粒子物理基礎

關于粒子物理基礎第1頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五世界由什么構成？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”第2頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五世界由什么組成？為什么世界上不同的物質(zhì)具有相同的特征？

因為世界上的物質(zhì)是由幾個基本的磚塊組成的

---簡單、沒有內(nèi)部結構！從遠古時代，人類就開始這樣想。比如認為世界是由“水、火、土、氣”組成。“基本磚塊”第3頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五世界的基本磚塊？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，人們認為“原子”是可穿透的球，內(nèi)部有一些電荷在跳動。第4頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五“原子”是基本的嗎？人們很快就發(fā)現(xiàn)：可以根據(jù)其化學性質(zhì)把“原子”分類《元素周期表》這表明“原子”有內(nèi)部結構，是由更小的磚塊組成的。

第5頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五19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)入到了微觀領域第6頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

“原子”是由帶正電的、重而小的“原子核”和圍繞它的帶負電的“電子云”組成實驗表明：第7頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五“原子核”是基本的嗎？“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人們認為是基本的粒子。后來，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。

第8頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五世界由什么組成？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：標準模型第9頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五粒子的衰變和湮滅原子核的衰變：一個大原子核變成幾個小原子核基本粒子的衰變：一個基本粒子變成幾個較輕的基本粒子→→→→→→第10頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五放射性的發(fā)現(xiàn)1800年代的晚期，德國物理學家WilhelmR?ntgen發(fā)現(xiàn)：當電子束打到金屬片上時，會有奇怪的射線發(fā)出，他稱之為X-射線兩個月后，法國物理學家HenriBecquerel發(fā)現(xiàn)有些礦石（如鈾）會自然的放出射線。不穩(wěn)定的原子核衰變而放出射線—放射性第11頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五射線的種類射線：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

射線只能用鉛板來檔

第12頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五鈾的衰變→→→→→一大塊鈾的衰變（半衰期）單個鈾的衰變（幾率）第13頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五鈾為什么會衰變？

殘余的強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：量子力學核子團（比如)逃逸出原子核的幾率很?。粚Υ笤雍耍ㄈ玮櫍┻@種幾率比較大。第14頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五衰變中的質(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！第15頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五“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?！翱淇恕?--目前沒有發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結構，是“基本”的粒子第16頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五現(xiàn)代的“原子”圖像

注意：“原子”體積的99.999999999999%

是空的！第17頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五“原子”的大小

第18頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五原子的有核結構1911年湯姆遜的學生盧瑟福確立了原子的有核結構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構模型1919提出了原子核內(nèi)存在中子的設想1932年查德威克確認了中子的存在第19頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五第20頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五物質(zhì)的結構層次：宏觀物體場分子原子原子核質(zhì)子中子夸克電子規(guī)范粒子第21頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五宇觀宏觀介觀微觀人地球山原子核原子星系星太陽系夸克天體物理粒子物理兩大尖端緊密銜接DNA101010510-1510-20101510251m102010-51-10up第22頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五宇宙形成第23頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五人類是認識自然界的主體——“米”基本長度單位最小對象是粒子<10-20m，最大對象是宇宙，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。第24頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五世界的層次宏觀系統(tǒng)：尺度在m以上的客體

因果規(guī)律，用牛頓力學或相對論力學描述微觀系統(tǒng)：尺度在m以下的客體

統(tǒng)計規(guī)律，用量子力學描述介觀系統(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，微觀特性起主導宇觀系統(tǒng)：星系、宇宙第25頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五物質(zhì)的層次結構第26頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五Electrons(10-18m)Atom

nucleusnucleon

quark10-10m

10-14m10-15m

10-18m

TheComponentUnitofMatter第27頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五物質(zhì)的層次結構世界由物質(zhì)組成，物質(zhì)存在的基本形式是粒子和場。目前人類所認識的物質(zhì)客體的空間尺寸，其大小至少跨越了42個數(shù)量級。第28頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五如何實驗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，它們在宇宙形成的初期都曾經(jīng)存在過，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，并用探測器研究這些粒子的性質(zhì)。粒子產(chǎn)生的方法：宇宙線對撞機粒子探測的工具：探測器

第29頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五宇宙線第30頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五對撞機（加速器）直線加速回旋加速固定靶對撞機第31頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五當今世界上的加速器Fermilab（費米實驗室，美國）SLAC(斯坦福直線加速器中心，美國)BNL(布魯海文實驗室，美國）CESR(康奈爾正負電子儲存環(huán)，美國）CERN(歐洲粒子物理實驗室，瑞士)KEK（高能加速器研究機構，日本）DESY(電子回旋加速器，德國）IHEP(高能物理所，中國）第32頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五粒子探測器第33頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五如何識別不同粒子第34頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五現(xiàn)代粒子物理實驗的鼻祖:盧瑟福實驗Beam:粒子Target:金箔Detector:硫化鋅屏幕第35頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五一點歷史--StevenWeinberg第36頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五觀測世界的手段：總結第37頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五二十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

第38頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五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,引起衰變第39頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五空間粒子2粒子1媒介子時間粒子之間的相互作用總是通過交換媒介粒子來實現(xiàn)的。粒子間相互作用的時空圖基本相互作用第40頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五現(xiàn)在物理認為，粒子間的相互作用是由場傳遞的，是依靠交換規(guī)范玻色子來實現(xiàn)的。量子場論認為：（１）每種粒子都有相對應的場，場沒有不可入性，對應各種粒子的場相互重疊地充滿全空間。（２）某種場能量最低的狀態(tài)稱為該場的基態(tài)?；鶓B(tài)場不能通過狀態(tài)變化釋放能量、輸出信號。表現(xiàn)為觀察不到存在粒子。（３）場處于激發(fā)態(tài)時表現(xiàn)為出現(xiàn)相應的粒子，場的不同激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為粒子的數(shù)目和運動狀態(tài)不同。（４）當所有場都處于基態(tài)時，任何一個場都不可能釋放能量而給出信號，都不顯示粒子——物理上的真空。真空并非空無一物而是充滿了各種基態(tài)場。（５）基態(tài)場和激發(fā)態(tài)的場都與其他場相互作用，他是粒子間相互作用的來源。粒子與場的相互關系第41頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五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)。第42頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五TheFourTypesofInteractions

GravityWeakStrongElectromagnetic第43頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五相互作用的統(tǒng)一理論第44頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五經(jīng)過某種變換之后，物理規(guī)律保持不變，這就是物理規(guī)律的對稱性。如果一個操作使系統(tǒng)從一個狀態(tài)變到另一個與之等價的狀態(tài)，或者說，狀態(tài)在此操作下不變，我們就說這系統(tǒng)對這個操作是對稱的，而這個操作叫作這系統(tǒng)的一個對稱操作.什么是對稱性第45頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五空間對稱性與空間對稱性相對稱的操作有旋轉(zhuǎn)、平移、鏡像（1）旋轉(zhuǎn)對稱

圓對于繞過其中心垂直于圓面軸o旋轉(zhuǎn)任意角度的操作都是對稱的。對于在圓內(nèi)加一對相互垂直直徑的體系，其對稱操作只能是轉(zhuǎn)動π/2的整數(shù)倍。如果在圓環(huán)上加一個小球，其對稱操作就只能是轉(zhuǎn)動2π的整數(shù)倍了。第46頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五（2）平移對稱（3）鏡象反射對稱

通常說的左右對稱，本質(zhì)上就是鏡象反射對稱，或者說宇稱(parity)，相應的操作就是空間反射(鏡面反射)。第47頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五時間對稱性1.時間平移對稱性一個靜止不變或勻速直線運動的體系對任何時間間隔t的時間平移表現(xiàn)出不變性。對于一個周期性變化體系(單擺、彈簧振子)，對周期T

及其整數(shù)倍的時間平移變換對稱。2.時間反演對稱性把時間t變換到

(-t)的變換叫做時間反演操作，相當于時間倒流。當然，現(xiàn)實生活中時間是不會倒流的。但可以想象攝制的錄象帶倒放時出現(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，讓演員從高處往下跳，拍攝下來倒著放，就可以表現(xiàn)出一個人從地面躍起，跳上高墻的場面。詩曰：君不見黃河之水天上來，奔流到海不復回？

君不見高堂明鏡悲白發(fā)，

朝如青絲暮成雪？

這里，詩人哀嘆韶華如流，人生易老，正是時間反演不對稱的寫照。盡管只有少數(shù)理想的體系具有時間反演對稱性，但確實有這種理想的體系。第48頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五標度變換對稱性

所謂"標度變換",通俗地講，就是放大縮小。鸚鵡螺美麗的外殼為標度不變提供了一個很好的范例。在數(shù)學中，一條螺線，具有標度不變性的函數(shù)關系，這時當這個圖形放大或縮小時，只需轉(zhuǎn)過一個角度，就可以與原來的曲線重合。第49頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五對稱性原理(1)原因中的對稱性必反映在結果中，即結果中的對稱性至少有原因中的對稱性那樣多；(2)

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

等價的原因→等價的結果；對稱的原因→對稱的結果

第50頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五微觀世界的對稱性1：洛侖茲不變性

這個不變性是狹義相對性原理的數(shù)學表述，在狹義相對性原理中指出：一切慣性坐標系都是等價的，物理規(guī)律對于一切慣性坐標系都具有相同的形式，狹義相對性原理比伽俐略相對性原理更普遍。不同慣性系中的坐標可以通過洛侖茲變換聯(lián)系起來，選不同的坐標系相當于施行了一個洛侖茲變換，洛侖茲不變性是自然界中很重要的對稱性。

2：正反粒子變換（C變換）不變性

正反粒子變換有時也稱電荷共軛變換，C變換不變性是指將系統(tǒng)中的正反粒子互換，系統(tǒng)的運動規(guī)律與原有系統(tǒng)的運動規(guī)律相同，表征變換性質(zhì)的量子數(shù)叫C宇稱，也只有正負之分。第51頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五3：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稱性，前面已經(jīng)介紹過了，這里不再贅述。在微觀世界里P變換不變性將導致系統(tǒng)的宇稱守恒，宇稱是描寫一個系統(tǒng)的狀態(tài)在空間反演下的變換方式的量子數(shù)。4：時間（T）反演不變性

這是一種將時間逆轉(zhuǎn)的變換，即把將來和過去顛倒過來。在T變換下，產(chǎn)生一個粒子變成消滅一個粒子，這種變換沒有相應的量子數(shù)。5:

CP聯(lián)合反演不變性

空間反演P和電荷共軛C聯(lián)合起來的變換下的不變性，適應于絕大多數(shù)弱力過程的物理規(guī)律，中微子將變?yōu)楝F(xiàn)實世界中的反中微子。

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

但是在個別情況下，CP對稱性有輕度的破壞叫CP破壞，在發(fā)現(xiàn)宇稱不守恒的1956年就有人討論過CP破壞的可能性，由于破壞幅度很小，直到1964年在中性K介子的衰變實驗中才首次得到驗證。第52頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五6:

CPT變換下的不變性

把電荷共軛C，空間反演P，時間反演T這三種分立變換聯(lián)合起來變換叫CPT變換，這是一個非常普遍，極其完美又十分精確的對稱性，例：從它能導出正反粒子有如下的關系：有相同的質(zhì)量，總壽命值相等，符號相反的電荷共軛等等。實驗上對這些關系的驗證也是十分有力的。7:同位旋空間中的轉(zhuǎn)動不變性

同位旋空間是一個假象的三維空間，它是在研究強作用時，通過與自旋的類比而引入的。同位旋空間中的轉(zhuǎn)動不變性表示同位旋空間各向同性，它將導致同位旋守恒。第53頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五對稱性與守恒定律守恒定律的緣起是時空對稱性。由時間平移不變性可以導出能量守恒定律，由空間平移不變性可以導出動量守恒定律，由空間各向同性可以導出角動量守恒定律。對稱性原理是最高層次的定理，它凌架于牛頓定律、動量定理等這些基本物理規(guī)律之上。對某些問題，在不涉及一些具體定律之前，我們往往有可能根據(jù)對稱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。第54頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五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,動量,角動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：相加性與相乘性（P,C,CP,G等無經(jīng)典對應）嚴格守恒（對所有相互作用）和近似守恒第55頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五對稱性的自發(fā)破缺原來具有較高對稱性的系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱因素，其對稱程度自發(fā)降低,這種現(xiàn)象叫做對稱性自發(fā)破缺。餐桌上的對稱性破缺假設餐桌桌面的布置和入席時各人的座位完全對稱，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，這過程迅速傳遍全桌，最后人人都拿起右手邊的筷子，左右對稱性發(fā)生破缺。第56頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

1956年，李政道和楊振寧為解釋奇異粒子衰變過程中的“疑難”指出，在強作用和電磁作用中宇稱守恒是得到實驗的判定性檢驗的，但弱作用過程中宇稱守恒并未得到實驗的檢驗，弱作用過程中宇稱可以不守恒。1957年美籍華裔女物理學家吳健雄通過10-2K低溫下鈷60核衰變實驗對此結論進行了檢驗。實驗原理是利用核磁共振技術使鈷“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)分布是否左右對稱,實驗情況如圖所示，末態(tài)電子分布不具有鏡像對稱性、從而證明了弱作用中宇稱不守恒。李政道和楊振寧因此獲得1957年諾貝爾物理獎。弱作用中宇稱不守恒第57頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五第58頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五上帝是個左撇子？

當“宇稱不守恒”在上世紀50年代被提出時，大多數(shù)人對“完美和諧”的宇稱守恒定律受到挑戰(zhàn)不以為然。在吳健雄實驗之前，當時著名的理論物理學權威泡利教授甚至說：“我不相信上帝是一個軟弱的左撇子，我已經(jīng)準備好一筆大賭注，我敢打賭實驗將獲得對稱的結論?！比欢瑖乐?shù)膶嶒炞C明，泡利教授的這一次賭打輸了。近代微生物學之父巴斯德曾經(jīng)說過：“生命向我們顯示的乃是宇宙不對稱的功能。宇宙是不對稱的，生命受不對稱作用支配?！弊匀唤缁蛟S真的不是那么對稱和完美，大自然除了偏愛物質(zhì)、嫌棄反物質(zhì)之外，它對左右也有偏好。自然界的20種氨基酸中，有19種都存在兩種構型，即左旋型和右旋型。在非生物反應產(chǎn)生氨基酸的實驗中，左旋和右旋兩種類型出現(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)低級病毒含有右旋型氨基酸。無疑，生命對左旋型有著強烈的偏愛。正如著名的德國哲學家萊布尼茨所說，世界上沒有兩片完全相同的樹葉。仔細觀察樹葉中脈(即樹葉中間的主脈)的細微結構，你會發(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)育都不對稱，66%的人左耳稍大于右耳，56%的人左眼略大，59%的人右半側臉較大；人的軀干、四肢也不完全對稱，左肩往往較高，75%的人右側上肢較左側長。第59頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五引力是一種長程力，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第60頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五(2)電磁相互作用

只存在于帶電粒子之間，是一種長程力，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-第61頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五(3)強相互作用

強度大，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時表現(xiàn)為引力，距離再小表現(xiàn)為斥力。正是強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第62頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五(4)弱相互作用

力程比強作用更短，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，也可以是正負電荷第63頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五第64頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五基本粒子的性質(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.這是否預示著質(zhì)子、中子內(nèi)部還有結構？第65頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五眾多的新粒子

1931年狄拉克預言：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年泡利預言中存在微子，不帶電，質(zhì)量為零1935年湯川秀樹預言π介子的存在，1947年鮑威爾發(fā)現(xiàn)π介子第66頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五更多的粒子被發(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)部還有結構第67頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五眾多的“復合粒子”人們一直在尋找粒子，目前已發(fā)現(xiàn)200

多個粒子，這些粒子絕大多數(shù)是“復合粒子”。這些粒子的名稱“五花八門”。費米(EnricoFermi)對他的學生萊德曼(LeonLederman)說："Youngman,ifIcouldrememberthenamesoftheseparticles,Iwouldhavebeenabotanist!"第68頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五標準模型世界有什么組成？如何組成？

-----標準模型

6種輕子

6種夸克

傳遞力的粒子第69頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五夸克（Quark）模型輕子(電荷)夸克(電荷)第一代第二代第三代第70頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五世界由什么組成？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。第71頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五第72頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五“反物質(zhì)”（“反粒子”）對應于每一種“物質(zhì)粒子”，存在其“反物質(zhì)粒子”，唯一區(qū)別是電荷反號?！傲Ｗ印迸c”反粒子”相遇時，會發(fā)生“湮滅”，變成能量。第73頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五夸克

第74頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五“夸克”名稱的由來1964年MurrayGell-Mann

和GeorgeZweig

建議用三個基本粒子的不同組合來解釋所發(fā)現(xiàn)的幾百個粒子。Gell-Mann把這三個粒子叫作“Quark”

“Quark”一詞來自JamesJoyce

的小說“Finnegan’sWake”

不同種類的“夸克”稱作不同的“味道”第75頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

的“夸克”稱作“上”（up)

和“下”(down):

稱為“奇”(strange),它組成的粒子“K”粒子具有“奇怪”的長壽命稱作“璨”（Charm），1974年在斯坦福（SLAC)和布魯海文實驗室(BNL)發(fā)現(xiàn)

稱作“底”(bottom)，1977年在費米實驗室發(fā)現(xiàn)

稱作“頂”(top)，1995年在費米實驗室發(fā)現(xiàn).兩個最輕第三個第四個第五個第六個第76頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五強子（重子、介子）正如群居的大象，夸克也群居，從不單獨存在，他們?nèi)壕铀纬傻膹秃狭Ｗ咏小皬娮印彪m然夸克帶有分數(shù)電荷，但強子的電荷是整數(shù)雖然夸克帶有顏色，但強子沒有顏色強子（Hadron）有兩類：重子（Baryon）介子（Meson）第77頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五輕子（Lepton）

夸克總是群居而以束縛態(tài)形式存在；輕子則單個存在帶電輕子象貓科動物，易看到；而不帶電的輕子（中微子）象附著在這些動物身上的跳騷，難以看到第78頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五帶電輕子的衰變→→→第79頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五中微子

→

→→→第80頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五太陽上質(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？有無磁矩？有沒有中微子星？宇宙大爆炸遺留下來的中微子充滿整個宇宙，其密度與光子差不多中微子能暢行無阻的穿出龐大的星球，把星球內(nèi)部的信息傳遞出來。有別于星光，日光

中微子之迷中微子的自旋方向與運動方向相反；反中微子的自旋方向與運動方向一致。vv第81頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五中微子的特點不帶電荷、色荷，和物質(zhì)的作用非常弱；絕大多數(shù)可以穿過地球，而不和地球的物質(zhì)發(fā)生作用；可以在很多過程中產(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，但因為數(shù)眾多，所以對宇宙的質(zhì)量有不可忽視的貢獻，影響宇宙的膨脹。第82頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五物質(zhì)的“代”第二、三代的費米子衰變很快，我們周圍的物質(zhì)中沒有它們。為什么它們還存在呢？當輕子被發(fā)現(xiàn)時，I.I.Rabi嘆道：“Whooderedthat?”第83頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五世界由什么組成？答案

第84頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五世界如何組成？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！第85頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五

物質(zhì)如何相互作用？物質(zhì)勿需接觸就發(fā)生相互作用：如太陽吸引地球、兩磁鐵的吸引或排斥物質(zhì)間通過力場發(fā)生相互作用通過交換攜帶力的粒子！第86頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五電磁力電磁力引起“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、可見光和無線電波。光子沒有質(zhì)量，以光速傳播。第87頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五殘余電磁力

“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?？原來一個“原子”中的“電子”跟另外一個“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”結合成“分子”。所以，正是“電子”和“質(zhì)子”帶有異號的電荷使得我們的世界得以形成！第88頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五原子核如何形成？

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呢？

這個問題用電磁力無法回答!

第89頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五強作用力夸克帶有“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“強作用”?！皬娮饔昧Α笔箍淇诵纬伞皬娮印薄皬娮饔昧Α钡臄y帶粒子叫“膠子”（“強作用”象“膠”一樣把夸克粘在一起?。?/p>

“強作用”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“強子”都不帶“色荷”，是色中性的。第90頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五色荷帶色荷的粒子（夸克、膠子）通過交換膠子發(fā)生強作用夸克發(fā)射或吸收膠子時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“色荷-反色荷”

組成重子的三個夸克分別帶有“紅、綠、藍”色荷，所以是色中性的

組成介子的一對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

色荷在作用過程中是守恒的第91頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五夸克禁閉帶色的粒子不能單獨存在，夸克總是和別的夸克囚禁在一起而形成色中性的強子強子中的夸克瘋狂的交換膠子進行強作用，它們存在于由膠子組成的色場中：當膠子場獲得足夠能量時，就會折斷成一對夸克-反夸克第92頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五漸近自由與夸克禁閉第93頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五夸克禁閉未被嚴格證明！--StevenWeinberg第94頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五夸克發(fā)射膠子

夸克發(fā)射或吸收膠子時，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)射了一個帶有“紅-反藍”的膠子后，自身的色荷變成了“藍”?！?5頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五殘余的強作用：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“殘余的強作用”，這種作用遠遠超過質(zhì)子之間的電磁斥力，原子核由此而形成。第96頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五1896年貝克勒爾(H.Becquerel)發(fā)現(xiàn)放射性1931年Pauli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第97頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五弱作用雖然有6種夸克和6種輕子，但我們周圍除了3種中微子單獨的存在著外，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）都是通過弱作用進行的。

弱作用的攜帶粒子是W+,W-,Z

標準模型把弱作用和電磁作用統(tǒng)一到了一個理論框架中。第98頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五電磁作用和弱作用的統(tǒng)一

標準模型把電磁和弱作用統(tǒng)一描述，稱為電弱理論

在非常小尺度(10-18

米）或非常大能標(100GeV)

情況下，弱作用的強度和電磁作用的強度在同一水平。

隨著尺度的增加或能標的降低，弱作用將遠遠弱于電磁作用。

弱作用的攜帶粒子是重達100GeV的粒子，是一種短距作用第99頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五按自旋量子數(shù)總之，按標準模型理論，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驗證實。第100頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五引力引力很是奇怪。雖然它是一種基本的力，標準模型卻不能描述它。如何把它也統(tǒng)一進來是當今物理學的一大難題。引力的攜帶粒子—引力子，至今未被發(fā)現(xiàn)。第101頁，共120頁，2023年，2月20日，星期五自然界基本作用力的