《7. 粒子物理学简介(选学)》PPT课件(甘肃省县级优课)

子 物
沟通、相互支撑。
理
和
宇
宙
学
殊
正如诺贝尔物理学
宇宙大爆炸理论和恒星的演化过程 感悟：科学发展过程中蕴藏着的科学精神
人们人对们物对质物本质本的质认的识认是识不是断不深断入深的入的
➢
1932年 安德森发 现正电子
1937年 发现μ子
1947年 发现K介 子介子
对 真 理
的
追
求
永
无
止
境
1995美国费米国家加速器实验室证实了顶夸克(Top Quark)的存在
欧洲核子研究中心的负责人 罗尔夫·霍耶尔
“这是我们在认识自然道路上 的一座里程碑”
“别忘了，标准模型只能解释 4%的宇宙，” 占宇宙质量96% 的暗物质仍没有得到解释， “我们还有很长的路要走”。
粒子物理学的基础知识
一、“基本粒子”不基本
基本粒子
e •
电子——
0 1
• 质子—— 11H
n • 中子—— 1 0
• 光子——
• 正电子
• μ子
• K介子、 介子
……
新粒子
“基本粒子”不基本
新粒子
介子
质量介于质子、电子之间
宇宙射线中 介子、K介子…
超子 质量比质子大的粒子
反粒子
物理性质与已知粒子相同， 而电荷量等其他性质相反。
0 1
e
0 1
e
11H 11H
4 2
He
4 2
He
二、粒子的分类
——按照粒子与各种相互作用的不同关系
强子
是参与强相互作用的粒子。质子是最早发 现的强子。强子又分为介子和重子
轻子
是不参与强相互作用的粒子。电子是最早发 现的轻子。现在还没发现轻子的内部结构
媒介子
是传递各种相 互作用的粒子
光子 中间玻色子
胶子
电磁相互作用 弱相互作用 强相互作用
四种基本相互作用
相互作 相对强
用
度
力程 (m)
参与离子
强作用 1 < 10-15 强子
至此，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的62个粒子中的61 个都已经得到了实验数据的支持与验证，但仍有一个粒子未被发现。
看上去标准模型马上就要获得决定 性的胜利，对物质微观结构的探索 已经到达了它的尾声，似乎人类也 马上就要听到这一跌宕起伏的，充 满了高潮与华彩的探索乐章的终曲， 但是仍然有一个粒子，游离在这座 辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵， 这就是希格斯粒子，而且就是这个 粒子可能会击垮整座大厦。
按被加速粒子的种类，可分 为电子直线加速器、质子直线加 速器、重离子直线加速器和超导 直线加速器等。
中国科学院高能物理研究所 35MeV直线加速器加速的电子 的速度已接近光速；质子或离子 的质量较大，其速度较低。
1966年建成的美国斯坦福电 子直线加速器管长3050米。
回旋加速器
回旋加速器是利用磁场使带 电粒子作回旋运动，在运动中经 高频电场反复加速的装置，是高 能物理中的重要仪器。
电磁作 用
弱作用
~10-2 ~10-13
长程 < 10-17
强子、轻 子
强子、轻 子
引力作 用
~10-39
长程
一切物质
举例
核子之 间
电荷之 间
β衰变 中
天体之 间
交换粒 子
胶子
光子
中间玻 色子
引力子 （尚未 被证实
）
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三、强子结构的夸克 模型 (1964年 )
介子（夸克和反夸克组成） 重子（三个夸克组成）
强子对撞机
欧洲大型强子对撞机 是现在世界上最大、能量 最高的粒子加速器。大型 强子对撞机坐落于日内瓦 附近瑞士和法国的交界侏 罗山地下100米深·总长17 英里(含环形隧道)的隧道 内。2008年9月10日，对 撞机初次启动进行测试。
宇宙大爆炸理论和恒星的演化过程
大爆炸理论 (The Big Bang Theory) 宇宙从一个“奇点”爆炸产生
对撞机
对撞机是能够实现两束 相对运动的粒子对撞的设备， 是在高能同步加速器基础上 发展起来的。
北京正负电子对撞机(BEPC)是世界八大高能加速 器中心之一， 是我国第一台高能加速器，也是高能物 理研究的重大科技基础设施；由长202米的直线加速器、 输运线、周长240米的圆型加速器(也称储存环)、高6米 重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置 等几部分组成，外型象一只硕大的羽毛球拍。
➢ 能否解放被禁闭的夸克，是 21世纪物理学面临的重大课 题之一。
粒子加速器
• 1932年发明的加速器，能使带电粒 子加速到很高的能量。人们用它进 行了许多核物理实验而不再依赖天 然的宇宙射线，于是发现了更多的 粒子。
• 现在已经发现的粒子达400多种。
直线加速器
高频直线加速器，是指用沿 直线轨道分布的高频电场加速带 电粒子的装置。
➢ ➢
时 时 产大 间 生爆 的炸 零是 点在
无 限 的 宇 宙 各 处 同
恒星、星系 核合成
强子时代
氢原子 轻子时代 夸克轻子胶子
大爆炸
恒星的演化
白矮星、 中子星、 黑洞
氦核聚变
星云团
恒星诞生 宇宙尘埃
大爆炸
简介地球在宇宙尘埃中诞生
研究微观世界的粒子
物理、量子理论，与 粒
研究宇宙的理论相互
种 上夸克 u 粲夸克 c 顶夸克 t
类 下夸克 d 奇夸克 s 底夸克 b
讨论：质子可能由哪 些夸克组成？
➢ 夸克模型的提出是物理学发展 中的一个重大突破；
• 电子电荷不再是电荷的最小单元， 即存在分数电荷；
• 目前人们对夸克的认识还是很初步 的，科学家们直到今天都还未捕捉 到自由的夸克；
• 夸克不能以自由的状态单个出现， 这种性质称为夸克的“禁闭”；
“上帝粒子”
希格斯玻色子（或称希格斯粒子、 希格斯子Higgs boson）是粒 子物理学标准模型预言的一种自 旋为零的玻色子。它也是标准模 型中最后一种未被发现的粒子。
欧洲核子研究中心的大 型强子对撞机(Large Hadron Collider， 简称LHC)将有机会 发现希格斯粒子。
2012年7月2日，美国能源部下属的费米国家加 速器实验室宣布，该实验室最新数据接近证明被 称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。 2013年2月4日，该实验室确认上帝粒子的存在。
粒子物理学简介
1897年汤姆逊 发现电子
铍
石蜡
1932年查德威克 发现中子
1803年 道尔顿发现原子
1919年 卢瑟福发现质子
原子模型
学习目标
1．了解构成物质的“基本粒子” 及粒子物理的发展简史
2．初步认识几种加速器 3．初步了解宇宙的演化过程及宇
宙与粒子的和谐统一
内本 容节
主 要
人们对物质本质的认识是不断深入的 粒子物理学的基础知识 粒子加速器