物理类导论：粒子与高能核物理
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探测夸克—胶子等离 子体 (QGP)。
由于强相互作用 夸克和胶子被囚 禁在核子内
原子 核
原 子
物质
高能重离子碰撞极大
地拓宽了传统核物理学 的研究领域，并使得的 核物理与粒子物理和高 能天体物理的研究紧密 结合。它对于人们了解 物质更深层次的性质和 早期宇宙的演化，以及 中子星等天体问题都有 重要意义。
问题:
物质真的无限可分吗 ?
什么是“分” ?
“一尺之槌，日分其半，万世不竭！” ？
（朴素的辩证法）
50天！
“分”：量变——质变， 唯物——辩证
五、高能核-核碰撞的目的和发展概况
由于强相互作用，
-
夸克和胶子被囚禁 在强子内。
原子
原子核
高能重离子碰撞
加压
QGP
加热
夸克-胶子
物质
等离子体
值得再一次强调的是, 到目前为止, 无论是在核物理
• 2000年, 美国布鲁海文国家 实验室(BNL), RHIC,Ecm～
200 AGeV, T～300 MeV, n～ 2n0, 高温QGP
• 2010年, 欧洲核子中心 (CERN), LHC, Ecm～2 .76 （5.5 ATeV), T～450 MeV,
n～2n0, 高温QGP
• 2016年, 德国, GSI/SIS200, E～30 AGeV, T～150 MeV,
14 12 10 8 6 4 2 0 -2 0 2 4 6 8 10
t (fm/c)
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t (fm/c)
n B (fm-3)
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t (fm/c)
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粒子与高能核物理
粒子与核物理基础
一、引言 二、人类对微观世界的探索； 三、粒子间的相互作用及其分类； 四、强子的夸克模型与夸克囚禁。
高能核物理及其进展
五、高能核-核碰撞的目的和发展概况； 六、实验可观测量及其新近结果； 七、强度干涉学对粒子发射源的探测； 八、当前和未来高能核-核碰撞研究的热点。
一、引言 科学技术是第一生产力。
t (fm/c)
n B (fm-3)
n B (fm-3)
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t (fm/c)
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t (fm/c)
n B (fm-3)
• 1974年,美国劳伦兹伯克利国 家实验室(LBL), Bevalac, E=1～2 AGeV, T=50～80
推进科学技术发展的最基本动因是什么？？ 人的生存欲望； 人的繁衍欲望；
人的好奇、探索未知的欲望。
我们生存着的世界是什么？是怎么形成的？ 我们生存着的世界是由什么组成的？ 是否有最小的组元？最小的组元是什么？
汤姆逊 玻尔
为物理学研究
α
物质的微观结
构树立了典范
爱因斯坦
原子
卢瑟福
查德威克
泡利
狄拉克
理论推测的核物质相图
200 MeV 2X1012K
PPlalassmma a
Gas
0 n0
5－20
5－20n0
估计：正常核半径：
核内能量密度： 核内核子数密度：
核子半径： 核子内能量密度： 核子内核子数密度：
产生 QGP
密度： 温度：
高能重离子碰撞示意图
火球重子密度的时空演化
n B (fm-3)
e
质子有结构 !
安德森
p
麦克斯韦 费曼
e1’
光子
e1
e2
规范相互作用
e2’
N1’
N2
介子
N1
N2’
汤川秀树
格拉肖 温伯格 萨拉姆
p
e
_
νe
费米
1017 m
n
A Z
X
YA
Z 1
e
e
p
e
W
n百度文库
_
νe
，
p(uud), n(udd), π+ (ud), (uds), K+ (us), J (cc)
李政道, 《场论与粒子物理》，科学出版社，1980，p.244
理论推测的核物质相图
200 MeV 2X1012K
PPlalassmma a
Gas
0 n0
5－20
5－20n0
大爆炸后的宇宙演化
粒子与核物理
粒子与核物理
形成核子， 夸克囚禁
形成原子，微 波背景辐射
形成宇宙 星系
高能重离子碰撞的目的
研究极端高温、高密度、 高压力条件下核物质的 性质。
中, 还是在粒子物理中, 我们的经验是多么的有限. 迄今
几乎所有的核物理实验都限于常密度的核, 我们从没有
真正大胆地去研究一下正常密度之外的核物理. 同样在
新
粒子物理中我们也有类似的传统, 既沿着一个相当窄的
研
方向走下去, 以高能物理为例, 迄今我们集中力量于这样
究
的实验, 即把愈来愈高的能量集中在愈来愈小的空间范
n～15n0, 高密度QGP
• …… ……
AGS
PHOBOS
RHIC
PHENIX STAR
BRAHMS
AGS
TANDEMS
Geneva LHC
SPS
HEHIC
六、实验可观测量及其新近结果
Projectile Begin collision
Compression Thermalization
Target Spectator
Expansion
Target
Projectile Spectator Participant
Observables
6.1. 实验可观测量I — 粒子产额,多重数分布,单粒子谱
Space-time Evolution and Particle Production of System at RHIC
MeV, n=(2～4)n0, 强子气体
• 1986年,美国布鲁海文国家实 验室(BNL), AGS, E～ 10AGeV, T=100～150 MeV,
n=(3～5)n0, 有可能QGP
• 1986年,欧洲核子中心 (CERN), SPS, E～200 AGeV,T=120～160 MeV,
n=(2～4)n0, 强子气体, QGP
方
围内. ......我们必须转向一个不同的方向; 我们应当研
向
究通过把高能量或大核子密度分布到一个相对说比较大
的
的区域而引起的某些“合作”现象. 我们应当把从来没
提
有探索过这类方向作为做这类实验的推动力.
出
T.D. Lee, An invited talk given at the “Annual Bevatron UsersMeeting”, Rev. Mod. Phys. 47(1975), p.267;
由于强相互作用 夸克和胶子被囚 禁在核子内
原子 核
原 子
物质
高能重离子碰撞极大
地拓宽了传统核物理学 的研究领域，并使得的 核物理与粒子物理和高 能天体物理的研究紧密 结合。它对于人们了解 物质更深层次的性质和 早期宇宙的演化，以及 中子星等天体问题都有 重要意义。
问题:
物质真的无限可分吗 ?
什么是“分” ?
“一尺之槌，日分其半，万世不竭！” ？
（朴素的辩证法）
50天！
“分”：量变——质变， 唯物——辩证
五、高能核-核碰撞的目的和发展概况
由于强相互作用，
-
夸克和胶子被囚禁 在强子内。
原子
原子核
高能重离子碰撞
加压
QGP
加热
夸克-胶子
物质
等离子体
值得再一次强调的是, 到目前为止, 无论是在核物理
• 2000年, 美国布鲁海文国家 实验室(BNL), RHIC,Ecm～
200 AGeV, T～300 MeV, n～ 2n0, 高温QGP
• 2010年, 欧洲核子中心 (CERN), LHC, Ecm～2 .76 （5.5 ATeV), T～450 MeV,
n～2n0, 高温QGP
• 2016年, 德国, GSI/SIS200, E～30 AGeV, T～150 MeV,
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粒子与高能核物理
粒子与核物理基础
一、引言 二、人类对微观世界的探索； 三、粒子间的相互作用及其分类； 四、强子的夸克模型与夸克囚禁。
高能核物理及其进展
五、高能核-核碰撞的目的和发展概况； 六、实验可观测量及其新近结果； 七、强度干涉学对粒子发射源的探测； 八、当前和未来高能核-核碰撞研究的热点。
一、引言 科学技术是第一生产力。
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n B (fm-3)
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• 1974年,美国劳伦兹伯克利国 家实验室(LBL), Bevalac, E=1～2 AGeV, T=50～80
推进科学技术发展的最基本动因是什么？？ 人的生存欲望； 人的繁衍欲望；
人的好奇、探索未知的欲望。
我们生存着的世界是什么？是怎么形成的？ 我们生存着的世界是由什么组成的？ 是否有最小的组元？最小的组元是什么？
汤姆逊 玻尔
为物理学研究
α
物质的微观结
构树立了典范
爱因斯坦
原子
卢瑟福
查德威克
泡利
狄拉克
理论推测的核物质相图
200 MeV 2X1012K
PPlalassmma a
Gas
0 n0
5－20
5－20n0
估计：正常核半径：
核内能量密度： 核内核子数密度：
核子半径： 核子内能量密度： 核子内核子数密度：
产生 QGP
密度： 温度：
高能重离子碰撞示意图
火球重子密度的时空演化
n B (fm-3)
e
质子有结构 !
安德森
p
麦克斯韦 费曼
e1’
光子
e1
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规范相互作用
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N1’
N2
介子
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汤川秀树
格拉肖 温伯格 萨拉姆
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X
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p(uud), n(udd), π+ (ud), (uds), K+ (us), J (cc)
李政道, 《场论与粒子物理》，科学出版社，1980，p.244
理论推测的核物质相图
200 MeV 2X1012K
PPlalassmma a
Gas
0 n0
5－20
5－20n0
大爆炸后的宇宙演化
粒子与核物理
粒子与核物理
形成核子， 夸克囚禁
形成原子，微 波背景辐射
形成宇宙 星系
高能重离子碰撞的目的
研究极端高温、高密度、 高压力条件下核物质的 性质。
中, 还是在粒子物理中, 我们的经验是多么的有限. 迄今
几乎所有的核物理实验都限于常密度的核, 我们从没有
真正大胆地去研究一下正常密度之外的核物理. 同样在
新
粒子物理中我们也有类似的传统, 既沿着一个相当窄的
研
方向走下去, 以高能物理为例, 迄今我们集中力量于这样
究
的实验, 即把愈来愈高的能量集中在愈来愈小的空间范
n～15n0, 高密度QGP
• …… ……
AGS
PHOBOS
RHIC
PHENIX STAR
BRAHMS
AGS
TANDEMS
Geneva LHC
SPS
HEHIC
六、实验可观测量及其新近结果
Projectile Begin collision
Compression Thermalization
Target Spectator
Expansion
Target
Projectile Spectator Participant
Observables
6.1. 实验可观测量I — 粒子产额,多重数分布,单粒子谱
Space-time Evolution and Particle Production of System at RHIC
MeV, n=(2～4)n0, 强子气体
• 1986年,美国布鲁海文国家实 验室(BNL), AGS, E～ 10AGeV, T=100～150 MeV,
n=(3～5)n0, 有可能QGP
• 1986年,欧洲核子中心 (CERN), SPS, E～200 AGeV,T=120～160 MeV,
n=(2～4)n0, 强子气体, QGP
方
围内. ......我们必须转向一个不同的方向; 我们应当研
向
究通过把高能量或大核子密度分布到一个相对说比较大
的
的区域而引起的某些“合作”现象. 我们应当把从来没
提
有探索过这类方向作为做这类实验的推动力.
出
T.D. Lee, An invited talk given at the “Annual Bevatron UsersMeeting”, Rev. Mod. Phys. 47(1975), p.267;