高能物理实验_研究生课程1

1、高能物理实验原理与方法高能物理实验原理与方法授课对象授课对象课时课时考核考核方式方式内容内容方式：方式：目标目标南开大学本科、硕士，南开大学本科、硕士，高能物理研究所高能物理研究所博士博士意大利核物理研究院意大利核物理研究院 ResearchResearch FellowFellow 欧洲核子研究中心欧洲核子研究中心 ScientificScientific AssociateAssociate爱丁堡大学资深爱丁堡大学资深科学家科学家华中师范大学教授华中师范大学教授研究方向研究方向CPCP破坏、超标准模型物理的实验探索破坏、超标准模型物理的实验探索履历履历研究项目研究项目曾参加曾参加BESBE

2、S和和BabarBabar实验实验华中师范华中师范大学大学LHCbLHCb团队负责人团队负责人、LHCbLHCb国际合作物理规划小组成员国际合作物理规划小组成员参加参加CEPCCEPC项目的预制研究项目的预制研究粒子物理粒子物理简介简介粒子物理是关于世界在最微观层次的组成和规律的研究：粒子物理是关于世界在最微观层次的组成和规律的研究：组成物质的最基本单元是什么？主宰世界运转的最根本物理规律是什么？粒子物理五个基本概念粒子物理五个基本概念物质：万物由什么组成，力和能量：万物如何相互作用，为什么这么作用时间和空间：万物运转的舞台这个世界的的奇妙之处就是，从我们身边到最遥远的这个世界的的奇妙之处就是

3、，从我们身边到最遥远的太空，太空，整个世界都是由有限种类的整个世界都是由有限种类的基本单元组成；基本单元组成；而而世间千姿百态世间千姿百态的复杂现象都遵循一些非常简明的规律。的复杂现象都遵循一些非常简明的规律。物质物质的的最基本组成单元最基本组成单元，“基本基本”具有与时俱进的意义。具有与时俱进的意义。原子原子 质子、中子、电子质子、中子、电子 夸克、夸克、轻子轻子 粒子物理永远是科学的最前沿学科！粒子物理永远是科学的最前沿学科！夸克和轻子是自旋为半整数的费米子夸克和轻子是自旋为半整数的费米子 为什么为什么3 3代代 ？ 质量的起源质量的起源 ？当代粒子物理最重要的问题当代粒子物理最重要的问题

4、传播子是自旋为整数的玻色子传播子是自旋为整数的玻色子短距作用短距作用长程作用长程作用短距作用短距作用长程作用长程作用 夸克和轻子夸克和轻子 传递相互作用的规范玻色子（传递相互作用的规范玻色子（gauge bosons） , , , ,0ZWg 赋予费米子和规范波色子质量的赋予费米子和规范波色子质量的Higgs 粒子粒子 其它尚未发现的基本其它尚未发现的基本粒子粒子（？）（？） 关于复合粒子的研究也是非常重要的内容关于复合粒子的研究也是非常重要的内容 ,/,JKnp 它们本身的性质提供了基本粒子间相互作用的信它们本身的性质提供了基本粒子间相互作用的信息息 由于由于“夸克禁闭夸克禁闭”，实验上经常

5、通过研究，实验上经常通过研究 , eppp等反应过程来研究强相互作用的性质。等反应过程来研究强相互作用的性质。 粒子数据组每逢粒子数据组每逢双年更新出版一本双年更新出版一本Review of Particle Physics，里面全面收集了全世界粒子物理方面的实验数，里面全面收集了全世界粒子物理方面的实验数据及有关资料据及有关资料。 同时出版一本把其中主要内容集中起来的小本的手册同时出版一本把其中主要内容集中起来的小本的手册Particle Physics Booklet。 这两本资料可以向全世界从事粒子物理工作的同行免这两本资料可以向全世界从事粒子物理工作的同行免费提供，凡需要的人须要个人直

6、接向粒子数据组索要。费提供，凡需要的人须要个人直接向粒子数据组索要。 要求学会使用这本手册（网页）！要求学会使用这本手册（网页）！1 TeV = 103 GeV = 106 MeV = 109 KeV = 1012 eV 研究夸克和轻子等粒子的性质，需要研究夸克和轻子等粒子的性质，需要TeV量级以上能量的对量级以上能量的对撞机，比如大型强子对撞机撞机，比如大型强子对撞机高能粒子碰撞产生出其它粒子，不稳定的中间态粒子衰变到高能粒子碰撞产生出其它粒子，不稳定的中间态粒子衰变到相对稳定的粒子：相对稳定的粒子：e e, ,m m, , ,K,K,p,p, , 等，等，

7、与探测器物质发与探测器物质发生反应，信号被初步挑选并记录生反应，信号被初步挑选并记录通过用计算机分析碰撞产物可以推测所发生的物理过程，了通过用计算机分析碰撞产物可以推测所发生的物理过程，了解粒子的组成、性质和相互转变机制解粒子的组成、性质和相互转变机制【例例】LHC上上pp对撞产生对撞产生Higgs粒粒子，子，Higgs可以可以衰变到一对光子衰变到一对光子。在在记录的数据中挑选光子对，重建出记录的数据中挑选光子对，重建出Higgs 过程的不变质量分布过程的不变质量分布。CMS和和ATLAS实验用这个办法发现实验用这个办法发现了被称为了被称为“上帝粒子上帝粒子”的的Higgs粒子粒子 标准模型：

8、标准模型：目前描写基本粒子和相互作用的比较成熟的理论，目前描写基本粒子和相互作用的比较成熟的理论，包括电弱统一理论和描写强相互作用的量子色动力学。包括电弱统一理论和描写强相互作用的量子色动力学。局限性局限性测量得到中微子质量不为零，与理论不符合不包括引力不能解释世界为什么只由正物质组成不能解释探测到的物质只占宇宙总质量的5%有效性有效性2013年希格斯粒子发现后，预言的所有粒子已经找到！解释已知世界的大部分现象解决办法：解决办法：寻找物理学新定律和新粒子，候选者包括超对寻找物理学新定律和新粒子，候选者包括超对称理论，空间额外维度理论等称理论，空间额外维度理论等, ,大型强子对撞机应运而生大型强

9、子对撞机应运而生 27公里环形质子公里环形质子- -质子加速器，把质子加速器，把质子加速到接近光速，质子加速到接近光速，每秒每秒40兆次兆次对撞对撞, , 设计能量设计能量14 TeV ，四个主要，四个主要实验：实验：ATLAS, CMS，LHCb, AliceThe LHC accelerator 21 17The LHCb experiment6 Dec 2011 Oxford Department of Physics N.HarnewThe LHC acceleratorProtons bent in a circle under a magnetic field and collid

10、eElectric waves speed particles upppATLASAlice CMSLHCb 高能量前沿高能量前沿ATLAS和和CMS实验实验寻找对撞直接产生的新粒子寻找对撞直接产生的新粒子高精度前沿高精度前沿LHCb实验实验精确测量圈图性质，探测出现在圈图精确测量圈图性质，探测出现在圈图中的中的新粒子新粒子 能探测远高于加速器对撞能量的能探测远高于加速器对撞能量的新物理新物理 帮助区分新物理模型，确定耦合常数和相位帮助区分新物理模型，确定耦合常数和相位（Alice实验是研究重离子碰撞的特别实验实验是研究重离子碰撞的特别实验） ATLAS 发现发现Higgs粒子的论文粒子的论文

11、3000多个多个作者，作者，来自来自34个国家的个国家的178个合作单位。个合作单位。LHCb国际合作组全家福国际合作组全家福CMS实验在费米实验室的远程控制室实验在费米实验室的远程控制室LHC的一些数字的一些数字位于法国、瑞士边界地下位于法国、瑞士边界地下100米米费时费时20年年60亿瑞士法郎亿瑞士法郎80个国家的个国家的5000名科学家名科学家运行时每天消耗运行时每天消耗10万美元电费万美元电费生逢其时生逢其时,何其幸何其幸哉！哉！VelocityScalelowhighNewtonianMechanicsEinsteinsRelativityQuantumMechanicsRelati

12、visticQuantumField Theorymacromicro 高速高速 微观微观 产生和湮灭产生和湮灭需要相对论和量子场论的基本知识需要相对论和量子场论的基本知识 基本粒子的运动学特点基本粒子的运动学特点国际单位制（国际单位制（Systm International dUnite, SI) 对描述粒子物对描述粒子物理现象（微观、高速）很不方便，如：理现象（微观、高速）很不方便，如： 相对论和量子力学中出现两个相对论和量子力学中出现两个物理学物理学常数：常数：光速和普朗克常数光速和普朗克常数 希望选取一个单位制，在这个单位制下上述两个常数希望选取一个单位制，在这个单位制下上述两个常数 的值可以比较的值可以比较“简单简单” ” 自然单位制自然单位制( (Natural Unites) )。 在自然单位制中，能量和动量有相同单位，时间和长度有相同单在自然单位制中，能量和动量有相同单位，时间和长度有相同单位，位，能