粒子物理期末考试重点

1、2021/8/211Structure of an atom Where is the strong force most relevant? Atomnucleusproton/neutronquarks/gluons10-10m 10-14m 10-15m (1fm) pionGluon: TWO color charges = protonDifference between gluon and quark jet quenchingNeed good hadron identification at very high transverse momentum2021/8/24强相互作用

2、及核力强相互作用及核力 描写强相互作用的成功理论：描写强相互作用的成功理论： （QCD）quantum chromodynamics 强相互左右的媒介粒子是胶子（强相互左右的媒介粒子是胶子（gluon） 如：如：2个个u和和1个个d夸克通过交换胶子构成质子夸克通过交换胶子构成质子 核力是强相互作用的剩余相互作用核力是强相互作用的剩余相互作用 核力的特点：核力的特点： 力程短力程短10-15m，作用强、快：，作用强、快：t10-23s 电荷无关性电荷无关性 核力不仅具有中心力的成分，也有与核力不仅具有中心力的成分，也有与spin相关的非中心力成分相关的非中心力成分 具有饱和性（具有饱和性（1个核

3、子只与其近旁的少数几个核子发生作用）个核子只与其近旁的少数几个核子发生作用）2021/8/25自旋的确定自旋的确定+介子的自旋为可根据介子的自旋为可根据细致平衡原理细致平衡原理通过测量可逆反应通过测量可逆反应2021/8/26镜像核性质镜像核性质实验发现：实验发现：镜像核的基态结合能相差很小，且结合能基本上等镜像核的基态结合能相差很小，且结合能基本上等于镜像核的库伦位能差于镜像核的库伦位能差我们把我们把pp和和nn之间的强相互作用相同称之为之间的强相互作用相同称之为核力的电荷对称性核力的电荷对称性把相同状态下，把相同状态下，pp，np，nn之间的强相互作用都相同称之为之间的强相互作用都相同称之

4、为核核力的电荷无关性力的电荷无关性不考虑同位旋波函数时得到的结果与引入同位旋波函不考虑同位旋波函数时得到的结果与引入同位旋波函数时得到的结果是完全相同的数时得到的结果是完全相同的2021/8/277.1 强子态的产生强子态的产生 粒子和粒子的碰撞来产生新的强子态 形成实验: 生成实验: AahAa dchAaBb2021/8/28重子态的命名 基本符号 :同位旋划分 : 如果组成夸克都是普通夸克 (u,d) I=1/2 N I=3/2 若组成夸克由2个普通夸克，另一个夸克是由s,c,b t中的一个 I=0 I=1 含c,b,t的要在右下角标出 ,N131(), (),(0), (1), (),

5、(0)222N IIIIII2021/8/29 3重子组成夸克之一是u，或者d；另外两夸克由s,c,b,t中的两个构成，这类重子符号都用表示。有多少c 或者b，t组成就在的右下角标上相应的夸克味的符号。例如：dsc对应的重子为 ；dcc对应的重子为 4. 若组成夸克没有u和d，用符号表示。除s外，还含有c,b,t在的右下角标上相应夸克味的符号。 0ccc2021/8/210基本相互作用2021/8/211设计实验：检验宇宙线的设计实验：检验宇宙线的“东西效应东西效应” 东西效应：在同一观测点来自西方的粒子多于从东西效应：在同一观测点来自西方的粒子多于从东方来的东方来的 东西效应的起因：初级宇宙

6、线带正电荷东西效应的起因：初级宇宙线带正电荷 宇宙线成分未知（可能主要含有宇宙线成分未知（可能主要含有子，光子，子，光子，质质子，子， 重离子。重离子。） 不计成本；不计方式不计成本；不计方式 写明实验装置及步骤写明实验装置及步骤2021/8/212高速运动高速运动 洛伦兹变换洛伦兹变换x=gama*(x-v*t),t=gama*(t-v*x/c2) 实验室系与质心系实验室系与质心系质心系中总动量为零。质心系中总动量为零。 系统质心系能量的计算系统质心系能量的计算m1为静止能量,E1为实验室系总能量。上式左为相对论情形。右为非相对论情形。2粒子静止。2021/8/213洛伦兹不变量洛伦兹不变量

7、必考内容！必考内容！2021/8/214三维情况必考内容！必考内容！2021/8/215角度的变换2021/8/216角度的变换2021/8/217角度的变换(粒子速度粒子速度)2021/8/218四动量的快度描写因此，若某粒子的动量因此，若某粒子的动量p不与不与x轴平行，则轴平行，则重要推论：两粒子的重要推论：两粒子的快度差是洛伦兹不快度差是洛伦兹不变变的，而速度差不满足洛伦兹不变性的，而速度差不满足洛伦兹不变性2021/8/219两粒子，相对论2021/8/220两粒子，相对论是两个粒子运动方向夹角，是两个粒子运动方向夹角，Ecm是碰撞后全部粒子质量的上限是碰撞后全部粒子质量的上限是两个粒

8、子运动方向夹角，是两个粒子运动方向夹角，Ecm是碰撞后全部粒子质量的上限是碰撞后全部粒子质量的上限一般情况下一般情况下2021/8/221入射粒子打静止靶p2=02021/8/222两高能粒子对撞Em，=对于对于2对称粒子，对称粒子，E1=E2=E此时效率最高此时效率最高2021/8/223目前已经发现的基本粒子2021/8/224粒子和场2021/8/2252021/8/2262021/8/2272021/8/2282021/8/229电子：韧致辐射电子：韧致辐射vs.电离损失电离损失2021/8/230什么是RHIC Relativistic Heavy Ion Collider什么是ST

9、AR Solenoidal Tracker at RHIC2021/8/231两高能粒子对撞Em，=对于对于2对称粒子，对称粒子，E1=E2=E此时效率最高此时效率最高必考内容！必考内容！2021/8/232阈能反应必考内容！必考内容！2为靶，静止状态2021/8/233E为能量，T为动能（b为靶，静止状态）2021/8/2342021/8/235不变质量谱2021/8/2362021/8/237中微子 中微子的发现历程奇怪的中微子：只有左旋中微子奇怪的中微子：只有左旋中微子 弱作用宇弱作用宇称不守恒的原因称不守恒的原因 太阳中微子丢失现象 中微子震荡的近期结果2021/8/2382. 从太阳

10、中微子丢失到中微子振荡 太阳的能源来自氢核聚变，通过 反应实现的，因而产生大量的电子中微子。中微子通量为 。这一过程能很好地用太阳模型描述。测量太阳中微子的先驱是R.Davis。在1970年，他用615吨 作探测器，通过 反应，寻找放射性的 原子。他终于找到了 ，从而探测到了来自太阳的中微子。因此，他获得了2002年的诺贝尔物理学奖。Ar37eHeeH22441210scm105 . 642ClCAreCl3737eAr37Ar372021/8/2392. 从太阳中微子丢失到中微子振荡 他们在测量太阳中微子数量时，发现探测到的中微子数量只有预期的三分之一。三分之二的太阳中微子丢失到哪里去了？一

11、直成为一个谜，令物理学家困惑。为了排除低能太阳中微子没有被探测到的可能，对探测器进行改进，设法降低探测器阈值。人们还检查了太阳模型，没有发现什么问题。2021/8/240中微子振荡中微子振荡 1962年，因信仰共产主义而逃到前苏联年，因信仰共产主义而逃到前苏联的的Bruno Pontecorvo 提出如果中微子质提出如果中微子质量不严格为零，且中微子的质量本征态与量不严格为零，且中微子的质量本征态与弱作用本征态不同，根据量子力学，不同弱作用本征态不同，根据量子力学，不同的中微子之间可以相互转换的中微子之间可以相互转换 判断中微子质量是否为零的方法判断中微子质量是否为零的方法Rome, Cimi

12、tero Acattolico Dubna， Pontecorvos office2021/8/241中微子发现历程 1930年，Pauli为解决beta衰变中连续能量问题，提出中微子概念。 1962年，Lederman、Schwarts和Steinberg探测出子中微子。 20世纪90年代，LEP和SLC证明只有三代中微子。 2000年，Donut探测到陶子中微子。2021/8/242太阳中微子1962年，Bruno根据量子力学论述，如果中微子质量不为零，且中微子质量本征态与弱作用本征态不同，则两种中微子可以相互转化。1970年，R.Davis探测到太阳中微子，并发现太阳中微子损失了近三分之

13、二。1990年，GALLEX和SAGE再次证明太阳中微子丢失现象，丢失约为50%。1998年，超级神冈实验室证明子中微子在飞行过程中转变为其它味道的中微子。这个实验在2000年被K2K实验再次证实。2001年，SNO证明有2/3的太阳中微子转变为其它中微子，证实中微子振荡理论。2002年，KamLAND实验室证实电子中微子丢失，转变为其它味道的中微子。2021/8/243太阳中微子丢失现象的解释 为了解释这一丢失现象，一种比较被广泛认可的理论是：太阳中微子自发射到地球这段距离，一部分电子中微子转换成另一种中微子。这种由一种轻子到另一种轻子的转换称为振荡。2021/8/244从中微子振荡到中微子

14、质量1962年日本物理学家 Z.Maki 等人提出了中微子振荡的概念。他们认为中微子在空间传播时会产生振荡或称混合。人们观察到的味道本征态是一个质量本征态的线性组合。每一味道成分有不同发生的频率。当距离增加时，中微子味道成分将随质量本征态相位的变化而变化。这种味道的迁移称为中微子振荡。2021/8/245三代中微子的混合标准模型认为中微子有三代，因此应该考虑三代中微子的混合。虽然标准模型认为中微子质量为零，而在我们考虑中应允许中微子带有质量。我们观察到的三种中微子 ， ， 是中微子味道本征态，它是三种中微子质量本征态 ， ，（带有质量 ， ， ）的线性组合。一个的复数幺正矩阵U将味本征态和质量

15、本征态联系起来，通称U为中微子混合矩阵。e1231m2m3m321eU2021/8/246三代中微子的混合在形式上，U与称为夸克混合矩阵的CKM矩阵相似，该矩阵可以用三个混合角 ， ， 和CP破坏相角 来表示。1213232021/8/247三代中微子的混合我们从三种中微子的振荡测量中分别可得到 ， ， ，（三个中两个是独的）。为了精确了解中微子振荡的定量关系和微子的质量，我们需要通过大量实验来精细量混合角 和质量差 。 和 可通过太阳中微子振荡实验； ， 可通过大气中微子荡和加速器中微子振荡实验； ， 可通过应堆中微子振荡实验分别给出。212m223m213m2m12212m23223m13

16、213m2021/8/248三代中微子的混合目前给出的混合角值为： （90%C.L.）这些精度还不够，特别角因为本身值小，更难测量。关于质量差给出的结为： 可以说中微子有质量，但质量很小。09.007.012240.0tg02. 12sin2322 . 02sin132252128 10 eVm 223213232 10 eVmm 2021/8/249三代中微子的混合中微子质量测量还在其他类型实验中进行。如用氘的 谱尾端拟合方法可直接得到 的质量 。无中微子的双 衰变实验得到 。宇宙学给出的中微子质量为0.7-1.8eV。威尔金森微波各向异性探测器给出的结果是： 。以上质量上限都与中微子振荡的

17、结果是不矛盾的。e2.2eVem0.35eVm0.23eVm2021/8/250三代中微子的混合三种中微子混合矩阵U的提出是对标准模型的发展，但从理论高度如何理解，如何给出精确的值，近年来理论家做了大量的工作，但多是唯象的。2006年李政道和R.Freidberg从对称性原理推导出U，用3个参数表示6个可测量的量，其结果与实验数据符合得很好。可以说这是从本质上认识三种中微子混合迈进了一大步。2021/8/251未来实验展望为了得到更精确的 值和 值 ，确认是否存在中微子的CP破坏？是否存在第四种中微子？这都需要更多的，更新的数据。一些大型实验已建成，或即将建成，如MINOS，OPERA，ICA

18、RUS和JHFnu等。其特点是加速器束流强，能量高，可产生较多的 ，探测器尺寸较大，质量大，探测中微子效率高，分辨率高。m2021/8/252未来实验展望在三个混合角中大家十分关心 的值，原因是它是混合矩阵重要的参数之一，其值很小，测量的难度也增加了。目前给出的精度很差。只有精确地确定 值才能给出完整的U矩阵，才可以了解与CKM矩阵的区别。的大小与中微子CP破坏直接有关，对了解中微子是否存在CP破坏是十分关键的。为此，物理学家进行了大量的努力，提出许多利用反应堆精确测量 的计划。1313132021/8/253未来实验展望中国物理学家注意到我国大亚湾有大功率原子能发电站群，总功率为12GW，占

19、世界第二位。周围又有许多山体可供屏蔽用，可大大减小本底，于是他们提出利用反应堆产生的中微子，建造相应的探测装置来测量 混合角的科研计划。该计划得到美国等国科学家的响应，现已形成国际合作组，并得到了中国科学院、科技部及美国有关单位的支持。该计划正在顺利进行中，最终目标是将 的精度提高到1%左右。13132021/8/254Bethe-Bloch公式的大致图形公式的大致图形电磁簇射电磁簇射高能电子、正电子或光子在物质中断续地，即级联地经过多次电磁作用产生大量电子、正电子及光子的现象叫电磁级联簇射。其基本机制是高能电子（或正电子）在物质原子核的电磁场中通过轫致辐射放出一个光子而损失部分能量，高能光子

20、在核电磁场转化为能量较低的正负电子对。这些产生出来的次级电子、正电子及光子，只要能量够高，就会继续上述的过程，直到放出的电子、正电子及光子能量低到被物质吸收为止。这个现象可被用来作为探测初级电子（或光子）能量的原理。 （向强子注入能量的结果，不是使夸克分开，而是产生新的强子。能量足够高时，这个过程可以持续下去，直到动能被充分耗散，这就是强子簇射强子簇射（喷注）。夸克由于动能增加而强子化的过程，在fm量级的范围内就完成了，因而在实验中并不能直接观察到夸克的分离现象。）Gamma射线与物质相互作用（光电效应射线与物质相互作用（光电效应、康普顿效应、转化为正负电子对）、康普顿效应、转化为正负电子对）

21、2021/8/2552021/8/256电磁簇射电磁簇射 高能电子在足高能电子在足够厚的介质中够厚的介质中产生的辐射通产生的辐射通常诱发一种级常诱发一种级联过程，称为联过程，称为电磁簇射电磁簇射当后代电子能量低于临界能量后，它的辐射损失逐渐失当后代电子能量低于临界能量后，它的辐射损失逐渐失去优势，电离损失逐渐占上风，最后终止在介质中。去优势，电离损失逐渐占上风，最后终止在介质中。当后代光子的能量低于电子对产生阈（当后代光子的能量低于电子对产生阈（1.02MeV），光），光子将通过康普顿散射或光电效应逐渐被吸收。子将通过康普顿散射或光电效应逐渐被吸收。2021/8/257电磁簇射的讨论电磁簇射的

22、讨论次级电子数下降的速度比能量沉积下降的速度快。这是因为随着深次级电子数下降的速度比能量沉积下降的速度快。这是因为随着深度增加，电离能损使电子数目的消耗更快，簇射能量的更多部分由度增加，电离能损使电子数目的消耗更快，簇射能量的更多部分由光子携带。光子携带。对于具体的电磁量能器，测量簇射发展的灵敏元件不同，得到的结对于具体的电磁量能器，测量簇射发展的灵敏元件不同，得到的结果也不同。有的接近于电子数分布，有的接近于能量分布。果也不同。有的接近于电子数分布，有的接近于能量分布。2021/8/258切伦科夫辐射切伦科夫辐射 高速带电粒子在非真空的透明介质中穿行，高速带电粒子在非真空的透明介质中穿行，当

23、当粒子速度大于光在这种介质中的相速度粒子速度大于光在这种介质中的相速度（即单一频率的光波在介质中的传播速度）（即单一频率的光波在介质中的传播速度）时，就会激发出电磁波，这种现象即切伦时，就会激发出电磁波，这种现象即切伦科夫辐射。科夫辐射。 2021/8/259切伦科夫辐射切伦科夫辐射2021/8/260切伦科夫辐射切伦科夫辐射2021/8/261强子簇射强子簇射2021/8/262瑞利散射瑞利散射 散射光波长等于入射光波长散射光波长等于入射光波长,而且散射粒子而且散射粒子远远小于入射光波长远远小于入射光波长,没有频率位移（无能没有频率位移（无能量变化，波长相同）的量变化，波长相同）的弹性光散射

24、弹性光散射。 瑞利散射光的强度和入射光波长瑞利散射光的强度和入射光波长的的4次方次方成反比成反比 2021/8/263正负电子对产生的阈值正负电子对产生的阈值光子的阈值能量光子的阈值能量 在核库仑场中在核库仑场中 在电子库仑场中在电子库仑场中22cmEeth24cmEeth2021/8/264强子、介子、重子的定义强子、介子、重子的定义 （介子是自旋为整数、重子数为零的强子，参与强相互作用。介子属于强子类。它是比电子重的带电或不带电的粒子。 根据夸克模型，介子是由一个夸克和一个反夸克组成的束缚态，这一对夸克和反夸克可以是不同味的，例如+(ud)，-(d)，J/(cc)，F(cs)等。自旋为0的

25、介子，在量子场论中是用标量波函数描述，根据其宇称为-1或+1分别称为赝标介子和标量介子。自旋为1的介子，在量子场论中是用矢量波函数描述，根据其宇称为-1或+1分别称为矢量介子或轴矢介子。根据其内部量子数，已发现的介子可分为非奇异介子(、J/等)、奇异介子（K、Q、K*等）、粲非奇异介子(D)、粲-奇异介子(F)、底非奇异介子(B)等）强子强子（英语：hadron）是一种亚原子粒子，所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子。按现代的粒子物理学中的标准模型理论而言，强子是由夸克和反夸克组成的。而将夸克连在一起的是量子色动力学中被称为胶子的粒子，而强子是这些粒子连结的产物。亚原子粒子，即比原子

26、还小的粒子。 按其组成夸克的不同，常见强子还可以分为以下两大类别：重子重子由三个夸克或三个反夸克组成，自旋总是半奇数。也就是说，它们是费米子。它们包括人们比较熟悉的组成原子核的质子和中子和一般鲜为人知的超子（比如、和），这些超子一般比核子重，而且寿命非常短。介子介子由一个夸克和一个反夸克组成，自旋是整数。也就是说，它们是玻色子。介子有许多种。在高空射线与地球空气相互作用时会产生介子。其它很稀有和奇怪的强子：由多于三个但单数的夸克或反夸克组成类似重子的强子。由多于一对夸克-反夸克对组成的类似介子的强子。完全由胶子组成的粒子。Yukawa potential（where g is a magnit

27、ude scaling constant, m is the mass of the affected particle and r is the radial distance to the particle. ）2021/8/265在在A静止系静止系)()()(XAApXpApA),(),(),0 ,(pEppEpmpXXAAAA2222|,|pmEpmEXXAA能量不确定度能量不确定度XAAXmmEEE设设E存在的时间间隔为存在的时间间隔为t，根据能量，根据能量-动量测不准关系动量测不准关系 所以所以X玻色子传播距离（相互作用力程）玻色子传播距离（相互作用力程） 2021/8/266光子

28、静止质量为零，因此电磁作用力程是无穷远光子静止质量为零，因此电磁作用力程是无穷远当交换的玻色子很重（如当交换的玻色子很重（如W，Z粒子）时，粒子）时，力程很短，可称之为力程很短，可称之为point-interaction如果把交换的重玻色子作为一个等效势场如果把交换的重玻色子作为一个等效势场V（r）来处理，则）来处理，则Yukawa potential考试内容考试内容2021/8/267g是积分常数，与是积分常数，与QED中的电荷中的电荷e类似类似定义在定义在r夸克能夸克能损损2021/8/282 三代轻子，三代夸克的符号、电荷、自旋三代轻子，三代夸克的符号、电荷、自旋 四种相互租用的名称，传

29、播子四种相互租用的名称，传播子（光子电磁；胶子电荷为零，但自旋是1 强相互作用；W及Z玻色子W玻色子有两种，分别有 +1（W+）和1（W）单位电荷。W+是W的反粒子。而Z玻色子（Z0）则为电中性的，且为自身的反粒子。这三种粒子皆十分短命，其半衰期约为 秒。这些玻色子在各种基本粒子之中属重型的一类。W的质量为80.4 GeV，而Z则为91.2 GeV。它们差不多是质子质量的一百倍比铁原子还要重。玻色子的质量是十分重要的，因其限制了弱核力的相用范围。相对地，电磁力的相用范围无限远因为光子无质量。弱相互作用；引力子为了传递引力，引力子必须永远相吸、作用范围无限远及以无限多的型态出现。在量子力学中，引

30、力子被设想为一个自旋为2、质量为零的玻色子。 引力相互作用），力程力程 Higgs的大概质量（的大概质量（200GeV）希格斯玻色子是希格斯玻色子是标量标量玻色子玻色子，自旋自旋为零为零 一些常见粒子的夸克组成人们发现共有6种夸克：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克（charm quark）、顶夸克(top quark)和底夸克(bottom quark)。后四种夸克高度不稳定；大多数物质是由前两种夸克组成的。所有的重子都是由三个夸克组成的，比如质子uud），中子（udd） 。o（uds），+ (uus)，-（dss），（sss）。介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。这一对夸克和反夸克可以是不同味的，例如+(ud)，-(d)，J/(cc)，F(cs)等。 2021/8/283重子（重子（+、+、0、） 由上夸克和下夸克组成，它们衰变为介子以及一个质子或者一个中子。重子（重子（0、+c） 由一个上夸克、一个下夸克以及一个魅夸克或者一个奇异夸克组成。电中性的重子的发现首次显示了奇异夸克的存在。重子（重子（+、0、） 由一个奇异夸克和两个上或者下夸克或者一个上夸克和一个下夸克组成。电中性的重子与电中性的重子相同，因此比其它重子衰变得快。重子（重子（0、） 由两个奇异夸克和一个上夸克或者一个下夸克组成。电中性的重子（由一个上夸克和两个奇异夸克组成）衰变为一个电中性的