粒子物理基础

关于粒子物理基础第1页，共120页，2023年，2月20日，星期五世界由什么构成？中国古代有元气说，和阴阳五行说在古希腊有原子说即由一种不能再分的最小基本单元“原子”构成亚里士多德却认为物质是连续的。正如中国《庄子、天下篇》所言“一尺之棰，日取其半，万世不竭”第2页，共120页，2023年，2月20日，星期五世界由什么组成？为什么世界上不同的物质具有相同的特征？

因为世界上的物质是由几个基本的砖块组成的

---简单、没有内部结构！从远古时代，人类就开始这样想。比如认为世界是由“水、火、土、气”组成。“基本砖块”第3页，共120页，2023年，2月20日，星期五世界的基本砖块？原子？今天人们知道“水、火、土、气”并不“基本”，它们是由“原子”组成的。在1900年前后，人们认为“原子”是可穿透的球，内部有一些电荷在跳动。第4页，共120页，2023年，2月20日，星期五“原子”是基本的吗？人们很快就发现：可以根据其化学性质把“原子”分类《元素周期表》这表明“原子”有内部结构，是由更小的砖块组成的。

第5页，共120页，2023年，2月20日，星期五19世纪未的三大发现1895年伦琴（W.C.Röntgen）发现X射线1896年贝克勒尔(H.Becquerel)发现放射性1897年汤姆逊(J.J.Thomson)发现电子他们三人也因此分别获得了1901年、1903年和1906年的诺贝尔物理学奖。电子的发现对物理学的影响非常深远物理学对象从宏观转入到了微观领域第6页，共120页，2023年，2月20日，星期五

“原子”是由带正电的、重而小的“原子核”和围绕它的带负电的“电子云”组成实验表明：第7页，共120页，2023年，2月20日，星期五“原子核”是基本的吗？“原子核”很小、很重、密度很大，曾被人们认为是基本的粒子。后来，人们发现“原子核”并不基本，是由带正电的“质子”和不带电的“中子”组成。

第8页，共120页，2023年，2月20日，星期五世界由什么组成？如何组成？最后答案Wehaveansweredthequestions,"Whatistheworldmadeof?"and"Whatholdsittogether?“Theworldismadeof6quarksand6leptons.Everythingweseeisaconglomerationofquarksandleptons.Therearefourfundamentalforcesandthereare

forcecarrierparticlesassociatedwitheachforce描述这些基本粒子的理论：标准模型第9页，共120页，2023年，2月20日，星期五粒子的衰变和湮灭原子核的衰变：一个大原子核变成几个小原子核基本粒子的衰变：一个基本粒子变成几个较轻的基本粒子→→→→→→第10页，共120页，2023年，2月20日，星期五放射性的发现1800年代的晚期，德国物理学家WilhelmRöntgen发现：当电子束打到金属片上时，会有奇怪的射线发出，他称之为X-射线两个月后，法国物理学家HenriBecquerel发现有些矿石（如铀）会自然的放出射线。不稳定的原子核衰变而放出射线—放射性第11页，共120页，2023年，2月20日，星期五射线的种类射线：氦（helium）核（2p,2n)射线：高速电子

射线：高能光子

射线可以被纸片挡住

射线可以被铝片挡住

射线只能用铅板来档

第12页，共120页，2023年，2月20日，星期五铀的衰变→→→→→一大块铀的衰变（半衰期）单个铀的衰变（几率）第13页，共120页，2023年，2月20日，星期五铀为什么会衰变？

残余的强力把相互排斥的核子束缚在一起形成原子核微观粒子只能以几率的方式描述：量子力学核子团（比如)逃逸出原子核的几率很小；对大原子核（如铀）这种几率比较大。第14页，共120页，2023年，2月20日，星期五衰变中的质量亏损→238.0508

234.0436

4.0026

0.0046u的质量亏损掉了，变成了能量！第15页，共120页，2023年，2月20日，星期五“质子”和“中子”是基本的吗？

人们发现“质子”和“中子”并不基本，是有更小的粒子---“夸克”组成。“夸克”---目前没有发现其内部结构，是“基本”的粒子第16页，共120页，2023年，2月20日，星期五现代的“原子”图像

注意：“原子”体积的99.999999999999%

是空的！第17页，共120页，2023年，2月20日，星期五“原子”的大小

第18页，共120页，2023年，2月20日，星期五原子的有核结构1911年汤姆逊的学生卢瑟福确立了原子的有核结构1913年卢瑟福的学生丹麦物理学家玻尔建立了量子的原子结构模型1919提出了原子核内存在中子的设想1932年查德威克确认了中子的存在第19页，共120页，2023年，2月20日，星期五第20页，共120页，2023年，2月20日，星期五物质的结构层次：宏观物体场分子原子原子核质子中子夸克电子规范粒子第21页，共120页，2023年，2月20日，星期五宇观宏观介观微观人地球山原子核原子星系星太阳系夸克天体物理粒子物理两大尖端紧密衔接DNA101010510-1510-20101510251m102010-51-10up第22页，共120页，2023年，2月20日，星期五宇宙形成第23页，共120页，2023年，2月20日，星期五人类是认识自然界的主体——“米”基本长度单位最小对象是粒子<10-20m，最大对象是宇宙，哈勃半径，1022m宇宙的起源：大爆炸宇宙模型——100多亿年前，大爆炸。粒子在宇宙诞生的瞬间产生，最大和最小——宇宙和粒子连接起来。第24页，共120页，2023年，2月20日，星期五世界的层次宏观系统：尺度在m以上的客体

因果规律，用牛顿力学或相对论力学描述微观系统：尺度在m以下的客体

统计规律，用量子力学描述介观系统：呈现微观特性的宏观系统

亚微米尺寸的器件，一定条件下表现出量子效

应，微观特性起主导宇观系统：星系、宇宙第25页，共120页，2023年，2月20日，星期五物质的层次结构第26页，共120页，2023年，2月20日，星期五Electrons(10-18m)Atom

nucleusnucleon

quark10-10m

10-14m10-15m

10-18m

TheComponentUnitofMatter第27页，共120页，2023年，2月20日，星期五物质的层次结构世界由物质组成，物质存在的基本形式是粒子和场。目前人类所认识的物质客体的空间尺寸，其大小至少跨越了42个数量级。第28页，共120页，2023年，2月20日，星期五如何实验研究粒子今天知道的粒子的绝大部分都是不稳定的粒子，它们在宇宙形成的初期都曾经存在过，但很快就衰变掉了，要研究粒子物理，就必须产生出这些粒子，并用探测器研究这些粒子的性质。粒子产生的方法：宇宙线对撞机粒子探测的工具：探测器

第29页，共120页，2023年，2月20日，星期五宇宙线第30页，共120页，2023年，2月20日，星期五对撞机（加速器）直线加速回旋加速固定靶对撞机第31页，共120页，2023年，2月20日，星期五当今世界上的加速器Fermilab（费米实验室，美国）SLAC(斯坦福直线加速器中心，美国)BNL(布鲁海文实验室，美国）CESR(康奈尔正负电子储存环，美国）CERN(欧洲粒子物理实验室，瑞士)KEK（高能加速器研究机构，日本）DESY(电子回旋加速器，德国）IHEP(高能物理所，中国）第32页，共120页，2023年，2月20日，星期五粒子探测器第33页，共120页，2023年，2月20日，星期五如何识别不同粒子第34页，共120页，2023年，2月20日，星期五现代粒子物理实验的鼻祖:卢瑟福实验Beam:粒子Target:金箔Detector:硫化锌屏幕第35页，共120页，2023年，2月20日，星期五一点历史--StevenWeinberg第36页，共120页，2023年，2月20日，星期五观测世界的手段：总结第37页，共120页，2023年，2月20日，星期五二十世纪的主要成就相对论与时空观念狭义相对论,高速运动粒子广义相对论,引力理论，宇宙学量子力学波粒二象性,微观粒子量子场论描述物理世界的基本语言标准模型物质的基本组成和基本相互作用

第38页，共120页，2023年，2月20日，星期五基本相互作用引力相互作用电磁相互作用强相互作用强大的核力维持原子核的稳定性弱相互作用导致基本粒子的不稳定,引起衰变第39页，共120页，2023年，2月20日，星期五空间粒子2粒子1媒介子时间粒子之间的相互作用总是通过交换媒介粒子来实现的。粒子间相互作用的时空图基本相互作用第40页，共120页，2023年，2月20日，星期五现在物理认为，粒子间的相互作用是由场传递的，是依靠交换规范玻色子来实现的。量子场论认为：（１）每种粒子都有相对应的场，场没有不可入性，对应各种粒子的场相互重叠地充满全空间。（２）某种场能量最低的状态称为该场的基态。基态场不能通过状态变化释放能量、输出信号。表现为观察不到存在粒子。（３）场处于激发态时表现为出现相应的粒子，场的不同激发态表现为粒子的数目和运动状态不同。（４）当所有场都处于基态时，任何一个场都不可能释放能量而给出信号，都不显示粒子——物理上的真空。真空并非空无一物而是充满了各种基态场。（５）基态场和激发态的场都与其他场相互作用，他是粒子间相互作用的来源。粒子与场的相互关系第41页，共120页，2023年，2月20日，星期五粒子之间的四种相互作用：粒子的相互作用随它们之间的距离而变化——用力程来表示，力程是粒子间的有效作用范围，它正比于媒介粒子质量的倒数。第42页，共120页，2023年，2月20日，星期五TheFourTypesofInteractions

GravityWeakStrongElectromagnetic第43页，共120页，2023年，2月20日，星期五相互作用的统一理论第44页，共120页，2023年，2月20日，星期五经过某种变换之后，物理规律保持不变，这就是物理规律的对称性。如果一个操作使系统从一个状态变到另一个与之等价的状态，或者说，状态在此操作下不变，我们就说这系统对这个操作是对称的，而这个操作叫作这系统的一个对称操作.什么是对称性第45页，共120页，2023年，2月20日，星期五空间对称性与空间对称性相对称的操作有旋转、平移、镜像（1）旋转对称

圆对于绕过其中心垂直于圆面轴o旋转任意角度的操作都是对称的。对于在圆内加一对相互垂直直径的体系，其对称操作只能是转动π/2的整数倍。如果在圆环上加一个小球，其对称操作就只能是转动2π的整数倍了。第46页，共120页，2023年，2月20日，星期五（2）平移对称（3）镜象反射对称

通常说的左右对称，本质上就是镜象反射对称，或者说宇称(parity)，相应的操作就是空间反射(镜面反射)。第47页，共120页，2023年，2月20日，星期五时间对称性1.时间平移对称性一个静止不变或匀速直线运动的体系对任何时间间隔t的时间平移表现出不变性。对于一个周期性变化体系(单摆、弹簧振子)，对周期T

及其整数倍的时间平移变换对称。2.时间反演对称性把时间t变换到

(-t)的变换叫做时间反演操作，相当于时间倒流。当然，现实生活中时间是不会倒流的。但可以想象摄制的录象带倒放时出现的情形：人倒退着走路；弥漫在空气中的烟雾逐渐被收拢到烟斗中去；…。武打电视片的摄制者就是利用这一点，让演员从高处往下跳，拍摄下来倒着放，就可以表现出一个人从地面跃起，跳上高墙的场面。诗曰：君不见黄河之水天上来，奔流到海不复回？

君不见高堂明镜悲白发，

朝如青丝暮成雪？

这里，诗人哀叹韶华如流，人生易老，正是时间反演不对称的写照。尽管只有少数理想的体系具有时间反演对称性，但确实有这种理想的体系。第48页，共120页，2023年，2月20日，星期五标度变换对称性

所谓"标度变换",通俗地讲，就是放大缩小。鹦鹉螺美丽的外壳为标度不变提供了一个很好的范例。在数学中，一条螺线，具有标度不变性的函数关系，这时当这个图形放大或缩小时，只需转过一个角度，就可以与原来的曲线重合。第49页，共120页，2023年，2月20日，星期五对称性原理(1)原因中的对称性必反映在结果中，即结果中的对称性至少有原因中的对称性那样多；(2)

结果中的不对称性必在原因中有所反映，即原因中的不对称性至少有结果中的不对称性那样多；(3)在不存在唯一性的情况下,原因中的对称性必反映在全部可能的结果的集合中，即全部可能的结果的集合中的对称性至少有原因中的对称性那样多。从这个原理可以看到，自然规律反映了事物之间的因果关系，其对称性即：

等价的原因→等价的结果；对称的原因→对称的结果

第50页，共120页，2023年，2月20日，星期五微观世界的对称性1：洛仑兹不变性

这个不变性是狭义相对性原理的数学表述，在狭义相对性原理中指出：一切惯性坐标系都是等价的，物理规律对于一切惯性坐标系都具有相同的形式，狭义相对性原理比伽俐略相对性原理更普遍。不同惯性系中的坐标可以通过洛仑兹变换联系起来，选不同的坐标系相当于施行了一个洛仑兹变换，洛仑兹不变性是自然界中很重要的对称性。

2：正反粒子变换（C变换）不变性

正反粒子变换有时也称电荷共轭变换，C变换不变性是指将系统中的正反粒子互换，系统的运动规律与原有系统的运动规律相同，表征变换性质的量子数叫C宇称，也只有正负之分。第51页，共120页，2023年，2月20日，星期五3：空间反演变换（P变换）不变性

空间反演变换不变性也就是镜像对称性，前面已经介绍过了，这里不再赘述。在微观世界里P变换不变性将导致系统的宇称守恒，宇称是描写一个系统的状态在空间反演下的变换方式的量子数。4：时间（T）反演不变性

这是一种将时间逆转的变换，即把将来和过去颠倒过来。在T变换下，产生一个粒子变成消灭一个粒子，这种变换没有相应的量子数。5:

CP联合反演不变性

空间反演P和电荷共轭C联合起来的变换下的不变性，适应于绝大多数弱力过程的物理规律，中微子将变为现实世界中的反中微子。

左旋中微子-C--左旋反中微子-P--右旋反中微子

左旋中微子-P--右旋中微子-C--右旋反中微子

但是在个别情况下，CP对称性有轻度的破坏叫CP破坏，在发现宇称不守恒的1956年就有人讨论过CP破坏的可能性，由于破坏幅度很小，直到1964年在中性K介子的衰变实验中才首次得到验证。第52页，共120页，2023年，2月20日，星期五6:

CPT变换下的不变性

把电荷共轭C，空间反演P，时间反演T这三种分立变换联合起来变换叫CPT变换，这是一个非常普遍，极其完美又十分精确的对称性，例：从它能导出正反粒子有如下的关系：有相同的质量，总寿命值相等，符号相反的电荷共轭等等。实验上对这些关系的验证也是十分有力的。7:同位旋空间中的转动不变性

同位旋空间是一个假象的三维空间，它是在研究强作用时，通过与自旋的类比而引入的。同位旋空间中的转动不变性表示同位旋空间各向同性，它将导致同位旋守恒。第53页，共120页，2023年，2月20日，星期五对称性与守恒定律守恒定律的缘起是时空对称性。由时间平移不变性可以导出能量守恒定律，由空间平移不变性可以导出动量守恒定律，由空间各向同性可以导出角动量守恒定律。对称性原理是最高层次的定理，它凌架于牛顿定律、动量定理等这些基本物理规律之上。对某些问题，在不涉及一些具体定律之前，我们往往有可能根据对称性原理和守恒定律作出一些定性的判断，得到一些有用的信息。第54页，共120页，2023年，2月20日，星期五守恒量守恒定律的研究占极重要地位（能量）经典物理:质量,能量,动量,角动量电荷守恒定律粒子物理:同位旋,奇异数,轻子数,P,C,CP等守恒量之分类：相加性与相乘性（P,C,CP,G等无经典对应）严格守恒（对所有相互作用）和近似守恒第55页，共120页，2023年，2月20日，星期五对称性的自发破缺原来具有较高对称性的系统出现不对称因素，其对称程度自发降低,这种现象叫做对称性自发破缺。餐桌上的对称性破缺假设餐桌桌面的布置和入席时各人的座位完全对称，如图所示。突然某人先拿起了一双筷子，譬如拿的是右边的筷子，这过程迅速传遍全桌，最后人人都拿起右手边的筷子，左右对称性发生破缺。第56页，共120页，2023年，2月20日，星期五

1956年，李政道和杨振宁为解释奇异粒子衰变过程中的“疑难”指出，在强作用和电磁作用中宇称守恒是得到实验的判定性检验的，但弱作用过程中宇称守恒并未得到实验的检验，弱作用过程中宇称可以不守恒。1957年美籍华裔女物理学家吴健雄通过10-2K低温下钴60核衰变实验对此结论进行了检验。实验原理是利用核磁共振技术使钴“核自旋方向沿确定方向排列，然后观察其衰变产生的电子数分布是否左右对称,实验情况如图所示，末态电子分布不具有镜像对称性、从而证明了弱作用中宇称不守恒。李政道和杨振宁因此获得1957年诺贝尔物理奖。弱作用中宇称不守恒第57页，共120页，2023年，2月20日，星期五第58页，共120页，2023年，2月20日，星期五上帝是个左撇子？

当“宇称不守恒”在上世纪50年代被提出时，大多数人对“完美和谐”的宇称守恒定律受到挑战不以为然。在吴健雄实验之前，当时著名的理论物理学权威泡利教授甚至说：“我不相信上帝是一个软弱的左撇子，我已经准备好一笔大赌注，我敢打赌实验将获得对称的结论。”然而，严谨的实验证明，泡利教授的这一次赌打输了。近代微生物学之父巴斯德曾经说过：“生命向我们显示的乃是宇宙不对称的功能。宇宙是不对称的，生命受不对称作用支配。”自然界或许真的不是那么对称和完美，大自然除了偏爱物质、嫌弃反物质之外，它对左右也有偏好。自然界的20种氨基酸中，有19种都存在两种构型，即左旋型和右旋型。在非生物反应产生氨基酸的实验中，左旋和右旋两种类型出现的几率是均等的，但在生命体中，19种氨基酸惊人一致地全部呈现左旋型——除了极少数低级病毒含有右旋型氨基酸。无疑，生命对左旋型有着强烈的偏爱。正如著名的德国哲学家莱布尼茨所说，世界上没有两片完全相同的树叶。仔细观察树叶中脉(即树叶中间的主脉)的细微结构，你会发现就连同一片叶子两边叶脉的数量和分布、叶缘缺刻或锯齿的数目和分布也都是不同的。绝大多数人的面部发育都不对称，66%的人左耳稍大于右耳，56%的人左眼略大，59%的人右半侧脸较大；人的躯干、四肢也不完全对称，左肩往往较高，75%的人右侧上肢较左侧长。第59页，共120页，2023年，2月20日，星期五引力是一种长程力，在所有物质间均存在。引力在四种基本相互作用中是最弱的粒子质量很小，在粒子世界引力忽略；宏观领域，尤其是天体，质量很大，引力起主要作用。

(1)引力相互作用引力子

粒子1

粒子2第60页，共120页，2023年，2月20日，星期五(2)电磁相互作用

只存在于带电粒子之间，是一种长程力，在宏观和微观都起作用。例如：光子的吸收、发射、散射；电子与原子核结合为原子；弹力、摩擦力、压力、浮力…基态粒子光子发射激发态粒子光子吸收基态粒子激发态粒子

e-虚光子

e-

e-

e-γ

γ

ee

e+

e-第61页，共120页，2023年，2月20日，星期五(3)强相互作用

强度大，力程短，是粒子间最重要的相互作用力。粒子间距为１０-15～０.４＊１０－１５m时表现为引力，距离再小表现为斥力。正是强力将夸克束缚在一起组成质子和中子，并将质子和中子束缚在一起组成原子核。π0介子

npnpπ+介子nppnπ-介子pnnp第62页，共120页，2023年，2月20日，星期五(4)弱相互作用

力程比强作用更短，力也更弱。除光子外，轻子间，轻子与介子间，轻子与重子间，介子与介子间存在。W-epγen弱相互作用的交换媒介子是中间波色子W，中间波色子可以是中性的，也可以是正负电荷第63页，共120页，2023年，2月20日，星期五第64页，共120页，2023年，2月20日，星期五基本粒子的性质质子和中子的大小约为1个费米质子的质量为938.3MeV，中子为939.6MeV,电子为0.511MeV质子和中子称为重子,电子称为轻子质子的寿命长于亿亿亿亿年,自由中子的寿命却只有877秒，中子会衰变成质子、电子和一个新粒子——反中微子.这是否预示着质子、中子内部还有结构？第65页，共120页，2023年，2月20日，星期五众多的新粒子

1931年狄拉克预言：存在着反电子1932年安德逊发现了正电子，并因此获得了1936年的诺贝尔物理学奖1931年泡利预言中存在微子，不带电，质量为零1935年汤川秀树预言π介子的存在，1947年鲍威尔发现π介子第66页，共120页，2023年，2月20日，星期五更多的粒子被发现介子：J=0，π±，

π0，ρ，

k±，

k0重子:J=1/2，p，n，Σ±，Σ0，Ξ±，Ξ0，Λ且每种粒子都有反粒子，总数达数百种。然而混乱中存在秩序，类似于元素周期表，上述粒子也满足一定的规律，表明粒子内部还有结构第67页，共120页，2023年，2月20日，星期五众多的“复合粒子”人们一直在寻找粒子，目前已发现200

多个粒子，这些粒子绝大多数是“复合粒子”。这些粒子的名称“五花八门”。费米(EnricoFermi)对他的学生莱德曼(LeonLederman)说："Youngman,ifIcouldrememberthenamesoftheseparticles,Iwouldhavebeenabotanist!"第68页，共120页，2023年，2月20日，星期五标准模型世界有什么组成？如何组成？

-----标准模型

6种轻子

6种夸克

传递力的粒子第69页，共120页，2023年，2月20日，星期五夸克（Quark）模型轻子(电荷)夸克(电荷)第一代第二代第三代第70页，共120页，2023年，2月20日，星期五世界由什么组成？世界上的一切物质，从星系到山川河流，都是由“轻子”和“夸克”组成。第71页，共120页，2023年，2月20日，星期五第72页，共120页，2023年，2月20日，星期五“反物质”（“反粒子”）对应于每一种“物质粒子”，存在其“反物质粒子”，唯一区别是电荷反号。“粒子”与”反粒子”相遇时，会发生“湮灭”，变成能量。第73页，共120页，2023年，2月20日，星期五夸克

第74页，共120页，2023年，2月20日，星期五“夸克”名称的由来1964年MurrayGell-Mann

和GeorgeZweig

建议用三个基本粒子的不同组合来解释所发现的几百个粒子。Gell-Mann把这三个粒子叫作“Quark”

“Quark”一词来自JamesJoyce

的小说“Finnegan’sWake”

不同种类的“夸克”称作不同的“味道”第75页，共120页，2023年，2月20日，星期五

的“夸克”称作“上”（up)

和“下”(down):

称为“奇”(strange),它组成的粒子“K”粒子具有“奇怪”的长寿命称作“璨”（Charm），1974年在斯坦福（SLAC)和布鲁海文实验室(BNL)发现

称作“底”(bottom)，1977年在费米实验室发现

称作“顶”(top)，1995年在费米实验室发现.两个最轻第三个第四个第五个第六个第76页，共120页，2023年，2月20日，星期五强子（重子、介子）正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，他们群居所形成的复合粒子叫“强子”虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数虽然夸克带有颜色，但强子没有颜色强子（Hadron）有两类：重子（Baryon）介子（Meson）第77页，共120页，2023年，2月20日，星期五轻子（Lepton）

夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在带电轻子象猫科动物，易看到；而不带电的轻子（中微子）象附着在这些动物身上的跳骚，难以看到第78页，共120页，2023年，2月20日，星期五带电轻子的衰变→→→第79页，共120页，2023年，2月20日，星期五中微子

→

→→→第80页，共120页，2023年，2月20日，星期五太阳上质子聚变——大量中微子，地球——很少且呈周期性变化。是否存在中微子振荡？发光星体质量只占空间物质总质量的一小部分，大部分质量以“暗物质”形式存在。中微子是暗物质吗？中微子质量是否为零？有无磁矩？有没有中微子星？宇宙大爆炸遗留下来的中微子充满整个宇宙，其密度与光子差不多中微子能畅行无阻的穿出庞大的星球，把星球内部的信息传递出来。有别于星光，日光

中微子之迷中微子的自旋方向与运动方向相反；反中微子的自旋方向与运动方向一致。vv第81页，共120页，2023年，2月20日，星期五中微子的特点不带电荷、色荷，和物质的作用非常弱；绝大多数可以穿过地球，而不和地球的物质发生作用；可以在很多过程中产生，特别是粒子的衰变，(正是从粒子的衰变中推断其存在）；由于在宇宙形成的初期中微子大量产生，并且它们和物质的作用很弱，在今天的宇宙中有很多中微子，它们虽然很轻，但因为数众多，所以对宇宙的质量有不可忽视的贡献，影响宇宙的膨胀。第82页，共120页，2023年，2月20日，星期五物质的“代”第二、三代的费米子衰变很快，我们周围的物质中没有它们。为什么它们还存在呢？当轻子被发现时，I.I.Rabi叹道：“Whooderedthat?”第83页，共120页，2023年，2月20日，星期五世界由什么组成？答案

第84页，共120页，2023年，2月20日，星期五世界如何组成？世界由夸克和轻子组成。是什么把夸克和轻子组合成物质？

四种作用！第85页，共120页，2023年，2月20日，星期五

物质如何相互作用？物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁的吸引或排斥物质间通过力场发生相互作用通过交换携带力的粒子！第86页，共120页，2023年，2月20日，星期五电磁力电磁力引起“同种电荷相排斥，异种电荷相吸引”，日常生活中的很多力（如摩擦、磁力）都是由电磁力引起。电磁力的携带粒子是“光子”，不同能量的光子形成了电磁波谱，如X—射线、可见光和无线电波。光子没有质量，以光速传播。第87页，共120页，2023年，2月20日，星期五残余电磁力

“原子”含有相同数目的“质子”和“电子”是电中性的，它们如何形成分子呢？原来一个“原子”中的“电子”跟另外一个“原子”中的质子还有作用，这种原子间“残余电磁力”使不同的“原子”结合成“分子”。所以，正是“电子”和“质子”带有异号的电荷使得我们的世界得以形成！第88页，共120页，2023年，2月20日，星期五原子核如何形成？

原子核由质子和中子组成，质子带正电而相互排斥，中子不带电，为什么它们不因排斥而散开呢？

这个问题用电磁力无法回答!

第89页，共120页，2023年，2月20日，星期五强作用力夸克带有“电荷”，还带有“色荷”；带“电荷”的粒子之间有“电磁作用”，带“色荷”的粒子之间有“强作用”。“强作用力”使夸克形成“强子”“强作用力”的携带粒子叫“胶子”（“强作用”象“胶”一样把夸克粘在一起！）

“强作用”与“电磁作用”不同，“胶子”本身带有“色荷”，而“光子”本身不带“电荷”；虽然“夸克”带“色荷”，它们组成的“强子”都不带“色荷”，是色中性的。第90页，共120页，2023年，2月20日，星期五色荷带色荷的粒子（夸克、胶子）通过交换胶子发生强作用夸克发射或吸收胶子时改变自身所带的色荷夸克带色荷，反夸克带反色荷，胶子带一对“色荷-反色荷”

组成重子的三个夸克分别带有“红、绿、蓝”色荷，所以是色中性的

组成介子的一对夸克和反夸克分别带有色荷（如“红”）和反色荷（如“反红”），所以也是色中性的

色荷在作用过程中是守恒的第91页，共120页，2023年，2月20日，星期五夸克禁闭带色的粒子不能单独存在，夸克总是和别的夸克囚禁在一起而形成色中性的强子强子中的夸克疯狂的交换胶子进行强作用，它们存在于由胶子组成的色场中：当胶子场获得足够能量时，就会折断成一对夸克-反夸克第92页，共120页，2023年，2月20日，星期五渐近自由与夸克禁闭第93页，共120页，2023年，2月20日，星期五夸克禁闭未被严格证明！--StevenWeinberg第94页，共120页，2023年，2月20日，星期五夸克发射胶子

夸克发射或吸收胶子时，本身的色荷要改变，以保证色荷守恒。如带有“红”色荷的夸克发射了一个带有“红-反蓝”的胶子后，自身的色荷变成了“蓝”。→→→→第95页，共120页，2023年，2月20日，星期五残余的强作用：原子核的形成

虽然组成原子核的核子（质子和中子）都是色中性的，它们之间有“残余的强作用”，这种作用远远超过质子之间的电磁斥力，原子核由此而形成。第96页，共120页，2023年，2月20日，星期五1896年贝克勒尔(H.Becquerel)发现放射性1931年Pauli提出中微子1933年Fermi理论1956年宇称不守恒（Lee－Yang－Wu)1958年V－A理论1963年Cabibbo理论1967年Weinberg理论1971年’tHooft－Veltman证明1972年GIM机制弱相互作用与粒子的衰变第97页，共120页，2023年，2月20日，星期五弱作用虽然有6种夸克和6种轻子，但我们周围除了3种中微子单独的存在着外，所有物质都是由最轻的2种夸克(u,d)和1种最轻的带电轻子（电子）组成，较重的夸克和带电轻子呢?较重的夸克（s,c,b,t)和带电轻子(,）在宇宙形成的初期就衰变掉了，衰变成了最轻的夸克和轻子。这些衰变（即味道的改变）都是通过弱作用进行的。

弱作用的携带粒子是W+,W-,Z

标准模型把弱作用和电磁作用统一到了一个理论框架中。第98页，共120页，2023年，2月20日，星期五电磁作用和弱作用的统一

标准模型把电磁和弱作用统一描述，称为电弱理论

在非常小尺度(10-18

米）或非常大能标(100GeV)

情况下，弱作用的强度和电磁作用的强度在同一水平。

随着尺度的增加或能标的降低，弱作用将远远弱于电磁作用。

弱作用的携带粒子是重达100GeV的粒子，是一种短距作用第99页，共120页，2023年，2月20日，星期五按自旋量子数总之，按标准模型理论，基本粒子世界由62种粒子组成：13种规范玻色子，48种费米子（包括12种轻子和36种夸克）和一种希格斯粒子。其中引力子和希格斯粒子的存在尚未被实验证实。第100页，共120页，2023年，2月20日，星期五引力引力很是奇怪。虽然它是一种基本的力，标准模型却不能描述它。如何把它也统一进来是当今物理学的一大难题。引力的携带粒子—引力子，至今未被发现。第101页，共120页，2023年，2月20日，星期五自然界基本作用力的