理論物理前沿講座

理論物理前沿講座第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日“世界是由什么構(gòu)成的?”

和“它們是如何相互作用的?”

第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日基本粒子概念的發(fā)展⑴古代對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的猜想我國夏朝：金、木、水、火、土五行學(xué)說古希臘：水、火、土、空氣組成物質(zhì)（德謨克利特）提出了原子論（公元前3世紀(jì)）⑵近代對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識道爾頓的原子論：每一種元素都代表一種特定的原子，不同元素的原子的性質(zhì)不同。第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

原子的結(jié)構(gòu)

1896年,貝克勒爾發(fā)現(xiàn)發(fā)射性→原子是不穩(wěn)定的。1897年,湯姆生的陰極射線管實驗發(fā)現(xiàn)電子。1909年，盧瑟福的阿爾法粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)原子的質(zhì)量必須集中在一個很小的區(qū)域內(nèi),原子的構(gòu)造如太陽系一般,電子繞原子核運行。

第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

原子核的結(jié)構(gòu)

1932年，查德威克（Chadwick）用阿爾法粒子撞擊鉑金屬實驗發(fā)現(xiàn)與質(zhì)子質(zhì)量相近的中性粒子—中子(neutron)。——強相互作用的開始1934年，湯川（Yukawa）提出強相互作用的概念，用來解釋質(zhì)子與中子如何結(jié)合成原子核，交換強作用力的粒子稱為介子(meson)。第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

強子世界

1947年，鮑威爾及其合作者發(fā)現(xiàn)了湯川預(yù)言的π介子(π+、π-、π0)。1947-1949年，在宇宙線中，發(fā)現(xiàn)了“V”粒子：

Λ→p+π-，K+→π++π++π-。1950’s，高能加速器建成，許多新粒子被發(fā)現(xiàn)。除了穩(wěn)定粒子外，還發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的共振態(tài)。壽命很短，10-23秒左右。1956年，美國科學(xué)家張伯倫等在加速器的實驗中發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，即質(zhì)量和質(zhì)子相同，自旋量子數(shù)也是1/2，帶一個單位負(fù)電荷的粒子，接著又發(fā)現(xiàn)了反中子。第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

介子：（玻色子）

pionπ+、π-、π0；kaonK+、K-、K0、K0ˉ。

重子：（費米子）核子p、n;超子Λ0；

Σ+、Σ-、Σ0；

Ξ+、Ξ-、Ξ0。

介子共振態(tài)：ρ、ω、φ、η；重子共振態(tài)：Σ、Ω、Δ。

強子：大小1fm.參與強相互作用的粒子叫強子第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日它們都是最基本的嗎？第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日對稱性

系統(tǒng)在一種操作或變換下保持不變，我們說系統(tǒng)對于這種操作或變換具有對稱性。

諾特(Noether)定理：

對稱性守恒量

第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

物理中的對稱性連續(xù)對稱性：空間平移不變性動量守恒時間平移不變性能量守恒空間轉(zhuǎn)動不變性角動量守恒分立對稱性：

C：電荷共軛粒子—反粒子P：宇稱左—右T：時間反演過去—未來第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日規(guī)范對稱性：整體規(guī)范對稱性定域規(guī)范對稱性置換對稱性：玻色子遵守玻色-愛因斯坦統(tǒng)計費米子遵守費米-狄拉克統(tǒng)計守恒荷（量子數(shù)）相互作用第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

同位旋(I)

1930’s，Heisenberg引入同位旋的概念，在強相互作用中，質(zhì)子和中子沒有差別。pn

同位旋Iz:+1/2↑-1/2↓第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

奇異數(shù)(S)

Gell-Mann(1953)超子Λ:S=-1;K+:S=+1;K-:S=-1協(xié)同產(chǎn)生理論認(rèn)為，由強力產(chǎn)生的奇異粒子只能同時成對地產(chǎn)生。重子數(shù)(B)

重子:B=+1反重子:B=-1介子：B=0在反應(yīng)過程中，總的重子數(shù)守恒。量子數(shù)還有粲數(shù)(c)、底數(shù)(b)、超荷(Y)等等。S:00-11B:0110Q:-1100第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日強子的構(gòu)成模型

(CompositemodelsofHadrons)

Itisnoteasytobringinnewparticles,evenifitseemstobetheobviousthingtodofromhindsight.Researchersusuallyavoidnewtheoriesunlessabsolutelynecessary.Thisisinaccordancewiththetraditionofnaturalsciencewhichvaluesevidenceaboveall.

第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

費米—楊模型(1949)

π介子由一個核子和反核子構(gòu)成。

π+=pnˉ、π-=npˉ、π0=(ppˉ-nnˉ)。

坂田(Sakata)模型(1956)

所有的強子由p、n、Λ組成。K+=pΛ，K-=pˉΛ，

Σ+=Λpnˉ，

Ξ0=ΛΛnˉ。

第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

夸克模型

1964年，Gell-Mann和Zweig獨立地提出夸克模型。強子不是最基本的，而是由更小的、更基本的夸克構(gòu)成。介子由夸克和反夸克組成，重子由三個夸克組成。

qqˉqqq第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日夸克名稱的由來：

Gell-Mann給新粒子命名quark，Zweig:ace。這場命名之戰(zhàn)中，Gell-Mann獲勝。Gell-Mann在語言學(xué)方面有相當(dāng)?shù)脑煸?他創(chuàng)造的詞匯有:奇異性(strangeness)、夸克(quark)、顏色(color)等。Gell-Mann受到杰姆斯·喬伊斯(JamesJoyce)的小說《芬尼根徹夜祭》中的一句話“對著馬斯特·馬克的三聲夸克”的啟發(fā)?？淇舜硪环N鷗的叫聲。

第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

Gell-Mann：24歲發(fā)現(xiàn)了基本粒子的一個新量子數(shù)——奇異數(shù)，32歲提出了強子分類的八重態(tài)法(相當(dāng)于介子和重子的門捷列夫周期表)，35歲創(chuàng)立了夸克模型，4O歲榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。蓋爾曼深邃的洞察力與旺盛的創(chuàng)造力使他主導(dǎo)了20世紀(jì)60年代的粒子物理理論。作為一個理論物理學(xué)家，我的研究對象是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子。與實驗物理學(xué)家不同，我不必呆在大型加速器旁或地下深處的實驗室里。我不需要直接精密的儀器，也用不著大的學(xué)術(shù)團體。我至多用得著一枝鉛筆、一些紙張和一個廢紙簍。而往往連這些也不需要。讓我好好睡一覺，沒有什么分心的事，擁有時間，沒有憂慮和職責(zé)之類的問題來困擾，我就可以工作。不管是站在雨中，或半睡半醒地坐在晚班飛機上，還是漫步在荒野小道上，我都能工作。

—《夸克與美洲豹》第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

夸克的特征

1.味道(flavor):

u(up)c(charm)t(top)上粲頂

d(down)s(strange)b(bottom)下奇異底

夸克是自旋1/2的費米子。

夸克質(zhì)量(GeV)0.0021.31700.0050.154.5第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日2.

顏色(color):

紅藍(lán)綠3.電荷：

udcstb+2/3-1/3強子無色第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

強子的夸克模型

介子

第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

重子

第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

質(zhì)量公式預(yù)言m-1670MeV

實驗m-1672.450.29MeV第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日輕子家族

輕子是不參與強相互作用而參與弱相互作用或電磁相互作用的基本粒子。電子是第一個被發(fā)現(xiàn)的輕子（1897年），隨著研究的深入，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其它輕子。1936年，安德森在宇宙線中發(fā)現(xiàn)的比電子約重207倍的粒子，當(dāng)時誤認(rèn)為是介子，后來發(fā)現(xiàn)這種粒子其實并不參與強相互作用是一種輕子，稱為μ子。1975年，美國科學(xué)家佩爾等人在美國SLAC實驗室的正負(fù)電子對撞機上發(fā)現(xiàn)了一個比質(zhì)子重兩倍，比電子重3500倍的新粒子，其特性類似于電子和μ子。經(jīng)過反復(fù)檢驗，證明是在電子和μ子之外的又一種輕子，以希臘字母τ表示。第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日分類正反粒子自旋電荷量e重子數(shù)B輕子數(shù)壽命10-6s輕子電子μ子τ子1/2-1

+1-1

+1-1

+10000-1

+1穩(wěn)定2.2<2.3中微子穩(wěn)定

輕子（共12種）迄今的實驗尚未發(fā)現(xiàn)輕子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。人們認(rèn)為輕子是與夸克屬于同一層次的粒子。第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日類別相對強度力程(m)作用時間(s)參與離子強作用1<10-1510-23強子電磁作用~10-2長程10-20~

10-16強子輕子光子弱作用~10-13<10-17~10-8強子輕子引力作用~10-39長程一切物質(zhì)四種基本相互作用1.四種基本相互作用的性質(zhì)2.相互作用是通過交換一定粒子實現(xiàn)的作用類型引力作用電磁作用弱作用強作用交換粒子引力子光子玻色子(W+、W–Z0粒子)膠子第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日基本粒子第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日2008年物理學(xué)諾貝爾獎美國芝加哥大學(xué)恩里科?費米研究所的南部陽一郎日本高能加速器研究組織的小林誠日本京都大學(xué)湯川理論物理研究所的益川敏英第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日現(xiàn)代物理學(xué)理論認(rèn)為，宇宙大爆炸時應(yīng)產(chǎn)生同等數(shù)量的粒子與反粒子，二者相遇會湮滅，同時釋放能量。如果真是如此，整個紛繁復(fù)雜的物質(zhì)世界、包括人類自身都將不會存在。大爆炸物質(zhì)反物質(zhì)為何當(dāng)今的世界只有物質(zhì)？第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日獲得今年諾貝爾物理學(xué)獎的三位科學(xué)家提出的有關(guān)理論，為解釋宇宙的構(gòu)成提供了重要線索。據(jù)測算，宇宙中物質(zhì)粒子的數(shù)量只比反物質(zhì)粒子多出百億分之一，就足以形成我們今天的物質(zhì)世界。但為什么會出現(xiàn)這種對稱性的微小“偏離”，物質(zhì)粒子的質(zhì)量又是如何形成的，一直是科學(xué)家未能揭開的謎團。第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日自然界中出現(xiàn)的對稱自然界充滿了各種對稱性

例如：許多動物的左右對稱性、太陽的轉(zhuǎn)動對稱性、海星的五重對稱性、雪花的六重對稱性、……第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日

各類藝術(shù)、建筑都有較高的對稱性第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日在物理學(xué)中對稱性的概念是逐步發(fā)展的，今天它已具有十分廣泛的含義。

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)對于這個操作是“對稱的”，而這個操作叫做這系統(tǒng)的一個“對稱操作”。物理學(xué)中的對稱性第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日空間操作有平移、轉(zhuǎn)動、鏡像反射、標(biāo)度變換（尺度放大或縮?。┑取r間操作有時間平移、時間反演等。除時空操作外，物理學(xué)中還涉及到許多其他的對稱操作，如置換、規(guī)范變換、和某些動力學(xué)變換等。最常見的對稱操作是時空操作：第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日對稱性與守恒定律對稱性對應(yīng)對應(yīng)物理學(xué)中存在著許多守恒定律,如能量守恒、動量守恒、角動量守恒……這些守恒定律的存在并不是偶然的，它們是物理規(guī)律具有各種對稱性的結(jié)果。時間平移對稱性——能量守恒定律空間平移對稱性——動量守恒定律——守恒量——守恒定律第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日粒子物理學(xué)的基本理論描述了三種類型的對稱：另外，還有對于粒子系統(tǒng)內(nèi)部的規(guī)范變換所帶來的對稱性。時間對稱（T）：是指將時間反演（時間倒流）下系統(tǒng)的性質(zhì)不變。電荷對稱（C）：是指將粒子換成對應(yīng)的反粒子，系統(tǒng)的性質(zhì)不變；鏡像對稱（P）：是指在空間反演（鏡像反射）下系統(tǒng)性質(zhì)不變；第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日對稱性與相互作用規(guī)范對稱性決定相互作用形式在粒子物理場論模型中，如：量子電動力學(xué)（QED)，量子色動力學(xué)（QCD)，電子系統(tǒng)（QED）：夸克系統(tǒng)（QCD）：規(guī)范對稱性電子間的電磁相互作用規(guī)范對稱性夸克間的強相互作用第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日許多年來，物理學(xué)家們一直在尋找隱藏在紛繁表象下的自然法則。他們認(rèn)為，自然法則應(yīng)該是完美對稱和唯一的。從麥克斯韋的電磁學(xué)方程到愛因斯坦的質(zhì)能守恒定律到規(guī)范場理論，物理學(xué)中的對稱性不僅僅只具備審美意義，它們還能簡化許多復(fù)雜的計算，并在用數(shù)學(xué)公式描述自然世界中起著決定性的重要作用。對稱性和其對應(yīng)的守恒定律是自然世界背后所遵循的一般法則。第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日對稱中的破缺

最先對宇宙的對稱性提出質(zhì)疑的是兩位理論物理學(xué)家。1956年，當(dāng)李政道和楊振寧提出弱相互作用中宇稱不守恒的理論時，幾個月后，華人物理學(xué)家吳健雄等通過實驗證明了這個理論，世界為之震驚。一年后，兩人即獲得諾貝爾物理學(xué)獎，第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日弱作用中宇稱不守恒強作用下宇稱守恒得到實驗證實。但對

和

粒子的衰變，它們質(zhì)量相等，電荷相同，壽命也一樣。但它們衰變的產(chǎn)物卻不相同：

1956年，李政道楊振寧為解決“-”難題，提出弱作用中宇稱可以不守恒。第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日1964年，美國科學(xué)家詹姆斯·克羅寧和瓦爾·菲奇在這個實驗中觀察到了在一種陌生粒子的衰變中宇稱和電荷對稱都被打破了（CP破環(huán)）。然而，當(dāng)時物理學(xué)界還是認(rèn)為，宇稱和電荷的對稱（CP對稱）不可能同時被打破。這說明自發(fā)性破缺早在宇宙形成之初就已經(jīng)存在，物理學(xué)家徹底被震撼，他們無法解釋這種現(xiàn)象。第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日這種狀況在1972年得到了解釋。當(dāng)時，名古屋大學(xué)28歲的小林誠博士和32歲的益川敏英合作，提出“小林—益川理論”，在標(biāo)準(zhǔn)模型的框架內(nèi)解釋了對宇稱和電荷破缺現(xiàn)象（CP破環(huán)）?！靶×帧娲ɡ碚摗碧岢隹淇说姆N類有6種，分為三代。他們認(rèn)為，造成宇宙中正粒子多于反粒子的原因是夸克的反應(yīng)衰變速率不同。第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型基本粒子：以6種夸克、輕子和相應(yīng)的中微子為組成物質(zhì)的基本粒子。相互作用：光子，膠子和規(guī)范玻色子。標(biāo)準(zhǔn)模型：建立在SU(3)×SU(2)×U(1)的規(guī)范對稱性基礎(chǔ)上的量子場論模型。但是在初期，模型中所有的規(guī)范量子都是零質(zhì)量的。第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日現(xiàn)實世界中基本粒子的都是有質(zhì)量的，質(zhì)量究竟從哪里來？第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日1960年，美國芝加哥大學(xué)的理論物理學(xué)家南部陽一郎指出了一種可能讓粒子產(chǎn)生質(zhì)量的方式。他率先把超導(dǎo)的理論中的對稱性自發(fā)破缺引進粒子物理學(xué)中，并且意識到真空態(tài)適合于對稱性自發(fā)破缺的研究。所謂自發(fā)對稱性破缺是指在一個物理系統(tǒng)中，概括整個系統(tǒng)動力學(xué)狀態(tài)的函數(shù)拉格朗日量具有某種對稱性，而描述系統(tǒng)最低能級的真空態(tài)卻不具有該對稱性。對稱性自發(fā)破缺第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日比如，一支以筆尖直立于水平面上的鉛筆，它在每個方向上都具有完美的對稱，但鉛筆會朝某一個方向倒下，對稱雖被打破了，但鉛筆處于了最穩(wěn)定的狀態(tài)。第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日再比如：真空好像放在山頂?shù)囊粋€球，這個球處于完全對稱的狀態(tài)，然而，其狀態(tài)是不穩(wěn)定的，因為極輕微的擾動力就可以讓球沿一特定方向滾下山，球滾動到最低點達(dá)到最穩(wěn)定，對應(yīng)真空基態(tài)，然而因為球滾動的方向具有區(qū)別于其他任何方向的特征，此時，對稱性被破壞。第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日南部-戈德斯通定理(Nambu-GoldstoneTheorem)：指連續(xù)性整體對稱性被自發(fā)破缺后必存在零質(zhì)量玻色粒子這一定論，此粒子被稱為戈德斯通玻色子（或稱南部-戈德斯通玻色子）。南部陽一郎的理論啟發(fā)了英國物理學(xué)家希格斯(P.W.Higgs)。希格斯在1964年在《物理快報》和《物理評論快報》上連續(xù)發(fā)表兩篇短篇論文，提出了宇宙質(zhì)量起源的理念。第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日希格斯質(zhì)量來源的猜想在宇宙大爆炸之初，所有的力在各個方向都是對稱的，所有粒子的質(zhì)量都是零，但希格斯場就像直立的鉛筆一樣，是不穩(wěn)定的，當(dāng)宇宙溫度開始冷卻時，希格斯場跌落到最低能量狀態(tài)，即真空態(tài)，這時對稱性消失，希格斯場變成了一鍋“粒子湯”：粒子們吸收不同能量的力場并獲得不同的質(zhì)量，物質(zhì)因此如此紛繁復(fù)雜。第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日宇宙極早期（完全對稱統(tǒng)一）——體積膨脹，溫度降低（對稱破缺），產(chǎn)生時空——粒子、原子——物質(zhì)(物質(zhì)世界來源于不對稱性)。第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日希格斯粒子就是希格斯場的代表，它被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的基石。1988年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者萊德曼將這種粒子稱為“上帝的粒子”，稱它是“指揮著宇宙交響曲的粒子”。第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日歐洲核子研究中心的“大型強子對撞機”（LHC）全長約27公里長，建在瑞士和法國邊境地下100米深的環(huán)形隧道內(nèi)。它是來自30多個國家的5000多名科學(xué)家和工程師，投下將近20年的時間建成的。

大型強子對撞機---LHC第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日歐洲核子研究中心9月10日啟動LHC，希望借助這臺世界最大的粒子加速器，以接近光的速度和力量撞擊質(zhì)子，讓宇宙大爆炸再次上演，借助于強子對撞機的巨大能量，發(fā)現(xiàn)在粒子物理理論模型中形成物質(zhì)質(zhì)量的“上帝粒子”——希格斯粒子。第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日粒子物理與高能物理簡介

目前對所能探測到的物質(zhì)結(jié)構(gòu)最深層次的研究稱為粒子物理學(xué)，又稱為高能物理學(xué)。在20世紀(jì)20年代末，人們曾經(jīng)認(rèn)為電子和質(zhì)子是基本粒子，后來又發(fā)現(xiàn)了中子。在宇宙射線研究和后來利用高能加速器進行的實驗研究中，又發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不同種類的粒子。這些粒子的性質(zhì)很有規(guī)律性，所以現(xiàn)在將基本兩字去掉，統(tǒng)稱為粒子。第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日在現(xiàn)階段，粒子加速技術(shù)已有了新的進展。由于重離子加速技術(shù)的發(fā)展，人們已能有效地加速從氫到鈾所有元素的離子，其能量可達(dá)到十億電子伏每核子。這就大大擴展了人們對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的深入認(rèn)識。

這些加速粒子加速器就像顯微鏡一樣幫助人們進一步研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和存在形態(tài)。第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日通過電子高能探針、重離子高能碰撞來探測粒子的微觀結(jié)構(gòu)第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日粒子物理研究中最基本的粒子：夸克，電子，中微子第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日一個粒子里有一個宇宙第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期日粒