《物理基本粒子》PPT课件.ppt

物 理 学 引 论 马 红 孺 基本粒子 天外来客 宇宙射线 q 来自太阳和宇宙的高能量粒子 q 来自各个方向 q 当这些高能粒子与大气层的物 质发生碰撞，会产生粒子的簇射. q 可以产生各种粒子 q 其中有很不稳定的粒子，很快 会衰变. q 寿命足够长的粒子可以到达地 球表面并被探测到 ! 宇宙射线中的发现 1932 : 发现正电子! 1937 : 发现 muon 子，完全像一个大的 电子 1947 : 发现Pion 子. 赵忠尧（1902年6月27日 1998年5月28日） 密立根的学生，在研 究硬射线的吸收中发 现物质对射线的散射 有一个非常接近电子 质量的反常辐射。 这是射线与物质相互 作用产生正负电子对 ，电子对湮灭产生的 辐射。 宇宙线中发现正电子(1932) 铅板 正电子 通过研究铅板上下的轨迹的弯曲 程度，可以推断: (a) 粒子向上运动. (b) 其电荷为正. 这不是质子. 云室照片 大的曲率表明粒 子速度较小 一个质量和电子相同，带正 电的粒子 正电子 ! 发现正电子的重要意义 第一个反物质的证据 电子和正电子相遇，湮 灭，产生辐射 Carl Anderson award Nobel prize for the discovery of the positron Carl Anderson 1905-1991 物质 能量 e+e- E=5 MeV e-e+ %*&* E=5 MeV E=5 MeV E=5 MeV = 1 l = hc/ E = (6.6x10-34)(3x108) / 8.0x10-13 = 2.5x10-13 m 的发现 q 1937 由 J. C. Street 和 E. C. Stevenson 在云室中发现 q 和电子的性质完全相同 除了其质量是电子的200余倍 寿命大约是 2x10-6 s = 2 ms (m e + n + n) q 能够从大气上层到达地面，相对论效应 ! Discovery of the Pion q Bristol 大学的 Cecil Powell 及其同事利用泡室 研究带电粒子的轨迹. q 1947年发现了p-介子 (p) . p Pion 在此停止并衰变 p m + n + n m 两个中微子发出 e Muon (m)在此停 止并衰变: m e + n + n 两个中微子发出 Cecil Powell 1903-1969 1950 Nobel Prize winner 太多的基本粒子 由于不能控制宇宙线，科学家建造加速器加速粒 子，使之碰撞，产生大量其他粒子. 1950年代, 加速器产生了大量的粒子. 很多这种粒子不稳定，很快衰变. 1955年，发现反质子 ! 物质的基本 结构? 简单 复杂 简单 q 1930年代, 世界是简单的 q 质子，中子，电子. 构成原子 分子 DNA 人 ! q宇宙简单而优雅 大量基本粒子的发现，基本粒子 “基本”吗？ 太多的基本粒子，太复杂? I. I. Rabis 在发现muon时的名言： Who ordered that” ? 1994 Nobel Prize Winner in Physics “If I could remember the names of all these particles, Id be a botanist.” Enrico Fermi 如果你不能记住所有的基 本粒子， 请不要沮丧！ 基本粒子？ 介子八重态 重子八重态 重 子 十 重 态 夸克（Quarks） ? FlavorQ/e u+2/3 d-1/3 s-1/3 1964年, Murray Gell-mann 和 George Zweig (分别独 立) 提出了夸克的概念. Murray Gell-Mann George Zweig The name of the game Murray Gell-Mann 正在阅读James Joyce 的Finnegans Wake 一书，书中有“three quarks for Muster Mark”这样一个短语. 他决定把更基本的粒子称为夸克 Gell-Mann 相信夸克吗? 在夸克模型提出来的时候，这只是一个方便的，对基本 粒子进行归类的工具. 是一个可以对所有发现的基本粒子进行数学描述的方案 分数电荷的粒子是难以接受的 ! Gell-Manns 1964 文章的择录: “A search for stable quarks of charge 1/3 or +2/3 and/or stable di-quarks of charge 2/3 or +1/3 or +4/3 at the highest energy accelerators would help to reassure us of the non-existence of real quarks”. 散射实验 Rutherfored, deBroglie, 告诉我们，为了得到物质的结构，我们应该 用高能粒子（波， 或者 ）去轰击物质，然后观察所得结果. 卢瑟福利用alpha粒子的大角度散射得到原子的有核模型. 为了探测物质的某个尺度的信息，我们必须使用更短的波长 l A YES, this works ! l A NO, this doesnt really work ! Rutherford 实验 粒子的波长? ma= 6.7x10-27 kg, va= 1.6x107 m/s) l = h/p 动量: p = mv = (6.7x10-27 kg)(1.6x107 m/s) = 1.0x10-19 kg m/s l = h/p = 6.6x10-34 / 1x10-19 = 6.2x10-15 m 核子的大小大致是 10x10-15 , 这个波长能够告诉我们有一个硬核 对物质更深层次的探索 q 为了探索质子和中子的结构，我们需要比质子和中子尺寸更小的波长的 粒子. l = h/p, 需要高动量的粒子 探测小尺度 q 质子的尺度大约 1x10-15 m, q 1960年代，物理学家学会如何获得高能量的电子和质子(粒子加速器) q 理解 “在最基本的层次上，物质是什么？” 质子和中子是基本粒子吗? 1969, Stanford-MIT 协作组做电子和质子的碰撞实验 e- + p e- + X 大角度散射数大大超过假定质子中电荷均匀分布的结果. 似乎质子有内部结构 实验结果出人意料, 令人激动! (X = anything) 1969年以来, 做了大量关于质子和中子结构的实验. 所有的实验都导致相同的结论： 质子和中子是由更小的粒子组成的。 这些小的粒子与Gell-Mann 和 Zweig 在 1964预言的夸克一致. (1.6 x 10-15 m) 1x 10-18 m (at most) 质子 2 “上” 夸克 1 “下” 夸克 中子 1 “上” 夸克 2 “下” 夸克 有无“上”“下”之外的夸克? 物质与夸克 Fundamental particles 夸克被认为是基本粒子. 增加粒子的动量可以探测更深的层次. 目前的粒子能量 1 TeV = 1x1012 eV. 对应的波长? l =hc/E = (6.6x10-34)(3x108) / 1.6x10-7 = 1.2x10-18m 如果夸克比这个尺寸大，我们可以探测其大小。是质子的1/1000 ! 电子的大小似乎与此相同 夸克和电子被认为是基本粒子 强力? 把质子和中子约束在一起的力 ? Strong Force 强子和重子 参与强相互作用的粒子- 强子! 包含3个夸克的强子称为重子，如质子，中子等 重子 强子和夸克 FlavorQ/e u+2/3 d-1/3 s-1/3 其它重子 u s d L0 重子 D+ 重子? u u u FlavorQ/e u+2/3 d-1/3 s-1/3 质子与中子“d” “u” uds Charge Q Mass +2/3-1/3-1/3 5 MeV/c210 MeV/c2200 MeV/c2 Quarkupdownstrange uuddss u u d 质子 Q = +1 M=938 MeV/c2 d u d 中子 Q = 0 M=940 MeV/c2 s u d Lambda (L) Q = 0 M=1116 MeV/c2 Lifetime2.6x10-10s s u u Sigma (S+) Q = +1 M=1189 MeV/c2 Lifetime0.8x10-10s s d d Sigma (S-) Q = -1 M=1197 MeV/c2 Lifetime1.5x10-10s uds Charge, Q Mass +2/3-1/3-1/3 Quarkupdownstrange uuddss 5 MeV/c210 MeV/c2200 MeV/c2 S- 是S+ 的反粒子吗? 这些粒子已经观察到，寿命很短 介子另一种强子 q 夸克和反夸克的束缚态. u d c d Q=+1, p+ Q= -1, D- s d Q= 0, K0 M140 MeV/c2 寿命2.6x10-8 s M1870 MeV/c2 寿命1x10-12 s M500 MeV/c2 寿命0.8x10-10 s 三代夸克 代 IIIIII 电荷 = -1/3 d (下) s (奇) b ( 底) 电荷 = +2/3 u (上) c (粲) t (顶) 每个夸克有对应的反夸克. 反夸克和夸克电荷相反 质量增加 6 种夸克的发现 夸克日期地点 质量 GeV/c2 说明 上,下- 0.005, 0.010 强子特别是质子和中子的 组分. 奇1947-0.2宇宙线中发现 粲1974 SLAC/ BNL 1.5 在pp 和 e+e- 碰撞中发现（ 同时）. 底1977 Fermi- lab 4.5质子与核碰撞 顶1995 Fermi- lab 175 pp 碰撞 SLAC = Stanford Linear Accelerator BNL = Brookhaven National Lab 主要的高能物理实验室 Fermilab SLAC KEK CERN DESY BNL CESR Fermilab 加速器 (30 miles from Chicago) 1.25 miles Main Injector Tevatron 实验区域 Top Quark 1995 在这里发现. “典型的” 粒子探测器 6 ft 典型的物理学家？! Dont ask me what theyre doing ! 强 子 Generations IIIIII Charge = -1/3 d (down) s (strange) b (bottom) Charge = +2/3 u (up) c (charm) t (top) Top 夸克寿 命太短，很 难来得及形 成强子 3个夸克的重子： (5 x 5 x 5 = 125) 2个夸克的介子: 5x5 = 25 Particle Zoo 夸克质量 q 6 不同种类的夸克. q 普通物质由上下夸克构成， 再构成原子，分子 . q 质量变化极大 (从 0.005 到 175 GeV/c2) q 重夸克不稳定，向轻夸克衰 变 Mass GeV/c2 Gold atom Silver atom Proton 例： t b (10-23 s) b c (10-12 s) c s (10-12 s) su (10-7-10-10 s) 反粒子 每个粒子有对应的反粒子! Quarks Q= +2/3 Q= -1/3 Particle Q= -2/3 Q= +1/3 Anti- Particle Anti-Quarks 夸克禁闭 q 夸克禁闭于强子之中 q一种奇怪的力 q Hadron Jail Proton 质子和中子 质子： 2/3 + 2/3 + (-1/3) = +1 ! 中子: (-1/3) + (-1/3) + (2/3) = 0 ! 基本粒子家族 Generations IIIIII Charge = -1/3 d (down) s (strange) b (bottom) Charge = +2/3 u (up) c (charm) t (top) + 反夸克 +反电子 自然界真是这样 ? e - Charge = -1 Muons () 发现 (1937). 非常像电子，但质量大200余倍 m-e- m=0.51 MeV/c2m=106 MeV/c2 中微子 泡利在认为有一个没有探测到的粒子带走 了动量，预言了中微子的存在(n ). Nobel Laureate: Wolfgang Pauli q 如果中微子确实存在，应该看到下面的 反应 n + p e+ + n 1934: 中子衰变中丢失的动量 n p e X n p + e - + X 中微子的发现 Detector: H2O w/ Cadmium Chloride Fred Reines and Clyde Cowan, 1956 光子探测器 q 1956: 发现中微子，反应堆 (Nobel Prize)n + p e+ + n 轻 子 q 电子， 和他们的中微子, 和夸克一样，表现 为基本粒子，至今没有 发现他们有结构. q 和夸克很不一样. 整数电荷(0 or 1). 不会结合成强子. 不参与强相互作用. q 电子, 和中微子属于新的一类粒子轻子 (Leptons) 三 代 1975, 在斯坦福直线加速器上，发现了第三个轻子， ， 其质量是电 子质量的3500 倍， t-轻子. 2000, Fermi 国家加速器实验室首次发现t的伴随中微子的迹象 FamilyLeptons Q = -1Q = 0 1e-ne 2m-nm 3t-nt 三代，与夸克一样 ! Q = +1 e+ m+ t+ Q = 0 ne nm nt Anti-Lepton electron m