基本粒子及其相互作用

1、基本粒子及其相互作用基本粒子及其相互作用近代物理系近代物理系 蒋一蒋一 宇宙起源宇宙起源-大爆炸学说大爆炸学说 组成物质世界的基本粒子组成物质世界的基本粒子 基本粒子的相互作用基本粒子的相互作用 相互作用的统一理论相互作用的统一理论 高能物理实验简介高能物理实验简介 结束语结束语我们所知的世界我们所知的世界24151010米米已知的世界已知的世界宇宙起源宇宙起源问题：问题： （1）宇宙有限吗？）宇宙有限吗？ （2）宇宙是一直这样还是有起点？）宇宙是一直这样还是有起点？ （3）宇宙是怎样产生的？）宇宙是怎样产生的？ （4）有些怎样的物理规律在支配着宇宙？）有些怎样的物理规律在支配着宇宙？ （5）

2、 可能的答案：可能的答案：宇宙大爆炸理论宇宙大爆炸理论 (Big Bang)宇宙起源宇宙起源Albert Einstein:指出在广义相对论中，暗含着在时间上有一个起点指出在广义相对论中，暗含着在时间上有一个起点 宇宙受引力塌缩，解决办法：宇宙受引力塌缩，解决办法：（加入宇宙常数）宇宙静态模型（加入宇宙常数）宇宙静态模型Arthur Eddington：抹去时间起点抹去时间起点George Gamow:1946年，提出年，提出 Big Bang 理论（大爆炸理论）理论（大爆炸理论）Big Bang: 整个宇宙，包括所有的物质、能量以及时间、空间，是从整个宇宙，包括所有的物质、能量以及时间、空间

3、，是从 一个具有无穷大或者近似无穷大的物质密度、温度以及压强一个具有无穷大或者近似无穷大的物质密度、温度以及压强 的状态爆发而形成的。的状态爆发而形成的。为什么有起点？为什么有起点？上帝？！上帝？！ Einstein 认为自己学术生涯中最大的败笔！认为自己学术生涯中最大的败笔！Arno Penzias、Robert Wilson: 1965年，年，背景微波辐射，背景微波辐射，实验上给与强有力实验上给与强有力 的支持。的支持。Stephen Hawking、Roger Penrose、George Ellis：1968-1970, 从理论上证明，广义相对论方程的解一定有关于时空边界的奇点！从理论

4、上证明，广义相对论方程的解一定有关于时空边界的奇点！Big Bang380,000 yrs atoms10-10 . 1 sec particles 10-32 sec “big bang”10-34 sec: inflation=|FermionQ|Fermion=|Boson相互作用的统一理论（弦理论）相互作用的统一理论（弦理论）弦理论的构造原则：弦理论的构造原则：（1）选择开弦还是闭弦；）选择开弦还是闭弦；（2）加不加）加不加SUSY？ 即要不要引入费米子。即要不要引入费米子。开弦开弦闭弦闭弦弦理论的种类：弦理论的种类：类型类型时空时空维数维数内容内容Bosonic 26 只有玻色子，无

5、费米子，开弦、闭弦，有虚质量粒子只有玻色子，无费米子，开弦、闭弦，有虚质量粒子（tachyon）I10超对称性，开弦、闭弦，无超对称性，开弦、闭弦，无tachyon，群对称性为，群对称性为SO(32) IIA10超对称性，闭弦，无超对称性，闭弦，无tachyon，无手征对称性，无手征对称性IIB10超对称性，闭弦，无超对称性，闭弦，无tachyon，有手征对称性，有手征对称性HO10超对称性，闭弦，无超对称性，闭弦，无tachyon， heterotic（弦的向左运（弦的向左运动与向右运动不同），群对称性为动与向右运动不同），群对称性为SO(32) HE10超对称性，闭弦，无超对称性，闭弦，无

6、tachyon， heterotic（弦的向左运（弦的向左运动与向右运动不同），群对称性为动与向右运动不同），群对称性为E8 x E8 相互作用的统一理论（相互作用的统一理论（M理论）理论）问题：问题：在上述包含玻色子和费米子的五类弦理论中，都是在上述包含玻色子和费米子的五类弦理论中，都是10维时空，我们可以任意维时空，我们可以任意取其中的取其中的4维代表我们所能感知的时空，其余维代表我们所能感知的时空，其余6维作为小尺度空间，这样就会有很多维作为小尺度空间，这样就会有很多的组合，即有很多的理论。而能够描述我们物质世界的理论只能是一个，是哪一个？的组合，即有很多的理论。而能够描述我们物质世界的

7、理论只能是一个，是哪一个？1995年，年， Ed Witten发现，发现，5类超弦理论，类超弦理论，其实是一个其实是一个更基本理论更基本理论的不同表现，这个的不同表现，这个更基本的理论称为更基本的理论称为M理论理论（Mother Theory)。弦理论的二次革命！。弦理论的二次革命！M-TheoryE8xE8heteroticSO(32)heteroticType ITypeIIBTypeIIAEd Witten现在还不清楚现在还不清楚M理论的具体形式！理论的具体形式！低能时是低能时是11维超引力维超引力M理论理论相互作用的统一理论（相互作用的统一理论（M理论）理论）R1/R在在M理论的框架下

8、，不同的超弦理论之间具有一定的对称性：理论的框架下，不同的超弦理论之间具有一定的对称性：TDuality：当一种弦理论在描述大尺度的情况时，另外一种弦理论可以描述小尺度的当一种弦理论在描述大尺度的情况时，另外一种弦理论可以描述小尺度的 情况。情况。IIA型与型与IIB型弦之间具有这种对称性。型弦之间具有这种对称性。对偶等价对偶等价T duality 模糊了大尺度与小尺度模糊了大尺度与小尺度之间的区别。之间的区别。SDuality: 弦理论中的相互作用耦合常数随弦的振动模式变化（弦理论中的相互作用耦合常数随弦的振动模式变化（dilation)，在交换这，在交换这 种种dilation场时，其耦合

9、常数包含场时，其耦合常数包含强相互作用强相互作用和和弱相互作用弱相互作用两种形式。两种形式。 I型弦型弦 HO型弦、型弦、IIB型弦型弦 IIB型弦型弦 具有这样的对称性。具有这样的对称性。S duality 模糊了强作用与弱作用之间的区别。模糊了强作用与弱作用之间的区别。（现在的）超弦理论是一个将现有的基本理论做既保守又激进的改造（现在的）超弦理论是一个将现有的基本理论做既保守又激进的改造后得到的理论，也就是：后得到的理论，也就是：粒子粒子 弦，弦，保持所有其它基本的物理原理不变。保持所有其它基本的物理原理不变。粒子弦相互作用的粒子：eeppg相互作用的弦：相互作用的统一理论（弦的相互作用）

10、相互作用的统一理论（弦的相互作用）零距离作用Feynman 图图相互作用的统一理论（概括）相互作用的统一理论（概括）终极理论？ 量子引力如何能帮助解释宇宙的起源？量子引力如何能帮助解释宇宙的起源？ 质子的寿命是多长？我们如何解释之？质子的寿命是多长？我们如何解释之？ 基本粒子为什么只有基本粒子为什么只有3 3代，现在已知的基本粒子是基本粒子吗？代，现在已知的基本粒子是基本粒子吗？ 粒子的质量来源是什么？粒子的质量来源是什么？ 自然界是超对称性的吗？如果是，超对称如何破缺？自然界是超对称性的吗？如果是，超对称如何破缺？ 为什么宇宙看来只有一个时间和三个空间维数？为什么宇宙看来只有一个时间和三个空

11、间维数？ M-M-理论的基本自由度是什么？这一理论确实描述自然界吗？理论的基本自由度是什么？这一理论确实描述自然界吗？ 我们能定量地解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭和质量间我们能定量地解释量子色动力学中的夸克胶子的禁闭和质量间 隙隙(mass gap)(mass gap)的存在吗？的存在吗？ 宇宙暗物质（宇宙暗物质（Dark Matter)Dark Matter)和暗能量（和暗能量（Dark EnergyDark Energy）是什么？）是什么？谜一样的世界谜一样的世界宇宙暗物质与暗能量宇宙暗物质与暗能量Other elements 0.03%Neutrinos 0.3%Stars 0.5%

12、Free H and He 4%Dark matter 23%Dark energy 72%We do not know what makes up 95% of the universe.Need to study it in controlled experiments,i.e. Collider PhysicsWe are hereCurrent Universe Composition:我们已知的星球只占整个宇宙我们已知的星球只占整个宇宙能量的能量的5%，其余是，其余是暗物质（暗物质（23%）？）？暗能量（暗能量（72%）？）？高能物理实验高能物理实验 E=mc2质能守恒质能守恒把一个

13、静止质量很轻的例子，如电子、质子，加到很高的速度，这样这个粒子就具有把一个静止质量很轻的例子，如电子、质子，加到很高的速度，这样这个粒子就具有很高的能量，将这样高能量的粒子进行相互作用，就可以产生静止质量很大的粒子。很高的能量，将这样高能量的粒子进行相互作用，就可以产生静止质量很大的粒子。获得被加速粒子：获得被加速粒子：电子的获得：电子的获得：加热金属，获得热电子加热金属，获得热电子质子的获得：质子的获得：将氢原子离子化。将氢原子离子化。反物质的获得：反物质的获得：用高能量粒子轰击靶，会产生正反粒子对，利用用高能量粒子轰击靶，会产生正反粒子对，利用 正反粒子正反粒子 相反的电荷，用磁场把所需要

14、的反粒子相反的电荷，用磁场把所需要的反粒子 引出来。以此获得正电子，反质子。引出来。以此获得正电子，反质子。高能物理实验高能物理实验加速器的设计：加速器的设计：粒子轰击固定靶粒子轰击固定靶碰撞模式：碰撞模式：两束被加速粒子对撞两束被加速粒子对撞粒子加速模式：粒子加速模式：直线加速器直线加速器同步加速器同步加速器示意图：示意图：高能物理实验（加速环）高能物理实验（加速环）高能物理实验（加速环）高能物理实验（加速环） CERN欧洲核子中心欧洲核子中心27 km2300 employees (- 2000)6000 visitors20 Member states+ US, Canada, Japa

15、n, Russia, China, India, .Accelerators (LHC, 2007)Detectors (Atlas, cms, lhcb, alice)高能物理实验（探测器）高能物理实验（探测器）高能物理实验（世界上目前主要的加速器高能物理实验（世界上目前主要的加速器 ） SLAC: Stanford Linear Accelerator Center, in California, discovered the charm quark (also discovered at Brookhaven) and tau lepton; now running an acceler

16、ator producing huge numbers of B mesons. Fermilab: Fermi National Laboratory Accelerator, in Illinois, where the bottom and top quarks and the tau neutrino were discovered. CERN: European Laboratory for Particle Physics, crossing the Swiss- French border, where the W and Z particles were discovered.

17、 BNL: Brookhaven National Lab, in New York, simultaneously with SLAC discovered the charm quark. CESR: Cornell Electron-Positron Storage Ring, in New York. CESR performs detailed studies of the bottom quark. DESY: Deutsches Elektronen-Synchrotron, in Germany; gluons were discovered here. KEK: High Energy Accelerator Research Organization, in Japan, is now running an accelerator producing huge numbers o