专题六粒子物理

专题六粒子物理第1页，共30页，2023年，2月20日，星期日与空间对称性相对称的操作有旋转、平移、镜像1、空间对称性（1）旋转对称(a)(c)(b)任意角度的整数倍的整数倍轴对称，某物体相对于某轴旋转角度后，与原来的完全重合，则物体具有n次轴对称。第2页，共30页，2023年，2月20日，星期日物理定律具有旋转对称性是指空间各个方向对该物理定律等价，没有一个方向具有对于其他方向的任何内在优越性，将实验仪器旋转一个方位，实验结果同。（2）平移对称物理定律的平移对称性反映空间的均匀性，空间的任何位置对物理定律等价，物理实验可以在不同地点重复、实验结果不变。第3页，共30页，2023年，2月20日，星期日（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)。如同有一个平面镜把物体分成两部分，其中一部分是另一部分的镜像，这种对称是对于平面的对称。第4页，共30页，2023年，2月20日，星期日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、时间对称性（1）时间平移对称性（2）时间反演对称性把时间t(-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。物理定律的时间平移对称性是指物理规律不随时间流逝发生变化，物理实验是可以在不同时间重复的。第5页，共30页，2023年，2月20日，星期日二、对称性原理

对称性原理是皮埃尔·居里首先提出来的。原理包含的内容是：(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6页，共30页，2023年，2月20日，星期日例1.根据对称性原理论证抛体运动为平面运动例2.根据对称性原理解释足球场上的“香蕉球”。

原因：重力和初速决定一个平面，无偏离该平面的因素，对该平面镜像对称。结果:质点的运动不会偏离该平面，轨道一定在该平面内。

结果:足球的运动偏离了重力和初速决定的平面。原因：一定存在对重力和初速所决定的平面不对称的因素，即球被踢出时是旋转的。第7页，共30页，2023年，2月20日，星期日三、对称性与守恒定律守恒定律的起缘是时空对称性。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8页，共30页，2023年，2月20日，星期日弱作用中宇称不守恒

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。第9页，共30页，2023年，2月20日，星期日由于粒子尺度太小，大多数粒子寿命又很短，所以人们通过间接的手段研究，利用加速器或对撞机是高能粒子相撞，让他们的能量和质量聚集到一个很小的区域中，此时粒子时不稳定的，会产生出一些粒子。可以利用探测器对产物进行认定，通过这样的方式了解粒子间的相互作用的特性和发现新粒子、新类型的相互作用。粒子物理中用费曼图（P.P.Feynmann）来描述粒子的碰撞。一、碰撞和衰变e-e+时间e-e+时间第三节粒子物理的研究手段和发展方向第10页，共30页，2023年，2月20日，星期日目前，只有质子、电子、光子和中微子比较稳定，大多数粒子是不稳定的，它们要自动衰变成两个或更多个具有较小质量的其他粒子。大多数粒子的寿命在10-6~10-22s范围。中子是已知不稳定粒子中寿命最长的，为887s,而Z0粒子寿命最短，为2.643X10-25s。粒子质量与其寿命有密切关系，是判断和辨认粒子的重要依据。e-e+第11页，共30页，2023年，2月20日，星期日二、加速器和粒子探测器加速器简介

使带电粒子不断地加速以获得很大能量的一种装置叫做加速器。通常由离子源（或电子枪）、加速聚焦系统和控制系统三部分组成。加速后粒子的能量一般在10万电子伏以上，目前最大的加速器能使带电粒子获得几千亿电子伏的能量。低能加速器是研究低能原子核物理的主要装置，在国防工业及国民经济各部门中也有广泛应用。例如工业探伤、医疗等。至于中、高能加速器，则主要用作探索微观世界规律的工具。

第12页，共30页，2023年，2月20日，星期日加速器种类：按能量分有：低能加速器（加速粒子的能量在1亿电子伏以下）；中能加速器（1亿至10亿电子伏）；高能加速器（10亿至500亿电子伏）和超高能加速器（500亿电子伏以上）。按粒子运动的轨道分：有直线型加速器和圆形加速器。属于直线型的有倍压加速器、静电加速器和直线加速器；属于圆形的有电子感应加速器、回旋加速器、电子回旋加速器、稳相加速器、电子同步加速器、质子同步加速器和同步稳相加速器。按被加速的带电粒子分：有加速电子、质子、氘核及各种重离子的加速器。对于后两种加速器，按聚焦类型分，又有弱聚焦和强聚焦两类。第13页，共30页，2023年，2月20日，星期日高能物理加速器实验观察工具新粒子的产生第14页，共30页，2023年，2月20日，星期日现代加速器原理固定靶实验对撞实验直线加速器回旋加速器

早期加速器现代加速器LHC隧道加速器管道第15页，共30页，2023年，2月20日，星期日BNL丁肇中发现新粒子的加速器BNL-AlternatingGradientSynchrotron主要加速器中心：SLAC，Fermilab，CERN，BNL，CESR，DESY，KEK，IHEP第16页，共30页，2023年，2月20日，星期日北京正负电子对撞机高能物理研究所（IHEP）BES探测器第17页，共30页，2023年，2月20日，星期日1.静电加速器和串列加速器VandeGraaff静电加速器V=Q/C能量稳定性好电压连续可调第18页，共30页，2023年，2月20日，星期日串列加速器第19页，共30页，2023年，2月20日，星期日静电加速器第20页，共30页，2023年，2月20日，星期日回旋加速器回旋加速器的结构回旋加速频率：粒子能量：第21页，共30页，2023年，2月20日，星期日直线加速器直线加速器原理MeV到GeV可加速质子和电子第22页，共30页，2023年，2月20日，星期日美国斯坦福直线加速器外貌第23页，共30页，2023年，2月20日，星期日同步加速器同步加速器原理：轨道固定、磁场和加速电场调变增强器：提高注入离子能量，改善能量品质。储存环：存储高能离子第24页，共30页，2023年，2月20日，星期日同步加速器同步辐射第25页，共30页，2023年，2月20日，星期日同步加速器对撞机：第26页，共30页，2023年，2月20日，星期日同步加速器第27页，共30页，2023年，2月20日，星期日北京正负电子对撞机北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一。１９８８年１０月１６日，两束正负电子在北京西郊一个羽毛球拍状的巨型机器里成功对撞，揭开了我国高能物理研究的新篇章。这是北京正负电子对撞机鸟瞰图第28页，共30页，2023年，2月20日，星期日探测器原理基本粒子的尺度：10-17—10-13cm，而目前最大倍数的电子显微镜的分辨率为10-8cm，因此距离肉眼观察至少还差10万倍。（实际上）我们对基本粒子的研究只能借助于“间接观察”手段。粒子物质微弱信号电子学数据获取数据分析第29页，共30页，2023年，2月20日，星期日三、粒子物理的未知课题质量的起源是什