粒子物理学基础课件

粒子物理学基础粒子物理学基础1王淦昌先生王淦昌先生2李文铸先生李文铸先生3汪容先生汪容先生4王凎昌先生和汪容先生王凎昌先生和汪容先生5粒子物理学物质的基本组成物质间的基本相互作用物质运动的基本规律粒子物理学6二十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

二十世纪的主要成就7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,引起衰变基本相互作用8粒子物理学基础课件9对称性决定相互作用电磁相互作用：U(1)规范对称性弱电相互作用：SU(2)

U(1)规范对称性强相互作用：SU(3)规范对称性引力相互作用：局域Lorentz对称性规范粒子质量:对称性自发破缺费米子质量:Yukawa耦合一种参数化,新的物理对称性决定相互作用电磁相互作用：U(1)规范对称性10粒子物理学基础课件11牛顿力学牛顿力学12时间，空间点粒子：位置，速度，加速度牛顿定律惯性

作用与反作用时间，空间13一个伟大的发现：一个伟大的发现：14粒子物理学基础课件15粒子物理学基础课件16相对性原理与Galilean变换相对性原理与Galilean变换17电动力学电磁现象电动力学18麦克斯韦方程洛伦兹力麦克斯韦方程洛伦兹力19相对性原理,洛伦兹变换相对性原理,洛伦兹变换20电磁波光子:质量为零,速度为c电磁波21狭义相对论相对性原理光速不变狭义相对论22Lorentz变换与原时:时空对称性Lorentz变换与原时:时空对称性23相对论动力学相对论动力学24粒子物理学基础课件25量子力学波粒二象性态的线性叠加原理互补性原理测不准原理量子力学波粒二象性26量子力学基本原理StatesofthesystemRelationofcommutationHermitianoperatorsSchrodingerequationPrincipleofidentityPrincipleofmeasurement量子力学基本原理Statesofthesystem27Schrodinger方程Heisenberg矩阵力学Schrodinger方程28氢原子氢原子29谐振子谐振子30相对论量子力学Klein-Gordon方程电磁相互作用负能量,负几率,精细结构不正确相对论量子力学31Dirac方程电磁相互作用正几率,电子的自旋,精细结构正确Klein佯谬,负能量Dirac方程电磁相互作用正几率,电子的自旋,精细结构正确32反粒子,相对论的预言高能微观系统的多粒子特性量子场论的必然反粒子,相对论的预言33基本相互作用原子核内，质子与质子之间有很强的库仑排斥力，那么是如何维持原子核的稳定性的呢？要维持原子核的稳定性，核子间必定存在相互吸引的强大的核力：强作用力作用范围要小，导致原子结构的不稳定引起原子核衰变，有轻子参与的相互作用──弱作用力基本相互作用原子核内，质子与质子之间有很强的库仑排斥力，那么34四种基本相互作用力

对象强度范围交换粒子电磁力带电粒子间10-2

∞γ(光子)引力万物10-40

∞G(引力子)强力强子110-15米g(胶子)弱力有轻子参与10-5

10-18米w±,z0

四种基本相互作用力对象强度35非直接、即时相互作用非直接、即时相互作用36量子场论描述物理世界的基本语言量子力学狭义相对论量子场论描述物理世界的基本语言37量子电动力学量子电动力学38TomonagaTomonaga39SchwingerSchwinger40R.FeynmanR.Feynman41DysonDyson42电子与光子构成简单系统介子与光子构成简单系统电子与光子构成简单系统介子与光子构成简单系统43规范对称性与电磁相互作用规范对称性与电磁相互作用44Feynman规则Feynman规则45Lamb效应Lamb效应46电子反常磁矩电子反常磁矩47Compton散射Compton散射48粒子物理学基础课件49

强相互作用与夸克（Quark）模型强相互作用与50Gell-mannGell-mann51GrossGross52WilczekWilczek53世界到底由什么构成？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”世界到底由什么构成？中国古代有元气说，和阴阳五行说5419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19世纪未的三大发现1895年伦琴（W.C.Röntgen）55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n的存在原子的有核结构1911年汤姆逊的学生卢瑟福确立了原子的有核结56物质的层次结构物质的层次结构57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？基本粒子的性质质子和中子的大小约为1个费米58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介子众多的新粒子1931年狄拉克预言：存在着反电子1931年泡59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更多的粒子被发现介子：J=0，π±，π0，ρ，60

夸克（Quark）模型轻子(电荷)夸克(电荷)第一代第二代第三代夸克（Quark）模型轻子(电荷)61强子态

深度非弹性散射强子态

深度非弹性散射62量子色动力学（QCD）量子色动力学（QCD）63渐近自由与夸克禁闭渐近自由与夸克禁闭64粒子物理学基础课件65强子质量谱强子质量谱66弱电统一理论弱电统一理论67GlashowGlashow68S.WeinbergS.Weinberg69SalamSalam70T’HooftT’Hooft71VeltmanVeltman721896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1896年贝克勒尔