粒子物理前沿讲义
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《粒子物理学教学讲义》4.1－核力与同位旋
这里里只介绍常用用的结论： • 两个角动量耦合：
!! ! J = J1 + J2
• 总角动量J的可能取值为：
J = J1 − J2 , J1 − J2 +1,!, J1 + J2 −1, J1 + J2 • 两个角动量及其总角动量的本征态： j1m1 , j2m2 , jm
• 总角动量的第三分量的取值： m = m1 + m2
是通过交换零质量的光子产生的. 考虑到核力的短 程性, 两个强子A, B之间可能通过交换一个重的玻 色子X产生核力
38
3
• 根据能量-动量测不准关系,我们可以估算 在被重 新吸收以前,重X 玻色子所能传播的最远距离.
• 因为能量的不确定度为∆E ≥ mX , 如果∆E存在的 时间间隔为∆t,那么根据能量-动量测不准关系 有 ∆t ≈ 1/∆E,所以X玻色子传播的距离-亦即这种相互 作用的力程为 R ≈ 1/mX
38
5
第二节 同位旋
一、同位旋概念的引入
同位旋是粒子子物理学中最早遇到的重要的内部对称性，这
个概念首首先是在实验的启示示下提出的。我们来看质子子和中子子的
性质：
质量(MeV) 自旋(J) 电荷(Q)
质子(p) 938.27203(8) 1/2
1
中子(n) 939.56536(8) 1/2
0
mn − mp = 0.00138 mp
π+ +n→π0 + p σ7 π0 + p →π+ +n σ8 π0 +n →π− + p σ9 π − + p → π 0 + n σ10
• 如果没有同位旋守恒，也没有其它对称性的限制，这十个截
2.核物理与粒子物理讲义-第一章原子核的基本性质1
与此同时，天体物理的许多重要问题如能量和元素的来源，中子星 的结构和冷却，超新星的爆发，都涉及到基本的核物理问题，尤其是弱 束缚核的结构和反应。另一方面，天体中的核过程与核聚变等装置中的 核过程相似，通过相关研究可以为核能源开发应用等提供重要信息和参 考资料。核物理与天体物理的交叉不仅是人类认识天体及宇宙演化过程 及规律的重要方式，并且与能源开发和利用、国防安全建设等密切相 关。放射性核束物理涉及众多新的核样本和核数据，将在超重核合成合 成、新型核材料、新型核能装置等方面产生难以估量的重大影响。
1、259Db合成：首次进入超重核区
测量结果: Eα = 9.47MeV,
22Ne+241Am→259Db
探测器面对产物样品测得的α谱
T1/2 = 0.47 s， Qα=9.70MeV 我国新核素合成首次进入超重区!
A new alpha-emitting isotope 259Db Euro. Phys. J.，A10, (2001) 21-25 产物样品移去后测得的α谱
(197 Au, 10 B, 16 C, 10 He, 11Li, 11Be) 79 5 6 2 3 4 2 3 235 U, 238 U) (1 1H, 1H, 1H 92 92 3 4 (2 1H, 2 He, 3 Li) 40Ar , 40K , 40Ca ) (18 19 20 60m 60 * 同核异能素(Isomer)：有确定的质子数和中子数但能量不同的核素 ( 27 Co或27 Co )
■
未来5年— 超重元素探索和新核素的合成
关键科学问题：超重核合成的新机制和技术
1）截面1 pb以下；2）现有融合体系中子数缺10个左右；3）长寿命核无法利 用现有在束 α-α 级联衰变的方法进行单个事件鉴别
粒子物理学及其应用PPT课件
理论的统一，以解决当前物理学面临的基本问题。
发展更精确的实验技术和方法
升级和建设高能物理实验设施
为了探测更小的粒子和更弱的相互作用力，需要更高的实验能量和更精确的探测器技术。 未来的研究将致力于升级和建设更先进的高能物理实验设施，以提高实验的精度和灵敏度 。
发展新的实验方法和数据分析技术
随着技术的发展和数据的积累，需要发展新的实验方法和数据分析技术，以更有效地提取 实验数据中的有用信息，并提高实验结果的可靠性和精确度。
量子场论是描述微观粒子（如电子、光子、夸克等）行为的物理学理论框架。 它基于量子力学和狭义相对论，通过引入场的概念，描述了粒子之间的相互作 用。
相对论
相对论是爱因斯坦提出的经典理论，包括狭义相对论和广义相对论。狭义相对 论解释了没有引力作用的时空观念，而广义相对论则描述了引力的本质是由物 质引起的时空弯曲。
利用粒子物理学原理，研究核聚变和 核裂变等新能源技术。
医学影像技术
利用粒子物理学原理，发展医学影像 技术和放射治疗技术。
粒子物理学与其他学科的交叉研究
宇宙学
研究宇宙起源、演化等问题的学 科，与粒子物理学在基本理论和
实验技术上有很多交叉。
生物学
研究生物大分子的结构和功能，与 粒子物理学在蛋白质结构和药物设 计等方面有交叉。
实验方法包括散射实验、衰变实验、对撞机实验等，这些实 验方法为粒子物理学的发展提供了重要的实验证据和理论支 持。
基本粒子及其性质
02
物质粒子和传播子
物质粒子
物质粒子是组成物质的基本单位 ，包括电子、质子、中子等。它 们具有电荷和质量，是构成原子 和分子的基础。
传播子
传播子是传递力的粒子，如光子 、介子和胶子等。它们负责传递 电磁力、强核力和弱核力等基本 相互作用力。
《粒子物理学教学讲义》5.3-宇称变换
所以 YLM (θ,φ ) → (−1)LYLM (θ,φ )
3
即
P LM = (−)L LM
这正是前面面得到的结论，轨道角角动量和P变换有共同的本征
态，轨道角角动量为L的态P变换本征值——空间宇称——为 (−)L
2. 内禀宇称
在P变换下，粒子子内部波函数还有一一定的P 宇称，称作内 禀宇称，简称为粒子子的宇称。 a) 粒子子的内禀宇称与其内部运动性质有关，但我们⺫目目前还不 十十分清楚其内部运动性质，不能像轨道运动那样给出明显的 P 变换表达式，只能从实验确定。
60Co →60 Ni + e− +ν
17
过去人们对于守恒定律的理解比较简单，弱相互作用宇称 不守恒的确立告诉人们： 各种守恒定律的适用范围可以不同，有的物理量在一切相 互作用过程中都是守恒的，而有些物理量则只在某些相互 作用过程中才是守恒的． 宇称就是人们认识的第一个只在某些相互作用过程中才守 恒的相乘性守恒量． 在研究各种守恒定律时，无论涉及的是相加性守恒量还是 相乘性守恒量，都要注意和研究这些守恒定律的适用范围．
李政道和杨振宁提出，这个疑难产生生的原因在于弱相互作 用用过程中宇称可以不守恒．他们进一一步建议可以通过钴60的衰 变实验来对这一一点进行行判定性检验．
15
3. 宇称不守恒的实验检验 实验的原理是利用核磁技术使钴60的原子核极化，即原子核的 自旋方向沿确定方向排列，观察钴60通过β衰变(弱作用)放出电 子的方向分布．
(θ
,
ϕ
)
=
(−1)
m
⎜⎜⎝⎛
(2L +1)(L −
4π (L + M
M )!
)!⎟⎟⎠⎞
PLM (cosθ )eiMϕ
3
即
P LM = (−)L LM
这正是前面面得到的结论，轨道角角动量和P变换有共同的本征
态，轨道角角动量为L的态P变换本征值——空间宇称——为 (−)L
2. 内禀宇称
在P变换下，粒子子内部波函数还有一一定的P 宇称，称作内 禀宇称，简称为粒子子的宇称。 a) 粒子子的内禀宇称与其内部运动性质有关，但我们⺫目目前还不 十十分清楚其内部运动性质，不能像轨道运动那样给出明显的 P 变换表达式，只能从实验确定。
60Co →60 Ni + e− +ν
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过去人们对于守恒定律的理解比较简单，弱相互作用宇称 不守恒的确立告诉人们： 各种守恒定律的适用范围可以不同，有的物理量在一切相 互作用过程中都是守恒的，而有些物理量则只在某些相互 作用过程中才是守恒的． 宇称就是人们认识的第一个只在某些相互作用过程中才守 恒的相乘性守恒量． 在研究各种守恒定律时，无论涉及的是相加性守恒量还是 相乘性守恒量，都要注意和研究这些守恒定律的适用范围．
李政道和杨振宁提出，这个疑难产生生的原因在于弱相互作 用用过程中宇称可以不守恒．他们进一一步建议可以通过钴60的衰 变实验来对这一一点进行行判定性检验．
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3. 宇称不守恒的实验检验 实验的原理是利用核磁技术使钴60的原子核极化，即原子核的 自旋方向沿确定方向排列，观察钴60通过β衰变(弱作用)放出电 子的方向分布．
(θ
,
ϕ
)
=
(−1)
m
⎜⎜⎝⎛
(2L +1)(L −
4π (L + M
M )!
)!⎟⎟⎠⎞
PLM (cosθ )eiMϕ
探索微观世界粒子物理学的前沿研究
探索微观世界粒子物理学的前沿研究粒子物理学是研究物质最基本的组成部分和相互作用规律的学科，被誉为揭开自然奥秘的“钥匙”。
近年来，随着科技的快速发展和研究水平的提高，微观世界的探索进入了一个前所未有的新阶段。
本文将以多个方面为依据，探索微观世界粒子物理学的前沿研究。
一、强子物理强子物理研究的是构成核子的基本粒子——夸克和胶子的性质和相互作用规律。
强子物理的一个重要分支是量子色动力学（Quantum Chromodynamics, QCD），它描述了强子中强相互作用的基本规律。
在粒子物理中，夸克是强子的基本组成部分，在动力学上，夸克和胶子的相互作用对于了解物质的性质至关重要。
近年来，科学家们利用探测器精确地测量了夸克的参数和相互作用，深入研究夸克的内部结构和动力学行为。
二、电弱物理电弱物理是研究电荷、电磁力、弱相互作用等基本性质的物理学分支。
它主要研究电磁力和弱相互作用在微观世界中如何相互影响和统一。
电弱物理的一大突破是发现了矢量玻色子，验证了统一理论的正确性。
通过精确测量希格斯玻色子的质量和衰变模式，科学家们进一步验证了电弱统一理论，并对希格斯场和粒子的特性有了更加深入的了解。
三、粒子探测技术为了研究微观世界，科学家们发展了一系列粒子探测技术。
加速器技术是研究微观粒子的一项关键技术，其中包括线性加速器、环形加速器等。
这些加速器可以使得粒子获得高能量并与其他粒子进行碰撞，从而产生各种新的粒子。
同时，粒子探测器也发挥了重要作用，如大型强子对撞机（LHC）上的ATLAS和CMS实验，以及电子-正电子对撞机（BEPCII）上的BESIII实验等。
这些探测器的建设和使用，为粒子物理学的发展提供了重要的实验数据。
四、超对称理论超对称理论是粒子物理学的一个重要研究领域。
它提出了新的粒子和相互作用形式，从而解释了目前粒子物理学中的一些未解之谜。
超对称理论预言了一类被称为“超对称粒子”的新粒子，它们与已知的粒子具有相同的质量和自旋，但其他性质上存在差异。
《粒子物理学教学讲义》6.4－节重夸克和重夸克偶素
6
确定了J/Ψ粒子子的夸克组分——正反粲夸克对，我们就可以解
释它的窄宽度了：
质量最轻的含粲D介子子质量为1870MeV，两个D介子子的阈能
为3740MeV，所以J/Ψ不能衰变到D介子子末态，它的强衰变末
态只能是由u,d,s夸克组成的轻强子子。
J/Ψ的强子子衰变的费曼图可以画作，
u d
c
d
c
c
d
c
d
它和J/Ψ粒子子类似, 也只能通过把b 和 b 湮没掉的Zweig禁 戒过程做强衰变，衰变概率被大大大大地压低，表现出突出的“重 质量，窄宽度”性质． 同样ϒ (2S), ϒ(3S)也具有同样的性质。ϒ (4S)以及更高高质量的 态则可以衰变到两个B介子子。因而而具有很大大的宽度。
17
对前3个ϒ共振态, ϒ→ 2B 的衰变道没有打开,他们所有的强衰 变道都是OZI禁戒过程而受到压低, 衰变宽度很窄。 但对下面更高质量的ϒ高激发态, 均可以衰变到两个B介子,因 而具有很大的几十个MeV的宽度
16
ϒ粒子子所有的强衰变道都是OZI 禁戒过程而而受到压低，
分支支比比最大大的衰变道也是二二级电磁衰变的 e+e− 道，µ +µ − 道 和 τ +τ − 道．
含底夸克b的最轻的粒子子是 B+(bu) 和 B0 (bd) 粒子子，其质量为
m = (5279)MeV，因此ϒ粒子子不可能衰变为一一对正反B介子子。
14
如果粲夸克存在，那么可以将u，d，s的SU(3) 味道对称性扩 充到u,d,s,c的SU(4) 对称性，则应该存在含有若干（反）粲夸 克的重子子和介子子多重态，
1976年发现了含粲介子子态（ D0 = cu , D+ = cd ）， 1977年又又发现了含粲奇异介子子 Ds+ = cs ，
确定了J/Ψ粒子子的夸克组分——正反粲夸克对，我们就可以解
释它的窄宽度了：
质量最轻的含粲D介子子质量为1870MeV，两个D介子子的阈能
为3740MeV，所以J/Ψ不能衰变到D介子子末态，它的强衰变末
态只能是由u,d,s夸克组成的轻强子子。
J/Ψ的强子子衰变的费曼图可以画作，
u d
c
d
c
c
d
c
d
它和J/Ψ粒子子类似, 也只能通过把b 和 b 湮没掉的Zweig禁 戒过程做强衰变，衰变概率被大大大大地压低，表现出突出的“重 质量，窄宽度”性质． 同样ϒ (2S), ϒ(3S)也具有同样的性质。ϒ (4S)以及更高高质量的 态则可以衰变到两个B介子子。因而而具有很大大的宽度。
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对前3个ϒ共振态, ϒ→ 2B 的衰变道没有打开,他们所有的强衰 变道都是OZI禁戒过程而受到压低, 衰变宽度很窄。 但对下面更高质量的ϒ高激发态, 均可以衰变到两个B介子,因 而具有很大的几十个MeV的宽度
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ϒ粒子子所有的强衰变道都是OZI 禁戒过程而而受到压低，
分支支比比最大大的衰变道也是二二级电磁衰变的 e+e− 道，µ +µ − 道 和 τ +τ − 道．
含底夸克b的最轻的粒子子是 B+(bu) 和 B0 (bd) 粒子子，其质量为
m = (5279)MeV，因此ϒ粒子子不可能衰变为一一对正反B介子子。
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如果粲夸克存在，那么可以将u，d，s的SU(3) 味道对称性扩 充到u,d,s,c的SU(4) 对称性，则应该存在含有若干（反）粲夸 克的重子子和介子子多重态，
1976年发现了含粲介子子态（ D0 = cu , D+ = cd ）， 1977年又又发现了含粲奇异介子子 Ds+ = cs ，
粒子物理讲义——第一章和第二章
•
轻子：不直接参与强相互作用 的粒子，它们可以直接参与电 磁相互作用和弱相互作用 。现 在发现的轻子共有六种，连同 相应的反粒子共12种，它们的 自旋都是1/2。
⎛ e ⎞ ⎛ μ ⎞ ⎛τ ⎞ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎜ ⎟ , , , ⎜ν ⎟ ⎜ν ⎟ ⎜ν ⎟ ⎝ e⎠ ⎝ μ⎠ ⎝ τ ⎠
•
强子——直接参与强相互作用的粒子．它们又分为两类 ： 介子：自旋为整数，重子数为零的强子； 重子：自旋为半整数，重子数为1的强子．
第五章
电弱统一理论——“标准模型”(Standard Model) 弱相互作用 beta衰变 三代轻子： 轻子的普适性，轻子数守恒 V-A理论 标准模型——电弱统一理论+Higgs机制（质量来源）
主要参考书
1. 章乃森, 《粒子物理学》, 科学出版社, 北京, 1985。 2. 唐孝威等, 《正负电子物理》, 科学出版社, 北京, 1995。 3. 高崇寿，曾谨严，《粒子物理和核物理讲座》，高等教育出版社， 北京，1994。 4. D.H. Perkins, Introduction to High Energy Physics, AddisonWesley Publishing Company Inc, 1972，1982，1987，2000. 5. 高崇寿, 《群论机及其在粒子物理学中的应用》，高等教育出版社， 北京，1992。
π , K , ρ,ω L
p , n, Λ L
• •
现已发现的粒子绝大多数是强子 。 强子也是目前粒子物理研究的重点对象。
•
Higgs粒子——目前尚未被实验观测到。 在电弱统一理论中，为破缺 SU (2) ⊗ U (1) 对称性而人为引入了 Higgs机制。这个机制通过引入基本标量场，成功地解决了规范玻色 子和费米子的质量来源问题，同时预言了基本标量粒子——Higgs粒 子的存在和它的质量。
《粒子物理学教学讲义》6.2－重子十重态－八重态
13
Γexp. = (7.84 ± 0.56)eV 将其它参数带入入得到， NC = 3.04 ± 0.10
γ
π0
γ
颜色色数进入入衰变宽度是考虑到每一一味夸克有NC种颜色色状态而而 出现的，该宽度的实验值与三种颜色色自自洽。
14
2. 正负电子子湮灭实验
在高高能正负电子子对撞实验中，正负电子子湮灭成一一个虚光子子，
Γ = 120MeV
Σ* → Λπ
88%
Σ* → Σπ
12%
Γ = 37MeV
强衰变 大小差别很大， 电磁衰变 超过两个量级
强衰变 奇异数守恒
20
J=3/2 : J=1/2
Ξ* (1535)
Ξ* → Ξπ Ξ* → Ξγ
~ 100% 强衰变 < 4% 电磁衰变
Γ = 9MeV
S = -3 | S =-2 Ω− (1672) Ω− → ΛK − 67.8%
重子
Δ++ (uuu) Δ+ (uud ) Δ0 (udd ) Δ− (ddd ) Σ*+ (uus) Σ*0 (uds) Σ*− (dds) Ξ*0 (uss) Ξ*− (dss) Ω− (sss)
！！！！重子子十十重态的味道波函数是全对称的。
3
Y
Δ−
Δ0
1 3
Δ+
Δ++
−1 Σ*0
Σ*−
1
Σ*+
轨道角动量愈低能量愈低，质量最低的重子是JP = 1/2+和3/2+，
实验和理论预期是一致的．对于每一个同位旋SU(2)多重态有
2I+1个态，由同位旋第三分量I3标记，而对于夸克味空间 SU(3)的多重态需要由两个参数来标记不同的态，
Γexp. = (7.84 ± 0.56)eV 将其它参数带入入得到， NC = 3.04 ± 0.10
γ
π0
γ
颜色色数进入入衰变宽度是考虑到每一一味夸克有NC种颜色色状态而而 出现的，该宽度的实验值与三种颜色色自自洽。
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2. 正负电子子湮灭实验
在高高能正负电子子对撞实验中，正负电子子湮灭成一一个虚光子子，
Γ = 120MeV
Σ* → Λπ
88%
Σ* → Σπ
12%
Γ = 37MeV
强衰变 大小差别很大， 电磁衰变 超过两个量级
强衰变 奇异数守恒
20
J=3/2 : J=1/2
Ξ* (1535)
Ξ* → Ξπ Ξ* → Ξγ
~ 100% 强衰变 < 4% 电磁衰变
Γ = 9MeV
S = -3 | S =-2 Ω− (1672) Ω− → ΛK − 67.8%
重子
Δ++ (uuu) Δ+ (uud ) Δ0 (udd ) Δ− (ddd ) Σ*+ (uus) Σ*0 (uds) Σ*− (dds) Ξ*0 (uss) Ξ*− (dss) Ω− (sss)
！！！！重子子十十重态的味道波函数是全对称的。
3
Y
Δ−
Δ0
1 3
Δ+
Δ++
−1 Σ*0
Σ*−
1
Σ*+
轨道角动量愈低能量愈低，质量最低的重子是JP = 1/2+和3/2+，
实验和理论预期是一致的．对于每一个同位旋SU(2)多重态有
2I+1个态，由同位旋第三分量I3标记，而对于夸克味空间 SU(3)的多重态需要由两个参数来标记不同的态，
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• 1988 Lederman, Schwartz和 Steinberger 中微子对称结构
1984年诺贝尔物理学奖授予瑞士日内 瓦欧洲核子研究中心（CERN）Carlo Rubbia和Simon van der Meer
• 1972年’t Hooft和Veltman提出维数正规化方 法证明了非阿贝尔规范场论采用维数正规 化方法可以保持理论的规范不变性和洛仑 兹不变性使得理论可重整化。这样非阿贝 尔规范理论才能有效地计算微扰论的高阶 修正结果。
Large Hadron Collider @ CERN
A machine for EWK Symmetry Breaking
2009年运行
ATLAS
粒子物理标准模型发展
• 粒子物理标准模型前期(1960-1966) SU(3)对称性分类, Quark model , weak interaction pheno-theory
日本科学家Takaaki Kajita和加拿大科学家Arthur B. McDonald获奖。获 奖理由是“发现了中微子振荡，表明中微子具有质量。”
三代轻子
e,
,
e
Takaaki Kajita在超级神冈探测器（Super-Kamiokande detector）上的发 现：大气中的中微子会在两种状态之间转换。
直至 2012.7.CERN
LHC:Higgs-like CMS 125.3±0.4±0.5 GeV ATLAS 126.0±0.4 ±0.4 GeV
2013年物理学奖授予英国物理学家P.Higgs和比利时物理学家 F.Englert，以表彰他们对Higgs玻色子所做的预测(与Englert同 时发表论文的R.Brout在2011年去世).
• 2008 Nobel物理奖NambuKobayashi-Maskawa）对称性破 缺起源的发现(1960,1973 )
• 2013 Nobel物理奖Englert-Higgs预
言了Higgs粒子(1964)
Experiment(5)
• 1990 Nobel物理奖 Friedman,Kendall,Taylor 发现夸克存 在的第一个实验证明 (1967-1968)
深入研究现今这一层次的夸克、轻子以及
相互作用的运动规律
中微子振荡
2002 Nobel物理奖: Davis、小柴昌俊(Koshiba)和贾 科尼测量了宇宙中中微子。 2015 Nobel物理奖: Kajita和McDonald获奖。发现了 中微子振荡，表明中微子具有质 量。
2015年诺贝尔物理学奖
粒子物理标准模型 Nobel物理奖
Theory(5)
• 1979 Nobel物理奖GlashowWeinberg-Salam规范场论统一弱、
电相互作用(1961,1967)
• 1999 Nobel物理奖 t’Hooft-Veltmen非
阿贝尔规范场重整化（1979）
• 2004 Nobel物理奖1973年 GrossWilczek-Politzer奠定了量子色动力 学理论基础。(1973 QCD渐近自由 性质)
*在标准模型中传递电磁相互作用的媒介子是光子 (γ)，传递弱相互作用的是荷电中间玻色子（W+， W-）和中性中间玻色子(Z)，传递强相互作用的是 八种胶子（g）。
*夸克、轻子以及传递相互作用的媒介子就是物质 世界的基本单元，它们遵从的规律是标准模型理 论。规范场论是构筑自然界四种基本相互作用理 论的基础。
• 1976 Nobel物理奖Richter&丁肇中发现 了新粒子J/Ψ (1974 ) c quark
• 1995 Nobel物理奖Perl及发现了τ轻子 雷恩斯与C.考温首次成功地观察到电 子反中微子 (1975 )
• 1984 Nobel物理奖Rubbia和Simon van der Meer 中间玻色子的发现 WZ(1983)
粒子物理前沿
中科院高能所 黄涛
2015.11.5.于信阳师范学院
粒子物理前沿
• 上帝粒子和标准模型 • 中微子振荡 • 五夸克态和XYZ • 暗物质、暗能量、反物质 • 结语
发现Higgs粒子－上帝粒子
1964年，比利时物理学家R.Brout和F.Englert首次 提出粒子如何得到质量的理论，一个月后，英国 物理学家P.Higgs也发表论文明确提出存在一个新 粒子的概念。同年稍晚，G. Guralnik、C.Hagen和T. Kibble将这些概念整合成了一种更为现实的理论— —这就是标准模型的前身。 1967年弱电统一模型建立后一直寻找Higgs粒子从 低能到高能就是找不到，可标准模型必须有它存 在产生质量，人们称它为”上帝粒子”
探索物质结构面临的两大挑战：对称性
破缺的本质和夸克囚禁。概括起来说，探 索物质结构正向三个方向发展：
1. 向超高能量发展，例如西欧中心的LHC和 未来的CEPC, ILC； 2. 向高精度发展，例如Super-B工厂、 Super-－粲工厂; 3. 宇宙学前沿，向地下和天上发展等。这 三大物理学奖
1901—2015年获奖109届
粒子物理和核物理占了物理学的1/2， 凝聚态物理占了物理学的1/3左右， 其他物理合起来占了物理学的1/6左右。
检验、发展标准模型和寻找新物理 从实验和理论上改善精度检验标准模型
上帝粒子性貭 夸克禁闭 质量起源 标准模型并不是基本理论而是更深层次( 新能标)动力学规律下的有效理论。
Arthur B. McDonald通过实验发现，太阳中的中微子消失是因为转换到到 另一种状态的中微子。
2002年度诺贝尔物理奖授予美国科学家Davis、 日本科学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)和美 国科学家里卡多-贾科尼。1968年，美国戴维斯 发现太阳中微子失踪，1998年日本神岗实验和 美国IMB实验观测到超新星中微子。
• 标准模型建立和发展(1967-present) 1967 electro-weak standard model 1973 quantum chromodynamics
• 标准模型成功和突破(1998-present)
*弱电统一理论与描述夸克之间强相互作用的量子 色动力学理论合在一起统称为粒子物理学中的标 准模型理论，这是廿世纪物理学最重要的成果之 一。
1984年诺贝尔物理学奖授予瑞士日内 瓦欧洲核子研究中心（CERN）Carlo Rubbia和Simon van der Meer
• 1972年’t Hooft和Veltman提出维数正规化方 法证明了非阿贝尔规范场论采用维数正规 化方法可以保持理论的规范不变性和洛仑 兹不变性使得理论可重整化。这样非阿贝 尔规范理论才能有效地计算微扰论的高阶 修正结果。
Large Hadron Collider @ CERN
A machine for EWK Symmetry Breaking
2009年运行
ATLAS
粒子物理标准模型发展
• 粒子物理标准模型前期(1960-1966) SU(3)对称性分类, Quark model , weak interaction pheno-theory
日本科学家Takaaki Kajita和加拿大科学家Arthur B. McDonald获奖。获 奖理由是“发现了中微子振荡，表明中微子具有质量。”
三代轻子
e,
,
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Takaaki Kajita在超级神冈探测器（Super-Kamiokande detector）上的发 现：大气中的中微子会在两种状态之间转换。
直至 2012.7.CERN
LHC:Higgs-like CMS 125.3±0.4±0.5 GeV ATLAS 126.0±0.4 ±0.4 GeV
2013年物理学奖授予英国物理学家P.Higgs和比利时物理学家 F.Englert，以表彰他们对Higgs玻色子所做的预测(与Englert同 时发表论文的R.Brout在2011年去世).
• 2008 Nobel物理奖NambuKobayashi-Maskawa）对称性破 缺起源的发现(1960,1973 )
• 2013 Nobel物理奖Englert-Higgs预
言了Higgs粒子(1964)
Experiment(5)
• 1990 Nobel物理奖 Friedman,Kendall,Taylor 发现夸克存 在的第一个实验证明 (1967-1968)
深入研究现今这一层次的夸克、轻子以及
相互作用的运动规律
中微子振荡
2002 Nobel物理奖: Davis、小柴昌俊(Koshiba)和贾 科尼测量了宇宙中中微子。 2015 Nobel物理奖: Kajita和McDonald获奖。发现了 中微子振荡，表明中微子具有质 量。
2015年诺贝尔物理学奖
粒子物理标准模型 Nobel物理奖
Theory(5)
• 1979 Nobel物理奖GlashowWeinberg-Salam规范场论统一弱、
电相互作用(1961,1967)
• 1999 Nobel物理奖 t’Hooft-Veltmen非
阿贝尔规范场重整化（1979）
• 2004 Nobel物理奖1973年 GrossWilczek-Politzer奠定了量子色动力 学理论基础。(1973 QCD渐近自由 性质)
*在标准模型中传递电磁相互作用的媒介子是光子 (γ)，传递弱相互作用的是荷电中间玻色子（W+， W-）和中性中间玻色子(Z)，传递强相互作用的是 八种胶子（g）。
*夸克、轻子以及传递相互作用的媒介子就是物质 世界的基本单元，它们遵从的规律是标准模型理 论。规范场论是构筑自然界四种基本相互作用理 论的基础。
• 1976 Nobel物理奖Richter&丁肇中发现 了新粒子J/Ψ (1974 ) c quark
• 1995 Nobel物理奖Perl及发现了τ轻子 雷恩斯与C.考温首次成功地观察到电 子反中微子 (1975 )
• 1984 Nobel物理奖Rubbia和Simon van der Meer 中间玻色子的发现 WZ(1983)
粒子物理前沿
中科院高能所 黄涛
2015.11.5.于信阳师范学院
粒子物理前沿
• 上帝粒子和标准模型 • 中微子振荡 • 五夸克态和XYZ • 暗物质、暗能量、反物质 • 结语
发现Higgs粒子－上帝粒子
1964年，比利时物理学家R.Brout和F.Englert首次 提出粒子如何得到质量的理论，一个月后，英国 物理学家P.Higgs也发表论文明确提出存在一个新 粒子的概念。同年稍晚，G. Guralnik、C.Hagen和T. Kibble将这些概念整合成了一种更为现实的理论— —这就是标准模型的前身。 1967年弱电统一模型建立后一直寻找Higgs粒子从 低能到高能就是找不到，可标准模型必须有它存 在产生质量，人们称它为”上帝粒子”
探索物质结构面临的两大挑战：对称性
破缺的本质和夸克囚禁。概括起来说，探 索物质结构正向三个方向发展：
1. 向超高能量发展，例如西欧中心的LHC和 未来的CEPC, ILC； 2. 向高精度发展，例如Super-B工厂、 Super-－粲工厂; 3. 宇宙学前沿，向地下和天上发展等。这 三大物理学奖
1901—2015年获奖109届
粒子物理和核物理占了物理学的1/2， 凝聚态物理占了物理学的1/3左右， 其他物理合起来占了物理学的1/6左右。
检验、发展标准模型和寻找新物理 从实验和理论上改善精度检验标准模型
上帝粒子性貭 夸克禁闭 质量起源 标准模型并不是基本理论而是更深层次( 新能标)动力学规律下的有效理论。
Arthur B. McDonald通过实验发现，太阳中的中微子消失是因为转换到到 另一种状态的中微子。
2002年度诺贝尔物理奖授予美国科学家Davis、 日本科学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)和美 国科学家里卡多-贾科尼。1968年，美国戴维斯 发现太阳中微子失踪，1998年日本神岗实验和 美国IMB实验观测到超新星中微子。
• 标准模型建立和发展(1967-present) 1967 electro-weak standard model 1973 quantum chromodynamics
• 标准模型成功和突破(1998-present)
*弱电统一理论与描述夸克之间强相互作用的量子 色动力学理论合在一起统称为粒子物理学中的标 准模型理论，这是廿世纪物理学最重要的成果之 一。