粒子物理

弦是无穷细的，有开、闭之分。 不振动时其质量为零。
n=0 1 2 3 两端为节点的开弦
n=1 2 3 两端自由的开弦
闭弦

超弦理论是物理学家追求统一理论的最自然的结果. 爱因斯坦建立相对论之后自然地想到要统一当时公 知的两种相互作用--万有引力和电磁力.他花费了后 半生近40年的主要精力去寻求和建立一个统一理论, 但没有成功.现在回过头来看历史,爱因斯坦的失败 并不奇怪.实际上自然界还存在另外两种相互作用力 --弱力和强力.现在已经知道,自然界中总共4种相互 作用力除有引力之外的3种都可有量子理论来描述, 电磁,弱和强相互作用力的形成是用假设相互交换" 量子"来解释的.但是,引力的形成完全是另一回事, 爱因斯坦的广义相对论是用物质影响空间的几何性 质来解释引力的.在这一图像中,弥漫在空间中的物 质使空间弯曲了,而弯曲的空间决定粒子的运动.人 们也可以模仿解释电磁力的方法来解释引力,这时物 质交换的"量子"称为引力子,但这一尝试却遇到了原 则上的困难--量子化后的广义相对论是不可重整的, 因此,量子化和广义相对论是相互不自洽的.
J/ Particle

In 1974 , Prof. Ting（Samuel Chao Chung Ting）and Prof. Richter （Burton Richter）discovered J/ particle respectively .

J/ψ build from a quark-antiquark pair carrying a new quantum number.
名称
寿命（s） 种类 8 1 3 1
传递的相互作用 发现年代 强 电磁 弱 引力 存在，未发现自由态胶子 20世纪20年代 20世纪80年代
胶子 无穷大 光子 无穷大 中间玻色子 10-25 引力子 ？
光子是20世纪20年代发现的 中间玻色子是上世纪80年代发现的，胶子的存在已有充分的实验证据， 但是未观察到自由状态的胶子。 引力子探测十分困难，目前没有实验证据。



超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细 的线在振动，就像琴弦的振动一样，因此这根细细的线 就被形象地称为“弦”。不同的琴弦振动的模式不同， 产生的音调也不同。粒子内部的弦也有不同的振动模式， 不过这种弦的振动不是产生音调，而是产生一个个粒子。 换言之，每个基本粒子是由一根弦组成。 超弦理论认为，粒子并不存在，存在的只是弦在空间运 动；各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。 自然界中所发生的一切相互作用，所有的物质和能量， 都可以用弦的分裂和结合来解释。 弦的运动非常复杂，以至于三维空间无法容纳它的运动 轨迹，必须有高达十维的空间才能满足它的运动，就像 人的运动复杂到无法在二维平面中完成，而必须在三维 空间中完成一样。
引力子 粒子1 粒子2


引力是一种长程力，在所有物质间均存在。 引力在四种基本相互作用中是最弱的 粒子质量很小，在粒子世界引力忽略； 宏观领域，尤其是天体，质量很大，引力起主要作用。
(2)电磁相互作用
只存在于带电粒子之间，是一种长程力，在宏观和微观都起作用。 例如：光子的吸收、发射、散射；电子与原子核结合为原子；弹力、 摩擦力、压力、浮力…
媒介粒子
胶子 光子 中间玻色子 引力子
粒子的相互作用随它们之间的距离而变化——用力程来表示，力 程是粒子间的有效作用范围，它正比于媒介粒子质量的倒数。
The Four Types of Interactions
Gravity
Strong
Weak
Electromagnetic
2.说明： (1)引力相互作用
时间 媒介子 粒子1
粒子2
空间
粒子间相互作用的时空图
粒子之间的四种相互作用：
类别
强作用 电磁作用 弱相互 作用 引力作用
相对强度
1 ~10-2 ~10-13 ~10-39
距离(m)
< 10-15 r -2长程 < 10-17 r -2长程
作用时间(s)
10-23 10-20 ~ 10-16 ~ 10-8


超弦理论是人们抛弃了基本粒子是点粒子的假设而代之以 基本粒子是一维弦的假设而建立起来的自洽的理论,自然 界中的各种不同粒子都是一维弦的不同振动模式.与以往 量子场论和规范理论不同的是,超弦理论要求引力存在,也 要求规范原理和超对称.毫无疑问,将引力和其他由规范场 引起的相互作用力自然地统一起来是超弦理论最吸引人的 特点之一.因此,从1984年底开始,当人们认识到超弦理论 可以给出一个包容标准模型的统一理论之后,一大批才华 横溢的年轻人自然地投身到超弦理论的研究中去了. 经过人们的研究发现,在十维空间中,实际上有5种自洽的 超弦理论,它们分别是两个IIA和IIB,一个规范为 Apin(32)/Z2的杂化弦理论,一个规范群为E8×E8的杂化弦 理论和一个规范为SO(32)的I型弦理论.对一个统一理论来 说,5种可能性还是稍嫌多了一些.因此,过去一直有一些从 更一般的理论导出这些超弦理论的尝试,但直到1995年人 们才得到一个比较完美的关于这5种超弦理论统一的图像.
中微子的自旋方向 与运动方向相反； 反中微子的自旋方 向与运动方向一致。
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3.夸克 （1）夸克有六种 “味”：上夸克，下夸克；桀夸克，奇异夸克；顶夸 克，底夸克。每种又分“红”、“蓝”、“绿”三种色，连同其反粒子 共36种。 （2）强子：包括重子（质子，中子，超子）和介子，均由夸克组成。 例如：质子由2u+d组成，中子由u+2d组成… （3）夸克具有分数电荷 （4）迄今未发现自由夸克。人们认为是因为夸克间的强相互作用具有 “渐进自由”和“红外奴役”的特性：夸克间的关系类似于用链条连起 来的囚犯，当他们靠近时链条松弛，各自可认为是独立自由的；当距离 增大到一定限度时链条拉紧。而目前的条件无力破坏“链条”，所以看 不见自由的夸克。
玻色— 爱因斯 坦统计分布 寻求中
希格斯粒子
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总之，按标准模型理论，基本粒子世界由62种粒子组成： 13种规范玻色子，48种费米子（包括12种轻子和36种夸克） 和一种希格斯粒子。其中引力子和希格斯粒子的存在尚未被 实验证实。
三、基本相互作用
1. 粒子之间的相互作用有四种，总是通过交换媒介粒子来实现的。
Quark



1974年，美籍华裔物理学家丁肇中和美国物理 学家希特相互独立地通过发现 J/Ψ 粒子证实了 第四味夸克c的存在，共同获得了1976年的诺 贝尔物理奖。 1977年莱德曼通过发现T粒子证实了第五味夸 克b的存在。 理论上预言存在的顶夸克也终于在1995年由美 国费米实验室证实了。
The Component Unit of Matter
Electrons (10-18 m )
Atom 10-10 m
nucleus 10-14 m
nucleon 10-15 m
quark 10-18 m
Standard
Model (S.M. )
根据标准模型理论，基本粒子分为以下几类：
1.规范粒子 定义：传递其他粒子间相互作用的媒介粒子，共13种

物质的结构层次： 宏观物体 分子
原子 原子核 质子 夸克 中子 电子
场
规范粒子
按自旋量子数
分类 费米子
(电子 质子 中子 各种重子)
自旋量子数 半整数
1/2，3/2，…
泡利不相 容原理 服从 不服从
统计规律 费米—狄拉克 统计分布
玻色子
( 光子 介子 K介子、介子 )
整数
1 ，2，…

相互作用的统一理论
四、超对称统一理论 超弦
物理学寻求自然界物质运动的统一规律。 牛顿的引力论和运动力学将天体运动与地球引 力统一起来；麦克斯韦的电磁理论将电与磁统 一起来；爱因斯坦的相对论实现了高速运动和 低速运动的统一；电磁作用与弱相互作用的统 一是粒子物理理论实现的。超弦理论是最有希 望取得成功的大统一理论。
近代物理技术
第一节 粒子世界
一、物质世界的结构层次
世界由物质组成，物质存在的基本形 式是粒子和场。目前人类所认识的物 质客体的空间尺寸，其大小至少跨越 了42个数量级。
天体物理 粒子物理 两大尖端紧密衔接
星系
1025
夸克
10-20 up
星
1020
宇观
太阳系
微观
原子核
10-15
1015
原子
1-10 1010 10-5 1m 105
e虚光子 e激发态粒子
e-
基态粒子
光子发射
e-
激发态粒子 γ γ
光子吸收
基态粒子
e e+
e e-
(3)强相互作用
强度大，力程短，是粒子间最重要的相互作用力。粒子间距
为１０-15～０.４＊１０－１５m时表现为引力，距离再小表现为斥 力。正是强力将夸克束缚在一起组成质子和中子，并将质子和中 子束缚在一起组成原子核。
用中基本粒子遵循一定的对称和守恒定律，但在弱相互作用 中宇称是不守恒的，他们因此获1957年Noble物理学奖。
３.粒子与场的相互关系






现在物理认为，粒子间的相互作用是由场传递的，是依靠交换规范玻 色子来实现的。量子场论认为： （１）每种粒子都有相对应的场，场没有不可入性，对应各种粒子的 场相互重叠地充满全空间。 （２）某种场能量最低的状态称为该场的基态。基态场不能通过状态 变化释放能量、输出信号。表现为观察不到存在粒子。 （３）场处于激发态时表现为出现相应的粒子，场的不同激发态表现 为粒子的数目和运动状态不同。 （４）当所有场都处于基态时，任何一个场都不可能释放能量而给出 信号，都不显示粒子——物理上的真空。真空并非空无一物而是充满 了各种基态场。 （５）基态场和激发态的场都与其他场相互作用，他是粒子间相互作 用的来源。
｛
• 宏观系统：尺度在107 m以上的客体 因果规律，用牛顿力学或相对论力学描述 • 微观系统：尺度在107 m以下的客体 统计规律，用量子力学描述 • 介观系统：呈现微观特性的宏观系统 亚微米尺寸的器件，一定条件下表现出量子效 应，微观特性起主导 • 宇观系统：星系、宇宙…
二、基本粒子分类
粒子发展简史
中微子之迷



太阳上质子聚变——大量中微子，地球——很少且呈周期性变化。 是否存在中微子振荡？ 发光星体质量只占空间物质总质量的一小部分，大部分质量以“暗物质”形式存在。 中微子是暗物质吗？中微子质量是否为零？有无磁矩？有没有中微子星？ 宇宙大爆炸遗留下来的中微子充满整个宇宙，其密度与光子差不多 中微子能畅行无阻的穿出庞大的星球，把星球内部的信息传递出来。有别于星光，日光
时间 1897~1932 1932~1947 1947~1962 60年代~70年代 70年代~90年代 发现的粒子
e ,, p, n e , p, n;,; ' , ' , ''
粒子种类 4 14 35 200多种 450多种
奇异粒子 强子共振态 新粒子，夸克等
19世纪30年代，物质最小微粒是质子、中子、电子和光子——“基本粒子”。 推广：凡是和这些粒子可相互作用和转化的同一层次的粒子统称为“基本粒子”。 20世纪60年代，“基本粒子”有内部结构，且不全属于一个层次——粒子。 现在，“基本粒子”是指迄今未发现有内部结构的粒子。它们不一定是终极基元。
n π0介子
p
n π+介子
p
n
p
p p n
n
π-介子
n
p
(4)弱相互作用
力程比强作用更短，力也更弱。除光子外，轻子间，轻子与介
子间，轻子与重子间，介子与介子间存在。
γe
W-
n
e
p
弱相互作用的交换媒介子是中间波色子W，中 间波色子可以是中性的，也可以是正负电荷
1956年杨振宁、李政道提出在电磁相互作用和强相互作

2.轻子
分类
电子 μ子 τ子 中 微 子 正反 粒子 自旋 寿命 10-6s

轻 子 12 种
稳定 e e 2.2 <2.3 1/2 e e 稳定



受引力、电磁力、弱 力的影响，不受强力 的影响 必以粒子—反粒子对 的形式产生或湮灭。 总的轻子数不变。
山 人
地球
介观 DNA
宏观
• 人类是认识自然界的主体——“米” 基本长度单
•
•
位 107 25 27 最小对象是粒子< m，10 10 最大对象是宇宙，哈勃半径， m 宇宙的起源：大爆炸宇宙模型——一百多亿年前， 大爆炸。粒子在宇宙诞生的瞬间产生， 最大和最小——宇宙和粒子连接起来。
物质世界的结构层次