微观世界探索_高能物理研究所_杜东生
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杜东生
中科院高能所 杜东生
1
微观世界到底有多小?用高能电子作探针我们 今天已探测质子深至10-19厘米(千万万亿分之一 厘米,德国 HERA ),仍然没有探到微观世界 的"底". 宏观世界有多大?今天用射电和光学望远镜人类 已经可观测到130亿光年的距离(1光年等于光走 1年的距离,约为10万亿公里)仍然没有看到宇 宙的边. 宇宙不管往大和往小深入都没有尽头.我们先来 看看小宇宙即微观世界到底是怎么回事. 下面这个简单的表可表示我们看到的东西:
中科院高能所 杜东生
11
夸克模型获诺贝尔奖
但事情并没有完!
1974年——丁肇中,B.Richter 发现 J/Ψ (3.1GeV) 粒子 这个介子寿命出奇的长,→ charm夸克 (c) mc ~ 1.5GeV J/Ψ 由( cc )构成. 1977年——L.Lederman 发现 ( 9.5GeV ) → Beauty (Bottom) (b) mb ~ 5GeV (9.5)由( bb )构成 1994年——Fermilab. CDF组发现 Top 夸克 (t) mt ~ 176GeV t夸克一产生就立刻衰变,没有机会形成束缚态
中科院高能所 杜东生 15
(4) 夸克和轻子 ( e , νe , , ν , τ , ντ )
(u,d,s,c,t,b) 还有没有内部结构?
西藏羊八井宇宙线实验 夸克可能有内部结构 电子, 子还没发现有结构 实验上至今没有看到自由夸克,把质子,中子打碎后 的碎片仍然与质子一样大,理论上可以解释为什么看 不到自由夸克. 有迹象表明
4
(2) 原子核的结构(已经非常清楚 已经非常清楚)
由
质子( 质子(p) 构成 中子( 中子(n)
Proton和Neutron合称核子(N) 和 合称核子( ) 合称核子
核中单个核子的平均结合能
bin/单个N 10MeV = 107 eV mp 980MeV /单个N 量子力学原理仍然可用于原子核,但微扰理论不能用了. 量子力学原理仍然可用于原子核,但微扰理论不能用了.
中科院高能所 杜东生 18
(ⅱ) 弱,电统一理论
1967年,Glashow – Weinberg – Salam SU(2)×U(1) 非阿贝尔规范场 统一电和弱作用 自然界有四种力:
强作用力 (核力) 电磁力 弱力 引力 αs = α=
g2 4π
≥1 ~ 10-2
1 137
2
GF mN ~ 10-5 GNmN ~ 10-39
中科院高能所 杜东生 16
(5) 理论的发展
(ⅰ) 量子色动力学(QCD)
Quantum Chromo Dynamics
如何把核子的高能结构图象与低能图象统一起来?
1974:Polizer Gross Wilzeck
π 4
2 2 (11 f )n(q2 ∧ ) 3
提出QCD
SU(3)规范理论描述强作用力
αs = g2/4π 1
核理论的预言能力受到了极大的限制.核理论不完整!
Ebin/ Ebin ~ 106 !
核子
电子
中科院高能所 杜东生
5
(3) "基本粒子"的结构(基本清楚) 基本清楚)
1947年前,我们只知道很少的"粒子",如质子,中子,电子, 年前,我们只知道很少的"粒子" 如质子,中子,电子, 年前 子等,人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元,称之为 子等, 子等 人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元,
1964年 美国物理学家 Gell-mann 假定:
一百多种"基本粒子" 一百多种"基本粒子"只由三种夸克 u,d,s 及其反粒子u, d , s 构 , , 成
u,d,s 满足SU(3)对称,他们的电荷分别为质子电荷的 (2/3,-1/3, -1/3) 介子(π,κ,ρ…),重子(p , n , ∧ , ∑…) 都可由SU(3)来表示构造:
→ "渐近自由"→量子色动力学(QCD)诞生. 深度非弹散射 获诺贝尔奖
中科院高能所 杜东生 14
从前面研究物质微观结构的历史可以看出, 研究 "基本粒子"内部构造及其相互作用相互转化规律大 约需要几百MeV → 几百GeV 甚至更高的能量 → 高 能物理(粒子物理) 1957年IUPAP给粒子物理的定义是"研究物质基本 组份的性质及其相互作用力的科学".而今美国国家 高能物理21世纪长远规划顾问组给高能物理下的定 义是"The Science of Matter, Energy, Space and Time"后面将回过头来看这个新定义的深刻含义.
1
SU(3) SU(2)
1/45
U(1)
SU(5)
Hale Waihona Puke Baidu
1
10
1015
√Q2 GeV
质子衰变 p e+ pi
中科院高能所 杜东生 20
( iv) 超对称和超引力理论
超对称是指费米子和玻色子之间的对称.每一个费米子都对应 超对称是指费米子和玻色子之间的对称. 一个玻色子,反之,每一个玻色子都有自己相应的费米子. 一个玻色子,反之,每一个玻色子都有自己相应的费米子.因而超 对称变换的生成元要包括可以改变自旋的算子. 对称变换的生成元要包括可以改变自旋的算子.超对称理论是唯一 可以把强, 电磁三种力的耦合常数交于一点的大统一理论, 可以把强,弱,电磁三种力的耦合常数交于一点的大统一理论,并 且可以解决质子衰变太快的问题.更重要的是, 且可以解决质子衰变太快的问题.更重要的是,超对称可以保持质 量等级不受高阶修正的影响.超对称理论是很有希望的理论. 量等级不受高阶修正的影响.超对称理论是很有希望的理论. 超引力是把已有的引力理论超对称化.经过多年的研究发现, 超引力是把已有的引力理论超对称化.经过多年的研究发现, 要解决引力问题只能走向超玄和超膜理论. 要解决引力问题只能走向超玄和超膜理论.
(续)
400 MeV 相应的德布罗意波长为
h λ= p 3×10-13cm = ×
相当于质子的大小
e+
结果发现: 结果发现:
质子并不是一个几何点.它有大小, 质子并不是一个几何点.它有大小, cm,电荷就分布在这样一个小空间范围. 其半径 10-13cm,电荷就分布在这样一个小空间范围. 中子也有大小,半径 cm.中子虽然电荷为零, 中子也有大小,半径10-13cm.中子虽然电荷为零, 但在10 cm范围内电荷密度有正有负 范围内电荷密度有正有负. 但在10-13cm范围内电荷密度有正有负.
~ 10
电子
核
ev
me ~ 0.5×106 ev ×
Good Theory: 量子力学
非相对论量子力学 相对论量子力学
+微扰理论 (电磁作用 α ~ 1/137) 微扰理论 电磁作用 +多体问题 多体问题
理论已完全清楚.问题是多体计算方法. Cornell大学用快速大型计算机计算分子化学结构.
中科院高能所 杜东生
s
n(udd) ∑-(dds) p(uud) ∑0 (uds) ∑+ (uus) ∧0 Ξ0(uss)
I3
- (sss) 质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 1672.45 ±0.29 MeV
Ξ-(dss)
中科院高能所 杜东生 10
Brookhaven
The bubble chamber picture of the first omega-minus. An incoming K- meson interacts with a proton in the liquid hydrogen of the bubble chamber and produces an omega-minus, a K° and a K+ meson which all decay into other particles. Neutral ° particles which produce no tracks in the chamber are shown by dashed lines. The presence and properties of the neutral particles are established by analysis of the tracks of their charged decay products and application of the laws of conservation of mass and energy.
称作" 称作" 夸克. 称作"价"夸克,而激发出的正反夸克对儿 称作"海"夸克. 夸克, 这样质子内部结构的低能图像(由三个价夸克组成) 这样质子内部结构的低能图像(由三个价夸克组成)和高能 图像(由无数几乎自由运动的点电荷组成)就统一了. 图像(由无数几乎自由运动的点电荷组成)就统一了. "自由"意味着强作用力(核力)在能量升高时"变弱" 自由"意味着强作用力(核力)在能量升高时"变弱"
"基本粒子". "
此后,在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子: 此后,在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子: π±,π0,K±,K0 ,K0 ,∧,∑,Ξ, …约一百多种. 约一百多种. , , 约一百多种 有的寿命很短,产生出来很快就蜕变成别的粒子. 有的寿命很短,产生出来很快就蜕变成别的粒子.
介子由( 介子由(qq)构成 重子由(qqq) 重子由(qqq)构成
中科院高能所 杜东生
9
K0(ds) π-(u d)
η
s
π0
K+(us) π+(ud) I3 K0(sd)
s K*0 ρK*uu-dd √2
自旋为1 ω
φ
K*+
ρ0
ρ+ I3 K*0
K-(su)
自旋为0
π0 =
△+ △++ △- △0 (uuu) (ddd) (udd) (uud) ∑0 ∑*∑*+ (uus) (dds) (uds) (dss) Ξ*Ξ*0 (uss)
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(ii)部分子模型 ( Parton Model ) )
强子结构的高能图象:
低能下 质子,中子由3个夸克构成 1967年,SLAC 实验组 用高能电子轰击质子
Ee = 20GeV λ ~ 6 ×10-15cm 45GeV λ ~ 2.7 ×10-15cm
质子的直径 ~ 10-13cm ,这样高能电子可探测质子内部 测量发现: 测量发现:质子内有无数点电荷,且基本上是自由运动的 无数点粒子是激发出的 qq 对儿 低能下的质子内 uud 三个夸克 对儿,
问题:是不是这一百多种粒子都是"基本"的? 对比门捷列夫周期表
1961年美国 作了非常重要的实验: 1961年美国 Hofstadter 作了非常重要的实验: 的电子轰击质子(氢气做靶) 用 400 MeV到 16000 MeV 的电子轰击质子(氢气做靶) 到
中科院高能所 杜东生
6
(3) "基本粒子"的结构(基本清楚) 基本清楚)
中科院高能所 杜东生 12
有"味道"和"颜色"的夸克
有充分的实验证据说明每种夸克还有三种不同的颜色, 实际上夸克共有18种( u , d , s , c , t , b )×3,颜色只是 一种量子数,并非真是通常的颜色. Flvour (味)
六味
三色
Color(色):每种夸克 有三种不同的色
6×3=18种
2
电磁力由光子(γ)传递 弱力由中间玻色子W± , Z0传递 三代
( ) ( )( ) ( ) ( ) (τ )
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u d
c s
t b
标准模型:SU(3)c × SU(2) × U(1) 大统一:
νe e
ν
ντ
强,弱,电磁三种力统一起来
(ⅲ) 大统一理论 ⅲ) 强,弱,电三种作用力统一起来 低能区为三种不同的力,到极高能统一成一种力
中科院高能所 杜东生
2
原子
原子核
基本粒子
夸克, 夸克,轻子
前子 …
?
原子物理 原子核物理
高能物理
超高能物理 超超高能物理
现在我们逐层加以说明,看看我们已经发现了 什麽.
中科院高能所 杜东生
3
(1) 原子的结构(已非常清楚) 已非常清楚) 原子核和电子
原子半径 Ratom ~ 10-8 cm RNucl ~ 10-12cm 核半径 束缚能 Ebin
e-
一百多种"基本"粒子,不可能都是最小单元, 质子,中子有内部结构,说明有更小的东西 基本粒子内部到底是甚麽东西呢?
中科院高能所 杜东生
7
Stanford Linear Accelerator Center (SLAC)
中科院高能所 杜东生
8
(ⅰ) 夸克模型(Quark Model)
(基本粒子结构的低能图象-价夸克)
αs(q ) =
2
→0 q2→∞
渐近自由! QCD取得巨大成功,迄今为止,所有实验与理论一致.
中科院高能所 杜东生 17
微扰QCD 非微扰QCD:QCD求和规则 Lattice QCD 近年来,由于计算机和计算技术的发展, 格点计算的精度大幅度提高,有些物理量如 强子谱等计算的误差可小于百分之几.
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1
微观世界到底有多小?用高能电子作探针我们 今天已探测质子深至10-19厘米(千万万亿分之一 厘米,德国 HERA ),仍然没有探到微观世界 的"底". 宏观世界有多大?今天用射电和光学望远镜人类 已经可观测到130亿光年的距离(1光年等于光走 1年的距离,约为10万亿公里)仍然没有看到宇 宙的边. 宇宙不管往大和往小深入都没有尽头.我们先来 看看小宇宙即微观世界到底是怎么回事. 下面这个简单的表可表示我们看到的东西:
中科院高能所 杜东生
11
夸克模型获诺贝尔奖
但事情并没有完!
1974年——丁肇中,B.Richter 发现 J/Ψ (3.1GeV) 粒子 这个介子寿命出奇的长,→ charm夸克 (c) mc ~ 1.5GeV J/Ψ 由( cc )构成. 1977年——L.Lederman 发现 ( 9.5GeV ) → Beauty (Bottom) (b) mb ~ 5GeV (9.5)由( bb )构成 1994年——Fermilab. CDF组发现 Top 夸克 (t) mt ~ 176GeV t夸克一产生就立刻衰变,没有机会形成束缚态
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(4) 夸克和轻子 ( e , νe , , ν , τ , ντ )
(u,d,s,c,t,b) 还有没有内部结构?
西藏羊八井宇宙线实验 夸克可能有内部结构 电子, 子还没发现有结构 实验上至今没有看到自由夸克,把质子,中子打碎后 的碎片仍然与质子一样大,理论上可以解释为什么看 不到自由夸克. 有迹象表明
4
(2) 原子核的结构(已经非常清楚 已经非常清楚)
由
质子( 质子(p) 构成 中子( 中子(n)
Proton和Neutron合称核子(N) 和 合称核子( ) 合称核子
核中单个核子的平均结合能
bin/单个N 10MeV = 107 eV mp 980MeV /单个N 量子力学原理仍然可用于原子核,但微扰理论不能用了. 量子力学原理仍然可用于原子核,但微扰理论不能用了.
中科院高能所 杜东生 18
(ⅱ) 弱,电统一理论
1967年,Glashow – Weinberg – Salam SU(2)×U(1) 非阿贝尔规范场 统一电和弱作用 自然界有四种力:
强作用力 (核力) 电磁力 弱力 引力 αs = α=
g2 4π
≥1 ~ 10-2
1 137
2
GF mN ~ 10-5 GNmN ~ 10-39
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(5) 理论的发展
(ⅰ) 量子色动力学(QCD)
Quantum Chromo Dynamics
如何把核子的高能结构图象与低能图象统一起来?
1974:Polizer Gross Wilzeck
π 4
2 2 (11 f )n(q2 ∧ ) 3
提出QCD
SU(3)规范理论描述强作用力
αs = g2/4π 1
核理论的预言能力受到了极大的限制.核理论不完整!
Ebin/ Ebin ~ 106 !
核子
电子
中科院高能所 杜东生
5
(3) "基本粒子"的结构(基本清楚) 基本清楚)
1947年前,我们只知道很少的"粒子",如质子,中子,电子, 年前,我们只知道很少的"粒子" 如质子,中子,电子, 年前 子等,人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元,称之为 子等, 子等 人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元,
1964年 美国物理学家 Gell-mann 假定:
一百多种"基本粒子" 一百多种"基本粒子"只由三种夸克 u,d,s 及其反粒子u, d , s 构 , , 成
u,d,s 满足SU(3)对称,他们的电荷分别为质子电荷的 (2/3,-1/3, -1/3) 介子(π,κ,ρ…),重子(p , n , ∧ , ∑…) 都可由SU(3)来表示构造:
→ "渐近自由"→量子色动力学(QCD)诞生. 深度非弹散射 获诺贝尔奖
中科院高能所 杜东生 14
从前面研究物质微观结构的历史可以看出, 研究 "基本粒子"内部构造及其相互作用相互转化规律大 约需要几百MeV → 几百GeV 甚至更高的能量 → 高 能物理(粒子物理) 1957年IUPAP给粒子物理的定义是"研究物质基本 组份的性质及其相互作用力的科学".而今美国国家 高能物理21世纪长远规划顾问组给高能物理下的定 义是"The Science of Matter, Energy, Space and Time"后面将回过头来看这个新定义的深刻含义.
1
SU(3) SU(2)
1/45
U(1)
SU(5)
Hale Waihona Puke Baidu
1
10
1015
√Q2 GeV
质子衰变 p e+ pi
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( iv) 超对称和超引力理论
超对称是指费米子和玻色子之间的对称.每一个费米子都对应 超对称是指费米子和玻色子之间的对称. 一个玻色子,反之,每一个玻色子都有自己相应的费米子. 一个玻色子,反之,每一个玻色子都有自己相应的费米子.因而超 对称变换的生成元要包括可以改变自旋的算子. 对称变换的生成元要包括可以改变自旋的算子.超对称理论是唯一 可以把强, 电磁三种力的耦合常数交于一点的大统一理论, 可以把强,弱,电磁三种力的耦合常数交于一点的大统一理论,并 且可以解决质子衰变太快的问题.更重要的是, 且可以解决质子衰变太快的问题.更重要的是,超对称可以保持质 量等级不受高阶修正的影响.超对称理论是很有希望的理论. 量等级不受高阶修正的影响.超对称理论是很有希望的理论. 超引力是把已有的引力理论超对称化.经过多年的研究发现, 超引力是把已有的引力理论超对称化.经过多年的研究发现, 要解决引力问题只能走向超玄和超膜理论. 要解决引力问题只能走向超玄和超膜理论.
(续)
400 MeV 相应的德布罗意波长为
h λ= p 3×10-13cm = ×
相当于质子的大小
e+
结果发现: 结果发现:
质子并不是一个几何点.它有大小, 质子并不是一个几何点.它有大小, cm,电荷就分布在这样一个小空间范围. 其半径 10-13cm,电荷就分布在这样一个小空间范围. 中子也有大小,半径 cm.中子虽然电荷为零, 中子也有大小,半径10-13cm.中子虽然电荷为零, 但在10 cm范围内电荷密度有正有负 范围内电荷密度有正有负. 但在10-13cm范围内电荷密度有正有负.
~ 10
电子
核
ev
me ~ 0.5×106 ev ×
Good Theory: 量子力学
非相对论量子力学 相对论量子力学
+微扰理论 (电磁作用 α ~ 1/137) 微扰理论 电磁作用 +多体问题 多体问题
理论已完全清楚.问题是多体计算方法. Cornell大学用快速大型计算机计算分子化学结构.
中科院高能所 杜东生
s
n(udd) ∑-(dds) p(uud) ∑0 (uds) ∑+ (uus) ∧0 Ξ0(uss)
I3
- (sss) 质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 1672.45 ±0.29 MeV
Ξ-(dss)
中科院高能所 杜东生 10
Brookhaven
The bubble chamber picture of the first omega-minus. An incoming K- meson interacts with a proton in the liquid hydrogen of the bubble chamber and produces an omega-minus, a K° and a K+ meson which all decay into other particles. Neutral ° particles which produce no tracks in the chamber are shown by dashed lines. The presence and properties of the neutral particles are established by analysis of the tracks of their charged decay products and application of the laws of conservation of mass and energy.
称作" 称作" 夸克. 称作"价"夸克,而激发出的正反夸克对儿 称作"海"夸克. 夸克, 这样质子内部结构的低能图像(由三个价夸克组成) 这样质子内部结构的低能图像(由三个价夸克组成)和高能 图像(由无数几乎自由运动的点电荷组成)就统一了. 图像(由无数几乎自由运动的点电荷组成)就统一了. "自由"意味着强作用力(核力)在能量升高时"变弱" 自由"意味着强作用力(核力)在能量升高时"变弱"
"基本粒子". "
此后,在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子: 此后,在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子: π±,π0,K±,K0 ,K0 ,∧,∑,Ξ, …约一百多种. 约一百多种. , , 约一百多种 有的寿命很短,产生出来很快就蜕变成别的粒子. 有的寿命很短,产生出来很快就蜕变成别的粒子.
介子由( 介子由(qq)构成 重子由(qqq) 重子由(qqq)构成
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9
K0(ds) π-(u d)
η
s
π0
K+(us) π+(ud) I3 K0(sd)
s K*0 ρK*uu-dd √2
自旋为1 ω
φ
K*+
ρ0
ρ+ I3 K*0
K-(su)
自旋为0
π0 =
△+ △++ △- △0 (uuu) (ddd) (udd) (uud) ∑0 ∑*∑*+ (uus) (dds) (uds) (dss) Ξ*Ξ*0 (uss)
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(ii)部分子模型 ( Parton Model ) )
强子结构的高能图象:
低能下 质子,中子由3个夸克构成 1967年,SLAC 实验组 用高能电子轰击质子
Ee = 20GeV λ ~ 6 ×10-15cm 45GeV λ ~ 2.7 ×10-15cm
质子的直径 ~ 10-13cm ,这样高能电子可探测质子内部 测量发现: 测量发现:质子内有无数点电荷,且基本上是自由运动的 无数点粒子是激发出的 qq 对儿 低能下的质子内 uud 三个夸克 对儿,
问题:是不是这一百多种粒子都是"基本"的? 对比门捷列夫周期表
1961年美国 作了非常重要的实验: 1961年美国 Hofstadter 作了非常重要的实验: 的电子轰击质子(氢气做靶) 用 400 MeV到 16000 MeV 的电子轰击质子(氢气做靶) 到
中科院高能所 杜东生
6
(3) "基本粒子"的结构(基本清楚) 基本清楚)
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有"味道"和"颜色"的夸克
有充分的实验证据说明每种夸克还有三种不同的颜色, 实际上夸克共有18种( u , d , s , c , t , b )×3,颜色只是 一种量子数,并非真是通常的颜色. Flvour (味)
六味
三色
Color(色):每种夸克 有三种不同的色
6×3=18种
2
电磁力由光子(γ)传递 弱力由中间玻色子W± , Z0传递 三代
( ) ( )( ) ( ) ( ) (τ )
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u d
c s
t b
标准模型:SU(3)c × SU(2) × U(1) 大统一:
νe e
ν
ντ
强,弱,电磁三种力统一起来
(ⅲ) 大统一理论 ⅲ) 强,弱,电三种作用力统一起来 低能区为三种不同的力,到极高能统一成一种力
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2
原子
原子核
基本粒子
夸克, 夸克,轻子
前子 …
?
原子物理 原子核物理
高能物理
超高能物理 超超高能物理
现在我们逐层加以说明,看看我们已经发现了 什麽.
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3
(1) 原子的结构(已非常清楚) 已非常清楚) 原子核和电子
原子半径 Ratom ~ 10-8 cm RNucl ~ 10-12cm 核半径 束缚能 Ebin
e-
一百多种"基本"粒子,不可能都是最小单元, 质子,中子有内部结构,说明有更小的东西 基本粒子内部到底是甚麽东西呢?
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7
Stanford Linear Accelerator Center (SLAC)
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8
(ⅰ) 夸克模型(Quark Model)
(基本粒子结构的低能图象-价夸克)
αs(q ) =
2
→0 q2→∞
渐近自由! QCD取得巨大成功,迄今为止,所有实验与理论一致.
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微扰QCD 非微扰QCD:QCD求和规则 Lattice QCD 近年来,由于计算机和计算技术的发展, 格点计算的精度大幅度提高,有些物理量如 强子谱等计算的误差可小于百分之几.