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基本粒子及其相互作用

基本粒子及其相互作用. 近代物理系 蒋一. 宇宙起源 ---- 大爆炸学说 组成物质世界的基本粒子 基本粒子的相互作用 相互作用的统一理论 高能物理实验简介 结束语. 我们所知的世界. 已知的世界. 米. 宇宙起源. 问题： （ 1 ）宇宙有限吗？ （ 2 ）宇宙是一直这样还是有起点？ （ 3 ）宇宙是怎样产生的？ （ 4 ）有些怎样的物理规律在支配着宇宙？ （ 5 ） … …. 可能的答案： 宇宙大爆炸理论 (Big Bang). 宇宙起源.

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基本粒子及其相互作用

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  1. 基本粒子及其相互作用 近代物理系 蒋一 • 宇宙起源----大爆炸学说 • 组成物质世界的基本粒子 • 基本粒子的相互作用 • 相互作用的统一理论 • 高能物理实验简介 • 结束语

  2. 我们所知的世界 已知的世界 米

  3. 宇宙起源 问题： （1）宇宙有限吗？ （2）宇宙是一直这样还是有起点？ （3）宇宙是怎样产生的？ （4）有些怎样的物理规律在支配着宇宙？ （5）… … 可能的答案：宇宙大爆炸理论 (Big Bang)

  4. 宇宙起源 Arthur Eddington： 指出在广义相对论中，暗含着在时间上有一个起点 宇宙受引力塌缩，解决办法： （加入宇宙常数）宇宙静态模型 Albert Einstein: 抹去时间起点 为什么有起点？上帝？！！！！Einstein 认为自己学术生涯中最大的败笔！！ George Gamow: 1946年，提出 Big Bang理论（大爆炸理论） Big Bang: 整个宇宙，包括所有的物质、能量以及时间、空间，是从 一个具有无穷大或者近似无穷大的物质密度、温度以及压强 的状态爆发而形成的。 Arno Penzias、Robert Wilson: 1965年，背景微波辐射，实验上给与强有力 的支持。 Stephen Hawking、Roger Penrose、George Ellis：1968-1970, 从理论上证明，广义相对论方程的解一定有关于时空边界的奇点！

  5. Big Bang 380,000 yrs atoms 10-10 ... 1 sec particles 10-32 sec “big bang” ~10-34 sec: inflation < 10-43 sec: Planck era

  6. Big Bang 膨胀冷却 大统一能标

  7. After Big Bang 所有基本作用力统一 质子、中子等强子形成 引力塌缩形成星系 除引力外其他作用力统一 原子核形成 150亿年后的今天 宇宙学与粒子物理的结合！ S. Weinberg 弱作用与电磁作用不同 构成物质的原子形成

  8. Big Bang 证据 • Cosmic expansion (Redshift)（光谱红移） • Age of cosmic objects • less than ~ 12-13 billion yr • Sun ~ 4.7 billion yr • Universal Ratio H:He ~ 3:1 • Snapshot at t ~ 3 min • Strong constraint on matter density • Cosmic Microwave Background (微波背景辐射) • Snapshot at t ~ 380,000 yrs，atom formation • What caused inflation? • Vacuum energy? • How did the initial symmetry break? • Hierarchy of interactions? • Mass of particles? • Where has the antimatter gone? 问题：

  9. 基本粒子及其相互作用(基本粒子) 问题： （1）物质世界是由什么构成的？ 有最基本的构成单元（基本粒子）吗？ （2）支配物质世界的物理规律是什么？ （物质是怎样相互作用的）？ 物质构成： 中国古代：金、木、水、火、土五行说。 Thales of Miletus ： 624-547 B.C. 水是最基本的物质。 Empedocles：484-424 B.C. 土、气、火、水 Democritus：460 - 370 B.C. 原子 近代： Wilhelm Röntgen：1895，X射线 Joseph Thompson：1898,电子（e） Ernest Rutherford ：1919，发现质子，给出正确的原子结构 Albert Einstein：1905，解释光电效应，光是粒子， 1923，Arthur Compton实验证明光有粒子性质

  10. 基本粒子及其相互作用(基本粒子) James Chadwick：1931， 发现中子（ neutron） Wolfgang Pauli： 1930建议存在中微子（neutrino）以解释 beta decay 中的连续电子能量谱，1962年实验证实 Paul Dirac：1931，预言电子有其对应的反粒子（正电子) 1932，Anderson(美)发现正电子 1937, 发现 muon 1953 The beginning of a "particle explosion" Murray Gell-Mann & George Zweig： 1964 提出组成强子的基本粒子夸克（ quarks） 原子核 质子

  11. 基本粒子及其相互作用(基本粒子) 已知的基本粒子 (玻色子) (费米子) 轻子、夸克 力的传播子 强子 介子 自旋(spin):粒子的内禀角动量，以h 为单位， h =h/(2p); h为Planck常数; 电荷：以质子电量为单位； 质量：以电子伏特(eV)为单位， 1MeV = 106 eV 1GeV = 109 eV 3代？？？

  12. 基本粒子及其相互作用(基本粒子) 常见的强子 常见的介子

  13. 基本粒子及其相互作用（相互作用） 问题：这些基本粒子是怎样构成物质的？他们之间怎样作用？ Galileo Galilei：1564 - 1642，“在实验基础上按逻辑推理得出一个客观结论”。 伽利略的发现及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成 就之一。它标志着物理学的真正开端（爱因斯坦）； Isaac Newton： 1642 – 1727，经典力学的奠基人，三定律，引力用作形式； Thomas Young： 1773 – 1829，光的双缝实验，光的干涉理论； Michael Faraday： 1791 - 1867 ，电磁实验； James Clerk Maxwell： 1873，麦克斯韦方程组，电、磁、光的统一 （第一次成功的理论统一！！！！） Max Planck：1900，量子力学诞生！ Albert Einstein：1905，狭义相对论，质能关系 E=mc2

  14. 基本粒子及其相互作用（相互作用） Albert Einstein：1912，广义相对论诞生 Niels Bohr：1913， 用量子理论解释氢原子能级结构 Louis de Broglie：1924，物质都有波的特性 Wolfgang Pauli：1925，电子不相容原理 Erwin Schroedinger：1926，给出量子力学波动方程， Max Born： 给出量子力学的几率解释 Einstein 反对，认为上帝不掷骰子 Paul Dirac：1928，结合量子力学和狭义相对论描述电子 Hideki Yukawa：1934，提出相互作用通过交换粒子完成 现代相互作用理论的开端！！ 引力场中的时空 德布卢意 薛定谔

  15. 基本粒子及其相互作用（相互作用） Sin-Itiro Tomonaga，Julian Schwinger & Richard Feynman 1947, 量子电动力学， quantum electrodynamics（QED），用量子场描述电磁相互作用 C.N. Yang & Robert Mills：1954，提出相互作用的“规范理论” 变换不变性，对称性（现代量子场论的基础） Julian Schwinger：1957，建议电磁作用与弱作用的统一 Murray Gell-Mann & George Zweig：1964 ，提出组成强子和介子的基本粒子夸克 Steven Weinberg & Abdus Salam：1967,电弱统一理论，标准模型诞生 Harald Fritzsch & Murray Gell-Mann： 1973，描述强相互作用的量子色动力学quantum chromodynamics (QCD)

  16. 基本粒子及其相互作用（相互作用） 已知的四种基本作用力 相互作用通过交换粒子来完成 引力 电磁力 强作用力 弱作用力 问题： 还有其他形式的作用力吗？

  17. 基本粒子及其相互作用（相互作用） 四种相互作用特性

  18. 基本粒子及其相互作用（电磁作用QED与弱作用力）基本粒子及其相互作用（电磁作用QED与弱作用力） （1）电磁作用通过交换光子（g）完成（U(1)）： 电磁作用是电子、质子构成原子，原子构成物质的原因。 （2）弱作用力通过交换W+、W-以及Z0完成（SU(2)）： 弱作用力发生在大质量的轻子或夸克 衰变到较轻的轻子或夸克过程中。 弱作用时宇称不守恒！（李政道、杨振宁、吴健雄，P宇称不守恒） 在K介子振荡中发现CP宇称不守恒。 理论认为，CPT宇称守恒！！！ P宇称：空间反演特性；P=1，若F(X)=F(-X)；P=-1,若F(X)= -F(-X); C宇称：电荷反演特性；T宇称：时间反演特性。

  19. 基本粒子及其相互作用（强作用力QCD） 强作用力通过交换胶子(gluon)完成（SU(3)）： 是将夸克组成强子和介子的作用力 色荷：夸克和胶子都具有色荷，即带有颜色。但是强子和介子却不带颜色， 即在组成强子和介子时对夸克的颜色是有选择的，需要组成色中性的粒子。 介子：（红—反红） （绿—反绿） （蓝—反蓝） 强子：（红—绿—蓝） 夸克之间通过交换胶子产生的色荷力发生强相互作用。 1964年前，已知有u、d、s夸克， 1974 (Nov.) Burton Richter & Samuel Ting发现charm夸克 1977 Leon Lederman发现bottom夸克 1979 PETRA 发现胶子存在的证据 1995 FermiLab发现top夸克

  20. 基本粒子及其相互作用（强作用力QCD） 夸克禁闭(Quark Confinement）： 夸克禁闭是指夸克和胶子不能单独存在，而必须以某种色中性 的组合态存在，如强子或者介子。 色荷作用力非常强，当试图分开一对夸克时，要加很大 的能量，这些能量使得胶子重新生成新的夸克对，与原来 的夸克重新组成色中性粒子。目前还不能定量解释！ 两个核子中夸克之间的强作用力克服质子 之间的电磁斥力，形成原子核。

  21. 基本粒子及其相互作用（引力） 引力从理论上认为是通过交换引力子（ graviton）完成， 但是引力子到目前还没有被发现。 Graviton粒子：mass=0?, spin=2? 到目前为止，还没有一个好的量子场理论来解释引力作用！ 大问题！！！！ 引力作用比其他几种作用力弱很多，所以在验证其他作用力时可以 不考虑引力的影响！ 物理学家：（1）寻找一个量子场论来解释引力，即寻找引力场的量子化形式！ （2）实验上发现引力子！！！

  22. 电磁作用QED与弱作用力的统一（标准模型） 1979 Nobel Prize-- GLASHOW, SALAM and WEINBERG the theory of the unified weak and electromagnetic interaction. 1984 Nobel Prize-- RUBBIA and VAN DER MEER the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction.

  23. 电磁作用QED与弱作用力的统一（标准模型） 标准模型 (Standard Model) SUW(2)×UY(1)~ 100 GeV 结合了已知的物理结果和理论，给 出了新的预言！！ 粒子谱： 3代轻子（6个轻子）及其反粒子 3代夸克（6个夸克）及其反粒子 光子 （传递电磁作用） W+、W-，Z0（传递弱作用） （标准模型预言并被发现！！） Higgs 机制 Higgs粒子 ，真空自发破缺机制所预言的粒子（还没有发现），通过真空自发破缺机制 给模型中的所有粒子提供质量！ 标准模型将电磁作用和弱作用统一起来， 其预言的物理结果与实验验证取得了惊人的一致！0.001 问题： （1）轻子、夸克为什么是三代？ （2） 一定有Higgs粒子吗，粒子质量的来源是什么？ （3）规范对称性的起源是什么？

  24. 电磁作用QED与弱作用力的统一（标准模型） 粒子与其反粒子 （1）Dirac最早意识到粒子具有其对应的反粒子 （2）粒子与反粒子具有相同的质量和自旋，相反的荷 （如电荷，色荷），电中性粒子的反粒子是其本身 （3）粒子与反粒子相遇时会湮灭成纯能量，然后以光子 形式放射出去。 正负粒子湮灭成光子， 光子产生正负粒子对 标准模型下的一些物理过程（在实验上已经被证实）：

  25. Interactions/Theories: coupling offorcesto particles 电磁作用QED与弱作用力的统一（标准模型） 费曼图 Feynman Digram

  26. 相互作用的统一理论 统一理论：用一个理论描述所有的基本粒子和所有的相互作用， 这个理论将是怎样的呢？ 寻找统一理论： James Clerk Maxwell： 1873，麦克斯韦方程组，电、磁、光的统一 （第一次成功的理论统一！！！！） Albert Einstein: 尝试将引力与电磁力统一，没有成功 Steven Weinberg & Abdus Salam：1967,电弱统一理论，标准模型 大统一理论(Grant Unified Theory，GUT）：要将电磁、弱、强作用统一 终极理论：要将电磁、弱、强以及引力作用统一 什么样的理论才是这样的终极理论？！！ 弦论？超对称理论？M理论？。。。。。。

  27. 相互作用的统一理论 GUT 理论 能标增加 希望该理论在某一个较高的能标（GUT能标） 下，强、电磁、弱作用的强度一样，而在较低 的能标下与我们现在的实验结果一致。

  28. 相互作用的统一理论 强相互作用 超对称 相互作用强度 GUT 电磁相互作用 统一点 弱相互作用 LHC 普朗克尺度 引力 1012eV 1028eV ENERGY 现在的观测范围

  29. 相互作用的统一理论（弦理论） 人们意识到，在四维时空（3维空间+1维时间）内，要统一所有作用力，现在还找 不到办法。但是，如果假定有很多维的空间，而只有4维空间能被人感知，其余维 的空间尺度很小，不能被人感知，则在这样的多维空间中，就比较容易构造一个 包容各种相互作用的理论。 在寻找这样的理论中，弦理论（String Theory）引起了大家的普遍关注。 弦理论：物质世界是由多维时空构成，其基本单元是弦，而我们所观察到的粒子， 是弦振动的激发态。如果要将量子引力场包含到弦理论中，则要求弦的长度在 10-35米（Planck 长度）量级。 可以自然给出mass=0、spin=2的粒子（引力子）。 超弦理论(Superstring Theory)：一般的弦理论，只能给出自旋为整数的激发态粒子， 即只包含玻色子， 如果要引入费米子，就必须要引入超对称性（玻色子与费米子 之间的对称性， supersymmetry, SUSY）。引入超对称性的弦理论，称为超弦理论。

  30. 相互作用的统一理论（超弦理论） 超对称（SUSY）：每个粒子都有一个自旋与其差 1/2的超对称伴随子（SUSY partner）。 能标增加 Q|Boson>=|Fermion> Q|Fermion>=|Boson> 超对称破缺：粒子与其超对称伴随子的质量不同。 例如，电子质量为0.5MeV，而其伴随子估计在500 GeV左右，相差1000000倍。谜？！！ 超弦情况下的统一理论框架

  31. 相互作用的统一理论（弦理论） 弦理论的构造原则： （1）选择开弦还是闭弦； （2）加不加SUSY？ 即要不要引入费米子。 闭弦 开弦 弦理论的种类：

  32. Type IIA E8xE8 heterotic M-Theory Type IIB SO(32) heterotic Type I 相互作用的统一理论（M理论） 问题：在上述包含玻色子和费米子的五类弦理论中，都是10维时空，我们可以任意 取其中的4维代表我们所能感知的时空，其余6维作为小尺度空间，这样就会有很多 的组合，即有很多的理论。而能够描述我们物质世界的理论只能是一个，是哪一个？ 低能时是11维超引力M理论 1995年，Ed Witten发现，5类超弦理论，其实是一个更基本理论的不同表现，这个更基本的理论称为M理论（Mother Theory)。弦理论的二次革命！！ Ed Witten 现在还不清楚M理论的具体形式！！！

  33. 相互作用的统一理论（M理论） 在M理论的框架下，不同的超弦理论之间具有一定的对称性： T—Duality：当一种弦理论在描述大尺度的情况时，另外一种弦理论可以描述小尺度的 情况。IIA型与IIB型弦之间具有这种对称性。 对偶等价 T duality 模糊了大尺度与小尺度 之间的区别。 1/R R S—Duality:弦理论中的相互作用耦合常数随弦的振动模式变化（dilation)，在交换这 种dilation场时，其耦合常数包含强相互作用和弱相互作用两种形式。 I型弦 HO型弦、IIB型弦 IIB型弦 具有这样的对称性。 S duality 模糊了强作用与弱作用之间的区别。

  34. 相互作用的弦： 相互作用的统一理论（弦的相互作用） （现在的）超弦理论是一个将现有的基本理论做既保守又激进的改造后得到的理论，也就是： 粒子 弦， 保持所有其它基本的物理原理不变。 粒子 弦 相互作用的粒子： e e g 零距离作用 Feynman 图 p p

  35. 相互作用的统一理论（概括） 终极理论？

  36. 谜一样的世界 • 量子引力如何能帮助解释宇宙的起源？ • 质子的寿命是多长？我们如何解释之？ • 基本粒子为什么只有3代，现在已知的基本粒子是基本粒子吗？ • 粒子的质量来源是什么？ • 自然界是超对称性的吗？如果是，超对称如何破缺？ • 为什么宇宙看来只有一个时间和三个空间维数？ • M-理论的基本自由度是什么？这一理论确实描述自然界吗？ • 我们能定量地解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭和质量间 • 隙(mass gap)的存在吗？ • 宇宙暗物质（Dark Matter)和暗能量（Dark Energy）是什么？

  37. We are here Current Universe Composition: We do not know what makes up 95% of the universe. Need to study it in controlled experiments, i.e. @ Collider Physics 宇宙暗物质与暗能量 我们已知的星球只占整个宇宙 能量的5%，其余是 暗物质（23%）？？？ 暗能量（72%）？？？

  38. 高能物理实验 质能守恒 E=mc2 把一个静止质量很轻的例子，如电子、质子，加到很高的速度，这样这个粒子就具有 很高的能量，将这样高能量的粒子进行相互作用，就可以产生静止质量很大的粒子。 获得被加速粒子： 电子的获得：加热金属，获得热电子 质子的获得：将氢原子离子化。 反物质的获得：用高能量粒子轰击靶，会产生正反粒子对，利用 正反粒子 相反的电荷，用磁场把所需要的反粒子 引出来。以此获得正电子，反质子。

  39. 高能物理实验 加速器的设计： 碰撞模式： 两束被加速粒子对撞 粒子轰击固定靶 粒子加速模式： 同步加速器 直线加速器 示意图：

  40. 高能物理实验（加速环）

  41. 高能物理实验（加速环） 2300 employees (-> 2000) 6000 visitors 20 Member states + US, Canada, Japan, Russia, China, India, ... Accelerators (LHC, 2007) Detectors (Atlas, cms, lhcb, alice) CERN 欧洲核子中心 27 km

  42. 高能物理实验（探测器）

  43. 高能物理实验（世界上目前主要的加速器 ） • SLAC: Stanford Linear Accelerator Center, in California, discovered the charm quark (also discovered at Brookhaven) and tau lepton; now running an accelerator producing huge numbers of B mesons. • Fermilab: Fermi National Laboratory Accelerator, in Illinois, where the bottom and top quarks and the tau neutrino were discovered. • CERN: European Laboratory for Particle Physics, crossing the Swiss- French border, where the W and Z particles were discovered. • BNL: Brookhaven National Lab, in New York, simultaneously with SLAC discovered the charm quark. • CESR: Cornell Electron-Positron Storage Ring, in New York. CESR performs detailed studies of the bottom quark. • DESY: Deutsches Elektronen-Synchrotron, in Germany; gluons were discovered here. • KEK: High Energy Accelerator Research Organization, in Japan, is now running an accelerator producing huge numbers of B mesons. 中微子质量 • IHEP: Institute for High-Energy Physics, in the People's Republic of China, performs detailed studies of the tau lepton and charm quark.

  44. 结束语 关于我们自己的世界： 我们已经知道很多很多； 还有太多太多的不知道； 我们已经做了很多很多； 还有太多太多要做。

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