基本粒子及其相互作用

夸克之间通过交换胶子产生的色荷力发生强相互作用。
1964年前，已知有u、d、s夸克， 1974 (Nov.) Burton Richter & Samuel Ting 发现charm夸克 1977 Leon Lederman 发现bottom夸克 1979 PETRA 发现胶子存在的证据 1995 FermiLab发现top夸克
George Gamow:
1946年，提出 Big Bang 理论（大爆炸理论）
Big Bang: 整个宇宙，包括所有的物质、能量以及时间、空间，是从 一个具有无穷大或者近似无穷大的物质密度、温度以及压强 的状态爆发而形成的。
Arno Penzias、Robert Wilson: 1965年，背景微波辐射，实验上给与强有力 的支持。 Stephen Hawking、Roger Penrose、George Ellis：1968-1970, 从理论上证明，广义相对论方程的解一定有关于时空边界的奇点！
质子、中子等强子形成
引力塌缩形成星系
除引力外其他作用力统一
原子核形成
150亿年后的今天
宇宙学与粒子物理的结合！ S. Weinberg 弱作用与电磁作用不同 构成物质的原子形成
Big Bang 证据
Cosmic expansion (Redshift) （光谱红移） Age of cosmic objects less than ~ 12-13 billion yr Sun ~ 4.7 billion yr Universal Ratio H:He ~ 3:1 Snapshot at t ~ 3 min Strong constraint on matter density Cosmic Microwave Background (微波背景辐射) Snapshot at t ~ 380,000 yrs，atom formation • What caused inflation? 问题： • Vacuum energy? • How did the initial symmetry break? • Hierarchy of interactions? • Mass of particles? • Where has the antimatter gone?
基本粒子及其相互作用（相互作用）
已知的四种基本作用力 相互作用通过交换粒子来完成
引力 电磁力
强作用力 弱作用力
问题： 还有其他形式的作用力吗？
基本粒子及其相互作用（相互作用）
四种相互作用特性
20
Forces
Electromagnetic atoms molecules optics electronics telecom. Weak beta decay solar fusion Strong Gravity falling objects planet orbits stars galaxies
基本粒子及其相互作用（强作用力QCD） 强作用力通过交换胶子(gluon)完成（SU(3)） ：
是将夸克组成强子和介子的作用力
色荷：夸克和胶子都具有色荷，即带有颜色。但是强子和介子却不带颜色， 即在组成强子和介子时对夸克的颜色是有选择的，需要组成色中性的粒子。 介子：（红—反红） （绿—反绿） （蓝—反蓝） 强子：（红—绿—蓝）
基本粒子及其相互作用(基本粒子)
James Chadwick ： 1931， 发现中子（ neutron） Wolfgang Pauli： 1930建议存在中微子（neutrino）以 解释 beta decay 中的连续电子能量谱，1962年实验证实 Paul Dirac：1931，预言电子有其对应的反粒子（正电子) 1932，Anderson(美)发现正电子 1937, 发现 muon 1953 The beginning of a "particle explosion" Murray Gell-Mann & George Zweig： 1964 提出组成强子的基本粒子夸克（ quarks）
两个核子中夸克之间的强作用力克服质子 之间的电磁斥力，形成原子核。
基本粒子及其相互作用（引力）
引力从理论上认为是通过交换引力子（ graБайду номын сангаасiton）完成， 但是引力子到目前还没有被发现。 Graviton粒子：mass=0?, spin=2? 到目前为止，还没有一个好的量子场理论来解释引力作用！
大问题！！！！
Julian Schwinger：1957，建议电磁作用与弱作用的统一
Murray Gell-Mann & George Zweig：1964 ，提出组成强子和介子的基本粒子夸克 Steven Weinberg & Abdus Salam：1967,电弱统一理论，标准模型诞生 Harald Fritzsch & Murray Gell-Mann： 1973，描述强相互作用的量子色动力学quantum chromodynamics (QCD)
原子核
质子
基本粒子及其相互作用(基本粒子)
已知的基本粒子
(费米子) 轻子、夸克
(玻色子)
力的传播子
强子
介子
3代？？？
自旋(spin): 粒子的内禀角动量，以 h 为单位， h =h/(2p); h为Planck常数; 电荷：以质子电量为单位； 质量：以电子伏特(eV)为单位， 1MeV = 106 eV 1GeV = 109 eV
基本粒子及其相互作用(基本粒子)
常见的介子
常见的强子
基本粒子及其相互作用（相互作用）
问题：这些基本粒子是怎样构成物质的？他们之间怎样作用？
Galileo Galilei：1564 - 1642 ，“在实验基础上按逻辑推理得出一个客观结论”。 伽利略的发现及他所应用的科学的推理方法是人类思想史上最伟大的成 就之一。它标志着物理学的真正开端（爱因斯坦）； Isaac Newton： 1642 – 1727，经典力学的奠基人，三定律，引力用作形式； Thomas Young： 1773 – 1829，光的双缝实验，光的干涉理论； Michael Faraday： 1791 - 1867 ，电磁实验； James Clerk Maxwell： 1873，麦克斯韦方程组，电、磁、光的统一 （第一次成功的理论统一！！！！） Max Planck：1900，量子力学诞生！ Albert Einstein：1905，狭义相对论，质能关系 E=mc2
1984 Nobel Prize-- RUBBIA and VAN DER MEER the discovery of the field particles W and Z, communicators of weak interaction.
电磁作用QED与弱作用力的统一（标准模型）
标准模型 (Standard Model) SUW(2)×UY(1)~ 100 GeV 结合了已知的物理结果和理论，给 出了新的预言！！ Higgs 机制 粒子谱： 3代轻子（6个轻子）及其反粒子 3代夸克（6个夸克）及其反粒子 光子 （传递电磁作用） W+、W-，Z0（传递弱作用） （ 标准模型预言并被发现！！）
inverse square law
nuclei particles
inverse square law
short range
short range
photon
± 0
gluon
graviton
基本粒子及其相互作用（电磁作用QED与弱作用力）
（1）电磁作用通过交换光子（g）完成（U(1)）：
电磁作用是电子、质子构成原子，原子构成物质的原因。
基本粒子及其相互作用(基本粒子) 问题：
（1）物质世界是由什么构成的？ 有最基本的构成单元（基本粒子）吗？ （2）支配物质世界的物理规律是什么？ （物质是怎样相互作用的）？
中国古代：金、木、水、火、土五行说。
物质构成：
Thales of Miletus ： 624-547 B.C. 水是最基本的物质。 Empedocles： 484-424 B.C. 土、气、火、水 Democritus ：460 - 370 B.C. 原子 近代： Wilhelm Röntgen：1895，X射线 Joseph Thompson：1898, 电子（e） Ernest Rutherford ：1919，发现质子，给出正确的原子结构 Albert Einstein： 1905，解释光电效应，光是粒子， 1923，Arthur Compton实验证明光有粒子性质
（2）弱作用力通过交换W+、W-以及Z0完成（SU(2)）： 弱作用力发生在大质量的轻子或夸克 衰变到较轻的轻子或夸克过程中。
弱作用时宇称不守恒！（李政道、杨振宁、吴健雄，P宇称不守恒） 在K介子振荡中发现CP宇称不守恒。 理论认为，CPT宇称守恒！！！ P宇称：空间反演特性；P=1，若F(X)=F(-X)；P=-1,若F(X)= -F(-X); C宇称：电荷反演特性；T宇称：时间反演特性。
基本粒子及其相互作用（强作用力QCD） 夸克禁闭(Quark Confinement）：
夸克禁闭是指夸克和胶子不能单独存在，而必须以某种色中性 的组合态存在，如强子或者介子。
色荷作用力非常强，当试图分开一对夸克时，要加很大 的能量，这些能量使得胶子重新生成新的夸克对，与原来 的夸克重新组成色中性粒子。目前还不能定量解释！
基本粒子及其相互作用
近代物理系 蒋一
宇宙起源----大爆炸学说 组成物质世界的基本粒子 基本粒子的相互作用 相互作用的统一理论 高能物理实验简介 结束语
我们所知的世界
已知的世界
10
15
10
24 米
宇宙起源
问题：
（1）宇宙有限吗？ （2）宇宙是一直这样还是有起点？ （3）宇宙是怎样产生的？ （4）有些怎样的物理规律在支配着宇宙？ （ 5） … …
德布卢意
引力场中的时空
薛 定 谔
基本粒子及其相互作用（相互作用）
Sin-Itiro Tomonaga ，Julian Schwinger & Richard Feynman 1947, 量子电动力学， quantum electrodynamics（QED），用量子场描述电磁相互作用
C.N. Yang & Robert Mills：1954，提出相互作用的“规范理论” 变换不变性，对称性（现代量子场论的基础）
基本粒子及其相互作用（相互作用）
Albert Einstein：1912，广义相对论诞生 Niels Bohr：1913， 用量子理论解释氢原子能级结构 Louis de Broglie：1924，物质都有波的特性 Wolfgang Pauli：1925，电子不相容原理 Erwin Schroedinger：1926，给出量子力学波动方程， Max Born： 给出量子力学的几率解释 Einstein 反对，认为上帝不掷骰子 Paul Dirac：1928，结合量子力学和狭义相对论描述电子 Hideki Yukawa：1934，提出相互作用通过交换粒子完成 现代相互作用理论的开端！！
Big Bang
380,000 yrs 10-10 ... 1 sec atoms particles
10-32 sec
“big bang”
~10-34 sec:
inflation
< 10-43 sec:
Planck era
Big Bang
膨 胀 冷 却
大统一能标
After Big Bang
所有基本作用力统一
可能的答案：宇宙大爆炸理论 (Big Bang)
宇宙起源
Arthur Eddington： 指出在广义相对论中，暗含着在时间上有一个起点 Albert Einstein:
宇宙受引力塌缩，解决办法： （加入宇宙常数）宇宙静态模型 抹去时间起点
为什么有起点？上帝？！！！！ Einstein 认为自己学术生涯中最大的败笔！！
引力作用比其他几种作用力弱很多，所以在验证其他作用力时可以 不考虑引力的影响！
物理学家：（1）寻找一个量子场论来解释引力，即寻找引力场的量子化形式！ （2）实验上发现引力子！！！
电磁作用QED与弱作用力的统一（标准模型）
1979 Nobel Prize-- GLASHOW, SALAM and WEINBERG the theory of the unified weak and electromagnetic interaction.