物理与人类文明Chapter52

1、 第十三讲第十三讲基本相互作用的统一，原子能的利用5.5.1 奇妙的规范对称性对称性对称性就是一个物体或物体系统在某种变换下具有的不变性。 例如一个均匀的圆球绕其球心转动任意角度后，它看上去与转动前一样，也就是说，该球具有转动对称性。 很多建筑物，甚至人体均具有左右对称性。 5.5 相互作用的统一。例如： 空间平移对称性（空间是均匀的） 动量守恒 时间平移对称性 能量守恒 空间转动对称性（空间各向同性） 角动量守恒 5.5 相互作用的统一( )( )xexiTjj 温伯格-萨拉姆理论具有SU(2)U(1) 规范对称性，展现了称作自发对称破缺的性质. 强相互作用则由具有SU(3)规范对称性的量子

2、色动力学（QCD）描述 两个理论组合起来统一描述强、弱、电三种相互作用，称为基本粒子的标准模型 GUT, 超弦理论 （Superstring Theory）粒子物理中的标准模型粒子物理中的标准模型 物质由三代轻子与夸克构成物质由三代轻子与夸克构成: 传递相互作用的粒子传递相互作用的粒子: 光子光子 电磁作用电磁作用 W 和和 Z 弱作用弱作用 胶子胶子 强作用强作用 量子色动力学量子色动力学 (QCD) 质量起源质量起源 Higgs (刚找到？刚找到？) eebsdtcu电弱统一理论电弱统一理论Richard Feynman Shared the 1965 Nobel Prize in Phy

3、sics for his contributions to the development of Quantum Electrodynamics粒子物理中有待解决的基本问题粒子物理中有待解决的基本问题-及其与宇宙学的关系及其与宇宙学的关系 1）寻找）寻找Higgs玻色子玻色子 LHC, Tevatron 宇宙学宇宙学 =质量起源质量起源 2) 标准模型之外的新物理？超对称，超空间标准模型之外的新物理？超对称，超空间 LHC，ILC, muon collider, 宇宙学宇宙学 =暗物质暗物质 3) 标准模型的检验标准模型的检验 夸克模型夸克模型, QCD, 弱电统一理论弱电统一理论 宇宙学宇宙

4、学 =物质的基本形态，宇宙的形成与演化物质的基本形态，宇宙的形成与演化 4) CP破坏，破坏， CKM矩阵矩阵 B工厂、工厂、BEPC、LHCB 宇宙学宇宙学 =反物质反物质 5） CP破坏，破坏，MNS矩阵，中微子矩阵，中微子 反应堆中微子，长基线中微子及中微子工厂反应堆中微子，长基线中微子及中微子工厂, 宇宙学宇宙学 =暗物质，反物质，宇宙总质量，宇宙大尺度结构暗物质，反物质，宇宙总质量，宇宙大尺度结构高能量前沿高能量前沿高能量与高精度前沿高能量与高精度前沿高精度前沿高精度前沿中国为什么要研究高能物理中国为什么要研究高能物理 高能物理研究是基础科学研究的根本之一高能物理研究是基础科学研究的

5、根本之一 物质结构、宇宙起源与演化和生命起源及其本质物质结构、宇宙起源与演化和生命起源及其本质 高能物理研究涉及国家安全和经济发展的关键技术高能物理研究涉及国家安全和经济发展的关键技术 加速器加速器 核探测技术与核电子学核探测技术与核电子学 真空，微波，高频，低温，网络，自控，。真空，微波，高频，低温，网络，自控，。 作为基础科学研究提供了国际交流的平台作为基础科学研究提供了国际交流的平台 人才培养基地人才培养基地研究物质结构，发展关键技术研究物质结构，发展关键技术开拓国际交流，培养高级人才开拓国际交流，培养高级人才中国高能物理的发展中国高能物理的发展 参与国际大型高能物理实验合作参与国际大型

6、高能物理实验合作 欧洲大型强子对撞机：欧洲大型强子对撞机：LHC/ATLAS, CMS 日本日本B-工厂：工厂：KEKB/BELLE 地下与空间实验：地下与空间实验：KamLAND, T2K, AMS, 国际未来直线对撞机：国际未来直线对撞机：ILC 基于国内的高能物理实验基于国内的高能物理实验 北京正负电子对撞机（北京正负电子对撞机（BEPC）及北京谱仪实验（及北京谱仪实验（BES） 大亚湾中微子实验大亚湾中微子实验 羊八井国际宇宙观测站羊八井国际宇宙观测站 硬硬X射线调制望远镜射线调制望远镜A careful balance of physics opportunities, financ

7、ial resources, technological capabilities and needs, man power, experience, Sino-Italian ARGO experiment (RPC hall)Sino-Japanese AS experiment (scintillation detector array)Sino-Italian ARGO experiment (part of RPC carpet)AS,ARGO: Cosmic-ray experiment3TeV300GeVAS scintillation detector高能物理中长期规划高能物理

8、中长期规划未来发展：新实验，地下实验室？未来发展：新实验，地下实验室？BESII 物理研究物理研究理论物理研究，核探测技术与电子学，。理论物理研究，核探测技术与电子学，。2005201020052010ILC 国际合作国际合作 BESIII 物理研究物理研究 BESIII 建设建设ATLAS 与与CMS物理研究物理研究国际合作：国际合作：ATLAS 与与CMS 建设建设大亚湾实验建设大亚湾实验建设大亚湾实验物理分析大亚湾实验物理分析加速器物理未来发展：新加速器？加速器物理未来发展：新加速器？羊八井宇宙线羊八井宇宙线ARGO羊八井宇宙线观测站羊八井宇宙线观测站HXMTHXMT 数据分析数据分析未

9、来发展：新实验未来发展：新实验 ？北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机与与北京谱仪北京谱仪北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机(BEPC)由电子直线注入器、储存环、由电子直线注入器、储存环、 北京谱仪（北京谱仪（BES）和北京同步辐射装置（和北京同步辐射装置（BSRF）组成组成8484年动工，年动工，8888年如期建成，并迅速达到设计指标年如期建成，并迅速达到设计指标。 Large angle, double-ring Large angle, double-ring RFRFSRIP22 mrad2.5m8ns1.5cm0.1cmBeam energy: 1-2 GeVLuminosity:

10、 11033 cm-2s-1Optimum energy: 1.89 GeVEnergy spread: 5.16 10-4No. of bunches: 93Bunch length: 1.5 cmTotal current: 0.91 ASR mode: 0.25A 2.5 GeV储存环调试速度国际罕见储存环调试速度国际罕见Oct. 25, 2007: accumulation of electron beams Oct. 31, 2007: accumulation of positron beamsNov. 18, 2007: first e+e- collisionCollision

11、 of 500mA 500mA漂移室：测量带电粒子动量与径迹漂移室：测量带电粒子动量与径迹3万根丝，单丝位置分辨率万根丝，单丝位置分辨率120 m大亚湾中微子实验大亚湾中微子实验物质世界的最基本单元之一：物质世界的最基本单元之一：中微子中微子中微子是构成物质世界的最基本单元之一：中微子是构成物质世界的最基本单元之一： 弱作用的宇称不守恒源于只有左旋中微子弱作用的宇称不守恒源于只有左旋中微子中微子与反中微子是否同一个粒子？中微子与反中微子是否同一个粒子？中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用十分微弱。因此极难探测，需要用体积庞大的探十分微弱。因此极难

12、探测，需要用体积庞大的探测器。测器。粒子物理标准模型认为中微子质量为零。粒子物理标准模型认为中微子质量为零。 eebsdtcu中微子简史中微子简史1930 1930 泡利假设了中微子，以解决泡利假设了中微子，以解决b b衰变中能量不守恒问题衰变中能量不守恒问题1956 1956 Reines Reines 和和 Cowan Cowan 发现中微子发现中微子（1995 1995 年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）1962 1962 Lederman Lederman 等发现等发现中微子中微子（1988 1988 年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）1957 Pontecorvo 1957 Pontecorvo 提出中

13、微子可以发生振荡提出中微子可以发生振荡1968 1968 Davis Davis 发现太阳中微子丢失，中微子振荡？发现太阳中微子丢失，中微子振荡？ （2002 2002 年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）1998 1998 超级神冈实验证实大气中微子丢失超级神冈实验证实大气中微子丢失, , 中微子振荡！中微子振荡！ (2002 (2002 年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）2001 2001 SNO SNO 实验证实丢失的太阳中微子变成了其它中微子实验证实丢失的太阳中微子变成了其它中微子2002 KamLAND 2002 KamLAND 用反应堆实验证实太阳中微子振荡用反应堆实验证实太阳中微子振荡中微子振荡开启了

14、粒子物理中微子振荡开启了粒子物理，天体物理与宇宙学研究的，天体物理与宇宙学研究的新窗口新窗口中微子振荡中微子振荡 1962年，因信仰共产主义而逃到前年，因信仰共产主义而逃到前苏联的苏联的Bruno Pontecorvo 提出如果提出如果中微子质量不严格为零，且中微子中微子质量不严格为零，且中微子的质量本征态与弱作用本征态不同，的质量本征态与弱作用本征态不同，根据量子力学，不同的中微子之间根据量子力学，不同的中微子之间可以相互转换可以相互转换 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 e e 大亚湾核电站是世界上最理想地点大亚湾核电站是世界上最理想地点 功率高，功率高，20112

15、011年增加到年增加到17.417.4GWGW。 周围有山，便于建设地下实验室以屏蔽宇宙线本底。周围有山，便于建设地下实验室以屏蔽宇宙线本底。宇宙线信号会与中微子讯号混淆，影响实验结果。宇宙线信号会与中微子讯号混淆，影响实验结果。 大亚湾的业主中国广东核电集团积极支持这项实验。大亚湾的业主中国广东核电集团积极支持这项实验。实验原理实验原理实验安排实验安排 通过近点与远点通过近点与远点探测器进行相对探测器进行相对测量，以消除与测量，以消除与反应堆有关的系反应堆有关的系统误差统误差 两个近点与一个两个近点与一个远点探测器之间远点探测器之间用隧道连接，共用隧道连接，共3000m 事例率：事例率：12

16、00/day 近点近点350/day 远点远点 本底：本底：B/S 0.4% 近点近点B/S 0.2% 远点远点岭澳近点：岭澳近点：2个探测模块共个探测模块共 40 吨靶吨靶500m至岭澳堆至岭澳堆顶层岩石覆盖顶层岩石覆盖: 112m远点远点: 4个探测模块共个探测模块共 80 吨靶吨靶1600m 至岭澳堆至岭澳堆1900m 至大亚湾堆至大亚湾堆顶层岩石覆盖：顶层岩石覆盖： 350m大亚湾近点：大亚湾近点：2个探测模块共个探测模块共 40 吨靶吨靶360m至岭澳堆至岭澳堆顶层岩石覆盖顶层岩石覆盖: 98m隧道入口隧道入口8% slope0% slope0% slope0% slope施工隧道入

17、口施工隧道入口隧道总长度约隧道总长度约 3100m三个地下实验大厅三个地下实验大厅一个地下装配大厅一个地下装配大厅一个地下水处理大厅一个地下水处理大厅小结小结 中国的高能物理经过二十来年的发展，已在国际中国的高能物理经过二十来年的发展，已在国际上占有重要地位上占有重要地位 Tau-Charm 能区具有丰富的物理，已取得丰硕成能区具有丰富的物理，已取得丰硕成果，随着果，随着BEPC的改进，有望取得更大的成果。的改进，有望取得更大的成果。 中微子物理是粒子物理未来发展的重要方向与热中微子物理是粒子物理未来发展的重要方向与热点。大亚湾实验以有限的投资，可使中国步入粒点。大亚湾实验以有限的投资，可使中

18、国步入粒子物理研究的先进行列，取得极为重要的一流成子物理研究的先进行列，取得极为重要的一流成果。果。 未来二十年，我们一定会看到我国粒子物理研究未来二十年，我们一定会看到我国粒子物理研究步入世界先进行列步入世界先进行列5.6.1 原子核的结合能原子核由质子和中子组成实验发现原子核的质量并不简单地归结为所有质子的质量和中子的质量之和，而是有微小的差异.5.6 原子能及其应用ZA元素9 22 3 8UB Z AZ MA Z mM Z ACHn( , )()( , )2原子核的结合能 氘（D）是氢的同位素，在海水中100万个氢原子中约有150个氘原子。氘核是核聚变反应的主要原料，它由一个质子和一个中

19、子组成，其结合能为：BMmM DCHn()2=（1.0078251.0086652.014102）931.5Mev=2.224Mev 表表5.1 原原 子子 核核 的的 结结 合合 能能 原 子 核 结 合 能 (B/Mev)单 个 核 子 的 平 均 结 合 能 12H2.224 1.112 13H8.485 2.828 23He7.720 2.573 24He28.30 7.075 36Li31.99 5.332 37Li39.25 5.603 49Be58.16 6.462 510B64.75 6.4755.6.2 原子能的可能释放模式 原子核衰变原子核衰变: : 某一原子核自发地演变成

20、为另一种原子核并放出相应粒子的过程942389223456PuUMev()().钚铀87.84年原子核裂变原子核裂变包含三种方式，一种是自发自发裂变裂变: :重原子核自发地碎裂成两块，并放出能量，92235200UMev()铀两 个 成 分 不 同 的 碎 块 中子诱发裂变中子诱发裂变: : 在中子作用下而引发的核裂变，并释放出2到3个中子的过程.nUMev9223523200()铀两个碎块或 个中子原子核碎裂原子核碎裂: : 高能粒子轰击到原子核上，将原子核击成很多碎块，并放出能量.p GevUnMev(裂成其它碎块原子核聚变原子核聚变: : 由轻原子核融合成质量数

21、较大的核并放出能量的过程.DDTpMev 40 .DTnMev176 .DDHenMev2333 .DHepMev23184.5.6.3 原子能的和平利用核反应的效率是化学反应的106108倍，即1百万到1亿倍碳排放（carbon emissiont）:二氧化碳和其它温室气体的排放六种温室气体:二氧化碳，甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、氢氟碳化物 ( HFCS）、全氟化碳（PFCS）、六氟化硫（SF6）GWF（全球变暖因子）可换算这些气体释放热量的能力将二氧化碳的全球变暖因子设为1，其他温室气体以此为标准单位来换算，例如甲烷的全球变暖因子是21，氧化氩氮是310，全氟碳化物的全球变暖因子在

22、5000到14000之间世界二氧化碳排放量最高的五个国家世界二氧化碳排放量最高的五个国家(2009.12.08)中国 31亿吨 美国 28亿吨 印度 6.3亿 俄罗斯 4.7亿吨, 德国 4.3亿吨 能源的比例能源的比例:中国能源消耗的结构中国能源消耗的结构:清洁能源清洁能源 水电 (3963 亿度/ 2497516%, 2004年)： 可控核反应可控核反应一座百万千瓦级的压水堆核电站，一年仅需补充30吨核燃料，其中仅消耗1吨左右，同样规模的热电厂，要燃原煤250万吨电站反应堆换料电站反应堆控制棒电站环境监测Fusion Fire Powers the SunCan we make Fusio

23、n Fire on earth?第一个过程是弱作用，反应几率很低。 e 氘氘-氚反应：氚反应： D(氘氘) + T(氚氚) 4He(氦氦) + n(中子中子) +17.6 Mev n(中子中子) + 6Li(锂锂) 4He (氦氦) + T (氚氚) +4.79 Mev 氘氘-氘反应氘反应 D(氘氘) + D (氘氘) T(氚氚) + p(质子质子) +4.04 Mev 氘氘-氦反应：氦反应： D(氘氘) + 3He(氦氦) 4He (氦氦) + p(质子质子) + 18.14 Mev 氢氢-硼反应硼反应 p(质子质子) + 11B(硼硼) 3 (4He )+ 18.6 Mev典型核聚变过程典

24、型核聚变过程D(氘氘) + T(氚氚) He(氦氦) + n(中子中子) n(中子中子) + Li(锂锂) He (氦氦) + T (氚氚)温度大于温度大于 一一 亿度；亿度；密度大于密度大于 2.5 x 10 20 m -3 能量约束时间大于能量约束时间大于 1-2 秒秒 5 x 10 21 m - 3 keVs =17.6 Mev+17.6 Mev 氘（D）存在于海水中。地球上约有40万亿吨氘，一升海水里含有的氘完全实现核聚变反应，将释放出相当于燃烧300升汽油所释放出的能量，因此一旦实现受控热核聚变海水将成为人类取之不尽用之不竭的新能源； 关键是锂的储量(地球上锂的储量比氘少得多，约有2000多亿吨 )，可用上万年.中国中国锂资源丰富(排名第二). 氘-氚核聚变的产物是惰性气体氦；氢的同位素氚(T)的寿命为12年，只具有短期放射性； 重力约束； 惯性约束； 磁约束；TokamakNational Spherical Torus Experiment (NSTX) ASIPPEAST装置已于装置已于2006年一月建成年一月建成(EAST 59 Aim - demonstrate integrated physics and engineering on the scale of a power station Key ITER technologies fabri