金立剛物質(zhì)的結(jié)構(gòu)：從原子到夸克

1、1物質(zhì)的結(jié)構(gòu)：從原子到夸克物質(zhì)的結(jié)構(gòu)：從原子到夸克 高能物理學簡介高能物理學簡介金立剛金立剛南京師范大學物理科學與技術(shù)學院南京師范大學物理科學與技術(shù)學院主要內(nèi)容主要內(nèi)容n “基本基本”粒子的變遷粒子的變遷 n 四種基本相互作用四種基本相互作用n 高能理論方面的進展高能理論方面的進展n 高能實驗技術(shù)方面的進展高能實驗技術(shù)方面的進展2高能物理的研究對象高能物理的研究對象3高能物理高能物理 & 粒子物理粒子物理物質(zhì)的基本組成是物質(zhì)的基本組成是什么什么?在最基本的層次上在最基本的層次上存在什么樣的相互存在什么樣的相互作用作用?4“簡單簡單”是科學的一個重要特性是科學的一個重要特性 為什么世界上

2、如此多的事物符合相同的規(guī)律為什么世界上如此多的事物符合相同的規(guī)律? 物質(zhì)世界是由一些物質(zhì)世界是由一些“基本的基本的”“”“磚塊磚塊”構(gòu)成的構(gòu)成的. （這里（這里“基本的基本的”意味著無結(jié)構(gòu)，不是由更小的物質(zhì)組成意味著無結(jié)構(gòu)，不是由更小的物質(zhì)組成.） 古代中國（夏朝，公元前兩千年）：金、木、水、火、土（五行）古代中國（夏朝，公元前兩千年）：金、木、水、火、土（五行） 古希臘（公元前五世紀）：水、火、土和空氣；原子學說古希臘（公元前五世紀）：水、火、土和空氣；原子學說5什么是物質(zhì)的最終組成呢？什么是物質(zhì)的最終組成呢？ 二十世紀前，基本的粒子是原子二十世紀前，基本的粒子是原子（道爾頓（道爾頓1803

3、，在原子說基礎(chǔ)上，克勞修斯、麥克斯韋，在原子說基礎(chǔ)上，克勞修斯、麥克斯韋和玻耳茲曼等發(fā)展了統(tǒng)計物理學）和玻耳茲曼等發(fā)展了統(tǒng)計物理學）6空氣分子引起的大氣壓強、風、熱、聲音等等空氣分子引起的大氣壓強、風、熱、聲音等等7原子真是基本的嗎原子真是基本的嗎? 元素周期表（原子能分組并享有相似的化元素周期表（原子能分組并享有相似的化學特性）暗示：原子還有內(nèi)在結(jié)構(gòu)學特性）暗示：原子還有內(nèi)在結(jié)構(gòu)!8原子核（原子核（1911年）與電子（年）與電子（1897年）年）HeliumNeonThomson, 1906 Nobel Prize999.999999999999% 的原子空間是的原子空間是“空空”的的! 假

4、設(shè)原子核的尺寸為假設(shè)原子核的尺寸為1cm，那么整個原子的尺寸將超過，那么整個原子的尺寸將超過30個足球場的長度個足球場的長度!10光子將光子將 束縛在一起束縛在一起光子負責傳遞電光子負責傳遞電磁相互作用磁相互作用.（最終由量子電最終由量子電動力學解釋動力學解釋）原子核與電子之間原子核與電子之間的電磁相互作用的電磁相互作用通常被稱為通常被稱為“庫庫侖力侖力”!電磁相互作用中的電磁相互作用中的量子被稱為量子被稱為“光光子子”.Feynman, Schwinger, Tomonaga, 1965 Nobel Prize11原子如何構(gòu)成穩(wěn)定的分子原子如何構(gòu)成穩(wěn)定的分子? 原子是電中性的，那么是什么力量

5、將它們粘合成穩(wěn)原子是電中性的，那么是什么力量將它們粘合成穩(wěn)定的分子定的分子? 奇特的答案：剩余電磁相互作用將不同的原子束縛奇特的答案：剩余電磁相互作用將不同的原子束縛在一起在一起. 整個世界的穩(wěn)定僅僅是因為整個世界的穩(wěn)定僅僅是因為質(zhì)子和電子的電荷符號相反質(zhì)子和電子的電荷符號相反但電量相等但電量相等!12原子核是基本的嗎原子核是基本的嗎? 利用高能粒子作為利用高能粒子作為“探針探針”探測原子核內(nèi)部探測原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，的結(jié)構(gòu)，“探針探針”越細意味著能量越高越細意味著能量越高 原子核由質(zhì)子原子核由質(zhì)子 (p)和中子和中子(n)組成組成.質(zhì)子質(zhì)子 Rutherford 1911年年; 中子中子 Ch

6、adwick 1932年年（ 1935 Nobel Prize ）根據(jù)量子力學的知識，粒子的德布羅意波長為根據(jù)量子力學的知識，粒子的德布羅意波長為mEp2/GeV1Em1021613核力將眾多質(zhì)子和中子束縛成原子核核力將眾多質(zhì)子和中子束縛成原子核 原子的穩(wěn)定依賴于交換光子的電磁相互作用原子的穩(wěn)定依賴于交換光子的電磁相互作用. 類似地，湯川秀樹（類似地，湯川秀樹（Yukawa）假定：原子核的穩(wěn)定）假定：原子核的穩(wěn)定依賴于交換依賴于交換Pion粒子的核力粒子的核力 （1935年）年）. Pion粒子在粒子在1947年被發(fā)現(xiàn)年被發(fā)現(xiàn).Yukawa 1949 Nobel Prizep，np，np，np

7、，n“災(zāi)難災(zāi)難” 更多更多“基本基本”粒子的發(fā)現(xiàn)粒子的發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子是基本的嗎質(zhì)子和中子是基本的嗎? 1964年，蓋爾曼（年，蓋爾曼（Gell-Mann）提出夸克模型）提出夸克模型 根據(jù)夸克模型，質(zhì)子和中子各包含三個夸克根據(jù)夸克模型，質(zhì)子和中子各包含三個夸克. 其它粒子（如其它粒子（如pion）也由夸克組成）也由夸克組成. (重子重子: (qqq) ,介子介子: (qq) ) Proton = ( u u d ) u = 上夸克（上夸克（up quark） Neutron = ( u d d ) d = 下夸克（下夸克（down quark） Gell-Mann, 1969 Nobel Pri

8、ze夸克夸克 有三對夸克有三對夸克. 上夸克和下夸克組成質(zhì)子和中子，上夸克和下夸克組成質(zhì)子和中子，從而組成大量熟悉的物質(zhì)從而組成大量熟悉的物質(zhì). 其它粒子可以通過高能亞原子碰其它粒子可以通過高能亞原子碰撞產(chǎn)生撞產(chǎn)生.1974 , Ting, Richer 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)charm夸克夸克. 1976 Nobel Prize1977, Lederman發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)bottom夸克夸克. 1995, Fermilab發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)top夸克夸克.膠子將夸克束縛成質(zhì)子、中子等膠子將夸克束縛成質(zhì)子、中子等夸克帶夸克帶“色色”，它，它們之間通過交換膠們之間通過交換膠子粘合在一起，這子粘合在一起，這被稱為強相互作用被稱為

9、強相互作用，現(xiàn)在由量子色動，現(xiàn)在由量子色動力學解釋力學解釋.Gross, Wilczek, Politzer, 1973Gross, Wilczek, Politzer, 2004 Nobel Prize1973 DESY(PETRA): 證實證實膠子存在膠子存在 在低能時，我們看在低能時，我們看不到自由的夸克不到自由的夸克（色緊閉理論）（色緊閉理論）Gross, Wilczek, Politzer, 2004 Nobel Prize1973 DESY(PETRA): 證實證實膠子存在膠子存在膠子將夸克束縛成質(zhì)子、中子等膠子將夸克束縛成質(zhì)子、中子等核力是剩余的強相互作用核力是剩余的強相互作用

10、與原子的情形類似，盡管夸克帶與原子的情形類似，盡管夸克帶“色色”，但構(gòu)成的質(zhì)子和中，但構(gòu)成的質(zhì)子和中子不帶子不帶“色色”，因此距離較遠（原子核以外）時，感受不到，因此距離較遠（原子核以外）時，感受不到強相互作用，這種力不出現(xiàn)在我們?nèi)粘５纳钪袕娤嗷プ饔?，這種力不出現(xiàn)在我們?nèi)粘５纳钪? 但在原子核內(nèi)部，剩余的膠子強相互作用可以平衡質(zhì)子之間但在原子核內(nèi)部，剩余的膠子強相互作用可以平衡質(zhì)子之間的電磁排斥力，形成穩(wěn)定的原子核的電磁排斥力，形成穩(wěn)定的原子核.到目前為止到目前為止, 我們知道我們知道小結(jié)小結(jié):現(xiàn)代的原子模型現(xiàn)代的原子模型 由夸克構(gòu)成的質(zhì)子和中子形成原子核，由夸克構(gòu)成的質(zhì)子和中子形成原子核

11、，電子在周圍永不停息的運動，其中需要電子在周圍永不停息的運動，其中需要有光子和膠子參與的電磁和強相互作用有光子和膠子參與的電磁和強相互作用. 質(zhì)子內(nèi)部仍是一片質(zhì)子內(nèi)部仍是一片“空曠空曠” 超過超過99.9999999%質(zhì)子內(nèi)部空間是質(zhì)子內(nèi)部空間是“空空”的的! 質(zhì)子的質(zhì)量主要來自于這片空曠的空間質(zhì)子的質(zhì)量主要來自于這片空曠的空間. (uud)夸克僅貢獻夸克僅貢獻1.3%的質(zhì)子質(zhì)量的質(zhì)子質(zhì)量 98.7%的質(zhì)子質(zhì)量來源于夸克間的相互作用的質(zhì)子質(zhì)量來源于夸克間的相互作用 總能量包括動能和勢能以及靜止能量，根據(jù)總能量包括動能和勢能以及靜止能量，根據(jù)愛因斯坦的理論，質(zhì)量和能量聯(lián)系在一起愛因斯坦的理論，質(zhì)

12、量和能量聯(lián)系在一起E = M c2 “Emptiness” is not “void”.空空 非非 空空 反物質(zhì)反物質(zhì) 在上世紀二十年代，在上世紀二十年代，Dirac結(jié)合狹義相對論和量結(jié)合狹義相對論和量子力學后建立了一個關(guān)于電子的理論，它預言子力學后建立了一個關(guān)于電子的理論，它預言: 電子存在質(zhì)量相等，電荷相反的反粒子，即正電子存在質(zhì)量相等，電荷相反的反粒子，即正電子電子. 純粹的能量只要足夠，就可以產(chǎn)生一對正反粒純粹的能量只要足夠，就可以產(chǎn)生一對正反粒子子 當物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時可以轉(zhuǎn)化為純粹的能量當物質(zhì)與反物質(zhì)相遇時可以轉(zhuǎn)化為純粹的能量! 在質(zhì)子內(nèi)部的在質(zhì)子內(nèi)部的“空曠空曠”區(qū)，隨時隨地都在

13、發(fā)生區(qū)，隨時隨地都在發(fā)生者正反粒子的產(chǎn)生與湮滅者正反粒子的產(chǎn)生與湮滅!e e（Anderson, 1936 Nobel Prize）Top夸克和反夸克和反Top夸克的發(fā)現(xiàn)夸克的發(fā)現(xiàn)Discovered in 1995 at Fermilab為什么現(xiàn)在物質(zhì)遠多于反物質(zhì)？為什么現(xiàn)在物質(zhì)遠多于反物質(zhì)？（未知）（未知）10,000,000,00110,000,000,000物質(zhì)物質(zhì)反物質(zhì)反物質(zhì)早期宇宙早期宇宙中子衰變與弱相互作用中子衰變與弱相互作用傳播弱相互作用的傳播弱相互作用的W粒子以及粒子以及Z粒子在粒子在1983年被發(fā)現(xiàn)年被發(fā)現(xiàn) (Rubbia, van der Meer， 1984 Nobel

14、 Prize)27太陽發(fā)光與弱相互作用太陽發(fā)光與弱相互作用n在太陽內(nèi)部存在著重要反應(yīng)在太陽內(nèi)部存在著重要反應(yīng)n這是交換這是交換 W 粒子的弱相互作用，反應(yīng)強度有一個粒子的弱相互作用，反應(yīng)強度有一個 (E/MW)4 的壓低的壓低 MW 是質(zhì)子質(zhì)量的是質(zhì)子質(zhì)量的 80 多倍多倍對于太陽，對于太陽，10-32導致太陽能持續(xù)發(fā)光幾十億年導致太陽能持續(xù)發(fā)光幾十億年 當當 MW 有有 5% 的改變，將導致太陽的壽命有兩個的改變，將導致太陽的壽命有兩個量級的改變量級的改變 22He44ep為什么弱相互作用會這么弱，為什么弱相互作用會這么弱，或者說為什么或者說為什么 W 會這么重會這么重?Neutrinos

15、from the SunQuestion: How many neutrinos from the Sun are passing through your fingernail in one second?Answer: 40 billion! day and night since neutrinos can pass right through the Earth without interacting Photo of Sun taken underground using neutrinos(1956 Cowan, Reines，1995 Nobel Prize) predicted

16、 by Pauli, 1933弱相互作用和宇稱破壞弱相互作用和宇稱破壞( Lee and Yang, Nobel prize 1957) 與射出的子彈一樣，夸克、電子和中微子還會以與射出的子彈一樣，夸克、電子和中微子還會以運動方向為軸作運動方向為軸作“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”. 在有在有W粒子參與的弱相互作用中，夸克、電子和粒子參與的弱相互作用中，夸克、電子和中微子的中微子的“自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)”與運動方向構(gòu)成左手螺旋，而與運動方向構(gòu)成左手螺旋，而不會有右手螺旋不會有右手螺旋 左右不對稱或鏡像不對稱左右不對稱或鏡像不對稱. 自然界目前只發(fā)現(xiàn)左手的中微子，而不存在右手自然界目前只發(fā)現(xiàn)左手的中微子，而不存在右手的中微子的

17、中微子.小結(jié)小結(jié) 物質(zhì)的基本構(gòu)成物質(zhì)的基本構(gòu)成. 和和 基本基本“磚塊磚塊”之間的相互作用之間的相互作用.31n 目前，我們認為是基本的粒子目前，我們認為是基本的粒子夸克夸克有分數(shù)電荷，且總是結(jié)合成復合粒子有分數(shù)電荷，且總是結(jié)合成復合粒子輕子輕子有整數(shù)電荷，能自由存在有整數(shù)電荷，能自由存在已知宇宙的穩(wěn)定物質(zhì)的組成已知宇宙的穩(wěn)定物質(zhì)的組成 上夸克上夸克, 下夸克和電子下夸克和電子. 第二、三代的夸克和輕子都是不穩(wěn)定的第二、三代的夸克和輕子都是不穩(wěn)定的. 1 萬有引力萬有引力3 弱相互作用弱相互作用2 電磁相互作用電磁相互作用4 強相互作用強相互作用NewtonFaraday目前，我們發(fā)現(xiàn)的四種基

18、本相互作用目前，我們發(fā)現(xiàn)的四種基本相互作用 35 經(jīng)典力學n 宏觀（宏觀（原子尺度）原子尺度）n 低速（低速（光速）光速） 量子力學n 微觀（原子尺度）微觀（原子尺度）n 低速（低速（原子尺度）原子尺度）n 任意速度任意速度 量子場論n 任意尺度任意尺度n 任意速度任意速度量子電動力學量子電動力學量子色動力學等量子色動力學等對高能物理現(xiàn)象的理論描述對高能物理現(xiàn)象的理論描述自然界自然界“應(yīng)該應(yīng)該”是簡潔、優(yōu)雅的是簡潔、優(yōu)雅的 目前，理論粒子物理的一個重要目標是目前，理論粒子物理的一個重要目標是尋求尋求四種相互作用的統(tǒng)一描述四種相互作用的統(tǒng)一描述. 大統(tǒng)一理論大統(tǒng)一理論ocJ電現(xiàn)象電現(xiàn)象磁現(xiàn)象磁現(xiàn)

19、象電磁理論電磁理論光學現(xiàn)象光學現(xiàn)象三合一三合一ttDJHBE0BDJames Clerk Maxwell (1864)現(xiàn)代語言描述 電磁相互作用電磁相互作用 弱相互作用弱相互作用 電弱相互作用電弱相互作用電磁作用與弱作用的統(tǒng)一描述電磁作用與弱作用的統(tǒng)一描述Weinberg, Glashow, Salam, 1979 Nobel Prize；對稱性破缺，對稱性破缺，Nambu, 2008 Nobel Prizet Hooft, Veltman，1999 Nobel Prize 粒子物理中的標準模型粒子物理中的標準模型 電弱理論電弱理論 量子色動力學量子色動力學 標準模型標準模型. 描述已知基本粒

20、子之間的相互作用（不包括引力）描述已知基本粒子之間的相互作用（不包括引力）. 標準模型不是完美的，它不能回答標準模型不是完美的，它不能回答 為什么有三代的夸克和輕子存在為什么有三代的夸克和輕子存在. 質(zhì)量的起源質(zhì)量的起源 為什么宇宙中的反物質(zhì)如此少為什么宇宙中的反物質(zhì)如此少 為什么引力這么弱，如何實現(xiàn)四種相互作用的真正為什么引力這么弱，如何實現(xiàn)四種相互作用的真正統(tǒng)一統(tǒng)一 近期宇宙觀測得到的驚人結(jié)論近期宇宙觀測得到的驚人結(jié)論 CP 破壞問題破壞問題 (Cronin, Fitch, 1980 Nobel Prize; Kobayashi, Maskawa, 2008 Nobel Prize)42“

21、黑暗的黑暗的”宇宙宇宙近期宇宙學的觀測數(shù)據(jù)揭示了我們宇宙的近期宇宙學的觀測數(shù)據(jù)揭示了我們宇宙的構(gòu)成構(gòu)成各類星球與星系各類星球與星系(普通物質(zhì)普通物質(zhì)) 0.5%其它普通物質(zhì)其它普通物質(zhì) 3.5%暗物質(zhì)暗物質(zhì) 23% 暗能量暗能量 (充滿宇宙空間充滿宇宙空間) 73% 標準模型不能解釋暗物質(zhì)標準模型不能解釋暗物質(zhì)和暗能量和暗能量.高能物理中的實驗手段高能物理中的實驗手段 宇宙射線宇宙射線. 各類對撞機各類對撞機Hess, 1936 Nobel Prize4445高能（例如高能（例如 7 TeV ）質(zhì)子的獲得）質(zhì)子的獲得n 原則上很簡單原則上很簡單: 將將 7 萬億伏特萬億伏特 的電勢加到質(zhì)子上的

22、電勢加到質(zhì)子上n 很難達到且不安全（如此的電場足以撕裂原子）很難達到且不安全（如此的電場足以撕裂原子）500 kV1600 kV12(110)TeVeV46線性加速器原理線性加速器原理空腔內(nèi)的電場方向不斷變化空腔內(nèi)的電場方向不斷變化47線性加速器線性加速器n原則上只要建造得足夠長，原則上只要建造得足夠長，就能夠獲得想要的高能質(zhì)子就能夠獲得想要的高能質(zhì)子n但不現(xiàn)實，如果要達到但不現(xiàn)實，如果要達到7 TeV 需要需要240公里公里 耗費耗費 $750億億費米實驗室的質(zhì)子線性加速器費米實驗室的質(zhì)子線性加速器中國高能所BEPC總體簡圖 直線加速器直線加速器 200 米米儲存環(huán)周長儲存環(huán)周長 240 米米主要能量區(qū)域主要能量區(qū)域 35 GeV主要研究對象主要研究對象 輕子和粲物理輕子和粲物理研究微擾和非微擾研究微擾和非微擾QCDQCD及及其過渡階段性質(zhì)其過渡階段性質(zhì) 2007年年 BEPCII 運行運行回旋加速器回旋加速器回旋加速器原理圖回旋加速器原理圖NSB2D1DON( Lawrence, Nobel prize 1939)Main Injector(new)TevatronDCDFChicago p sourceBoosterWrigley Field 質(zhì)子、反質(zhì)子對撞質(zhì)子、反