chǎn)生，最大和最小——宇宙和粒子連接起來(lái)。粒子物理基礎(chǔ)世界的層次宏觀系統(tǒng)：尺度在m以上的客體因果規(guī)律，用牛頓力學(xué)或相對(duì)論力學(xué)描述微觀系統(tǒng)：尺度在m以下的客體統(tǒng)計(jì)規(guī)律，用量子力學(xué)描述介觀系統(tǒng)：呈現(xiàn)微觀特性的宏觀系統(tǒng)亞微米尺寸的器件，一定條件下表現(xiàn)出量子效應(yīng)，微觀特性起主導(dǎo)宇觀系統(tǒng)：星系、宇宙粒子物理基礎(chǔ)物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)粒子物理基礎(chǔ)Electrons(10-18m)Atom

nucleusnucleon

quark10-10m

10-14m10-15m

10-18m

TheComponentUnitofMatter粒子物理基礎(chǔ)物質(zhì)的層次結(jié)構(gòu)世界由物質(zhì)組成，物質(zhì)存在的基本形式是粒子和場(chǎng)。目前人類(lèi)所認(rèn)識(shí)的物質(zhì)客體的空間尺寸，其大小至少跨越了42個(gè)數(shù)量級(jí)。粒子物理基礎(chǔ)如何實(shí)驗(yàn)研究粒子今天知道的粒子的絕大部分都是不穩(wěn)定的粒子，它們?cè)谟钪嫘纬傻某跗诙荚?jīng)存在過(guò)，但很快就衰變掉了，要研究粒子物理，就必須產(chǎn)生出這些粒子，并用探測(cè)器研究這些粒子的性質(zhì)。粒子產(chǎn)生的方法：宇宙線對(duì)撞機(jī)粒子探測(cè)的工具：探測(cè)器

粒子物理基礎(chǔ)宇宙線粒子物理基礎(chǔ)對(duì)撞機(jī)（加速器）直線加速回旋加速固定靶對(duì)撞機(jī)粒子物理基礎(chǔ)當(dāng)今世界上的加速器Fermilab（費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)）SLAC(斯坦福直線加速器中心，美國(guó))BNL(布魯海文實(shí)驗(yàn)室，美國(guó)）CESR(康奈爾正負(fù)電子儲(chǔ)存環(huán)，美國(guó)）CERN(歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室，瑞士)KEK（高能加速器研究機(jī)構(gòu)，日本）DESY(電子回旋加速器，德國(guó)）IHEP(高能物理所，中國(guó)）粒子物理基礎(chǔ)粒子探測(cè)器粒子物理基礎(chǔ)如何識(shí)別不同粒子粒子物理基礎(chǔ)現(xiàn)代粒子物理實(shí)驗(yàn)的鼻祖:盧瑟福實(shí)驗(yàn)Beam:粒子Target:金箔Detector:硫化鋅屏幕粒子物理基礎(chǔ)一點(diǎn)歷史--StevenWeinberg粒子物理基礎(chǔ)觀測(cè)世界的手段：總結(jié)粒子物理基礎(chǔ)二十世紀(jì)的主要成就相對(duì)論與時(shí)空觀念狹義相對(duì)論,高速運(yùn)動(dòng)粒子廣義相對(duì)論,引力理論，宇宙學(xué)量子力學(xué)波粒二象性,微觀粒子量子場(chǎng)論描述物理世界的基本語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)模型物質(zhì)的基本組成和基本相互作用

粒子物理基礎(chǔ)基本相互作用引力相互作用電磁相互作用強(qiáng)相互作用強(qiáng)大的核力維持原子核的穩(wěn)定性弱相互作用導(dǎo)致基本粒子的不穩(wěn)定,引起衰變粒子物理基礎(chǔ)空間粒子2粒子1媒介子時(shí)間粒子之間的相互作用總是通過(guò)交換媒介粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。粒子間相互作用的時(shí)空?qǐng)D基本相互作用粒子物理基礎(chǔ)現(xiàn)在物理認(rèn)為，粒子間的相互作用是由場(chǎng)傳遞的，是依靠交換規(guī)范玻色子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。量子場(chǎng)論認(rèn)為：（１）每種粒子都有相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)，場(chǎng)沒(méi)有不可入性，對(duì)應(yīng)各種粒子的場(chǎng)相互重疊地充滿全空間。（２）某種場(chǎng)能量最低的狀態(tài)稱(chēng)為該場(chǎng)的基態(tài)?；鶓B(tài)場(chǎng)不能通過(guò)狀態(tài)變化釋放能量、輸出信號(hào)。表現(xiàn)為觀察不到存在粒子。（３）場(chǎng)處于激發(fā)態(tài)時(shí)表現(xiàn)為出現(xiàn)相應(yīng)的粒子，場(chǎng)的不同激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為粒子的數(shù)目和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。（４）當(dāng)所有場(chǎng)都處于基態(tài)時(shí)，任何一個(gè)場(chǎng)都不可能釋放能量而給出信號(hào)，都不顯示粒子——物理上的真空。真空并非空無(wú)一物而是充滿了各種基態(tài)場(chǎng)。（５）基態(tài)場(chǎng)和激發(fā)態(tài)的場(chǎng)都與其他場(chǎng)相互作用，他是粒子間相互作用的來(lái)源。粒子與場(chǎng)的相互關(guān)系粒子物理基礎(chǔ)類(lèi)別相對(duì)強(qiáng)度距離(m)作用時(shí)間(s)媒介粒子強(qiáng)作用1<10-1510-23膠子電磁作用~10-2r-2長(zhǎng)程10-20~

10-16光子弱相互作用~10-13<10-17~10-8中間玻色子引力作用~10-39r-2長(zhǎng)程引力子粒子之間的四種相互作用：粒子的相互作用隨它們之間的距離而變化——用力程來(lái)表示，力程是粒子間的有效作用范圍，它正比于媒介粒子質(zhì)量的倒數(shù)。粒子物理基礎(chǔ)TheFourTypesofInteractions

GravityWeakStrongElectromagnetic粒子物理基礎(chǔ)相互作用的統(tǒng)一理論粒子物理基礎(chǔ)經(jīng)過(guò)某種變換之后，物理規(guī)律保持不變，這就是物理規(guī)律的對(duì)稱(chēng)性。如果一個(gè)操作使系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變到另一個(gè)與之等價(jià)的狀態(tài)，或者說(shuō)，狀態(tài)在此操作下不變，我們就說(shuō)這系統(tǒng)對(duì)這個(gè)操作是對(duì)稱(chēng)的，而這個(gè)操作叫作這系統(tǒng)的一個(gè)對(duì)稱(chēng)操作.什么是對(duì)稱(chēng)性粒子物理基礎(chǔ)空間對(duì)稱(chēng)性與空間對(duì)稱(chēng)性相對(duì)稱(chēng)的操作有旋轉(zhuǎn)、平移、鏡像（1）旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)

圓對(duì)于繞過(guò)其中心垂直于圓面軸o旋轉(zhuǎn)任意角度的操作都是對(duì)稱(chēng)的。對(duì)于在圓內(nèi)加一對(duì)相互垂直直徑的體系，其對(duì)稱(chēng)操作只能是轉(zhuǎn)動(dòng)π/2的整數(shù)倍。如果在圓環(huán)上加一個(gè)小球，其對(duì)稱(chēng)操作就只能是轉(zhuǎn)動(dòng)2π的整數(shù)倍了。粒子物理基礎(chǔ)（2）平移對(duì)稱(chēng)（3）鏡象反射對(duì)稱(chēng)

通常說(shuō)的左右對(duì)稱(chēng)，本質(zhì)上就是鏡象反射對(duì)稱(chēng)，或者說(shuō)宇稱(chēng)(parity)，相應(yīng)的操作就是空間反射(鏡面反射)。粒子物理基礎(chǔ)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性1.時(shí)間平移對(duì)稱(chēng)性一個(gè)靜止不變或勻速直線運(yùn)動(dòng)的體系對(duì)任何時(shí)間間隔t的時(shí)間平移表現(xiàn)出不變性。對(duì)于一個(gè)周期性變化體系(單擺、彈簧振子)，對(duì)周期T及其整數(shù)倍的時(shí)間平移變換對(duì)稱(chēng)。2.時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性把時(shí)間t變換到

(-t)的變換叫做時(shí)間反演操作，相當(dāng)于時(shí)間倒流。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)生活中時(shí)間是不會(huì)倒流的。但可以想象攝制的錄象帶倒放時(shí)出現(xiàn)的情形：人倒退著走路；彌漫在空氣中的煙霧逐漸被收攏到煙斗中去；…。武打電視片的攝制者就是利用這一點(diǎn)，讓演員從高處往下跳，拍攝下來(lái)倒著放，就可以表現(xiàn)出一個(gè)人從地面躍起，跳上高墻的場(chǎng)面。詩(shī)曰：君不見(jiàn)黃河之水天上來(lái)，奔流到海不復(fù)回？

君不見(jiàn)高堂明鏡悲白發(fā)，

朝如青絲暮成雪？

這里，詩(shī)人哀嘆韶華如流，人生易老，正是時(shí)間反演不對(duì)稱(chēng)的寫(xiě)照。盡管只有少數(shù)理想的體系具有時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性，但確實(shí)有這種理想的體系。粒子物理基礎(chǔ)標(biāo)度變換對(duì)稱(chēng)性

所謂"標(biāo)度變換",通俗地講，就是放大縮小。鸚鵡螺美麗的外殼為標(biāo)度不變提供了一個(gè)很好的范例。在數(shù)學(xué)中，一條螺線，具有標(biāo)度不變性的函數(shù)關(guān)系，這時(shí)當(dāng)這個(gè)圖形放大或縮小時(shí)，只需轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，就可以與原來(lái)的曲線重合。粒子物理基礎(chǔ)對(duì)稱(chēng)性原理(1)原因中的對(duì)稱(chēng)性必反映在結(jié)果中，即結(jié)果中的對(duì)稱(chēng)性至少有原因中的對(duì)稱(chēng)性那樣多；(2)

結(jié)果中的不對(duì)稱(chēng)性必在原因中有所反映，即原因中的不對(duì)稱(chēng)性至少有結(jié)果中的不對(duì)稱(chēng)性那樣多；(3)在不存在唯一性的情況下,原因中的對(duì)稱(chēng)性必反映在全部可能的結(jié)果的集合中，即全部可能的結(jié)果的集合中的對(duì)稱(chēng)性至少有原因中的對(duì)稱(chēng)性那樣多。從這個(gè)原理可以看到，自然規(guī)律反映了事物之間的因果關(guān)系，其對(duì)稱(chēng)性即：

等價(jià)的原因→等價(jià)的結(jié)果；對(duì)稱(chēng)的原因→對(duì)稱(chēng)的結(jié)果

粒子物理基礎(chǔ)微觀世界的對(duì)稱(chēng)性1：洛侖茲不變性

這個(gè)不變性是狹義相對(duì)性原理的數(shù)學(xué)表述，在狹義相對(duì)性原理中指出：一切慣性坐標(biāo)系都是等價(jià)的，物理規(guī)律對(duì)于一切慣性坐標(biāo)系都具有相同的形式，狹義相對(duì)性原理比伽俐略相對(duì)性原理更普遍。不同慣性系中的坐標(biāo)可以通過(guò)洛侖茲變換聯(lián)系起來(lái)，選不同的坐標(biāo)系相當(dāng)于施行了一個(gè)洛侖茲變換，洛侖茲不變性是自然界中很重要的對(duì)稱(chēng)性。

2：正反粒子變換（C變換）不變性

正反粒子變換有時(shí)也稱(chēng)電荷共軛變換，C變換不變性是指將系統(tǒng)中的正反粒子互換，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與原有系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，表征變換性質(zhì)的量子數(shù)叫C宇稱(chēng)，也只有正負(fù)之分。粒子物理基礎(chǔ)3：空間反演變換（P變換）不變性

空間反演變換不變性也就是鏡像對(duì)稱(chēng)性，前面已經(jīng)介紹過(guò)了，這里不再贅述。在微觀世界里P變換不變性將導(dǎo)致系統(tǒng)的宇稱(chēng)守恒，宇稱(chēng)是描寫(xiě)一個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)在空間反演下的變換方式的量子數(shù)。4：時(shí)間（T）反演不變性

這是一種將時(shí)間逆轉(zhuǎn)的變換，即把將來(lái)和過(guò)去顛倒過(guò)來(lái)。在T變換下，產(chǎn)生一個(gè)粒子變成消滅一個(gè)粒子，這種變換沒(méi)有相應(yīng)的量子數(shù)。5:CP聯(lián)合反演不變性

空間反演P和電荷共軛C聯(lián)合起來(lái)的變換下的不變性，適應(yīng)于絕大多數(shù)弱力過(guò)程的物理規(guī)律，中微子將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)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

但是在個(gè)別情況下，CP對(duì)稱(chēng)性有輕度的破壞叫CP破壞，在發(fā)現(xiàn)宇稱(chēng)不守恒的1956年就有人討論過(guò)CP破壞的可能性，由于破壞幅度很小，直到1964年在中性K介子的衰變實(shí)驗(yàn)中才首次得到驗(yàn)證。粒子物理基礎(chǔ)6:CPT變換下的不變性

把電荷共軛C，空間反演P，時(shí)間反演T這三種分立變換聯(lián)合起來(lái)變換叫CPT變換，這是一個(gè)非常普遍，極其完美又十分精確的對(duì)稱(chēng)性，例：從它能導(dǎo)出正反粒子有如下的關(guān)系：有相同的質(zhì)量，總壽命值相等，符號(hào)相反的電荷共軛等等。實(shí)驗(yàn)上對(duì)這些關(guān)系的驗(yàn)證也是十分有力的。7:同位旋空間中的轉(zhuǎn)動(dòng)不變性

同位旋空間是一個(gè)假象的三維空間，它是在研究強(qiáng)作用時(shí)，通過(guò)與自旋的類(lèi)比而引入的。同位旋空間中的轉(zhuǎn)動(dòng)不變性表示同位旋空間各向同性，它將導(dǎo)致同位旋守恒。粒子物理基礎(chǔ)對(duì)稱(chēng)性與守恒定律守恒定律的緣起是時(shí)空對(duì)稱(chēng)性。由時(shí)間平移不變性可以導(dǎo)出能量守恒定律，由空間平移不變性可以導(dǎo)出動(dòng)量守恒定律，由空間各向同性可以導(dǎo)出角動(dòng)量守恒定律。對(duì)稱(chēng)性原理是最高層次的定理，它凌架于牛頓定律、動(dòng)量定理等這些基本物理規(guī)律之上。對(duì)某些問(wèn)題，在不涉及一些具體定律之前，我們往往有可能根據(jù)對(duì)稱(chēng)性原理和守恒定律作出一些定性的判斷，得到一些有用的信息。粒子物理基礎(chǔ)守恒量守恒定律的研究占極重要地位（能量）經(jīng)典物理:質(zhì)量,能量,動(dòng)量,角動(dòng)量電荷守恒定律粒子物理:同位旋,奇異數(shù),輕子數(shù),P,C,CP等守恒量之分類(lèi)：相加性與相乘性（P,C,CP,G等無(wú)經(jīng)典對(duì)應(yīng)）嚴(yán)格守恒（對(duì)所有相互作用）和近似守恒粒子物理基礎(chǔ)對(duì)稱(chēng)性的自發(fā)破缺原來(lái)具有較高對(duì)稱(chēng)性的系統(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)因素，其對(duì)稱(chēng)程度自發(fā)降低,這種現(xiàn)象叫做對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺。餐桌上的對(duì)稱(chēng)性破缺假設(shè)餐桌桌面的布置和入席時(shí)各人的座位完全對(duì)稱(chēng)，如圖所示。突然某人先拿起了一雙筷子，譬如拿的是右邊的筷子，這過(guò)程迅速傳遍全桌，最后人人都拿起右手邊的筷子，左右對(duì)稱(chēng)性發(fā)生破缺。粒子物理基礎(chǔ)

1956年，李政道和楊振寧為解釋奇異粒子衰變過(guò)程中的“疑難”指出，在強(qiáng)作用和電磁作用中宇稱(chēng)守恒是得到實(shí)驗(yàn)的判定性檢驗(yàn)的，但弱作用過(guò)程中宇稱(chēng)守恒并未得到實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，弱作用過(guò)程中宇稱(chēng)可以不守恒。1957年美籍華裔女物理學(xué)家吳健雄通過(guò)10-2K低溫下鈷60核衰變實(shí)驗(yàn)對(duì)此結(jié)論進(jìn)行了檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理是利用核磁共振技術(shù)使鈷“核自旋方向沿確定方向排列，然后觀察其衰變產(chǎn)生的電子數(shù)分布是否左右對(duì)稱(chēng),實(shí)驗(yàn)情況如圖所示，末態(tài)電子分布不具有鏡像對(duì)稱(chēng)性、從而證明了弱作用中宇稱(chēng)不守恒。李政道和楊振寧因此獲得1957年諾貝爾物理獎(jiǎng)。弱作用中宇稱(chēng)不守恒粒子物理基礎(chǔ)粒子物理基礎(chǔ)上帝是個(gè)左撇子？

當(dāng)“宇稱(chēng)不守恒”在上世紀(jì)50年代被提出時(shí)，大多數(shù)人對(duì)“完美和諧”的宇稱(chēng)守恒定律受到挑戰(zhàn)不以為然。在吳健雄實(shí)驗(yàn)之前，當(dāng)時(shí)著名的理論物理學(xué)權(quán)威泡利教授甚至說(shuō)：“我不相信上帝是一個(gè)軟弱的左撇子，我已經(jīng)準(zhǔn)備好一筆大賭注，我敢打賭實(shí)驗(yàn)將獲得對(duì)稱(chēng)的結(jié)論?！比欢瑖?yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)證明，泡利教授的這一次賭打輸了。近代微生物學(xué)之父巴斯德曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“生命向我們顯示的乃是宇宙不對(duì)稱(chēng)的功能。宇宙是不對(duì)稱(chēng)的，生命受不對(duì)稱(chēng)作用支配。”自然界或許真的不是那么對(duì)稱(chēng)和完美，大自然除了偏愛(ài)物質(zhì)、嫌棄反物質(zhì)之外，它對(duì)左右也有偏好。自然界的20種氨基酸中，有19種都存在兩種構(gòu)型，即左旋型和右旋型。在非生物反應(yīng)產(chǎn)生氨基酸的實(shí)驗(yàn)中，左旋和右旋兩種類(lèi)型出現(xiàn)的幾率是均等的，但在生命體中，19種氨基酸驚人一致地全部呈現(xiàn)左旋型——除了極少數(shù)低級(jí)病毒含有右旋型氨基酸。無(wú)疑，生命對(duì)左旋型有著強(qiáng)烈的偏愛(ài)。正如著名的德國(guó)哲學(xué)家萊布尼茨所說(shuō)，世界上沒(méi)有兩片完全相同的樹(shù)葉。仔細(xì)觀察樹(shù)葉中脈(即樹(shù)葉中間的主脈)的細(xì)微結(jié)構(gòu)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)就連同一片葉子兩邊葉脈的數(shù)量和分布、葉緣缺刻或鋸齒的數(shù)目和分布也都是不同的。絕大多數(shù)人的面部發(fā)育都不對(duì)稱(chēng)，66%的人左耳稍大于右耳，56%的人左眼略大，59%的人右半側(cè)臉較大；人的軀干、四肢也不完全對(duì)稱(chēng)，左肩往往較高，75%的人右側(cè)上肢較左側(cè)長(zhǎng)。粒子物理基礎(chǔ)引力是一種長(zhǎng)程力，在所有物質(zhì)間均存在。引力在四種基本相互作用中是最弱的粒子質(zhì)量很小，在粒子世界引力忽略；宏觀領(lǐng)域，尤其是天體，質(zhì)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粒子物理基礎(chǔ)(2)電磁相互作用

只存在于帶電粒子之間，是一種長(zhǎng)程力，在宏觀和微觀都起作用。例如：光子的吸收、發(fā)射、散射；電子與原子核結(jié)合為原子；彈力、摩擦力、壓力、浮力…基態(tài)粒子光子發(fā)射激發(fā)態(tài)粒子光子吸收基態(tài)粒子激發(fā)態(tài)粒子

e-虛光子

e-

e-

e-γ

γ

ee

e+

e-粒子物理基礎(chǔ)(3)強(qiáng)相互作用

強(qiáng)度大，力程短，是粒子間最重要的相互作用力。粒子間距為１０-15～０.４＊１０－１５m時(shí)表現(xiàn)為引力，距離再小表現(xiàn)為斥力。正是強(qiáng)力將夸克束縛在一起組成質(zhì)子和中子，并將質(zhì)子和中子束縛在一起組成原子核。π0介子

npnpπ+介子nppnπ-介子pnnp粒子物理基礎(chǔ)(4)弱相互作用

力程比強(qiáng)作用更短，力也更弱。除光子外，輕子間，輕子與介子間，輕子與重子間，介子與介子間存在。W-epγen弱相互作用的交換媒介子是中間波色子W，中間波色子可以是中性的，也可以是正負(fù)電荷粒子物理基礎(chǔ)粒子物理基礎(chǔ)基本粒子的性質(zhì)質(zhì)子和中子的大小約為1個(gè)費(fèi)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(chēng)為重子,電子稱(chēng)為輕子質(zhì)子的壽命長(zhǎng)于億億億億年,自由中子的壽命卻只有877秒，中子會(huì)衰變成質(zhì)子、電子和一個(gè)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)？粒子物理基礎(chǔ)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(xué)獎(jiǎng)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(shù)預(yù)言π介子的存在，1947年鮑威爾發(fā)現(xiàn)π介子粒子物理基礎(chǔ)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(dá)數(shù)百種。然而混亂中存在秩序，類(lèi)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)粒子物理基礎(chǔ)眾多的“復(fù)合粒子”人們一直在尋找粒子，目前已發(fā)現(xiàn)200多個(gè)粒子，這些粒子絕大多數(shù)是“復(fù)合粒子”。這些粒子的名稱(chēng)“五花八門(mén)”。費(fèi)米(EnricoFermi)對(duì)他的學(xué)生萊德曼(LeonLederman)說(shuō)："Youngman,ifIcouldrememberthenamesoftheseparticles,Iwouldhavebeenabotanist!"粒子物理基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)模型世界有什么組成？如何組成？-----標(biāo)準(zhǔn)模型

6種輕子

6種夸克

傳遞力的粒子粒子物理基礎(chǔ)夸克（Quark）模型輕子(電荷)夸克(電荷)第一代第二代第三代粒子物理基礎(chǔ)世界由什么組成？世界上的一切物質(zhì)，從星系到山川河流，都是由“輕子”和“夸克”組成。粒子物理基礎(chǔ)粒子物理基礎(chǔ)“反物質(zhì)”（“反粒子”）對(duì)應(yīng)于每一種“物質(zhì)粒子”，存在其“反物質(zhì)粒子”，唯一區(qū)別是電荷反號(hào)?！傲Ｗ印迸c”反粒子”相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生“湮滅”，變成能量。粒子物理基礎(chǔ)夸克

粒子物理基礎(chǔ)“夸克”名稱(chēng)的由來(lái)1964年MurrayGell-Mann和GeorgeZweig建議用三個(gè)基本粒子的不同組合來(lái)解釋所發(fā)現(xiàn)的幾百個(gè)粒子。Gell-Mann把這三個(gè)粒子叫作“Quark”

“Quark”一詞來(lái)自JamesJoyce的小說(shuō)“Finnegan’sWake”

不同種類(lèi)的“夸克”稱(chēng)作不同的“味道”粒子物理基礎(chǔ)

的“夸克”稱(chēng)作“上”（up)和“下”(down):

稱(chēng)為“奇”(strange),它組成的粒子“K”粒子具有“奇怪”的長(zhǎng)壽命稱(chēng)作“璨”（Charm），1974年在斯坦福（SLAC)和布魯海文實(shí)驗(yàn)室(BNL)發(fā)現(xiàn)

稱(chēng)作“底”(bottom)，1977年在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)

稱(chēng)作“頂”(top)，1995年在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn).兩個(gè)最輕第三個(gè)第四個(gè)第五個(gè)第六個(gè)粒子物理基礎(chǔ)強(qiáng)子（重子、介子）正如群居的大象，夸克也群居，從不單獨(dú)存在，他們?nèi)壕铀纬傻膹?fù)合粒子叫“強(qiáng)子”雖然夸克帶有分?jǐn)?shù)電荷，但強(qiáng)子的電荷是整數(shù)雖然夸克帶有顏色，但強(qiáng)子沒(méi)有顏色強(qiáng)子（Hadron）有兩類(lèi)：重子（Baryon）介子（Meson）粒子物理基礎(chǔ)輕子（Lepton）

夸克總是群居而以束縛態(tài)形式存在；輕子則單個(gè)存在帶電輕子象貓科動(dòng)物，易看到；而不帶電的輕子（中微子）象附著在這些動(dòng)物身上的跳騷，難以看到粒子物理基礎(chǔ)帶電輕子的衰變→→→粒子物理基礎(chǔ)中微子

→

→→→粒子物理基礎(chǔ)太陽(yáng)上質(zhì)子聚變——大量中微子，地球——很少且呈周期性變化。是否存在中微子振蕩？發(fā)光星體質(zhì)量只占空間物質(zhì)總質(zhì)量的一小部分，大部分質(zhì)量以“暗物質(zhì)”形式存在。中微子是暗物質(zhì)嗎？中微子質(zhì)量是否為零？有無(wú)磁矩？有沒(méi)有中微子星？宇宙大爆炸遺留下來(lái)的中微子充滿整個(gè)宇宙，其密度與光子差不多中微子能暢行無(wú)阻的穿出龐大的星球，把星球內(nèi)部的信息傳遞出來(lái)。有別于星光，日光

中微子之迷中微子的自旋方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；反中微子的自旋方向與運(yùn)動(dòng)方向一致。v

v

粒子物理基礎(chǔ)中微子的特點(diǎn)不帶電荷、色荷，和物質(zhì)的作用非常弱；絕大多數(shù)可以穿過(guò)地球，而不和地球的物質(zhì)發(fā)生作用；可以在很多過(guò)程中產(chǎn)生，特別是粒子的衰變，(正是從粒子的衰變中推斷其存在）；由于在宇宙形成的初期中微子大量產(chǎn)生，并且它們和物質(zhì)的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它們雖然很輕，但因?yàn)閿?shù)眾多，所以對(duì)宇宙的質(zhì)量有不可忽視的貢獻(xiàn)，影響宇宙的膨脹。粒子物理基礎(chǔ)物質(zhì)的“代”第二、三代的費(fèi)米子衰變很快，我們周?chē)奈镔|(zhì)中沒(méi)有它們。為什么它們還存在呢？當(dāng)輕子被發(fā)現(xiàn)時(shí)，I.I.Rabi嘆道：“Whooderedthat?”粒子物理基礎(chǔ)世界由什么組成？答案

粒子物理基礎(chǔ)世界如何組成？世界由夸克和輕子組成。是什么把夸克和輕子組合成物質(zhì)？

四種作用！粒子物理基礎(chǔ)

物質(zhì)如何相互作用？物質(zhì)勿需接觸就發(fā)生相互作用：如太陽(yáng)吸引地球、兩磁鐵的吸引或排斥物質(zhì)間通過(guò)力場(chǎng)發(fā)生相互作用通過(guò)交換攜帶力的粒子！粒子物理基礎(chǔ)電磁力電磁力引起“同種電荷相排斥，異種電荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由電磁力引起。電磁力的攜帶粒子是“光子”，不同能量的光子形成了電磁波譜，如X—射線、可見(jiàn)光和無(wú)線電波。光子沒(méi)有質(zhì)量，以光速傳播。粒子物理基礎(chǔ)殘余電磁力“原子”含有相同數(shù)目的“質(zhì)子”和“電子”是電中性的，它們?nèi)绾涡纬煞肿幽兀吭瓉?lái)一個(gè)“原子”中的“電子”跟另外一個(gè)“原子”中的質(zhì)子還有作用，這種原子間“殘余電磁力”使不同的“原子”結(jié)合成“分子”。所以，正是“電子”和“質(zhì)子”帶有異號(hào)的電荷使得我們的世界得以形成！粒子物理基礎(chǔ)原子核如何形成？原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電而相互排斥，中子不帶電，為什么它們不因排斥而散開(kāi)呢？這個(gè)問(wèn)題用電磁力無(wú)法回答!

粒子物理基礎(chǔ)強(qiáng)作用力夸克帶有“電荷”，還帶有“色荷”；帶“電荷”的粒子之間有“電磁作用”，帶“色荷”的粒子之間有“強(qiáng)作用”?！皬?qiáng)作用力”使夸克形成“強(qiáng)子”“強(qiáng)作用力”的攜帶粒子叫“膠子”（“強(qiáng)作用”象“膠”一樣把夸克粘在一起?。?/p>

“強(qiáng)作用”與“電磁作用”不同，“膠子”本身帶有“色荷”，而“光子”本身不帶“電荷”；雖然“夸克”帶“色荷”，它們組成的“強(qiáng)子”都不帶“色荷”，是色中性的。粒子物理基礎(chǔ)色荷帶色荷的粒子（夸克、膠子）通過(guò)交換膠子發(fā)生強(qiáng)作用夸克發(fā)射或吸收膠子時(shí)改變自身所帶的色荷夸克帶色荷，反夸克帶反色荷，膠子帶一對(duì)“色荷-反色荷”

組成重子的三個(gè)夸克分別帶有“紅、綠、藍(lán)”色荷，所以是色中性的

組成介子的一對(duì)夸克和反夸克分別帶有色荷（如“紅”）和反色荷（如“反紅”），所以也是色中性的

色荷在作用過(guò)程中是守恒的粒子物理基礎(chǔ)夸克禁閉帶色的粒子不能單獨(dú)存在，夸克總是和別的夸克囚禁在一起而形成色中性的強(qiáng)子強(qiáng)子中的夸克瘋狂的交換膠子進(jìn)行強(qiáng)作用，它們存在于由膠子組成的色場(chǎng)中：當(dāng)膠子場(chǎng)獲得足夠能量時(shí)，就會(huì)折斷成一對(duì)夸克-反夸克粒子物理基礎(chǔ)漸近自由與夸克禁閉粒子物理基礎(chǔ)夸克禁閉未被嚴(yán)格證明！--StevenWeinberg粒子物理基礎(chǔ)夸克發(fā)射膠子

夸克發(fā)射或吸收膠子時(shí)，本身的色荷要改變，以保證色荷守恒。如帶有“紅”色荷的夸克發(fā)射了一個(gè)帶有“紅-反藍(lán)”的膠子后，自身的色荷變成了“藍(lán)”。→→→→粒子物理基礎(chǔ)殘余的強(qiáng)作用：原子核的形成

雖然組成原子核的核子（質(zhì)子和中子）都是色中性的，它們之間有“殘余的強(qiáng)作用”，這種作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)質(zhì)子之間的電磁斥力，原子核由此而形成。粒子物理基礎(chǔ)1896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(chēng)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(jī)制弱相互作用與粒子的衰變粒子物理基礎(chǔ)弱作用雖然有6種夸克和6種輕子，但我們周?chē)?種中微子單獨(dú)的存在著外，所有物質(zhì)都是由最輕的2種夸克(u,d)和1種最輕的帶電輕子（電子）組成，較重的夸克和帶電輕子呢?較重的夸克（s,c,b,t)和帶電輕子(,）在宇宙形成的初期就衰變掉了，衰變成了最輕的夸克和輕子。這些衰變（即味道的改變）都是通過(guò)弱作用進(jìn)行的。

弱作用的攜帶粒子是W+,W-,Z

標(biāo)準(zhǔn)模型把弱作用和電磁作用統(tǒng)一到了一個(gè)理論框架中。粒子物理基礎(chǔ)電磁作用和弱作用的統(tǒng)一

標(biāo)準(zhǔn)模型把電磁和弱作用統(tǒng)一描述，稱(chēng)為電弱理論

在非常小尺度(10-18米）或非常大能標(biāo)(100GeV)情況下，弱作用的強(qiáng)度和電磁作用的強(qiáng)度在同一水平。

隨著尺度的增加或能標(biāo)的降低，弱作用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于

電磁作用。

弱作用的攜帶粒子是重達(dá)100GeV的粒子，是一種短距作用粒子物理基礎(chǔ)分類(lèi)自旋量子數(shù)泡利不相容原理統(tǒng)計(jì)規(guī)律費(fèi)米子

(電子質(zhì)子中子各種重子)半整數(shù)1/2，3/2，…服從費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)分布玻色子

(光子

介子K介子、

介子)整數(shù)1，2，…不服從玻色—愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)分布希格斯粒子0尋求中按自旋量子數(shù)總之，按標(biāo)準(zhǔn)模型理論，基本粒子世界由62種粒子組成：13種規(guī)范玻色子，48種費(fèi)米子（包括12種輕子和36種夸克）和一種希格斯粒子。其中引力子和希格斯粒子的存在尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。粒子物理基礎(chǔ)引力引力很是奇怪。雖然它是一種基本的力，標(biāo)準(zhǔn)模型卻不能描述它。如何把它也統(tǒng)一進(jìn)來(lái)是當(dāng)今物理學(xué)的一大難題。引力的攜帶粒子—引力子，至今未被發(fā)現(xiàn)。粒子物理基礎(chǔ)自然界基本作用力的總結(jié)粒子物理基礎(chǔ)量子力學(xué)原子和亞原子粒子的性質(zhì)