高能物理實(shí)驗(yàn)_研究生課程1

1、高能物理實(shí)驗(yàn)原理與方法高能物理實(shí)驗(yàn)原理與方法授課對象授課對象課時(shí)課時(shí)考核考核方式方式內(nèi)容內(nèi)容方式：方式：目標(biāo)目標(biāo)南開大學(xué)本科、碩士，南開大學(xué)本科、碩士，高能物理研究所高能物理研究所博士博士意大利核物理研究院意大利核物理研究院 ResearchResearch FellowFellow 歐洲核子研究中心歐洲核子研究中心 ScientificScientific AssociateAssociate愛丁堡大學(xué)資深愛丁堡大學(xué)資深科學(xué)家科學(xué)家華中師范大學(xué)教授華中師范大學(xué)教授研究方向研究方向CPCP破壞、超標(biāo)準(zhǔn)模型物理的實(shí)驗(yàn)探索破壞、超標(biāo)準(zhǔn)模型物理的實(shí)驗(yàn)探索履歷履歷研究項(xiàng)目研究項(xiàng)目曾參加曾參加BESBE

2、S和和BabarBabar實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)華中師范華中師范大學(xué)大學(xué)LHCbLHCb團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、LHCbLHCb國際合作物理規(guī)劃小組成員國際合作物理規(guī)劃小組成員參加參加CEPCCEPC項(xiàng)目的預(yù)制研究項(xiàng)目的預(yù)制研究粒子物理粒子物理簡介簡介粒子物理是關(guān)于世界在最微觀層次的組成和規(guī)律的研究：粒子物理是關(guān)于世界在最微觀層次的組成和規(guī)律的研究：組成物質(zhì)的最基本單元是什么？主宰世界運(yùn)轉(zhuǎn)的最根本物理規(guī)律是什么？粒子物理五個(gè)基本概念粒子物理五個(gè)基本概念物質(zhì)：萬物由什么組成，力和能量：萬物如何相互作用，為什么這么作用時(shí)間和空間：萬物運(yùn)轉(zhuǎn)的舞臺這個(gè)世界的的奇妙之處就是，從我們身邊到最遙遠(yuǎn)的這個(gè)世界的的奇妙之處就是

3、，從我們身邊到最遙遠(yuǎn)的太空，太空，整個(gè)世界都是由有限種類的整個(gè)世界都是由有限種類的基本單元組成；基本單元組成；而而世間千姿百態(tài)世間千姿百態(tài)的復(fù)雜現(xiàn)象都遵循一些非常簡明的規(guī)律。的復(fù)雜現(xiàn)象都遵循一些非常簡明的規(guī)律。物質(zhì)物質(zhì)的的最基本組成單元最基本組成單元，“基本基本”具有與時(shí)俱進(jìn)的意義。具有與時(shí)俱進(jìn)的意義。原子原子 質(zhì)子、中子、電子質(zhì)子、中子、電子 夸克、夸克、輕子輕子 粒子物理永遠(yuǎn)是科學(xué)的最前沿學(xué)科！粒子物理永遠(yuǎn)是科學(xué)的最前沿學(xué)科！夸克和輕子是自旋為半整數(shù)的費(fèi)米子夸克和輕子是自旋為半整數(shù)的費(fèi)米子 為什么為什么3 3代代 ？ 質(zhì)量的起源質(zhì)量的起源 ？當(dāng)代粒子物理最重要的問題當(dāng)代粒子物理最重要的問題

4、傳播子是自旋為整數(shù)的玻色子傳播子是自旋為整數(shù)的玻色子短距作用短距作用長程作用長程作用短距作用短距作用長程作用長程作用 夸克和輕子夸克和輕子 傳遞相互作用的規(guī)范玻色子（傳遞相互作用的規(guī)范玻色子（gauge bosons） , , , ,0ZWg 賦予費(fèi)米子和規(guī)范波色子質(zhì)量的賦予費(fèi)米子和規(guī)范波色子質(zhì)量的Higgs 粒子粒子 其它尚未發(fā)現(xiàn)的基本其它尚未發(fā)現(xiàn)的基本粒子粒子（？）（？） 關(guān)于復(fù)合粒子的研究也是非常重要的內(nèi)容關(guān)于復(fù)合粒子的研究也是非常重要的內(nèi)容 ,/,JKnp 它們本身的性質(zhì)提供了基本粒子間相互作用的信它們本身的性質(zhì)提供了基本粒子間相互作用的信息息 由于由于“夸克禁閉夸克禁閉”，實(shí)驗(yàn)上經(jīng)常

5、通過研究，實(shí)驗(yàn)上經(jīng)常通過研究 , eppp等反應(yīng)過程來研究強(qiáng)相互作用的性質(zhì)。等反應(yīng)過程來研究強(qiáng)相互作用的性質(zhì)。 粒子數(shù)據(jù)組每逢粒子數(shù)據(jù)組每逢雙年更新出版一本雙年更新出版一本Review of Particle Physics，里面全面收集了全世界粒子物理方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)，里面全面收集了全世界粒子物理方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及有關(guān)資料據(jù)及有關(guān)資料。 同時(shí)出版一本把其中主要內(nèi)容集中起來的小本的手冊同時(shí)出版一本把其中主要內(nèi)容集中起來的小本的手冊Particle Physics Booklet。 這兩本資料可以向全世界從事粒子物理工作的同行免這兩本資料可以向全世界從事粒子物理工作的同行免費(fèi)提供，凡需要的人須要個(gè)人直

6、接向粒子數(shù)據(jù)組索要。費(fèi)提供，凡需要的人須要個(gè)人直接向粒子數(shù)據(jù)組索要。 要求學(xué)會使用這本手冊（網(wǎng)頁）！要求學(xué)會使用這本手冊（網(wǎng)頁）！1 TeV = 103 GeV = 106 MeV = 109 KeV = 1012 eV 研究夸克和輕子等粒子的性質(zhì)，需要研究夸克和輕子等粒子的性質(zhì)，需要TeV量級以上能量的對量級以上能量的對撞機(jī)，比如大型強(qiáng)子對撞機(jī)撞機(jī)，比如大型強(qiáng)子對撞機(jī)高能粒子碰撞產(chǎn)生出其它粒子，不穩(wěn)定的中間態(tài)粒子衰變到高能粒子碰撞產(chǎn)生出其它粒子，不穩(wěn)定的中間態(tài)粒子衰變到相對穩(wěn)定的粒子：相對穩(wěn)定的粒子：e e, ,m m, , ,K,K,p,p, , 等，等，

7、與探測器物質(zhì)發(fā)與探測器物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，信號被初步挑選并記錄生反應(yīng)，信號被初步挑選并記錄通過用計(jì)算機(jī)分析碰撞產(chǎn)物可以推測所發(fā)生的物理過程，了通過用計(jì)算機(jī)分析碰撞產(chǎn)物可以推測所發(fā)生的物理過程，了解粒子的組成、性質(zhì)和相互轉(zhuǎn)變機(jī)制解粒子的組成、性質(zhì)和相互轉(zhuǎn)變機(jī)制【例例】LHC上上pp對撞產(chǎn)生對撞產(chǎn)生Higgs粒粒子，子，Higgs可以可以衰變到一對光子衰變到一對光子。在在記錄的數(shù)據(jù)中挑選光子對，重建出記錄的數(shù)據(jù)中挑選光子對，重建出Higgs 過程的不變質(zhì)量分布過程的不變質(zhì)量分布。CMS和和ATLAS實(shí)驗(yàn)用這個(gè)辦法發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)用這個(gè)辦法發(fā)現(xiàn)了被稱為了被稱為“上帝粒子上帝粒子”的的Higgs粒子粒子 標(biāo)準(zhǔn)模型：

8、標(biāo)準(zhǔn)模型：目前描寫基本粒子和相互作用的比較成熟的理論，目前描寫基本粒子和相互作用的比較成熟的理論，包括電弱統(tǒng)一理論和描寫強(qiáng)相互作用的量子色動力學(xué)。包括電弱統(tǒng)一理論和描寫強(qiáng)相互作用的量子色動力學(xué)。局限性局限性測量得到中微子質(zhì)量不為零，與理論不符合不包括引力不能解釋世界為什么只由正物質(zhì)組成不能解釋探測到的物質(zhì)只占宇宙總質(zhì)量的5%有效性有效性2013年希格斯粒子發(fā)現(xiàn)后，預(yù)言的所有粒子已經(jīng)找到！解釋已知世界的大部分現(xiàn)象解決辦法：解決辦法：尋找物理學(xué)新定律和新粒子，候選者包括超對尋找物理學(xué)新定律和新粒子，候選者包括超對稱理論，空間額外維度理論等稱理論，空間額外維度理論等, ,大型強(qiáng)子對撞機(jī)應(yīng)運(yùn)而生大型強(qiáng)

9、子對撞機(jī)應(yīng)運(yùn)而生 27公里環(huán)形質(zhì)子公里環(huán)形質(zhì)子- -質(zhì)子加速器，把質(zhì)子加速器，把質(zhì)子加速到接近光速，質(zhì)子加速到接近光速，每秒每秒40兆次兆次對撞對撞, , 設(shè)計(jì)能量設(shè)計(jì)能量14 TeV ，四個(gè)主要，四個(gè)主要實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：ATLAS, CMS，LHCb, AliceThe LHC accelerator 21 17The LHCb experiment6 Dec 2011 Oxford Department of Physics N.HarnewThe LHC acceleratorProtons bent in a circle under a magnetic field and collid

10、eElectric waves speed particles upppATLASAlice CMSLHCb 高能量前沿高能量前沿ATLAS和和CMS實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)尋找對撞直接產(chǎn)生的新粒子尋找對撞直接產(chǎn)生的新粒子高精度前沿高精度前沿LHCb實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)精確測量圈圖性質(zhì)，探測出現(xiàn)在圈圖精確測量圈圖性質(zhì)，探測出現(xiàn)在圈圖中的中的新粒子新粒子 能探測遠(yuǎn)高于加速器對撞能量的能探測遠(yuǎn)高于加速器對撞能量的新物理新物理 幫助區(qū)分新物理模型，確定耦合常數(shù)和相位幫助區(qū)分新物理模型，確定耦合常數(shù)和相位（Alice實(shí)驗(yàn)是研究重離子碰撞的特別實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)是研究重離子碰撞的特別實(shí)驗(yàn)） ATLAS 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)Higgs粒子的論文粒子的論文

11、3000多個(gè)多個(gè)作者，作者，來自來自34個(gè)國家的個(gè)國家的178個(gè)合作單位。個(gè)合作單位。LHCb國際合作組全家福國際合作組全家福CMS實(shí)驗(yàn)在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程控制室實(shí)驗(yàn)在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的遠(yuǎn)程控制室LHC的一些數(shù)字的一些數(shù)字位于法國、瑞士邊界地下位于法國、瑞士邊界地下100米米費(fèi)時(shí)費(fèi)時(shí)20年年60億瑞士法郎億瑞士法郎80個(gè)國家的個(gè)國家的5000名科學(xué)家名科學(xué)家運(yùn)行時(shí)每天消耗運(yùn)行時(shí)每天消耗10萬美元電費(fèi)萬美元電費(fèi)生逢其時(shí)生逢其時(shí),何其幸何其幸哉！哉！VelocityScalelowhighNewtonianMechanicsEinsteinsRelativityQuantumMechanicsRelati

12、visticQuantumField Theorymacromicro 高速高速 微觀微觀 產(chǎn)生和湮滅產(chǎn)生和湮滅需要相對論和量子場論的基本知識需要相對論和量子場論的基本知識 基本粒子的運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)基本粒子的運(yùn)動學(xué)特點(diǎn)國際單位制（國際單位制（Systm International dUnite, SI) 對描述粒子物對描述粒子物理現(xiàn)象（微觀、高速）很不方便，如：理現(xiàn)象（微觀、高速）很不方便，如： 相對論和量子力學(xué)中出現(xiàn)兩個(gè)相對論和量子力學(xué)中出現(xiàn)兩個(gè)物理學(xué)物理學(xué)常數(shù)：常數(shù)：光速和普朗克常數(shù)光速和普朗克常數(shù) 希望選取一個(gè)單位制，在這個(gè)單位制下上述兩個(gè)常數(shù)希望選取一個(gè)單位制，在這個(gè)單位制下上述兩個(gè)常數(shù) 的值可以比較的值可以比較“簡單簡單” ” 自然單位制自然單位制( (Natural Unites) )。 在自然單位制中，能量和動量有相同單位，時(shí)間和長度有相同單在自然單位制中，能量和動量有相同單位，時(shí)間和長度有相同單位，位，能